基于数据挖掘的电力数据调度传输方法

广东电网有限责任公司广州供电局 梁雪青 杜舒明 刘超 赵小凡

为提高电力数据的调度传输速率,引入数据挖掘技术,开展对其传输方法的设计研究。通过基于数据挖掘构建数据传输模型、电力数据传输流向调度模拟、生成电力数据传输方案,提出一种全新的调度传输方法。通过将其与基于SDN技术的传输方法应用到相同的电网环境当中证明,新的传输方法电力数据调度传输速率得到明显提高。

0 引言

电力数据调度网是当前电网结构当中十分重要的组成部分,该网络结构的应用能够为电网调度的自动化发展提供更加可靠的基础条件。在电网运行过程中,其质量直接受到电力数据网中各类数据的调度传输影响。因此,针对电力数据调度网当中的传输问题,已经成为该领域研究人员重点关注的问题之一[1]。当前电力调度数据网的规模得到了进一步扩大,相应承受的业务量也逐渐增加,其在整个电力系统当中的日常运行维护与管理作用逐渐凸显。现有的调度传输方法已经无法满足当前规模不断扩大的网络结构,并在实际应用中逐渐出现了传输效率低、传输质量差、传输安全性低等问题,严重威胁着电力企业未来的可持续发展。因此,针对这一问题,本文结合数据挖掘技术,开展对电力数据调度网中传输方法的设计研究。

1 电力数据调度传输方法设计

1.1 基于数据挖掘构建数据传输模型

将电力数据传输环境模拟为一个多个节点和链路构成的网络结构,节点可作为电网的上位机结构或用于对电力数据进行通信传输的控制处理机。节点主要负责完成对各个数据包的发送,将其传输到另一个节点上,其中发送节点为起始节点,接收节点为目的节点[2]。在对数据传输模型构建前,还需要利用数据挖掘技术,对电力数据调度传输进行动态描述,通过对电网环境当中的海量电力数据进行数据挖掘得出。假设节点产生新数据时的概率为λ,得出在某一节点i上,其缓存区域在某一时刻当中存储的数据包量应为:

公式(1)中,Li(t)表示为某一节点i在某一时刻t的存储电力数据包量;Li(t-1)表示为下一时刻的存储电力数据包量;x ji(t)表示为在某一时刻t从相邻节点j到该节点i之间传输的电力数据包量;Ki表示为在特定传输时间当中,节点i能够完成转发的电力数据包数量。根据上述公式,实现对电力数据包的挖掘。在此基础上,通过利用数据包拥塞率实现对数据传输堵塞情况的量化,从而完成对数据传输模型的构建[3]。数据包拥塞率的表达式为:

公式(2)中,η表示数据包的拥塞率;t0表示电力数据传输起始时刻;N表示电网当中电力数据传输节点个数;L i(Ts)表示完成电力数据传输时某一节点i的缓存区域当中剩余的数据包数量表示某一节点i在时刻t产生的电力数据包量。将上述公式(2)作为数据传输的模型,将该模型应用到电力系统运行环境当中,针对生产现场以及各级电力设备运行过程中产生的数据信息进行采集,并形成具备一定规模且结构统一的数据仓库,并在模型结构的基础上,集中向各业务模块提供信息和数据服务。同时,本文构建的基于数据挖掘构建数据传输模型也可作为各个业务模块之间电力数据交换的场所以及数据总线。通过基于数据挖掘构建数据传输模型的运算,实现对不同业务模块在进行电力数据传输过程中的数据包拥塞率的计算,并以此实现对电力数据在电网传输通道当中拥塞程度的直观评价,从而为后续数据传输方案的制定提供调度依据。

