基于数据挖掘算法的命令票可视化快速成票系统设计

邱丹骅，蔡新雷，吴龙腾，梁升洪，黎嘉明

（1.广东电网调度控制中心，广东广州 510600；2.肇庆供电局电力调度控制中心，广东肇庆 526201）

由于通用性差、用户可维护性差、功能单一、图形用户界面不友好等缺点，传统的命令票成票系统整体应用效果较差，当网络结构、设备配置、操作规划、操作术语发生变化时，无法根据相关协议进行自适应调整，进而对系统进行维护和管理，如文献[1]方法。因此，需要提出一种新的命令票成票系统，使其可以同时满足不同主线、操作任务和运行方式的要求；具有可视化功能，帮助用户实时跟进系统运行情况；以错误提示和在线帮助功能，减少用户查找错误的时间，提高工作效率，该文提出了基于数据挖掘算法的命令票可视化快速成票系统。系统硬件部分主要实现了数据的管理和存储，以及界面图形的编辑，系统软件部分则利用数据挖掘算法寻找网络拓扑图中存在关联的设备，并建立邻接矩阵，得到相对应的命令票操作任务，对关联设备进行一次操作和二次保护，由此构建了命令票成票系统。

1 系统总架构

变电站命令票可视化快速成票系统主要由配置管理模块、设备管理模块、流程管理模块和典型命令票管理模块四部分组成[2-3]，将可视化技术和可编译技术引入其中[4]，实现电力系统的革新。设置好可编辑的逻辑模型后，也要考虑到可能发生的突发情况，预留一定的系统处理能力。在电力系统中，命令票录入人员需要将详细的变电站属性信息、一次操作结果和二次保护压板等信息设置完毕，成票系统就可以在倒闸操作的基础上进行情况分析、快速处理，最终得到一份完整的命令票。

根据变电站命令票的管理规定，生成的命令票需要经过审核、复审和核对最终成票[5]，确保命令票内容的准确性，防止出现意外。在这三个环节中，任意环节都可对命令票进行修改操作，得到新的命令票，但会有记录显示，以防后期出现错误时可以及时找到个人。在该文设计的成票系统中，加入了数据库模块，可在此模块中对命令票进行存储、扭转、添加/删除和查看属性信息等操作。

2 电网网络及命令票操作拓扑表示

与以往的电网表示方法（图1（a））不同，该文用节点来表示变电站中的元件[6]（如断路器、隔离开关和变压器等），以各个元件之间的连接线作为支路，以此构成网络拓扑图（图1（b））。图1（b）中，拓扑图中的节点表示线段的顶点，而连接节点的线段，则表示拓扑图的边。

图1 电气主接线图

图1 中，倒闸操作就是将电气设备从电力系统中接入或断开[7]。例如，假设要将电气设备L1与系统断开连接，那么L1就会在电网络中以孤立的状态存在，由此也会产生一个孤立的节点T1。在图中，对所有与T1 存在联系的顶点进行挖掘，将所有与T1 存在联系的电气设备找出来，断开其与T1 的连线。整个过程即是电气设备的断开过程。

2.1 一次操作确定

经过倒闸操作，可以改变电气主接线图的拓扑结构，但是该文主要是收集各个电气设备之间存在何种联系，邻接矩阵是一种很好的描述方法[8]。

2.1.1 邻接矩阵形成

用图1（b）中拓扑图的顶点表示电网网络中的电气设备，来构建邻接矩阵，将电网网络中各个设备之间存在的联系以及设备各自的特性和运行状态作进一步分析，并存储在计算机系统中。

假设图中的顶点数为v，那么邻接矩阵D=(dij)就是一个v×v的方阵。由于图1 属于无向图，则D=(dij)为一个对称矩阵，在计算机中只需保留其下三角部分即可。在邻接矩阵中，式（1）表示设备i与设备j之间存在的联系：

式（2）表示设备i与设备j之间没有存在联系：

式（3）表示设备i的特征和运行状态：

其中，[]表示字符型变量。

2.1.2 邻接矩阵搜索

命令票中包含了操作设备的具体编号和操作的具体内容等信息。当用户录入一个新的命令票操作内容[9]，系统会遍历整个邻接矩阵，将有关的设备提取出来，记录这些设备的具体编号和执行操作前后的状态信息。该文采用的是广度优先搜索法遍历邻接矩阵，从中提取了一小部分的网络拓扑图邻接矩阵，如式（4）所示：

从式（4）中可以看出，矩阵中的主对角元素d11、d22、d33、dni，分别对应于电网网络中的设备B、A、C、D。假设设备B 与设备C 属于可操作设备，如刀闸、开关等设备；而设备A 和设备D 属于不可操作设备，如母线、变压器等设备。矩阵中“+”表示该设备正在运行中，“-”则表示该设备在停机状态下。

