基于關(guān)聯(lián)分析的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余動(dòng)態(tài)校驗(yàn)系統(tǒng)

俞佳鶯

(上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，質(zhì)量管理處，上海 201411)

0 引言

智能電網(wǎng)可以促使電網(wǎng)信息數(shù)字化，通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化，幫助電網(wǎng)管理人員管理電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，降低電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理難度。但是，電網(wǎng)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)重復(fù)傳輸同一個(gè)數(shù)據(jù)，保留多個(gè)相同數(shù)據(jù)副本等現(xiàn)象，影響電網(wǎng)管理人員及時(shí)調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。為此，國(guó)內(nèi)外對(duì)數(shù)據(jù)傳輸冗余校驗(yàn)進(jìn)行了研究，例如，郭經(jīng)紅等[1]基于輸電設(shè)備生產(chǎn)管理已經(jīng)具備了從數(shù)字化，可視化向智能化邁進(jìn)的基礎(chǔ)，結(jié)合輸電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)建設(shè)的具體需求，研究了適用于輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的傳輸冗余校驗(yàn)方法，并給出了通信系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)方案；冷喜武等[2]為了支撐設(shè)備監(jiān)控與運(yùn)維的數(shù)據(jù)分析與決策，方便對(duì)各級(jí)調(diào)控主站及廠站數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取，并及時(shí)應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)、復(fù)雜變化的電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境，對(duì)數(shù)據(jù)規(guī)范、數(shù)據(jù)集及混合計(jì)算技術(shù)進(jìn)行分析，最后研究出了基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸冗余校驗(yàn)方法；Lu Qiang等[3]考慮到城市電力數(shù)據(jù)復(fù)雜性和數(shù)據(jù)量的不斷增加使電力管理者對(duì)供電形勢(shì)的理解和分析產(chǎn)生了嚴(yán)重阻礙，為改變這一局面，其設(shè)計(jì)了一種基于電力數(shù)據(jù)進(jìn)行交互式分析系統(tǒng)，以降低了解傳輸冗余數(shù)據(jù)的難度。盡管諸多學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了研究，但是上述技術(shù)存在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余存在較高的誤判率，運(yùn)行速度較為低下的問(wèn)題，不利于對(duì)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余進(jìn)行分析和處理[4]。

為了解決上述問(wèn)題，本文將關(guān)聯(lián)分析技術(shù)[5-6]引入智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余檢測(cè)領(lǐng)域，利用關(guān)聯(lián)分析技術(shù)，分析冗余數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，關(guān)聯(lián)分析技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)存在于大量數(shù)據(jù)集中的關(guān)聯(lián)性或相關(guān)性，從而對(duì)一個(gè)事物中某些屬性同時(shí)出現(xiàn)的規(guī)律和模式進(jìn)行描述，具有強(qiáng)大的分析能力，有利于提高數(shù)據(jù)傳輸冗余動(dòng)態(tài)校驗(yàn)正確率和速度。設(shè)計(jì)基于關(guān)聯(lián)分析的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余動(dòng)態(tài)校驗(yàn)系統(tǒng)的軟件和硬件，以完成對(duì)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)。最后經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明本文系統(tǒng)的有效性。

1 智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余動(dòng)態(tài)校驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)時(shí)間控制系統(tǒng)硬件框架

考慮系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)時(shí)需要采集智能電網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，設(shè)計(jì)此次研究的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余動(dòng)態(tài)校驗(yàn)系統(tǒng)硬件框架，如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)校驗(yàn)系統(tǒng)硬件框架

由圖1可以看出，此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件主要可以分為2個(gè)部分：智能電網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。其中數(shù)據(jù)傳輸模塊為合并單元，主要負(fù)責(zé)整合數(shù)據(jù)采集模塊中的USB-6211數(shù)據(jù)采集卡，采集智能電網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，并將整合的數(shù)據(jù)信息傳遞給系統(tǒng)軟件，以檢測(cè)冗余數(shù)據(jù)。

此外，標(biāo)準(zhǔn)源通道指的是對(duì)智能電網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)挠布ǖ繹7-8]。其可以在系統(tǒng)進(jìn)行智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸之前將數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中等待軟件校驗(yàn)，避免由于干擾，導(dǎo)致在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯(cuò)誤的問(wèn)題[9-11]。而且從上述分析可以看出，此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要硬件為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊硬件和合并單元模塊硬件2部分。

