基于粒子群算法的高壓電纜通道大數據監測系統設計

劉 春，邵必飛，劉 濱，茍 軍

（國網蘭州供電公司，甘肅蘭州 730000）

電纜通道管理水平的高低，不僅直接影響到電纜的安全運行、用戶的用電安全，還直接影響到電纜周圍行人、單位和個人的生命財產安全。為此，需要一套能夠實現對電力電纜通道環境進行監測與管理的系統[1]。

目前傳輸網絡中還存在著很多不足，當傳輸線越來越密集時，電纜通道的覆蓋率和通過率也越來越高。很多傳輸線需要通過復雜的地形、復雜的網格結構和復雜的傳輸線，這給人工檢測電路帶來了巨大的挑戰，電氣設備及人工檢測方法安全風險較大，檢測效率較低，突發事件時往往無法適應環境變化；且高壓電纜具有通道監測指標繁雜及電網輸電電纜較長的特性，整體覆蓋范圍廣，不同季節不同繼電段故障率檢測指標閾值不同，其監測數據量也隨之增多，存在冗余的、非結構化的大數據[2-4]。

針對這一問題，提出了一種基于粒子群算法的高壓電纜通道大數據監測系統。

1 系統硬件結構設計

電纜通道環境監測系統主要包括高壓電纜通道的防盜、防火、防爆，為了實現電纜通道的全過程實時監測，實時獲取電纜通道的狀態數據[5]，將監測系統分為3 層：信息采集層、通信編碼層和信息處理展示層，如圖2 所示。

由圖1 可知，信息采集層包括電力電纜通道中所有需要進行監測的傳感器設備。傳感器主要包括電纜溝傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、主干電纜接頭的溫度傳感器、易燃氣體傳感器、有毒有害氣體傳感器、明火傳感器、煙霧傳感器等[6-7]。

圖1 監測系統總體結構圖

通信編碼層包括嵌入式通信服務器，輸入輸出通信模塊。按照既定的規則對模擬信號和切換信號進行編碼，并按照CAN 總線協議將信號發送到上位通信計算機。主機采用LPC2292 工業級單片機控制，支持10 M 以太網絡(工業級)、CAN 通信、A/D 轉換、電子盤等CAN 協議[8-10]。

信息處理展示層：按照GIS 的要求，數據以GIS邏輯、信息存儲、信息通道等形式呈現給各級管理人員。這一層包括數據庫服務器、GIS 系統、應用服務器、管理機。

1.1 嵌入式上位機

引入CAN 現場總線，當CAN 總線輸入模塊將采集的敏感數據通過CAN 總線傳輸到上位機的CAN緩沖區[11]。該系統采用嵌入式主機，將傳感器采集到的數據轉換成可用格式，并按照一定的數據結構進行封裝框定[12]。現場傳感器數據的實時顯示，實現了人機交互。通道管理器可以觀察和設置每臺下位機的CAN 總線輸入模塊和傳感器的開關狀態，還可以設置下位機的IP 地址[13]。

當IP 鏈路暢通時，嵌入式主機必須及時將傳感器數據包發送到通信服務器。如果IP 連接被阻止，接收到的數據將被暫時存儲到主機中[14]。在IP 鏈路阻塞解除后，向中央通信服務器發送臨時數據，當IP通信鏈路短時中斷時，監測數據不會丟失。

1.2 監測控制器

下位計算機通過CAN 總線接收現場采集到的數據，當IP 鏈路被解除阻塞時，數據打包后通過以太網發送給服務器；當IP 鏈路被解除阻塞時，數據臨時存儲在上位機的電子磁盤上；同時，監控控制器具有人機交互功能，上位機的系統參數必須通過鍵盤配置[15]。因為未來的系統升級可能會產生大量代碼，所以添加NOR Flash 是為了進行擴展。監測控制器的硬件架構如圖2 所示。

圖2 監測控制器硬件架構

控制器LPC2292 有4 組輸入功率，由于主機不需要加載功能，因此在設計時沒有將數字電源與模擬電源分開。另外，LCD 和NIC 芯片需要5 V 電源，所以最后階段只需要3 組電源[16]。

選用Sipex 半導體SPX1117，晶片輸出電壓可調，可選擇多種輸出，完全符合系統要求。SP708S芯片進行復位。信號燈NRST 連接LPC2292 的復位引腳，JTAG 接口電路連接信號ntrst，信號ntrst 連接LPC2292，信號ntrst連接系統。

在系統調試階段，采用了ARM 公司推薦的20pinJTAG 調試界面。值得注意的是，LPC2292 的rtck 引腳需要連接一個下拉電阻，這樣LPC2292 內部的JTAG 接口可以打開，并且可以進行JTAG 模擬調試。

