基于多維數據的電力營銷線損信息監控系統設計

王林信

(國網甘肅省電力公司, 甘肅，蘭州 730030)

0 引言

電力營銷線損信息監控系統是指具有線損信息采集、監控以及控制功能的系統，以檢測電力營銷線損位置為主體，來監控電力營銷線損信息[1]。國際上對于線損信息監控系統的研究已經進行了數十年，在變電站應用中也取得了飛快的進展，日本在上世紀80年代初期，研制出一套監控系統來檢測電力營銷的線損情況，隨后在德國、美國等發達國家的電力領域也陸續使用[2]；國內針對線損信息監控系統的研究起步于1954年，通過引入蘇聯的RUT技術，開始研究電力營銷線損信息的監控工作，到80年代中期，國內很多科研院所開始致力于線損信息的監控工作，對國內電力系統的發展起到了推動作用[3]。

基于無線傳感網絡的線損信息監控系統的特點是利用無線傳感網絡分析電力營銷線損信息監控系統的硬件部分，根據線損信息監控設備讀取數據庫中的線損信息并進行比對，初步處理線損故障。通過計算線損信息的傳輸速率實現系統的設計，這類系統的可靠性較高[4]；基于ZigBee網絡的線損信息監控系統，先設計系統的主控芯片及整體結構展開，然后對系統電源進行模塊化設計，采用處理器內核對電源模塊實行集成設計，最后通過測試分析得到線損結果，該系統具有較高的監控性能[5]。

基于以上分析，本文將多維數據應用到電力營銷線損信息監控系統設計中，以提高線損信息監控系統的性能。

1 系統硬件設計

1.1 線損信息監控電路設計

良好的監控通路可以促進電力營銷線損信息監控效率和質量的提高，避免電力營銷線損信息監控出現卡頓現象。電力營銷線損信息監控系統的硬件電路設計是圍繞多維數據進行擴展開發，多維數據運行原理如圖1所示。

圖1 多維數據運行原理

電力營銷線損信息監控系統的外圍電路模塊包括監控電路設計、電源電路設計、以太網接口設計等。在多維數據集中監控電路設計中的控制芯片。可以發揮更好的性能[6]。基于多維數據的線損信息監控電路接口支持多種輸入模式，并且支持最大輸入功率為1000 MG的電力營銷線損監控數據。線損信息監控電路接口具有監控信息縮放、預覽線損信息鏡像等功能，同時還支持線損信息的旋轉和翻轉功能，因此在多維數據原理的支持下，能夠有效提高線損信息監控的有效性。多維數據運行原理下線損信息的縮放、預覽、旋轉、翻轉等多功能框架如圖2所示。

圖2 線損信息多功能處理框架

電力營銷線損信息監控系統可以通過監控電路接口來捕捉線損信息數據，采用多維數據設計的監控電路超大內存，滿足電力營銷線損信息監控系統的內存要求[7]。線損信息監控電路圖如圖3所示。

線損信息監控電路采用+5 V的輸出電壓，為線損信息監控系統提供高達100 mA的供電電流，線損信息監控系統的充電部分包括電耦合器和蓄電芯片。

1.2 線損信息監控傳感器設計

在給線損信息監控系統充電的同時，還可以通過與監控傳感器連接[8]，為線損信息傳感器提供電能。線損信息監控傳感器采用線損信息監控電路為其供電，由溫濕度傳感器和電能計量芯片共同組成的，溫濕度環境是影響線損信息傳輸的重要因素，線損信息監控傳感器是由一個濕度敏感元件和感溫元件組成，2個傳感元器件與轉換器和串口電路共同集成在電能計量芯片內[9]，線損信息監控傳感器設計參數如表1所示。

圖3 線損信息監控電路圖

表1 線損信息監控傳感器設計參數

根據表1中的參數，將傳感器與線損控制器進行連接，連接方式如圖4所示。

圖4 傳感器與線損控制器連接結構

線損信息監控傳感器采用兩線制數據傳輸方式，將傳感器接口直接與控制器連接，通過控制器接口的時鐘信號實現線損信息的采集，由于線損信息監控傳感器的接口采用的是完全靜態的邏輯設計[10]，因此電壓低于4.5 V時的最大采集頻率也只有1 MHz。在線損信息傳輸期間，控制器接口的時鐘信號為高電平，為了避免時鐘信號發生沖突，將線損信息監控傳感器的時鐘信號穩定在低電平。