1.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊硬件

設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊利用多個(gè)USB-6211數(shù)據(jù)采集卡以對(duì)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄠€(gè)路徑進(jìn)行同步采樣[12]。但是，為降低采集到的數(shù)據(jù)合并難度和數(shù)據(jù)冗余動(dòng)態(tài)校驗(yàn)難度，多個(gè)USB-6211數(shù)據(jù)采集卡的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)自同一時(shí)鐘信號(hào)源，其智能電網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)同步采集示意圖，如圖2所示。

圖2 智能電網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)同步采集

1.3 設(shè)計(jì)系統(tǒng)合并單元模塊硬件

由于設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了多個(gè)USB-6211數(shù)據(jù)采集卡，極易出現(xiàn)系統(tǒng)本身導(dǎo)致的數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題，為此，設(shè)計(jì)合并單元模塊，整合多個(gè)USB-6211數(shù)據(jù)采集卡，采集智能電網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，其模塊組成如圖3所示。

圖3 合并單元模塊組成

從圖3可以看出，此次設(shè)計(jì)的合并單元模塊硬件，能夠控制多個(gè)USB-6211數(shù)據(jù)采集卡。該硬件在采集信息時(shí)使用同一個(gè)電路和時(shí)鐘，且每秒都會(huì)向合并單元發(fā)送脈沖時(shí)鐘信號(hào)，以保證數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)工作。當(dāng)合并單元接收到智能電網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)傳遞至系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，讓所有數(shù)據(jù)按照設(shè)定的通信協(xié)議組成數(shù)據(jù)集，傳遞給系統(tǒng)軟件以動(dòng)態(tài)校驗(yàn)數(shù)據(jù)冗余情況。

2 基于關(guān)聯(lián)分析的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余動(dòng)態(tài)校驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還需要完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。此次采用關(guān)聯(lián)分析技術(shù)確定智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中存在的冗余數(shù)據(jù)規(guī)則，并根據(jù)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)IP屬性計(jì)算并對(duì)比所有數(shù)據(jù)的重要屬性，判斷數(shù)據(jù)重要屬性的相近度，再設(shè)定相近度的值區(qū)間，作為數(shù)據(jù)冗余的判斷依據(jù)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)將相近度的值區(qū)間設(shè)定為[0,1]。屬性越相近的2個(gè)其相近度的值越大[13-14]。其中，0代表2個(gè)數(shù)據(jù)之間完全不相同，不屬于冗余數(shù)據(jù)；1代表2個(gè)數(shù)據(jù)完全相同，屬于冗余數(shù)據(jù)。根據(jù)上述分析，智能電網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)重要屬性相近度規(guī)則運(yùn)算流程如圖4所示。

由圖4可以確定智能電網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)重要屬性相近度規(guī)則如下。

圖4 數(shù)據(jù)重要屬性相近度規(guī)則運(yùn)算流程

1.智能電網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)IP地址相近度規(guī)則定義。目前智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)IP地址主要由4部分構(gòu)成，所以需要分別對(duì)IP地址的各部分進(jìn)行計(jì)算，從而得到IP地址的總體相似度。為此，假設(shè)第i條部分?jǐn)?shù)據(jù)的相近度為ai；IP地址中每一部分的相近度為s(ai}；IP地址總相近度為s(IP}；則有式(1)。

(1)

3 系統(tǒng)測(cè)試

為證明此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，將采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)不同系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。此次系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，選擇某區(qū)域變電站的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)作為此次實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，選擇Windows XP驅(qū)動(dòng)，作為此次軟件實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境。并將設(shè)計(jì)系統(tǒng)，記為A系統(tǒng)；文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]中出現(xiàn)的系統(tǒng)記為B系統(tǒng)和C系統(tǒng)，從而對(duì)比3組系統(tǒng)的可靠性。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

此次實(shí)驗(yàn)選擇的變電站選擇智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式，具有較高的可靠性、較低的建設(shè)費(fèi)用和較快的傳輸效率，其原理是多頻率搬移、頻率分割，促使智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多路通信。基于此次實(shí)驗(yàn)選擇的Windows XP實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境

3.2 智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余動(dòng)態(tài)校驗(yàn)誤判率對(duì)比

