大數(shù)據(jù)分析在變電站通信網(wǎng)絡(luò)故障診斷中的應(yīng)用

陳興東，白云海

（國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司超高壓分公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜。傳統(tǒng)的故障診斷方法已經(jīng)難以滿(mǎn)足現(xiàn)代電力通信網(wǎng)絡(luò)的需求。在此背景下，文章旨在探討如何運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)解決變電站通信網(wǎng)絡(luò)的故障診斷問(wèn)題。深入分析電力通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和現(xiàn)存問(wèn)題，詳細(xì)介紹一套基于大數(shù)據(jù)分析的診斷流程，包括數(shù)據(jù)采集、特征工程、模型建立以及模型部署等。此外，文章提出一種結(jié)合關(guān)聯(lián)規(guī)則和機(jī)器學(xué)習(xí)的大數(shù)據(jù)算法，用于通信網(wǎng)絡(luò)的故障診斷測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，大數(shù)據(jù)分析方法通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)故障的快速準(zhǔn)確定位，從而有效提升變電運(yùn)維水平，促進(jìn)智能電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 變電站通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

1.1 通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

電力通信網(wǎng)絡(luò)是支撐高壓變電站運(yùn)維的關(guān)鍵基礎(chǔ)。500 kV 變電站作為電力系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)，其通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性尤為重要[1-2]。在通信網(wǎng)絡(luò)組成中，有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部分以光纜和銅纜等傳輸介質(zhì)為主，配合高性能的路由器和交換機(jī)，確保大量數(shù)據(jù)和控制信息能夠快速準(zhǔn)確地傳遞。隨著業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)和新技術(shù)的應(yīng)用，變電站的通信網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性也隨之增加，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)提出了更高的要求。

1.2 目前存在的問(wèn)題

目前，電力通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維面臨著多方面的問(wèn)題。首先，由于網(wǎng)絡(luò)中集成大量異構(gòu)設(shè)備，包括不同廠(chǎng)商、不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備管理的復(fù)雜性大幅增加，設(shè)備間的兼容性和統(tǒng)一診斷成為難題。其次，分布式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)導(dǎo)致信息采集和管理變得更加困難，尤其是在廣泛分布的500 kV 變電站中，設(shè)備的遠(yuǎn)距離分布使得實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速響應(yīng)變得更加復(fù)雜。面對(duì)海量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，日志和性能統(tǒng)計(jì)等故障診斷方法效率極低，且容易誤判。最后，傳統(tǒng)依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)的故障診斷方法無(wú)法迅速響應(yīng)故障處理需求，這在緊急情況下會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果[3]。因此，迫切需要新的技術(shù)手段增強(qiáng)電力通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維能力，尤其是在高壓變電站。

2 基于大數(shù)據(jù)分析的故障診斷流程

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以高效管理和分析來(lái)自電力通信網(wǎng)絡(luò)的海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障的快速準(zhǔn)確判斷。文章設(shè)計(jì)的診斷流程如圖1 所示，主要包括數(shù)據(jù)采集、特征工程、模型訓(xùn)練以及模型部署等步驟，進(jìn)而形成自動(dòng)化、智能化的故障診斷系統(tǒng)。

圖1 基于大數(shù)據(jù)分析的通用故障診斷流程

2.1 數(shù)據(jù)采集

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和業(yè)務(wù)系統(tǒng)中部署數(shù)據(jù)采集軟件程序，負(fù)責(zé)搜集網(wǎng)絡(luò)中的流數(shù)據(jù)和日志數(shù)據(jù)。此外，利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭配傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)[3-4]。利用邊緣計(jì)算技術(shù)，在數(shù)據(jù)源進(jìn)行初步的預(yù)處理，減輕中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，并降低數(shù)據(jù)傳輸延遲。同時(shí)，采用高級(jí)數(shù)據(jù)同步和對(duì)齊技術(shù)，如時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)湖，來(lái)統(tǒng)一管理來(lái)自不同來(lái)源與不同格式的數(shù)據(jù)，并為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供了完整的原始數(shù)據(jù)。通過(guò)這些技術(shù)確保數(shù)據(jù)采集的全面性和實(shí)時(shí)性，為故障的快速準(zhǔn)確診斷奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 特征工程

