低壓集抄系統(tǒng)故障定位方法及應(yīng)用研究

劉 鳴

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

1 低壓集抄系統(tǒng)及其應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 低壓集抄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

作為典型的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)，低壓集抄系統(tǒng)能夠充分借助遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)（光纖、5G）實(shí)現(xiàn)大量用戶用電信息的統(tǒng)計(jì)。低壓集抄系統(tǒng)直接給電力用戶提供服務(wù)，涵蓋集中器、上行通信網(wǎng)絡(luò)、下行通信網(wǎng)絡(luò)、采集器以及電能表等部分。電能表借助下行通信網(wǎng)絡(luò)接入到系統(tǒng)中的采集器，然后采集器能夠借助通信網(wǎng)絡(luò)接入集中器，集中器接入系統(tǒng)之后能夠借助上行通信網(wǎng)絡(luò)將采集到的電能表數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊髡鞠到y(tǒng)中[1]。

1.2 低壓集抄系統(tǒng)的功能及應(yīng)用

（1）主站：為主站配備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于計(jì)量自動(dòng)化終端。一般低壓集抄系統(tǒng)涵蓋應(yīng)用服務(wù)器、前置機(jī)以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器3個(gè)主要部分，前置機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)和集中器的直接通信。

（2）Ⅰ型集中器：主要應(yīng)用于電能表和各類采集器的數(shù)據(jù)信息采集，并且能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。作為低壓集抄系統(tǒng)的重要組成部分，還能夠?qū)崿F(xiàn)和主站與手持設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。

（3）Ⅱ型集中器：其主要的通信方式是RS485，能夠進(jìn)行電表數(shù)據(jù)的接收、統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)以及進(jìn)一步分析，另外還能夠和主站之間通過通用分組無線服務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）技術(shù)和碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）技術(shù)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)電能表和集中器之間數(shù)據(jù)與命令的直接轉(zhuǎn)發(fā)。

（4）智能電能表：進(jìn)行正向、反向有功電能計(jì)量及分時(shí)計(jì)量，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的測量和顯示，包括電流、電壓、功率因數(shù)以及功率等，另外具備遠(yuǎn)程拉閘控制功能。

（5）手持掌機(jī)：作為目前低壓集抄系統(tǒng)中的又一關(guān)鍵構(gòu)成部分，能夠在近距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)和采集器、集中器、電能表以及計(jì)算器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。

2 低壓集抄系統(tǒng)常見故障分析

對(duì)于當(dāng)前低壓集抄系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合個(gè)人在低壓集抄系統(tǒng)工作方面的經(jīng)驗(yàn)，能夠發(fā)現(xiàn)目前低壓集抄系統(tǒng)的常見故障主要包括3種類型，分別為區(qū)域故障、集中器故障以及電能表故障。

2.1 區(qū)域故障類型

區(qū)域故障是指某節(jié)點(diǎn)的設(shè)備出線故障，包括上級(jí)節(jié)點(diǎn)設(shè)備以及下節(jié)點(diǎn)設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)故障。另外，某一相同地址下的分屬節(jié)點(diǎn)設(shè)備出現(xiàn)故障的情況也屬于區(qū)域故障。

2.2 集中器故障類型

客戶識(shí)別模塊（Subscriber Identity Module，SIM）卡停止工作、SIM卡安裝不良、上行通道通信模塊故障、上行天線安裝問題、參數(shù)設(shè)置出錯(cuò)、表計(jì)參數(shù)報(bào)錯(cuò)、表計(jì)參數(shù)丟失、電壓相線接觸不良、零線接觸不良、上行和下行通信模塊接觸不良、上行和下行通信模塊故障、周圍大負(fù)荷設(shè)備電磁干擾以及外部電源切斷導(dǎo)致供電中斷等問題均會(huì)引發(fā)集中器故障[2]。

2.3 電能表故障類型

電能表故障類型較多，具體包括電能表檔案不完善（計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)中沒有存儲(chǔ)）、電能表參數(shù)設(shè)置問題、外部電源停止供電、電能表本身故障問題、485故障（端口短路、通信線反接、端口電壓異常）、電壓線接觸不良、零線接線不正確、通信模塊故障（接觸不良、接線錯(cuò)誤、通信模塊不匹配、設(shè)備損壞）以及電表時(shí)間報(bào)錯(cuò)等。

3 低壓集抄系統(tǒng)故障定位技術(shù)與方法

3.1 物理拓?fù)湓\斷方法

為保證正確的戶變關(guān)系，有效提升線路損耗計(jì)算的準(zhǔn)確率和精確度，必須要保證低壓集抄系統(tǒng)規(guī)范方案和實(shí)際物理拓?fù)涞囊恢滦?。為此，低壓集抄系統(tǒng)中需要在運(yùn)行階段和規(guī)劃階段分別建立集中器檔案，進(jìn)而有效、科學(xué)地梳理集中器、臺(tái)區(qū)、采集器以及電能表之間的邏輯隸屬關(guān)系。另外，有效梳理集中器檔案中變壓器與集中器、集中器與電能表的邏輯隸屬關(guān)系，判別其關(guān)聯(lián)關(guān)系是否一致，最終能夠?qū)崿F(xiàn)低壓集抄系統(tǒng)物理拓?fù)涞脑\斷和解析[3]。具體的物理拓?fù)鋺?yīng)用流程如圖1所示。