利用設(shè)置的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行第一組實(shí)驗(yàn)，對(duì)比3組系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸冗余誤判率。將此次智能電網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集合的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，設(shè)為10×103、20×103、30×103、40×103、50×103、60×103、70×103、80×103、90×103、10×104，每個(gè)數(shù)據(jù)位組的大小為10×104。采用上述設(shè)置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大小和數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，讓3組系統(tǒng)分別動(dòng)態(tài)校驗(yàn)智能電網(wǎng)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)冗余，并檢查3組系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)結(jié)果誤判率E，其計(jì)算式如式(2)。

(2)

式中，N表示誤判個(gè)數(shù)，O表示智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸個(gè)數(shù)。采用式(2)計(jì)算后，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余動(dòng)態(tài)校驗(yàn)誤判率

由圖5可以看出，初始時(shí)，3組系統(tǒng)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)誤判率為0。隨著數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的增加，B系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)多冗余數(shù)據(jù)，效果最差；C系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù)，效果雖然強(qiáng)于B系統(tǒng)，但也出現(xiàn)了一定的誤判率，且隨著數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的增加，動(dòng)態(tài)校驗(yàn)結(jié)果的誤判率也達(dá)到0.13%，誤判率較高；只有A系統(tǒng)的誤判率并未隨著個(gè)數(shù)的增加出現(xiàn)明顯的變化，甚至當(dāng)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)達(dá)到10×104時(shí)，誤判率也僅僅達(dá)到0.005。由此可見，此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較低的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)誤判率。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)影響

對(duì)比3個(gè)系統(tǒng)智能電網(wǎng)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。將智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)半徑設(shè)定為100 m、150 m、200 m、250 m 4個(gè)檔次，分析數(shù)據(jù)傳輸冗余校驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)影響

由圖6可以看出，隨著傳輸節(jié)點(diǎn)半徑的增加，3個(gè)系統(tǒng)對(duì)智能變電站數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的影響在逐漸降低。但是C系統(tǒng)對(duì)智能變電站數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懽畲螅诔跏紩r(shí)，就具有較高的延時(shí)性，且隨著半徑的增加，依然存在較大影響；B系統(tǒng)和A系統(tǒng)對(duì)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憳O為接近，但B系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)校驗(yàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余時(shí)，會(huì)影響每一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，從而導(dǎo)致智能電網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)較大的延遲。由此可見，此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余時(shí)，對(duì)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懽钚　?/p>

3.4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)最大穩(wěn)定速度

進(jìn)一步對(duì)比3組系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余穩(wěn)定速度。基于上述實(shí)驗(yàn)設(shè)置的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)半徑，增加第一組測(cè)試3組系統(tǒng)的測(cè)試輪數(shù)，對(duì)比3組系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余速度，判斷系統(tǒng)的最大穩(wěn)定動(dòng)態(tài)校驗(yàn)速度，從而確定系統(tǒng)的最大穩(wěn)定速度，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)穩(wěn)定性

由圖7可以看出，在第一輪動(dòng)態(tài)校驗(yàn)測(cè)試時(shí)，3組系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余速度較為一致，但隨著測(cè)試輪數(shù)的增加，3個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余速度逐漸出現(xiàn)差異。可以發(fā)現(xiàn)B系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時(shí)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)速度僅有14 m/s，動(dòng)態(tài)校驗(yàn)速度最慢；C系統(tǒng)雖然強(qiáng)于B系統(tǒng)，但當(dāng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)趨于穩(wěn)定時(shí)，動(dòng)態(tài)校驗(yàn)速度僅有16 m/s，動(dòng)態(tài)校驗(yàn)速度相對(duì)較慢；而A系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時(shí)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)速度已經(jīng)達(dá)到19 m/s，具有較快的穩(wěn)定運(yùn)行速度。由此可見，此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)速度，且系統(tǒng)依然處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

4 總結(jié)

綜上所述，此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)充分利用關(guān)聯(lián)分析技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)關(guān)系的分析能力，提高了動(dòng)態(tài)校驗(yàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余的精確度和速度，動(dòng)態(tài)校驗(yàn)速度可達(dá)到19 m/s。但此次設(shè)計(jì)的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余動(dòng)態(tài)校驗(yàn)系統(tǒng)未考慮智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜度，因此還需要深入研究，以進(jìn)一步提高智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸冗余動(dòng)態(tài)校驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。