吴元忠，林 菁，王国平

(1.福建省电力有限公司泉州技能研究院，福建 泉州 362000；2.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100192)

0 引言

根据集成的定义，变电站安全信息集成就是将一些孤立的信息通过融合或聚类的方式，改变初始分散的状态，将分散安全信息集中在一起，并利用各个信息之间的内部逻辑关系，构成一个有机整体[1]。变电站安全信息集成主要针对的是变电站运行信息、设备信息和继电保护信息等，根据整个流程实现变电站安全信息的集成与调度。要满足在日益激烈的市场竞争中提高运行效率的要求，迫切需要建立一体化的变电站安全信息执行层控制系统，实现变电站安全信息的可控和实时管理。

与传统的变电站安全信息运行模式相比，变电站安全信息集成具有周期短和效率高的特点。收集国内外的相关研究文献和资料，发现现阶段发展得较为成熟的变电站安全信息集成系统包括基于遗传算法的集成系统、基于TOC理论的集成系统以及基于Web仓储技术的集成系统。然而传统的变电站安全信息集成系统在实际的应用工作中，在集成功能和应用性能方面都存在一定的缺陷。为此，本文通过数据挖掘技术的应用，实现对变电站安全信息集成嵌入式系统的优化设计，间接地提升变电站的工作效率。

1 变电站安全信息集成嵌入式硬件系统设计

基于数据挖掘的变电站安全信息集成嵌入式系统为保证电网安全稳定运行，需要全面地掌握变电站设备的运行状态，并提供前提条件。该系统硬件主要由变电站安全信息智能采集器、集成处理器、集成存储器和A/D转换等组成。图1为该集成系统总体结构。

图1 总体结构

1.1 变电站安全信息智能采集器

采用32位高速ARM单片机构成的数据采集模块。采集器按程序设定的采集周期采集各个通道的数据，存储后通过GPRS传输到监控中心[2]。系统选择的变电站安全信息智能采集器的基本结构如图2所示。

图2 数据采集器组成结构

1.2 集成处理器

选取ARMCortexTM-M4型处理器作为变电站安全信息集成系统的数据处理器，该处理器的内核是哈佛体系结构，以3条运行线为基础[3]。

1.3 变电站安全信息集成存储器

根据变电站安全信息集成运行程序的要求，分别设计变电站运行信息、设备信息、继电保护信息的写控电路，以及存储阵列和读控电路，通过专用软件将FPGA所需的组态变电站安全信息并入组态存储器的变电站安全信息存储矩阵中，编写了软件和变电站安全信息处理控制方案，共同实现了FPGA组态文件的配置变电站安全信息读控电路[4]。

1.4 系统电路设计

1.4.1 变电站安全信息写入控制电路

主控变电站安全信息写入的主体结构，控制电路在不同状态下产生所需测试的时钟和控制信号工作测试接入端口控制器，再由指令解码器接收到指令寄存器，解码指令用于控制和操作边界寄存器，实现各种功能操作边界扫描[5]。并根据IEEE1532协议，结合Flash阵列的特点和电气特性，设计了相应的编程方案。该装置通过JTAG接口实现对内置处理器和系统的逻辑控制，读取、记录和擦除应用于变电站安全信息存储电路的时间信号，实现系统程序的编码。

1.4.2 电源模块电路

变电站安全信息集成嵌入式硬件系统中的各个元件需要稳定的电路支持。电压为3.3 V和8.0 V。在系统中，核心电压为1.8 V，锁相环电压为3.3 V，具体的电源电路连接情况如图3所示。

图3 系统电源电路

5.0 V系统电源通过稳压片后，分别输出电压为3.3 V和1.8 V，稳压片采用SPX1117系列，具有800 mA电流驱动能力。

1.4.3 时钟发生电路

时钟发生电路的作用是向系统各部件外部提供钟表运行信号。选择30 MHz的有源晶振作为外部时钟源，为DSP芯片和其他外部设备提供运行时钟信号[6]。

1.4.4 复位与初始化电路

变电站安全信息集成嵌入式系统中的上电复位电路设计结果如图4所示。

图4 系统复位电路

图4中的复位电路与单片机相连，当单片机上相应的引脚检测到信号时，就会自动恢复。初始化方案的主要功能是在完成功率转换后，设备自动工作芯片中指定的地址，并将变电站安全信息存储在存储阵列中，读入信息存储区[7]。在FPGA仪器中将OE/RESET引脚连接到INIT引脚后，自动读取存储阵列中的第1个地址信息，以获得输出变电站安全信息，较低的输出电平可以保持在原始状态。

