基于小波变换的电力系统数据传递一致性分析

郭仁超，舒 彧

(贵州电网有限责任公司，贵州 贵阳 550000)

“十三五”期间，电力行业部门随着我国工业化进程的发展获得了飞速的发展，但是离绿色、节能、环保的要求还有不小的差距[1]。随着电力行业信息化的快速发展，国家电网对电力行业提出了新的标准和要求[2]，通过软件实现电力行业数据的“电子化移交”带来了新的运作机制，也更符合电力信息产业高质量发展的要求[3]。

1 电力企业电子化移交现状及问题

电子化移交是电力行业部门实现营配信息化、数字化、规范化以及系统化管理的重要手段，同时也是全面落实信息化建设发展的重要表现[4]。在电力企业跨系统协同数据传递流程中，数据电子化移交在提升企业信息资源共享水平，提高企业营配管理质量上发挥着至关重要的作用，可以说电子化移交已成为电力企业信息集成系统建设工程与应用方面最为基础，同时也是最重要的工作，它基本上贯穿了电网建设的全生命周期过程[5]。

自电力行业营配一体化数据工程建立之后，数据电子化移交已经发展了很长一段时间，这期间随着行业需求的发展，电子化移交也进行了相应的更新和完善，电子化移交随时间沉淀下来的主要流程有起单、绘图、审核以及发布等4个环节。在日常生产和工作中，电子化移交往往因为系统数据与现场不符合、无法操作等原因，使得电力生产无法正常开展[6]，目前电力行业电子化移交问题在生产和流程操作上主要存在以下几个方面的问题。

(1)无法保证提供的资料符合规范。以设备资料为例，一般是在项目发起工单时作为附件提交给施工单位，但由于施工单位对项目设备资料无法做到完全熟悉，或者由于工期等原因对设备资料并没有完全了解，导致工单到施工单位时造成多次退单修改。这对发起工单的影响是造成绘图环节的重复修改，多次修改则增加了中间文件传递过程出现差错的可能性，使得人力无力耗费大幅增加，影响了电子化移交的进程。

(2)电子化移交流程不明确。目前电子化移交已在电力行业建立了相应的流程及规范，但是并不是每一个电力从业者对电子化移交流程都很明确，有些施工人员只是对施工流程较为熟悉，对电子化移交知之甚少，这种不了解电子化移交流程的情况往往造成工单退单、重走流程，耽误了整个工单的闭环时间。电子化移交流程如图1所示。

图1 电子化移交流程

(3)电子化移交的流程不完善。目前电子化移交虽然已有相应的管理制度进行规范和制约，但是相对来讲仍然不是很完善。项目工单发起和施工方往往因为项目工期、减少退单等原因，有时并不严格按照电子化移交流程执行，而监管方也会出现不能严格审核和把关的情况。

2 跨系统协同流程电子化移交

电子化移交的数据传递主要包括电网工程项目中的营配、资产、GIS、主数据以及财务系统数据等，现就电力企业跨系统协同流程中电子化移交一致性的治理进行分析。

2.1 加强电子移交过程中的细节管理

基于协同数据统一规范处理原则，创建统一的数据命名、数据定义、数据类型、赋值规则等，并以此作为数据一致性检验规则；统一的规则建立后，后续电子化移交过程中的全流程就可以对各个环节进行跟踪，不论是起单还是退单，均可以通过初始的命名进行定位，每一项更改也有其完善的定义规则。在此基础上，完全可建立电子化流程追踪表格制度，在全生命周期内对各个流程进行识别和定位，很明晰地知道当前文件、项目所处的位置和进度，对每一项的更改都在系统内进行记录方便历史查询，知道曾经对其进行了哪些修订。

2.2 制定完善的数据监控和抽检制度

通过常态化的自动化监控工具，将电子化移交和账卡物协同流程涉及的营销、资产、GIS、主数据、财务等系统的业务数据以及SOA服务报文数据进行抽取、清洗、转换、检查，也为数据整改提供指导监督，从而达到数据有效处理、快速解决的作用[7]。将生产数据与营销客户数据全面对应与共享，可以利用应用集成及图形化展现的方式，达到营配数据、业务的贯通，实现故障定位、停电范围分析、线损统计、业扩报装等业务。同时提高整个电子化移交过程中的数据完整性、真实性和准确性，从而提高电子化转移效率。

数字移交自动监控系统的图元组态和单元组态构成了主控模块，而主控模块同时又与数据状态检测、实时图片、综合信息控制、事件记录查看器以及报表系统相通。自动监控系统除了主控模块以外，系统所储存的数据库与主控模块之间通过数据库接口进行通信，终端电力系统智能化设备与主控模块间通过通信接口进行数据传输。数字移交自动监控系统如图2所示。

