基于边缘计算的变电站风险预警管控系统设计_庄莉.pdf

www.ChinaAET.comComputer Technology and Its Applications计算机技术与应用基于边缘计算的变电站风险预警管控系统设计*庄莉1，刘宝升2，王秋琳1，吕君玉1，陈桂良1（1.福建亿榕信息技术有限公司，福建 福州 350001；2.国家电网有限公司，北京 100031）摘 要：为实现变电站风险预警的实多维度管控，设计基于边缘计算的变电站风险预警管控系统。感知层通过物联网设备采集变电站设备的运行相关数据，利用边缘设备和外部设备之间的通信传送数据至边缘层；边缘层接收数据后，通过通信协议解析该数据，完成数据的一致性，包装云服务下行数据传送至云计算层；云计算层利用云计算计算和分析变电站设备数据并传送至应用层；应用层采用支持向量机算法建立风险预警机制划分风险数据的属性、获取预警值，在此基础上，通过 Logistic 回归风险预测模型预测预警值对应的风险情况，得出故障发生概率完成变电站风险预警，同时将预警结果呈现在可视化界面，并由控制通道管控相应的风险预警。测试结果显示：系统的通信抖动结果均在 15 ms 以下，能够实现风险概率的计算，获取变电站各类风险预警数量，具备良好的工作能效，能多维度实现变电站风险预警管控。关键词：边缘计算；变电站；风险预警管控；风险预警机制；数据解析；预警值中图分类号：TP273 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.222968中文引用格式：庄莉，刘宝升，王秋琳，等.基于边缘计算的变电站风险预警管控系统设计J.电子技术应用，2023，49(4)：92-97.英文引用格式：Zhuang Li，Liu Baosheng，Wang Qiulin，et al.Design of substation risk early warning and control system based on edge calculationJ.Application of Electronic Technique，2023，49(4)：92-97.Design of substation risk early warning and control system based on edge calculationZhuang Li1，Liu Baosheng2，Wang Qiulin1，Lv Junyu1，Chen Guiliang1(1.Fujian YiRong Information Technology Co.，Ltd.，Fuzhou 350001，China；2.State Grid Co.，Ltd.，Beijing 100031，China)Abstract：In order to realize real-time and multi-dimensional control of substation risk early warning,a substation risk early warning and control system based on edge computing is designed.The sensing layer collects the operation data of substation equipment through the Internet of Things equipment,and transmits the data to the edge layer through the communication between edge equipment and external equipment.After receiving data,edge layer parses the data through the communication protocol to complete data consistency,and packages cloud services downstream data sending to the cloud computing layer.The layer uses cloud computing to compute and analyze substation equipment data and transmit it to the application layer.The application layer adopts support vector machine(SVM)algorithm to establish a risk early warning mechanism,divide the risk data attribute,and obtain warning value.Based on this,the risk situation corresponding to the early warning value is predicted by the logistic regression risk prediction model,and the probability of failure is obtained to complete the substation risk warning.Meanwhile,the early warning results are presented on the visual interface,and the corresponding risk warning is controlled and controlled by the control channel.The test results show that the communication jitter results of the