1.3 CAN接口電路設計

基于LPC2292 的CAN 控制模塊和CTM82_SOD對CAN 收發器的引腳隔離功能，圖3 中顯示了CAN接口電路的設計。CTM82_RXD 和TXD 分別與CAN控制器LPC2292 的RD2 和TD2 相連；下位機與上位機具有相同的CAN 接口。母線兩端連接一個120 Ω的端子電阻，CAN 接口電路如圖3 所示。

圖3 CAN接口電路

CTM8250D 是一款具有隔離功能的CAN 控制芯片。該芯片集成了所有必要的CAN 隔離和CAN 收發設備，并以不到3 cm3的面積將其集成到芯片中，大大簡化了硬件電路設計。其主要功能是將CAN控制器中的邏輯級轉換成CAN 總線上的差分級。晶片亦有DC2500V 隔離功能，符合ISO 11898 標準。可與任意CAN 協議控制器相連，實現CAN 節點的發送、接收和隔離功能。

2 系統軟件部分設計

粒子群優化算法是一種基于群體行為的進化全局優化算法，其基本思想是以“粒子”為基礎，在搜索空間對優化問題進行求解。每個粒子都有一個速度、距離和方向來確定其運動方向，且所有粒子都遵循當前最優粒子的搜索過程。都使用相同的適應度函數，在每個迭代過程中，粒子會找到兩個“極值”，即單個極值和全局極值，獲取粒子自身最優解和整個種群的最優解。

2.1 基于粒子群算法異常大數據提取

在粒子群算法中，每個粒子都是根據每輪計算后得到的現有速度Vi和位置Xi，計算公式為：

Step1：對式（1）、（2）中涉及的參數進行初始化處理；

Step2：計算適應度；

Step3：按照Step2 得到的值，首先是和歷史上的最佳點進行比較，選取最佳點，確定當前的最佳點。然后用當前粒子的位置和速度來取代原來的最佳值；

Step4：在單粒優化之后，對結果進行對比，然后進行優化。由此就會得到當前的全局最優值，并與歷史值相比較，進行優化置換；

Step5：按照式（1）、（2）繼續計算下一輪，得到新的位置值和速度值；

Step6：滿足終止條件，就可獲得最佳解。否則，則返回Step2。

2.2 異常大數據監測

根據異常大數據提取結果，計算高壓電纜通道正常數據量，計算公式為：

式（3）中，m1為高壓電纜通道日數據與同地區同類通道的數據匹配度；m2為高壓電纜通道日數據與歷史通道數據匹配度；根據上述兩個匹配度，確定偏好度ω1和ω2，由此得到最終高壓電纜通道正常數據量η。

高壓電纜通道可根據對電纜通道數據通過狀況評估來設置高壓電纜通道數據量正常值的報警閾值λ，當高壓電纜通道監測到的正常數據量η大于報警閾值λ時，則說明該通道傳輸的數據正常；反之，則異常，說明高壓電纜通道出現異常數據。

3 實 驗

為了對基于粒子群算法的高壓電纜通道大數據監測系統設計合理性進行驗證，對其進行仿真實驗。

3.1 實驗環境

高壓電纜導體結構如圖4 所示。

圖4 高壓電纜導體結構

設置高壓電纜通道處于兩種環境下正常工作，其中環境1 風力較大；環境2 風力較小。

3.2 實驗結果與分析

3.2.1 環境1

在環境1 下，大數據監測波形如圖5 所示。

圖5 環境1下大數據監測波形

由圖5 可知，在該環境下，受到風力影響，大數據監測波形變化幅度不具有規律性，尤其在監測時間為0～14 min 內，上下波動幅度較大，由此說明在該時間段內受到風力影響較大。

3.2.2 環境2

在環境2 下，大數據監測波形如圖6 所示。

圖6 環境2下大數據監測波形

由圖6 可知，在該環境下，受到風力影響較小，大數據監測波動與環境1不一致，尤其在0～1/16～18 min內，上下波動幅度較大，由此說明在該時間段內受到風力影響較小。

通過上述分析結果可知，對大數據監測時間0～1/16～18 min 的大數據監測情況分析，分別使用基于改進支持向量機和專家系統、結合和聲搜索算法和最佳路徑森林分類系統和基于粒子群算法監測系統的監測精準度進行對比分析，結果如表1 所示。

由表1 可知，基于改進支持向量機和專家系統監測精度最低為0.53，最高為0.62；使用結合和聲搜索算法和最佳路徑森林分類系統監測精度最低為0.60，最高為0.71；基于粒子群算法監測系統最低為0.96，最高為0.98。

表1 3種系統大數據監測精準度對比分析

4 結束語

通過嵌入式以太網和CAN 現場總線的結合，實現了對高壓電纜通道監測數據的大數據控制和傳輸。利用微粒群算法對異常數據進行提取，實現了對異常數據的精確監控。實驗結果表明，該方法準確有效，為異常大數據的檢測提供了一種新的數據分析方法。