图2 数字移交自动监控系统

针对自动化监控系统中主控模块从数据库中提取相应数据这一过程，可由主控模块中的特定数据挖掘程序进行特征分析、数据遍历和数据获取[8]。

2.3 做好电子化移交的全局监控

依托先进的科学技术，制定跨系统协同流程数据传递的全局监控制度，电力企业组织专业人员进行移交过程中的全局监控，通过定期或者不定期的检查制度，了解数据传递过程的工作进程，确保电子化移交过程的全面性和及时性，从而不仅可以发现工单逾期、电子资料错误、资料缺陷等问题，也可以通过检查制度明确责任制，通过发现问题、解决问题机制，建立奖惩制度，提高从业人员的责任意识，调动从业人员的积极性。

电子化移交流程全局监控工具将数据传递过程中涉及的各子系统进行串联，通过收集站内各子系统的数据，采用数据采集转换模块形成系统内可识别的数据形式，通过数据传递模块传递至终端并显示。从流程全局监控系统功能可知，该系统主要分为界面显示、报警处理、在线监测、实时监控、数据分析、协议转换6大模块。数字移交全局监控系统如图3所示。

图3 数字移交全局监控系统

3 跨系统协同数据传递准确性研究

跨系统数据传递过程中，电力系统需要传输海量的数据，需要对数据进行压缩后再进行传递。近年来较为流行的是在电力系统数据传输过程中采用多核小波并行的算法进行数据压缩[9]。采用小波变换数据压缩算法的优点是：在程序的时域和频域都具有良好的局部化的性质，在对高频信号进行处理时能够提供更为精确的分解，从而得到大量的高频信息。因此，小波包变换算法在跨系统协同数据传递(多小波)过程中具有无可比拟的优势[10-12]。

多小波的尺度函数和多小波函数需要满足2个尺度矩阵方程组：

(1)

(2)

式中，Hk和Gk为r×r维系数矩阵；r∈N为多小波的维数。多小波快速分解和重构公式为：

(3)

(4)

(5)

式中，n，k∈Z，cj，k=(c1，j，k，…，cr，j，k)，dj，k=(d1，j，k，…，dr，j，k)。

多小波的数据压缩原理为，设置某一尺度j下的阈值为：

ηj=λ×max{|dj(n)|}，n=1，2，…，N/2j

(6)

信号经过J级压缩后重构信号的小波细节为

(7)

其中，j=1，2，…J。

为了便于对数据压缩前后进行比较，定义数据信号压缩比为：

(8)

式中，Nc为数据信号压缩后保留的个数；N为原始数据库中采集样本数。

定义信号重构后的平均误差e；定义信号重构后的均方误差u；定义信号重构后的赋范均方误差enorm。

(9)

以数据库中的低频数据信号220个8字节双精度，高频数据信号19个8字节双精度数据为例，经过数据转换模块后变为256个双字节整数类型和19个双字节整型位置数据，存储空间减少了1 362个字节存储空间。再次将数据进行编码后，低温信号分量需要保存的数据为413个字节，高频分量需要保存数据量为20个字节。经过上述数据处理后压缩比为11.3%，数据处理后的赋范均方误差1.94。

赋范均方误差enorm越小，说明压缩比越小，即数据失真度越小，数据处理后与原始数据一致性越高，数据压缩效果越好。

4 数据传递一致型模型验证

采用多小波的尺度函数和多小波函数模型完成对跨系统协同流程中的传输数据后，需要进行模型验证。在对10万组电力数据进行跨系统传输后，对传输结果进行整理分析，得到传输数据效率对比如图4所示。

图4 传输数据效率对比

首先在跨系统协同流程的数据传输效率上，采用多小波的尺度函数和多小波函数模型的传输时间要优于传统数据的传输方式。从图4中可以看出，随着数据量的增加，采用优化的多小波函数传输模型的优势愈加明显，在传输8万数据组时相对于传统传输时间要提高33%，全部传输过程整体上要提高22%左右。传输数据准确率对比如图5所示。

图5 传输数据准确率对比

从图5可以看出，在传输准确性方面，采用多小波的尺度函数和多小波函数模型的准确率(一致性)一直在99%以上，并不会随着数据传输量的增大而有所差异，反而会略有提高；而对于传统数据传输方式，数据传输一致性随着数据量的增大而下降，优化后的传输模型数据传输一致性总体上提高15%以上。