1.2 电力数据传输流向调度模拟及传输方案生成

由于在电力行业当中,二次安防对于安全区域有着十分严格的定义,位于不同安全区域中的数据在进行相互访问时会受到一定限制。因此,为实现对电力数据调度传输,还需要对电力数据的传输流向进行模拟调度,并根据得出的模拟结果,判断调度传输是否具备安全条件和要求。在确定调度模拟结果为安全事件后,再生成相应的传输方案,从而实现对安全区域的综合部署。根据电力数据在电网当中的传输方向,以及网络层次的划分,针对电力数据的传输流向进行调度模拟。针对电力数据的传输方向进行模拟,采用已知电力数据包量的起始节点和目标节点,在明确核心层中节点个数、骨干层中节点个数后,以垂直信息流作为传输模型,对电力数据传输流向调度进行模拟[4]。在模拟的过程中电网当中各个电力数据包的起始节点与目的节点都应当满足如下条件:电力数据包的起始节点应当在接入层当中,电力数据包的目的节点应当在核心层当中或电力数据包的起始节点应当在核心层当中,目的节点在接入层当中[5]。在满足上述条件后,进一步得出随机信息传输的调度方式任意电力数据包的起始节点和目的节点应当满足如下条件:

公式(3)中,PSNi表示为电力数据包i的起始节点;PDNi表示为电力数据包i的目的节点;H表示为电网核心层节点集合;G表示为电网骨干层节点集合;J表示为电网接入层节点集合。在模拟的初期阶段,所有的传输节点在缓存区域当中都会产生一定数量的电力数据包。在模拟开始后,在单位时间当中电力数据传输节点会以固定的概率生成全新的电力数据包,并根据该电网的实际规模以及传输内容,将缓存区域当中的数据包发送到与之相邻的节点上,完成对电力数据传输流向调度模拟。

完成对电力数据传输流向调度模拟后,结合上述基于数据挖掘的数据传输模型,对各个调度流向模式下的电力数据包传输拥塞率进行计算,并通过计算结果之间的比较,得出传输拥塞率最低的一组调度流向模式。根据该调度流向模式,将其电网环境中各个层次结构的电力数据通过顺序作为传输顺序,初步完成对传输方案中流程的设计。为了进一步提高电力数据在调度传输过程中的安全性,还需要在传输方案当中增加安全防护的内容。在防护过程中,首先需要遵循安全分区、数据传输专用、横向隔离以及纵向认证的基本防护原则。在对安全区域进行划分时,应当根据电力数据的类型进行划分,原则上应当划分为生产控制区域和管理信息区域两部分。为实现进一步细化分区,还可根据电力系统在运行过程中各项业务的特点以及电力系统在运行过程中对其自身造成的影响程度进行分区,确保电力系统中的所有电力数据都能够被分配到相应的安全分区当中,从而实现对各项电力数据调度传输的重点保护。假设在某一电力企业当中包含两个安全分区,分别为I区和II区,而I区和II区需要进行电力数据调度传输,则需要通过电力专用的安全隔离模块对传输环境以外的区域进行隔离,同时,针对安全I区当中的电力数据,在传输时需要结合电力数据专用的正向物理隔离设备将电力数据同步到安全II区,以此实现两个区域之间的电力数据调度传输。其次,在对厂站与厂站之间的电力数据进行传输时,需要通过纵向加密认证的方式,在将电力数据输入到传输环境前,需要结合对称或非对称加密算法对电力数据进行加密处理,并由发送方保留加密密钥和私钥,由接收方保留加密私钥。在传输过程中由发送方进行加密,当加密的数据传输到接收方时,由接收方通过私钥对其进行解密处理,最终得到电力数据。通过这样的传输方案能够进一步提高电力数据在传输过程中的安全性,从而确保电力企业隐私数据不会被非法攻击者攻击,实现安全传输。