線損信息監控傳感器的工作原理如圖5所示。

圖5 線損信息監控傳感器的工作原理

以上通過引入多維數據的運行原理，設計了線損信息監控電路，以滿足電力營銷線損信息監控系統的內存要求，并且實現線損信息的多功能處理；在設置線損信息監控傳感器參數的基礎上，將監控傳感器與控制器連接，根據監控傳感器的工作原理，實現了系統的硬件設計。

2 系統軟件設計

2.1 采集電力營銷線損信息

采集電力營銷線損信息是監控系統軟件設計的核心內容。通過多維數據向電力營銷黑匣子發送數據請求，在線損信息采集程序中創建一個線損信息采集子程序，并進行合理的配置，以達到傳感器可以承受的負荷范圍內取得的采集效果[11]。設定監控設備的最大線損信息數量為Cm，多維數據網絡的最大深度為Lm，監控子設備中路由設備的最大數量為Rm，線損信息采集時可以通過Cskipd函數來計算監控設備線損位置如式(1)：

(1)

式中，d表示線損信息，m表示監控設備。

根據計算得到的電力營銷線損位置，確定線損信息的采集步驟如下。

Step1：調用監控系統的數據連接模塊，使其與黑匣子之間建立線損監控連接[12]，如果連接建立成功則進行Step2，如果連接建立失敗，則重新讀取黑匣子中的數據，進行重復連接，如果連接成功進行Step2，如果再次連接失敗，說明黑匣子出現了通信網絡異常，此時則終止線損信息采集程序。

Step2：在線損信息訪問模塊中調用線損信息，向黑匣子發送線損信息采集指令，采集指令的數據格式與數據傳輸標準一致。

Step3：接收來自黑匣子的線損信息，如果收到采集響應信息直接轉到Step4，如果沒有接收到響應信息，再一次向黑匣子發送數據請求。

Step4：在黑匣子反饋的響應消息中，提取到電力營銷線損信息的實時數據，將線損信息數據存入到緩沖池中，以便客戶端的調用，另外還要將其儲存在系統數據庫中作為備份。

Step5：線損信息采集程序進入休眠狀態，休眠結束后開始下一環節的線損信息采集。

基于線損信息的采集步驟，設計線損信息的采集流程如圖6所示。

圖6 線損信息的采集流程

在線損信息采集的基礎上，設計電力營銷線損信息監控程序，來實現電力營銷線損信息的監控。

2.2 電力營銷線損信息監控程序設計

電力營銷線損信息監控程序是通過多維數據網絡編程并調取監控接口程序來實現電力營銷線損信息的監控。監控傳感器將電力營銷線損信息傳輸到PC機后，先將電力營銷線損信息解碼，然后在顯示終端將信息顯示出來[13]。還要對傳輸過來的電力營銷線損信息進行檢測，如果發現電力營銷線損信息，就立刻調取檢測程序，在確定有可疑電力營銷線損信息后要執行報警程序。電力營銷線損信息監控程序如圖7所示。

圖7 電力營銷線損信息監控程序

在發現電力營銷線損信息之后，檢測程序是通過多維數據網絡來實現的，在檢測電力營銷線損信息時，應該對電力營銷線損信息采集的信息進行預處理操作，再調用監控系統來獲取電力營銷線損信息檢測程序。然后按照錄入電力營銷線損信息的順序讀取電力營銷線損信息與電力營銷正常信息作差分運算，最后判斷讀取的電力營銷線損信息是否為電力營銷線損信息，完成電力營銷線損信息監測。

在監控電力營銷線損信息的過程中，采用一種統計分析篩選的方法來確定比較準確的電力營銷線損信息。在電力營銷線損信息監控程序運行初期不進行檢測，主要是將現有的電力營銷線損信息讀取到系統數據庫中進行記錄，在讀取一定量的電力營銷線損信息后，開始統計分析這些電力營銷線損信息，去除與期望值偏差較大的電力營銷線損信息[14-15]，實現電力營銷線損信息的監控。