為確保數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，需要提取這些數(shù)據(jù)特征。首先，使用信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)特征分離，如使用小波變換來(lái)分離出有用信息。其次，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析通過(guò)復(fù)雜的算法如圖數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，來(lái)揭示數(shù)據(jù)間深層次的聯(lián)系，數(shù)據(jù)聚合利用分布式計(jì)算框架，來(lái)高效處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集[5]。最后，可以通過(guò)多源特征融合技術(shù)整合來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)，提供更全面的特征表示。特征工程能夠減少數(shù)據(jù)中的噪聲和異常，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的相關(guān)性和表達(dá)能力，為后續(xù)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型提供規(guī)整化和質(zhì)量更高的數(shù)據(jù)集。

2.3 模型訓(xùn)練

面向提取的數(shù)據(jù)特征集合，文章采用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)訓(xùn)練故障診斷的分類(lèi)，如支持向量機(jī)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[6]。為進(jìn)一步提升模型的效果，可以采用自動(dòng)化的特征學(xué)習(xí)技術(shù)，如自編碼器和生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)，在不需要手動(dòng)設(shè)計(jì)特征的情況下，自動(dòng)提取有用的特征。此外，在訓(xùn)練過(guò)程中，使用超參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，如貝葉斯優(yōu)化，來(lái)自動(dòng)選擇最優(yōu)的模型參數(shù)，提高模型的性能和泛化能力。通過(guò)這些技術(shù)的應(yīng)用，診斷模型能夠準(zhǔn)確區(qū)分正常運(yùn)行狀態(tài)與潛在的故障狀態(tài)，從而提升故障診斷的準(zhǔn)確性和效率。

2.4 模型部署

模型訓(xùn)練完成后，使用容器化技術(shù)如Docker 和Kubernetes 進(jìn)行快速部署[7]。為處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，文章采用流處理平臺(tái)如Apache Kafka Streams 或Apache Storm，確保模型能夠及時(shí)接收并分析數(shù)據(jù)。模型在部署后將不斷地對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)分析，并利用復(fù)雜事件處理技術(shù)和自定義的業(yè)務(wù)規(guī)則引擎來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)決策能力。當(dāng)模型預(yù)測(cè)出潛在故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即通過(guò)集成的報(bào)警和通知機(jī)制，如自動(dòng)短信、電子郵件或者集成到監(jiān)控儀表盤(pán)上的警報(bào)，來(lái)通知技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)。因此，故障診斷模型能夠加快故障響應(yīng)和解決速度，最大限度地減少潛在的業(yè)務(wù)中斷。

3 方法實(shí)例及測(cè)試

3.1 方法實(shí)例

為展示大數(shù)據(jù)分析在通信網(wǎng)絡(luò)故障診斷中的應(yīng)用效果，文章提出一種基于關(guān)聯(lián)規(guī)則算法和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的診斷算法。首先，從通信網(wǎng)絡(luò)中收集運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)，形成一個(gè)數(shù)據(jù)集D={d1,d2,…,dn}，其中di代表第i個(gè)樣本，n為樣數(shù)。每個(gè)樣本包括一組特征X和一個(gè)標(biāo)簽y。數(shù)據(jù)采集完成后進(jìn)行初步的預(yù)處理，先處理數(shù)據(jù)集中的缺失值，接著通過(guò)插值的方式填補(bǔ)。隨后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將特征值映射到[0,1]區(qū)間，歸一化公式為

式中：min(·)表示最小值函數(shù)；max(·)表示最大值函數(shù)；x表示當(dāng)前特征；X表示特征集；x'表示歸一化后的當(dāng)前特征。接下來(lái)，通過(guò)計(jì)算支持度進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則分析。如果一個(gè)規(guī)則A→B滿(mǎn)足該置信度閾值，則認(rèn)為它有效。關(guān)聯(lián)規(guī)則的置信度計(jì)算可以表示為

式中：P(·)表示規(guī)則的置信度，即在A 發(fā)生的情況下B 發(fā)生的條件概率；A→B表示一個(gè)關(guān)聯(lián)規(guī)則，表示當(dāng)事件A（包含A中的每個(gè)項(xiàng)）發(fā)生時(shí)，事件B（包含B中的每個(gè)項(xiàng)）也隨之發(fā)生的模式；supp(A∪B)表示事件A和事件B同時(shí)發(fā)生的次數(shù)與總事務(wù)數(shù)的比例；supp(B)表示事件B發(fā)生的次數(shù)與總事務(wù)數(shù)的比例。在特征選擇階段，從生成的關(guān)聯(lián)規(guī)則中選擇置信度較高的規(guī)則前件，形成特征子集，用于模型訓(xùn)練。模型訓(xùn)練采用支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，在特征子集F上訓(xùn)練故障預(yù)測(cè)模型。支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）的目標(biāo)函數(shù)為