假设操作任务是将设备A 断开连接，也就是将设备A 与系统中所有联系断开，遍历电网中，将所有与设备A 存在联系的设备找出来，并在邻接矩阵的下三角部分将与设备A 存在联系的非对角元素找出来。首先，检索出dij=1，查看对角元素dii，即设备B 与设备A 是否存在关系。由于设备B 是可操作设备，且此时正处于运行状态下，则直接将设备B 的操作内容和操作属性记录并存储下来；检索出dki=1，查看对角元素dkk，由于设备C此时正处于停机状态[10]，所以可不作考虑；检索出dhj，查看对角元素dhh，由于设备D 属于不可操作设备，且此时正处于运行状态下，所以按照上述方法继续遍历矩阵，检索除了设备A 以外其他与设备D 有关系的设备，找到正在运行且可操作的设备，将这些设备的操作内容和操作属性记录下来。直到矩阵中所有与设备A 有联系的设备都被记录为止。

假设操作任务是将设备A 接入到系统中，其遍历过程与上述操作相差不大，只需在查看对角元素时，将可操作且正处于停机状态作为记录条件即可。

2.2 二次操作生成

设备运行一次后，考虑到需要增加自动装置压板，此处采用二次保护。二次保护是控制保护和自动装置压板的投入和退出。没有具体要求。操作顺序和操作内容可根据用户习惯进行更改。这也是各地订票制度不能统一的重要因素之一[11]。

在变电站中，大多数的保护装置和自动装置都是通过压板来控制开关，实现开关的分合闸。同一开关可由多个保护装置控制，同一保护装置也可同时控制多个开关。然而，每个保护装置和开关之间的精确控制是通过一个特定的压板来实现的。

将变电站中开关与保护装置之间的关联用拓扑图的形式来表达[12]。那么节点表示的是保护装置，边表示的是开关，压板则用对应边的权值来表示。保护装置与开关之间的关系矩阵如表1 所示。

表1 保护与开关之间的关系矩阵

其中，+a1表示的是压板LP1 经过保护1 跳开关1，且此时正处于运行状态下。+a2以此类推。

对于变电站的二次操作，可以用生产类型的关联规则来描述[13]。在描述之前，我们需要了解二次操作的原则规则和各个区域的习惯规则，并将它们存储在系统的数据库中。一次操作确定设备后，可根据具体操作内容和结果建立设备的保护开关关联矩阵，激活数据库中相应的规则，从而得到操作任务下的二次操作[14]。

3 系统应用环境优化

3.1 系统硬件部分结构

根据命令票系统的工作内容和需实现的功能，系统硬件部分主要以Web 服务器、数据库管理服务器和各级调度模块组成。不同调度模块的用户只需通过Web 服务器填写命令票操作内容并存储在服务器中即可，其他调度模块的用户登录即可查看。系统硬件部分结构图如图2 所示。

图2 系统硬件部分结构图

3.2 数据库系统设计

在命令票成票系统中，数据库起到了非常重要的作用。在该文中，允许数据库存在少量的信息冗余[15-16]，便于每次访问都能得到查找的信息，避免多次访问。在设计数据库时，考虑到数据库的存储功能，将其分为命令票存储库、基础数据库和用户信息管理库，系统结构如图3 所示。

图3 数据库系统结构

图3 中，采用了安全系数极高的SQL SERVER 2000 商用数据库，使用C#语言进行编辑开发，与.net控件相结合，使软件部分开发空间变得更大，实现的功能也越多。同时，对于存储的命令票，该数据库还具备自动编号功能，对所有命令票按照统一格式进行编号整理，便于后期查找，可以及时设置安全校验规则。

至此，完成基于数据挖掘算法的命令票可视化快速成票系统应用环境优化。安全校验流程图如图4 所示。

图4 安全校验流程图

4 系统性能测试

4.1 测试环境及测试计划

为了验证该文设计的命令票成票系统的有效性，及时发现系统中的不足与缺陷，将该成票系统应用在某地变电站调度系统中，与传统方法（文献[1]方法）进行对比测试。

4.2 系统吞吐量对比

吞吐量是衡量一个系统在同时处理多个事务时的处理效率，将该文设计的成票系统与传统方法（文献[1]方法）在吞吐量方面进行对比。在同一实验环境下，实验内容为下达相同的操作任务，对比二者的成票速率，实验结果如图5 所示。

由图5 吞吐量变化曲线可知，在相同的实验环境下，处理数量相同的操作任务，该文方法的吞吐量曲线远远超过传统方法，并在系统运行140 s 后达到550 Mb/s 并逐渐平稳，实现了较快的成票效率，可保证长时间内有效地处理多种突发问题。

图5 三种方法吞吐量对比

5 结论

该文在数据挖掘算法的基础上，利用邻接矩阵将电网络中各个设备的联系直观展示出来，设计并实现了命令票可视化快速成票系统，实现了全图形操作和可视化，为各地区命令票成票系统的统一奠定了坚实的基础，降低了维护难度以及操作难度。