綜上所述，通過計算監控設備線損位置，設計線損信息采集流程，完成線損信息的采集，結合電力營銷線損信息監控程序設計，完成系統的軟件設計，實現線損信息的監控。

3 系統性能測試

為了驗證線損監控系統的整體應用性能，進行驗證實驗。

3.1 設置實驗參數

測試線損信息監控系統的性能之前，詳細分析電力營銷信息的特點，選擇具有代表性的實驗儀器，以保證實驗結果具有普遍適用性為目標，表2給出了實驗參數。

表2 實驗參數

3.2 線損定位精度

線損定位結果對線損信息監控系統的整體性能有著嚴重影響，因此首先對系統中的線損定位精度進行驗證，驗證結果如圖8所示。

圖8 線損定位精度結果

分析圖8可知，所設計系統的線損定位結果與實際結果基本一致，說明所提方法能夠精準定位線損位置，為線損信息監控奠定基礎。

在上述實驗結果的支持下，對系統的內存消耗與監控信息量驗證，將所設計系統與基于無線傳感網絡系統、基于Zigbee網絡系統進行對比驗證。

3.3 系統內存消耗對比測試

根據3.1中設定的實驗參數與3.2中的線損定位結果，監控相同數量的電力營銷線損信息，進行系統內存消耗對比測試，實驗結果如圖9所示。

圖9 系統內存消耗對比測試結果

從圖9的實驗結果可以看出，采用基于無線傳感網絡的線損信息監控系統來監控電力營銷線損信息時，隨著線損信息分類時間越來越長，前30 s內系統的內存消耗增加較快，30 s之后系統內存消耗略微下降，但是總體系統內存消耗仍保持較高水平，經計算，線損信息分類時間在0-100 s內，系統內存消耗的平均值為2746 kB。采用基于ZigBee網絡的線損信息監控系統來監控電力營銷線損信息時，系統的內存消耗在前75 s以內持續上升，線損信息分類時間超過70 s之后趨于下降狀態，系統內存消耗穩定在1700-2300 kB之間。而采用基于多維數據的線損信息監控系統來監控電力營銷線損信息時，線損信息分類時間在前75 s內，系統內存消耗在增加，但是增加的趨勢很小，最大內存消耗只有當線損信息分類時間超過75 s以后，系統內存消耗開始緩慢下降，當線損信息分類時間達到100 s時系統內存消耗降到了1200 kB。

3.4 監控電力營銷線損信息量對比測試

根據表2給出的實驗參數，在相同的時間段內監控電力營銷線損信息，采用基于無線傳感網絡的線損信息監控系統和基于ZigBee網絡的線損信息監控系統作為測試的對比對象，進行監控電力營銷線損信息量對比測試，實驗結果如圖10所示。

圖10 監控電力營銷線損信息量對比結果

從圖10的實驗結果可以看出，采用基于無線傳感網絡的線損信息監控系統來監控電力營銷線損信息時，監控的電力營銷線損信息量平均都在500條以下，特別是在2-4次實驗時，監控的電力營銷線損信息量下降到216條；采用基于ZigBee網絡的線損信息監控系統來監控電力營銷線損信息時，監控的電力營銷線損信息量基于無線傳感網絡的線損信息監控系統相差無幾，但是該系統在監控過程中非常不穩定，造成監控的電力營銷線損信息量忽高忽低，經計算，監控到的電力營銷線損信息量平均值為383條；而采用基于多維數據的線損信息監控系統來監控電力營銷線損信息時，5次實驗監控到的電力營銷線損信息量都超過了600條。

綜合以上實驗結果，基于多維數據的線損信息監控系統與其他兩個傳統線損信息監控系統相比，在監控電力營銷線損信息監控過程中，系統內存消耗更低、信息監控量更高，因此說明該方法的監控性能更高。

4 總結

本研究提出基于多維數據的電力營銷線損信息監控系統設計。在多維數據的基礎上，通過電力營銷線損信息監控系統的硬件設計和軟件設計，完成線損信息監控系統的設計，實現電力營銷線損信息的監控。測試結果表明，基于多維數據的電力營銷線損信息監控系統具有更高的性能，適合電力部門大力推廣使用。然而線損信息監控是一項龐大而復雜的系統性功能，因此在未來的研究工作中，仍要進一步提高監控信息量，并減少系統內存開銷。