2 变电站安全信息集成嵌入式系统数据库设计

系统数据库是系统开发工作中的重要环节，数据库是系统软件功能运行的数据根基，直接影响变电站安全信息集成嵌入式系统软件功能的实现效果。数据库设计的最终目的是实现系统实时产生数据的高效管理与存储[8]。根据运行工作中涉及的各个工艺流程和设备，确定数据库的物理模型，如图5所示。

图5 系统数据库物理模型

图5中显示的数据库中，变电站安全信息路线数据表设计结果如表1所示。

表1 智能变电站安全信息路线数据表

根据表1的获取流程，可以得出数据库中物料和计划等变电站安全信息集成嵌入式系统数据库表。最终按照图5中表示的各个数据库表之间的关系形成链接，实现数据库中数据的动态更新。

3 变电站安全信息集成嵌入式系统软件功能设计

3.1 利用数据挖掘技术收集实时变电站安全信息

根据数据挖掘技术原理，变电站安全信息实时数据收集的过程就是利用关联规则进行频繁项集合采集的过程。在智能变电站安全信息运行环境中，定义任意一个数据项均为候选项集的集合C1中的元素，扫描数据库并利用式(1)得到C1中各元素的支持度。

(1)

c(X∪Y)为运行事务X和Y同时出现概率值；|D|为关联规则挖掘的数据集。设置最小支持度阈值为η，在C1中选择支持度不小于η的项集组成频繁项集的集合，记为L1，同理可以得频繁项集合L2。根据生成的关联规则将其裁剪得到压缩过后的C3；之后再一次遍历数据库，并得到C3中各元素的支持度[9]；在C3中挑选支持度不小于η的项集组成频繁项集的集合L3；最后对L3进行自连接，以数据包的形式输出变电站安全信息频繁项集的挖掘结果。

3.2 实时变电站安全信息聚类

将挖掘的实时变电站安全信息作为输入对象，记为X。在初始变电站安全信息中随机选取k个初始聚类中心，利用式(2)衡量数据集合中任意数据与聚类中之间的距离。

(2)

按照式(2)计算输入数据对象中所有安全信息点与k个聚类中心的距离，并通过比对式(2)的计算结果，将xi分配到离它最近的聚类中心所代表的类中。更新聚类簇中心，将新的聚类中心表示为

(3)

Cj为第j个聚类簇；nj为Cj聚类簇中所包含的变电站安全信息点数量；xm为Cj中的第m个点[10]。通过多次聚类与迭代，当变电站安全信息的聚类中心不再发生变化时，输出聚类结果为

(4)

变量xi和cj分别为初始变电站安全信息中的第i个样本和Cj的中心。

3.3 实现变电站安全信息集成

3.3.1 变电站安全运行跟踪

处理变电站安全运行跟踪最重要的部分是区分处理开始、处理结束、处理中断和返回处理等关键状态转换时刻点，从而判断当前处理状态。变电站在运行过程中，随着节点坐标值的实时变化，主轴功率曲线的形状也在随着运行过程而变化，并可通过一些人工输入信息推断出设备的当前运行状态，其变化规律为

(5)

g(w)为w个连续点形成的当前运行轨迹形态；Λψ和δψ分别为功率曲线的形态和人工输入信息；G[N,e(l,f)]为实际运行轨迹；Pκ和Cκ分别为前一时刻与当前时刻的安全运行状态信息。利用各种状态信息的变化特征，可对每一个关键点作出具体的判断规则，确定目标的跟踪过程中，最重要的是判断是否存在异常节点，并与判断规则进行匹配比对，以实现连续跟踪。

3.3.2 变电站安全信息集成调控

按照变电站运行所需信息的重要程度排序所有的信息。然而在实际的调控过程中，会出现加急处理异常或缺少信息数据的情况，此时需要结合变电站安全信息实时运行数据进行集成调度处理，变电站安全信息调度的最终目的是将设备所需信息平稳地分配给每一台设备，以保证在一定的指标集内完成变电站安全信息安排[11]。将变电站安全信息计划分为：计划分工制、设备与安装信息分成制和日计划分成制。计划分配结构，分为2个层次，能够加强整个计划系统对运行波动的反应能力，当变电站安全信息计划或现场控制发生较大变化时，能够使运行随外部环境变化而保持相对稳定，从而在一定程度上提高变电站信息计划的可执行性。定义环境中的任意一个变电站信息t的运行时间为