将其汇总生成最终的电力数据传输方案。

2 对比实验

通过本文上述论述,实现对传输方法的理论设计,为了进一步验证该方法的实际应用效果,并实现对数据挖掘技术在这一领域中的应用验证,选择以某电力企业作为依托,针对该企业现有的电力系统,引入本文提出的传输方法,实现对其电力数据的调度传输。为了确保最终得出的实验结果具有可比性,选择将基于SDN技术的传输方法同时应用到该实验环境当中,完成对比实验。在该电力网络结构当中选择5个数据传输通道,并分别对其进行编号为TD001、TD002、TD003、TD004和TD005。在五个传输通道当中,分别完成一次利用本文传输方法的电力数据调度传输和一次利用基于SDN技术的传输方法的电力数据调度传输。在利用本文提出的传输方法进行对上述选择的电力企业进行电力数据调度传输时:(1)基于本文上述内容,构建基于数据挖掘构建数据传输模型,计算实验过程中缓存区域当中存储的数据包量;(2)再对电力数据在传输过程中的数据包拥塞率进行计算;(3)按照该电力企业的数据传输形式,对电力数据传输流向调度进行模拟;(4)生成传输方案,按照该方案完成电力数据调度传输。在利用基于SDN技术的传输方法时,首先结合SDN技术对电力数据传输的可靠性模型进行构建,其次选择可靠性更高的功能链,最后,在基于弹性故障恢复与保护机制对数据调度传输并为其提供保护。按照上述流程,完成两种传输方法的电力数据调度传输后,为了方便对两种传输方法应用效果的检验,本文选择将传输速率作为评价指标,电力数据的传输速率计算公式为:

公式(4)中,V表示为电力数据在电网通道中的传输速率;W表示为每个通道当中传输的电力数据传输量;δ表示为在电力网络当中数据传输的波特率;t表示为每个传输通道当中电力数据的传输时间;N表示为电力数据在传输过程中的有效离散值。按照上述公式(4)在确保数据传输波特率、数据传输离散值等参数均相同的情况下,记录两种传输方法的电力数据传输速率,并将其计算结果绘制如表1所示。

表1 两种传输方法电力数据调度传输速率Tab.1 Power data dispatching transmission rate of two transmission methods

结合实验及得出的实验数据可以看出,本文提出的传输方法在应用到实际电力系统当中,可确保电网中电力数据的调度传输速率在10.00Mbit/s以上,而基于SDN技术的传输方法其电力数据的调度传输速率仅在1.00Mbits～Mbit/s范围内。因此,通过上述实验进一步证明,本文提出的传输方法应用到实际能够有效提高电力数据的传输速率,加快电力企业的智能化发展。

3 结语

电能是人们日常生活和工作生产中不可或缺的能源之一,电力的生产和传输过程中都会产生大量的数据资源,为了实现对电力数据利用价值的进一步提升,本文在结合数据挖掘技术的基础上,对电力数据调度传输方法进行设计研究。通过本文研究,在构建基于数据挖掘构建数据传输模型的基础上,提出一种全新的传输方法。将本文提出的传输方法应用到实际还可以通过采用数据包拥塞率的方式实现对电力网络信息拥塞程度的量化,从而为调度传输提供更加可靠的调度依据。但由于研究能力有限,在研究过程中仍然存在某些方面的问题,例如,在对调度传输方法进行设计时没有考虑到未来电网规模的发展需要,因此当前调度传输方法还无法适用于电力系统数据量急剧增加的情况下对数据的调度。因此,在今后的研究中,还将针对这一问题进行更加深入研究,并生成更加完备的传输方案,实现对电力数据的高效利用,促进电力企业的运行与发展。

引用

[1] 唐强.一种基于广电传输网络的Wi-Fi电力数据采集的方法和设计[J].电子技术与软件工程,2020(24):13-14.

[2] 王艳,孙名扬,张琦兵,等.考虑电力数据传输失效的通信路由优化及协调调度[J].电网与清洁能源,2021,37(7):34-43.

[3] 黄安妮,郑俊明,凌涵钧.基于SDN技术的电力数据中心传输时延测试研究[J].电网与清洁能源,2020,36(4):60-65.

[4] 李文芳,徐伟刚,乔惠.计量库房电力数据网调度传输特性分析[J].中国新通信,2021,23(4):98-99.

[5] 杨坦,蔡志杰.基于非侵入式负荷监测与分解的电力数据挖掘[J].数学建模及其应用,2018,7(4):30-36+48.