1.一种电力系统数据远程监控及控制方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、实时采集电力系统运行过程中的实时电流、电压、设备温度、机械振动数据,通过混合加密算法对初步处理后的数据进行加密,通过基于深度学习的压缩算法对加密后的数据进行压缩,传输至数据处理中心;
S2、数据处理中心对接收的数据进行解压缩和解密,并对数据进行清洗,去除数据中的噪声、异常值和重复数据;
S3、构建卷积神经网络模型,对电流、电压波形数据进行特征学习,提取反映电力系统运行状态的关键特征数据;通过聚类算法,对设备温度、机械振动数据进行聚类分析,识别设备运行状态的异常特征数据;
S4、采用SVM算法,根据特征数据与已知故障类型的对应关系,对电力系统当前运行状态进行故障诊断,利用LSTM对电力系统未来一段时间内的运行数据进行预测;
S5、设定不同级别的预警阈值,当检测到的数据超过相应预警阈值或预测到潜在故障时,根据故障的严重程度和影响范围发出预警信息,并在监控界面上标识故障位置和类型。
2.根据权利要求1所述的电力系统数据远程监控及控制方法,其特征在于,步骤S1中,通过混合加密算法对初步处理后的数据进行加密,具体方法如下:S101、密钥生成:
对称加密密钥生成:随机生成一个长度为 位的对称加密密钥 ,表示为:;其中, 代表生成一个 位的随机数;
非对称加密密钥对生成:采用RSA算法生成非对称加密算法的公钥和私钥;
S102、数据的对称加密:
采集并初步处理的数据为 ,采用AES算法对数据 进行加密;对称加密函数表示为,则加密后的数据 为: ;
S103、对称加密密钥的非对称加密:使用非对称加密算法的公钥 对对称加密密钥 进行加密;非对称加密函数表示为,则加密后的对称加密密钥 为: ;
S104、最终加密数据:
最终用于传输的加密数据 由加密后的数据 和加密后的对称加密密钥 组成,表示为: 。
3.根据权利要求2所述的电力系统数据远程监控及控制方法,其特征在于,步骤S1中,通过基于深度学习的压缩算法对加密后的数据进行压缩,具体方法如下:S111、将加密后的数据 转换为适合深度学习模型输入的数值向量 :;
其中, 是预处理函数,用于将字节序列转换为数值向量;
S112、构建深度学习模型:采用自编码器作为深度学习模型进行数据压缩,包括编码器和解码器两部分;
所述编码器将输入数据 映射到低维潜在空间中的向量 ,实现数据的压缩;所述解码器将潜在空间中的向量 重构为与输入数据 相似的输出 ;
S113、模型训练:使用若干电力设备运行数据进行训练,目标为最小化重构误差,使用MSE作为损失函数:;
其中,是训练数据的数量, 是第 个输入数据, 是第 个重构后的数据;
使用随机梯度下降法更新编码器和解码器的权重和偏置,以最小化损失函数 ;
S114、数据压缩:使用训练好的编码器对加密后的数据 进行压缩,得到潜在空间中的向量 :;
其中, 是训练好的编码器。
4.根据权利要求3所述的电力系统数据远程监控及控制方法,其特征在于,步骤S112中,所述编码器和解码器均由多个神经网络层组成;
编码器共有 层,第 层的输出 的计算方法如下:;
编码器输出潜在空间中的向量: ;
其中, 是第 层的权重矩阵, 是第 层的偏置向量,是激活函数;
解码器共有 层,第 层的输出 的计算方法如下:;
解码器输出 是重构后的数据: ;
其中, 是第 层的权重矩阵, 是第 层的偏置向量。
5.根据权利要求3所述的电力系统数据远程监控及控制方法,其特征在于,步骤S2中,数据处理中心对接收的数据进行解压缩和解密,具体方法如下:S201、数据解压缩:
在接收端,使用训练好的解码器对压缩后的数据 进行解压缩,得到重构后的数据:;
其中, 是训练好的解码器;
将重构后的数据 进行逆预处理,得到解密后的数据 :;
其中, 是逆预处理函数,用于将数值向量转换为字节序列;
S202、对称加密密钥的解密:
接收方使用非对称加密算法的私钥 对加密后的对称加密密钥 进行解密;非对称解密函数表示为 ,则解密后的对称加密密钥 为: ;
S203、数据的解密:
接收方使用解密后的对称加密密钥 对加密后的数据 进行解密;对称解密函数表示为 ,则解密后的数据为: 。
6.根据权利要求1所述的电力系统数据远程监控及控制方法,其特征在于,步骤S3中,提取反映电力系统运行状态的关键特征数据,具体方法如下:S301、将连续采集的电流、电压数据,截取成长度为T的固定时间窗口时序片段,转换为二维矩阵,并进行归一化处理;
S302、构建卷积神经网络模型:
输入层包括:第一卷积层、第二卷积层,两层卷积层的激活函数均选用ReLU;第一卷积层采用小卷积核,步长为1,第二层卷积层采用大卷积核;
采用最大池化对卷积层输出进行降维,池化窗口大小为2×1,步长为2;