5 数据传递一致性在电力环保方面的影响

电力营配在各大供电公司中都是一项重要工作，电力营配对于客户的用电大数据有强烈的需求，此外精确的电力营配对于加强能源资源节约利用、增强社会可持续发展能力，建设科学合理的能源利用体系发挥关键效能。近些年来随着大数据挖掘技术，数据传递在电力营配方面发挥着越来越重要的作用。一般地，电力公司用“电能有效利用率”来评价客户的用电节能情况。电能有效利用率计算公式如下：电能有效利用率=一定时期所使用的电量÷一定时间的产值。可发现，电能有效利用率可以在一定程度上反映某企业的电能使用效率。供电公司在电力生产、电力传输、客户电力使用情况方面的数据传递一致性的获取上占据优势，则表示能够在电力数据传递链条上占据了主动地位，从而能够更合理、有优化地配置和使用电力资源，实现能源利用的最优化，间接达到环保的效果。

不同类型的用电企业在电力方面对环境污染、对电能的依赖程度矩阵如图6所示。每一个同心圆的外圆为对环境的污染程度，内圆表示对电能的依赖程度；外圆面积越大对环境污染程度越大，内圆越大表示对电能的依赖程度也越大。可以看出右上角类型的企业对电能需求比例最大，同时对环境的污染程度也越大；而相反的是，左下角类型的企业为低依赖、低污染类型企业。

图6 电力客户电能依赖性/环境污染程度矩阵

供电公司通过数据传递获得的大数据进行分析，很容易获得不同类型的客户在上述矩阵图中对应的类型，然后对客户的“电能依赖程度”和“对环境的污染程度”进行评估，建立指标评价体系，对社会环境评价提供很高的参考价值。

某电力分公司针对某石油化工企业现场调研及数据分析情况，提出并应用了一种非甲烷总烃气体在线监测系统，它属于高温抽取式的一种，系统中的色谱分析仪表采用色谱FID原理进行苯系化合物、非甲烷类总烃等气体进行在线监测和数据分析[13-15]。系统由采样模块、预处理模块、数据分析单元等组成，数据分析总成模块完成数据处理后统一发送至数据协同处理中心，经过大数据分析后形成局部地区的环保数据样本，经过长时间的数据连贯性和一致性累积，可以为该地区的生产环保效能提供参考。此外，某SO2及NOx在线实时监测装置主要针对系统中的环保数据进行监测，这种在线监测设备在脱硫系统中犹如系统的“眼睛”，主要针对不同区域采用不同的环境监测策略，能够低能耗、高效率地对环境进行监控，及时发现污染状况。

此外，数据传递在绿色能源分配方面，曾有面向边缘计算的数据回传的绿色能源分配方法，具体数据传递方法是首先需要建立无线网络传输模型[16]，通过引入数据收集器以及租赁频谱用于传递数据，这些采集的数据从每个中继节点向边缘节点进行传输时，中继节点从数个绿色能源供应者中选择其中一个作为唯一的能量提供者并作为其唯一的节点，对于绿色能量供应者来说，其通过无线网络价格方案作为依据作为确定能量储存价格的依据。采用两阶算法实现网络数据传递商和绿色能源供应者之间的动态平衡，在这个过程中，数据传递扮演着实现在运营商数据网络传递价格确定的情况下绿色能源最佳分配的角色。

通过以上分析可知，不论是在环保在线监测领域，数据监测在线获取环保数据通过一致性传递的过程，还是在绿色能源分配领域，数据在网络运营商和绿色能源供应商之间的传递过程，都能够体现数据传递的一致性在这个过程中发挥的重要作用，以及对环境保护所起到的不可替代的效果。

6 结论

为适应新形势下国家对电力行业高标准发展、高质量的要求，电力企业内基于跨系统协同流程中数据传递一致性，也即电子化移交的准确性是提升企业信息资源共享水平，提高企业营配管理质量上发挥着至关重要的作用。电力行业电子化移交应做好工作流程的管控，制定完善的流程监控制度，运用科学数据处理技术，并加强电子移交过程中的细节管理，为电力企业转型升级奠定良好的信息化管理基础。对数据传输过程中的压缩，数据传输效率以及一致性进行了深入的研究，分析表明采用多小波的尺度函数和多小波函数模型在跨系统的协同数据传递过程中不仅在传输效率上有优势，而且在数据传输准确性方面有很大的提高。

数据传递的治理同时为电力大数据库提供了重要支撑，为电力更加节能环保、绿色发展创造了更加有利的条件。不论是在石油、煤炭传统能源行业，还是在风能、核电、水电等清洁再生能源领域，数据传递一致性都起着非常重要的作用，能够保障数据传递的可靠与准确，以及对制定相应的政策和制度起着关键参考作用。