式中：L表示損失函數(shù)；w表示模型參數(shù)；C表示正則化參數(shù)；n表示樣本總數(shù)；Fi表示第i個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的特征量；yi表示第i個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽；b表示模型參數(shù)。最后，在故障預(yù)測(cè)階段，提取測(cè)試數(shù)據(jù)特征子集，并將其輸入訓(xùn)練好的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，以判斷通信網(wǎng)絡(luò)是否存在故障。

3.2 測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)收集包含故障數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量和鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)集，并且按照80%訓(xùn)練集和20%測(cè)試集的比例進(jìn)行數(shù)據(jù)劃分。隨后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并設(shè)定合適的支持度和置信度閾值，生成頻繁項(xiàng)集和關(guān)聯(lián)規(guī)則。在這些規(guī)則中，選擇與故障相關(guān)性較高的規(guī)則作為特征，用于后續(xù)的故障預(yù)測(cè)。接著，使用支持向量機(jī)模型對(duì)這些特征進(jìn)行訓(xùn)練，并進(jìn)行故障預(yù)測(cè)?；€(xiàn)方法不使用關(guān)聯(lián)規(guī)則，利用基線(xiàn)方法和文章設(shè)計(jì)方法進(jìn)行故障診斷測(cè)試，并對(duì)比測(cè)試結(jié)果。具體測(cè)試結(jié)果如表1 所示。表1 結(jié)果表明，關(guān)聯(lián)規(guī)則和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在提高通信網(wǎng)絡(luò)故障診斷精度和效率方面的有效性，提升變電站通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維水平。

表1 故障診斷測(cè)試結(jié)果

3.3 性能分析

在描述了大數(shù)據(jù)算法的通用流程并對(duì)特定算法進(jìn)行測(cè)試后，總結(jié)了大數(shù)據(jù)分析在通信網(wǎng)絡(luò)故障診斷領(lǐng)域的性能優(yōu)勢(shì)，具體如下。一是自動(dòng)化程度高?；诖髷?shù)據(jù)分析的診斷算法能夠自動(dòng)識(shí)別常見(jiàn)的故障模式和異常情況。例如，通過(guò)預(yù)設(shè)的故障模式和指標(biāo)閾值，系統(tǒng)可自動(dòng)觸發(fā)相應(yīng)的診斷程序，以快速定位問(wèn)題。這種自動(dòng)化處理減少了人工干預(yù)的需求，提高了故障診斷的效率和響應(yīng)速度。二是故障識(shí)別能力強(qiáng)。機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以從歷史故障數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到復(fù)雜的模式和關(guān)聯(lián)關(guān)系，這些關(guān)系可能超出人工經(jīng)驗(yàn)和直觀理解的范圍。通過(guò)訓(xùn)練，模型能預(yù)測(cè)和識(shí)別未知的、未見(jiàn)過(guò)的故障模式，從而實(shí)現(xiàn)智能預(yù)測(cè)和診斷。例如，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)流的行為時(shí)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)模型來(lái)分析異常數(shù)據(jù)與歷史故障數(shù)據(jù)中的特征相似性，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在故障的預(yù)警。三是自適應(yīng)能力強(qiáng)。隨著通信網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)和變化，新設(shè)備和技術(shù)的加入會(huì)帶來(lái)新的數(shù)據(jù)特征和故障模式。大數(shù)據(jù)分析方法能夠自主適應(yīng)這些變化。

4 結(jié) 論

文章探討大數(shù)據(jù)技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)故障診斷中的應(yīng)用，提出了一個(gè)通用診斷流程。該流程整合了數(shù)據(jù)采集、特征工程、模型訓(xùn)練和模型部署等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)自動(dòng)化和智能化技術(shù)顯著提高故障判斷的速度和準(zhǔn)確性。未來(lái)的工作考慮將該模型應(yīng)用于實(shí)際工程場(chǎng)景，驗(yàn)證并優(yōu)化其泛化能力，以促進(jìn)智能電網(wǎng)的發(fā)展。