将池化后的特征向量展平为一维向量,输入全连接层;
S303、特征学习:
利用卷积核在时序片段上滑动,通过权重共享机制提取局部模式;其中,小卷积核用于捕捉高频噪声、暂态扰动,大卷积核用于捕捉低频趋势、稳态特征;
利用浅层卷积层学习基础特征,包括单个周期内的波形斜率、谐波幅值;利用卷积层通过跨层连接,学习高阶特征,包括多周期波形的畸变模式、电流与电压的相位差;并行搭建不同卷积核尺寸的分支,分别提取不同时间尺度的特征;
S304、特征筛选与融合:
通过L1正则化计算特征重要性分数,筛选出对故障诊断或聚类分析贡献度高的特征,通过通道拼接的方式对电流和电压的特征图进行融合,生成包含电气量耦合关系的复合特征,得到反映电力系统运行状态的关键特征向量。
7.根据权利要求6所述的电力系统数据远程监控及控制方法,其特征在于,步骤S301中,将连续采集的电流、电压波形数据转换为二维矩阵,并进行归一化处理,具体方法如下:S3011、将原始时域电流信号 、电压信号 进行带通滤波:;
;
其中, 为带通滤波器的冲激响应;
S3012、对滤波后的电流信号 、电压信号 进行滑动窗口分割:将滤波后连续的实时电流、电压数据按每秒为时间间隔,截取成长度为T的固定时间窗口时序片段,每个片段对应一个双通道输入样本 ;
窗口长度为N,步长为S,第k个窗口的电流窗口、电压窗口信号为:;
;
S3013、对电流窗口信号、电压窗口信号进行时频特征提取:;
;
其中, 为窗函, 为时间索引,为频率索引, 为傅立叶变化指数形式;
S3014、计算频谱幅值矩阵:
;
;
S3015、频谱幅值矩阵归一化处理:;
;
S3016、构建多通道矩阵:将电流和电压的二维矩阵组合为双通道矩阵:。
8.根据权利要求7所述的电力系统数据远程监控及控制方法,其特征在于,步骤S3中,识别设备运行状态的异常特征数据,具体方法如下:S311、对温度数据和振动数据进行归一化,消除量纲影响;
S312、将每个设备的温度数据和振动数据组合为二维特征向量:;
其中,为设备 的温度值, 为设备 的振动值;
S313、设定聚类数 ,随机选取 个初始聚类中心: ;
计算每个数据点到各聚类中心的欧氏距离,分配至距离最近的簇:;
其中,为数据点 所属簇标签, 为第 次迭代的第 个聚类中心;
根据当前簇内数据点,重新计算聚类中心:;
其中, 为第 个簇的数据点集合, 为该簇数据点数量;
S314、当聚类中心变化小于预设阈值, ,为预设阈值或达到最大迭代次数时,停止迭代;
S315、根据业务经验或历史数据标注簇标签:若簇的温度均值高于正常阈值或振动幅值超出设备运行标准,判定为异常模式簇;另一簇为正常模式簇;
S316、对于新采集的特征向量 ,计算所属簇 :;
其中, 为第 个聚类中心,若 值为异常簇标签,判定设备运行状态异常,记录设备运行状态异常时所采集的异常特征数据;
S317、将关键特征数据与异常特整数据融合为统一的特征数据,得到统一的特征向量:基于关键特征数据 与异常特整数据 尺度差异,对关键特征数据 进行二次归一化,进行特征拼接得到整合特征:;
其中, 表示欧几里得空间的维度,为异常标签的数值编码。
9.根据权利要求8所述的电力系统数据远程监控及控制方法,其特征在于,步骤S4中,对电力系统当前运行状态进行故障诊断,具体方法如下:S401、将步骤S3获取的特征数据按照7:3比例划分为训练集和测试集;
S402、采用径向基核函数构建非线性SVM模型,设置超参数取值范围,使用5折交叉验证,以测试集准确率为评价指标,通过网格搜索确定最优超参数;
S403、将训练集输入到确定好超参数的SVM模型中进行训练,训练完成后,将测试集输入到训练好的SVM模型中,得到每个测试样本的预测故障类型标签;
S404、对于每个测试样本,将预测的故障类型标签与实际的故障类型标签进行对比,若一致,则样本诊断正确,若不一致,则样本诊断错误;统计测试集中诊断正确的样本数量,计算测试集准确率:S405、将处理后的特征数据输入到训练好的SVM模型中,输出对应的故障类型标签。
10.根据权利要求1所述的电力系统数据远程监控及控制方法,其特征在于,步骤S4中,利用LSTM对电力系统未来一段时间内的运行数据进行预测,具体方法如下:S411、将电力系统历史运行数据作为一维时序序列,通过滑动窗口法,按设定的窗口大小和预测步长,把序列转换为输入‑输出对,并对数据进行归一化处理;
S412、搭建LSTM网络,输入层维度依据数据特征设定,隐藏层由多层LSTM单元组成,输出层为全连接层,神经元数量与预测步长对应,通过遗忘门、输入门、输出门和细胞状态更新机制,捕捉数据的长期依赖关系;
S413、以均方误差为损失函数,Adam为优化器,用训练数据对模型进行训练,通过反向传播算法调整模型参数;
S414、将实时采集的数据输入训练好的模型进行预测,并将预测结果逆归一化,还原为原始数据尺度。