圖1 壓集抄系統(tǒng)物理拓?fù)湓\斷流程

3.2 深度學(xué)習(xí)故障診斷方法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，深度學(xué)習(xí)借助多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)堆疊，能夠?qū)μ囟ǖ臄?shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出量和輸入量關(guān)聯(lián)關(guān)系的深度挖掘，另外根據(jù)非線性擬合得到數(shù)據(jù)高維特征。低壓集抄系統(tǒng)故障訓(xùn)練中需要充分考慮收集樣本數(shù)據(jù)的經(jīng)濟(jì)性和難度，但其本身樣本受限，若利用傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)診斷模型進(jìn)行處理經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)欠擬合的情況。若采用深度學(xué)習(xí)，借助其強(qiáng)擬合能力，能夠有效規(guī)避傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)不充分的障礙[4]。因此，本文希望引入深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以此提升低壓集抄系統(tǒng)故障診斷、定位以及分析的能力。

基于涌現(xiàn)（Emergence）原理和物理拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)對(duì)訓(xùn)練樣本中各類故障時(shí)間的自動(dòng)生成與歸檔，同時(shí)還能夠利用信息路徑交叉和物理拓?fù)湓韺?shí)現(xiàn)對(duì)不同故障特征的全面分析。信息路徑交叉和物理拓?fù)浔ＷC了深度學(xué)習(xí)能夠有足量的訓(xùn)練樣本，有效降低了對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的依賴性。同時(shí)，充足的訓(xùn)練樣本在深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用也保障了故障診斷的準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)度。

4 低壓集抄系統(tǒng)故障定位系統(tǒng)架構(gòu)及應(yīng)用

4.1 總體系統(tǒng)架構(gòu)

目前，低壓集抄系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛的是電力載波和RS485，因此本文在進(jìn)行低壓集抄系統(tǒng)故障定位裝置的設(shè)計(jì)中預(yù)留了RS485通信接口，同時(shí)能夠直接連接電力載波線，用于采集器、集中器以及電表數(shù)據(jù)的監(jiān)聽和采集，另外將采集到的數(shù)據(jù)和正常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，若發(fā)現(xiàn)異常，則能夠結(jié)合分析得到故障點(diǎn)，在精準(zhǔn)定位的同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障類型判別。

在進(jìn)行信息采集時(shí)，需要保障低壓集抄系統(tǒng)中的通信通道和相關(guān)故障定位裝置之間互不干擾，從而有效解決集抄系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和故障定位裝置之間的相關(guān)性與適配性問題，另外還能夠保障數(shù)據(jù)傳輸通道之間不同數(shù)據(jù)的有效隔離，實(shí)現(xiàn)低壓集抄系統(tǒng)和故障定位裝置之間的功能配合、數(shù)據(jù)交互與通信[5]。

低壓集抄系統(tǒng)和故障定位裝置之間的通信采用4G網(wǎng)絡(luò)，目前也開始引入5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。集中器和電能表之間的通信可以采用微功率無線通信、寬帶載波通信以及窄帶載波通信等。本文提出的故障定位裝置還配備了多種通信接口，從而能夠有效保障和不同通信設(shè)備、通信方式之間的兼容性，另外本文提出的低壓集抄故障定位系統(tǒng)還指出故障數(shù)據(jù)和系統(tǒng)檔案的導(dǎo)入。

4.2 低壓集抄系統(tǒng)的在線故障診斷方法

本文基于深度學(xué)習(xí)和融合拓?fù)浣馕鎏岢龅脑诰€故障系統(tǒng)診斷模型框架如圖2所示。

圖2 低壓集抄系統(tǒng)在線故障診斷模型框架

步驟1：對(duì)運(yùn)行集中器檔案和低壓集抄系統(tǒng)規(guī)劃文件進(jìn)行調(diào)取，同時(shí)對(duì)集中器與變壓器、集中器與電能表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行校核，從而實(shí)現(xiàn)物理拓?fù)湓诰€分析以更新系統(tǒng)信息。

步驟2：對(duì)在線信息流動(dòng)路徑和集抄系統(tǒng)物理拓?fù)溥M(jìn)行實(shí)時(shí)更新，在離線狀態(tài)下還能夠生成訓(xùn)練樣本集，為深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供樣本集。

步驟3：低壓集抄系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主站用戶用電狀態(tài)、電能表狀態(tài)、鏈路監(jiān)聽狀態(tài)以及現(xiàn)場設(shè)備通信狀態(tài)的實(shí)時(shí)觀測，利用這些數(shù)據(jù)構(gòu)建系統(tǒng)故障斷面特征向量X。

步驟4：系統(tǒng)故障斷面特征向量X能夠經(jīng)過傳輸，輸入至系統(tǒng)故障診斷模型中，輸出系統(tǒng)故障位置信息；

步驟5：運(yùn)維人員記錄本次故障情況，整理生成故障日志。

5 結(jié) 論

低壓集抄系統(tǒng)運(yùn)維不斷得到重視，本文也主要基于低壓集抄系統(tǒng)運(yùn)維現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，指出故障定位難題。結(jié)合前人研究經(jīng)驗(yàn)和個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)低壓集抄系統(tǒng)故障問題進(jìn)行了詳細(xì)解析。引入物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和深度學(xué)習(xí)模型，構(gòu)建了基于深度學(xué)習(xí)和物理拓?fù)涞牡蛪杭收隙ㄎ幌到y(tǒng)，同時(shí)就該系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行了分析。