system are all below 15 ms,which can realize the calculation of risk probability,obtain the number of various risk warnings of the substation,have good work energy efficiency,and realize the multi-dimensional risk warning and control of the substation.Key words：edge calculation；substation；risk warning and control；risk warning mechanism；data analysis；the early warning value0 引言电力系统中用于完成电力能源接收和分配的场所称为变电站1，由一类和二类设备组成其可完成电网中电压和电流的变换，按照电压的等级对其分类，可将其分为四类。由于变电站的结构较为复杂2，因此电力企*基金项目：福建亿榕信息技术有限公司科技项目（52680021N01T00K0000000）92Computer Technology and Its Applications计算机技术与应用电子技术应用 2023年 第49卷 第4期业在对变电站实行管理过程中，为保证变电站的运行安全，安全监控则是主要手段3。并且变电站在安全管控过程中存在突发性、未知性，因此，导致对变电站风险因素的变动趋势掌控存在一定不足，其风险预警则产生一定的不确定性4。边缘计算是一种能够提供最近端服务的技术，其可在边缘侧发起应用程序，实现网络服务的快速相应，满足业务的实时、智能应用以及安全保护等需求。周敬嵩等人5和杨至元等人6针对变电站安全管控过程中存在的问题，分别对变电站的安全管控实行分析后，基于移动式红外测温、基于 Cyber-net 与学习算法分别研究变电站的安全管控方法。上述方法在管控过程中，仅在变电站设备温度预警、故障预警方面具备较好效果，但是无法完成微小风险的提前预防，实现多维度风险预警。因此，本文设计基于边缘计算的变电站风险预警管控系统，结合边缘计算和云计算的优势，实现变电站风险预警管控。1 变电站风险预警管控系统1.1 系统总体结构本文系统在设计时，以实现变电站多维度风险预警为目的，并保证系统对于风险预警的响应速度、数据的处理能力以及预警的实时性，同时能够在线实现变电站的精细化控制，实现变电站的风险预警管控7。因此，系统以边缘计算技术为主，结合物联网技术，实现两个技术的优势结合和互补。系统整体架构如图 1 所示。结合变电站风险预警管控的需求和特点，所设计的系统分为 5 个层次，分别为感知层、边缘层、网络层、元计算层以及应用层。感知层通过物联网设备感知变电站设备的运行情况，采集其运行相关数据，利用边缘设备和外部设备之间的通信将数据传送至边缘层8；边缘层接收数据后，边缘设备依据通信协议完成数据的解析，以此保证数据的一致性，同时实现云服务下行数据的包装，将其传送至云计算层，利用云计算完成变电站设备数据计算和分析；应用层接收云计算层的计算和分析后，采用支持向量机算法完成风险预警机制的建立，完成风险数据的属性划分获取预警值。在此基础上，通过 Logistic 回归风险预测模型预测预警值对应的风险情况，得出故障发生概率9，完成变电站风险预警，同时预警结果可在显示界面呈现，并由控制通道实现相应的风险预警管控。(1)感知层：该层包含各类物联网设备，如智能控制器、智能开关以及各类检测仪等。该层的主要作用是实时感知设备的运行状态、反馈设备信息，完成变电站设备运行数据的采集，为系统对于变电站风险预警管控提供数据依据。(2)边缘层：该层主要由数据传输单元、网关、边缘服务器等设备组成，主要完成感知层采集数据的分类存储，其通过边缘设备完成该数据的解析10，其主要依据通信协议完成，其目的是检查数据的一致性，完成数据的清洗、转换等处理。除此之外，该层可实现云服务下行数据的包装，对数据中的无效和缺失数据实行处理，保证系统快速完成变电站设备相应。(3)网络层：该层是边缘层和云计算层之间的连接层，该连接主要通过 5G、以太网以及 Modbus、websocket等通信协议实现，保证变电站设备数据的实时11、安全传输。(4)云计算层：该层中主要包含云计算服务器、数据存储服务器、Wed 服务器等，通过上述设别完成边缘层设备的连接，使数据传送通畅，并依据云计算的对于大数据的计算优势完成变电站设备数据计算和分析12。该层中设有各类接口，用于完成系统运行过程中数据查询、安全认证等业务的实行。(5)应用层：该层主要完成变电站风险预警和管控，其接收云计算层的计算和分析后的数据结果，采用支持向量机算法完成风险预警机制的建立，完成风险数据的属性划分获取预警值；通过 Logistic 回归风险预测模型预测预警值对应的风险情况，得出故障发生概率，完成变电站风险预警，同时预警结果可在显示界面呈现13，由控制通道实现相应的风险预警管控。除此之外，该层依据身份认证结果，开放相应权限，为用户提供相应的服务，用户在权限范围内可进行相应的数据查询，保证变电站风险管控的实时性、可靠性。图 1系统总体架构93Computer Technology and Its Applications计算机技术与应用www.ChinaAET.com1.2 系统硬件设计1.2.1 变电站数据采集硬件结构系统在实行变电站风险预警管控过程中，需获取变电站设备的运行状态数据信息，感知层则通过各类物联网设备完成，结合系统的应用需求以及系统的应用场景，完成变电站设备数据的采集，并将边缘设备和外部设备之间的通信作为采集数据的通信，同时可对采集设备实行控制，保证其实处于稳定、安全的采集状态14。数据采集硬件结构如图 2 所示。数据采集单元设有两个接口，分别是云计算接口和数据预处理接口，实现该单元和其他功能模块之间的协调。除此之外，采集的变电站设备数据