(6)

W(i,j)和M(k,x)均为任意一个变电站信息子任务完成所需要的时间；Nm和Nr为变电站信息初始队列中的排序。当满足变电站信息调度的启动条件时，为了保证作用总完成时间的最小化，可以得出变电站信息调度的目标函数为

(7)

υ为变电站安全信息子任务数量。在式(7)的驱动下，按照图6流程完成变电站安全信息的调度。

图6 变电站信息集成调控流程

在实际的智能变电站信息调控过程中，根据运行计划制定变电站信息调度计划，通过运行控制模块分配具体运行任务。定期将工艺或设备情况输入远程计算机，远程计算机将工件或设备情况发送给控制模块[12]。在发生设备故障等突发事件时，修正变电站安全信息计划与实际情况的偏差。

4 系统测试

以测试设计的基于数据挖掘的变电站安全信息集成嵌入式系统的集成功能和应用性能为目的，设计系统测试实验。

4.1 系统测试环境

以某110 kV变电站作为实验场所，在不影响变电站正常运行工作的前提下，安装并配置计算机以及其他硬件设备，实现硬件系统测试环境的搭建。在系统开发中，要求编程语言能够支持动态数据的挖掘与运行。结合目前市面上各种编程语言的运行特征，最终选择Microsoft Visual Basic 6.0 作为系统的开发工具。系统测试中使用的操作系统可以分为基本操作系统和网络操作系统2个部分，为了保证数据之间的格式统一，2个操作系统均选择Widows NT。另外，由于设计的变电站安全信息集成嵌入式系统应用了数据挖掘技术，该技术提取关联规则环节需要调用大量的历史数据，中小型数据库无法满足数据挖掘技术的运行要求，因此在系统测试实验中统一后台数据库的运行环境。最终按照运行原理连接硬件设备，并配置软件运行环境的相关参数，保证设计变电站安全信息集成嵌入式系统的软件功能程序能够在实验环境中正常运行。

4.2 准备变电站安全信息样本

分别从历史变电站安全信息和实时变电站安全信息2个方面准备实验数据样本，其中历史变电站安全信息的主要来源是变电站的数据管理系统以及相关档案。利用扫描仪设备将纸质运行数据转换成电子版，并保证历史变电站安全信息的格式相同。将硬件设备安装在变电站的相关设备上，通过实时数据的采集，得出实时变电站安全信息的准备结果。将准备的数据样本按照时间顺序进行排序，并以数据包的形式存储到系统数据库中，为变电站安全信息集成功能的运行提供数据支持。

4.3 设置系统测试指标与对比项

根据系统测试目的，分别设置集成度、变电站安全信息调度时间作为实验的2个量化测试指标，其中集成度是系统整体划分出子系统的复合程度，集成度量化指标标记为ϖ，该指标的取值区间为[0,1]，取值越大证明集成度越高，需处理的变电站安全信息量越少。而变电站安全信息调度时间为系统应用性能的量化测试指标，可以通过调取主测计算机后台的相关运行数据直接得出测试结果。

4.4 系统测试过程与结果分析

为了体现出本文设计的变电站安全信息集成嵌入式系统的功能与应用优势，设置文献[1]提出的干散货码头散货变电站安全信息智能控制系统和文献[4]提出的多载具自动化变电站安全信息调度集成系统作为实验的2个对比系统，以相同的方式将3个集成系统进行编码，并导入到配置好的系统环境中。通过实时变电站安全信息的采集与运行，得出变电站安全信息集成运行结果。

通过相关数据的统计，得出最终的系统测试结果如表2所示。

表2 系统测试结果数据表

从表2中可以看出，3个集成系统的平均集成度指标分别为0.86、0.90和0.97，即本文系统的变电站安全信息集成度更高。从应用性能方面可知，3个系统的应用变电站安全信息的平均完成时间分别为1.88 min、1.60 min和1.22 min。由此可见，通过本文系统的应用，完成变电站安全信息调度的速度更快，证明本文系统的应用性能更优。

5 结束语

变电站安全信息集成嵌入式系统对于保证变电站的稳定运行具有重要的研究意义，能够在一定程度上降低运行中的操作误差，提高变电站安全信息运行效率。从系统测试结果中可以看出，通过数据挖掘技术的应用，能够从功能和性能2个方面提升集成系统的价值。然而由于数据挖掘技术的应用，提升了对系统运行环境的要求，尤其是存储空间，增加了硬件方面的投入成本，针对这一问题还需要在今后的研究工作中进一步完善。