基于曼哈頓距離的用電信息采集運維系統(tǒng)設(shè)計

張建平，曹華鋒，井含香，石家樂

（1.國網(wǎng)定西供電公司，甘肅定西 743000；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司市場營銷事業(yè)部，甘肅蘭州 730000；3.國網(wǎng)天水供電公司，甘肅天水 741000）

電力負荷管理系統(tǒng)中，用電信息采集是關(guān)鍵。資料收集的準(zhǔn)確與否，不僅影響到日常數(shù)據(jù)上傳的控制，還影響到未來負荷處理的過程[1-3]。建立現(xiàn)場運行維護保障體系是電力采集系統(tǒng)在電力工業(yè)實踐中的重要內(nèi)容。當(dāng)前用電信息采集依靠抄表員手工抄表，不僅效率低下，而且信息采集結(jié)果偏差較大[4]。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進行信息采集，實現(xiàn)電網(wǎng)的故障定位、故障處理和運行監(jiān)測等功能，但電力信息采集、運行監(jiān)測系統(tǒng)計算量大，采集效果較差[5]。為此，設(shè)計了基于曼哈頓距離的電力信息采集和操作系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于曼哈頓距離的用電信息采集運維系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)ETL 層、數(shù)據(jù)存儲層、分析層和應(yīng)用層，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，所收集的電力信息為電力信息運營監(jiān)測數(shù)據(jù)源，電力調(diào)度工作主要采用中央處理機，利用OA 郵件等方式實現(xiàn)[6]，其收集的用電信息全部輸入到聯(lián)機分析數(shù)據(jù)庫中，并將主要指標(biāo)與維度關(guān)鍵字進行存儲，完成主站和銷售系統(tǒng)的采集、運行狀態(tài)的監(jiān)測和總線數(shù)據(jù)的傳輸。

1.1 電采運維工具

由于一般多功能電表都有RS485 接口，即最終需要電表和RS485 總線進行通信，因此，為轉(zhuǎn)換RS232總線和電表通信接口，增加RS232-RS485轉(zhuǎn)換器[12]。載波控制器主要通過電力線將RS232 接口收到的抄表信號轉(zhuǎn)換成載波信號。圖2 顯示了電采運維工具的結(jié)構(gòu)。

圖2 電采運維工具結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，若電采運維工具沒有特殊要求使用RS232-RS485 轉(zhuǎn)換器，則可以選擇市面上常見的轉(zhuǎn)換器代替。考慮到手機的電池壽命，應(yīng)盡量選擇小功率的轉(zhuǎn)換器。

1.2 微控制單元MCU

微控制單元MCU 結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 微控制單元MCU結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，在實際工作中，單片機控制從連接RS485 電路的功耗終端獲取相應(yīng)的功耗信息數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至功率參數(shù)檢測接口電路進行處理，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，有線傳輸可通過上行通道接口電路或GPRS 模塊向上行服務(wù)器傳輸[13]。微控制單元能夠?qū)崟r采集外部環(huán)境參數(shù)，并將處理后的參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送給閃存電路存檔。在外環(huán)境影響電源設(shè)計和使用時，通過MCU 及時向上行服務(wù)器發(fā)送外環(huán)境參數(shù)信息并報警。

1.3 電源模塊電路

在線路板中，電源模塊是核心模塊，功率模塊負責(zé)將外部電源轉(zhuǎn)換成電路板所需要的電壓，并根據(jù)電路板的不同供電需求給系統(tǒng)供電。ADP7159 的輸出電流可以達到3 A，工作電壓范圍在0.5～1.5 V 之間，可以滿足新興應(yīng)用對高電流的需求[14]。該芯片ADP7159 可以將LDO 的輸出電流范圍從2 A 擴大到3 A。結(jié)合超低頻和高PSRR 性能，可以為LDO 功耗設(shè)置參考值。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

2.1 用電信息采集的時間序列模型構(gòu)建

使用式（1）所示的模型挖掘用電信息采集學(xué)習(xí)映射：

式（1）中，a0表示維度層次信息；ai表示采集速度；bj表示運維管理速度；tn-i表示采集用電信息標(biāo)量時間序列；tn-j表示運維管理用電信息標(biāo)量時間序列。

利用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘[15]異常數(shù)據(jù)對電力系統(tǒng)電力故障進行判斷與定位，構(gòu)建用電信息采集的時間序列模型為：

話還得從柳知客的毛筆字說起，柳知客的毛筆字寫得不怎么樣，但他腳大臉丑不害羞，不在自家練字，偏偏拿著筆墨報紙到家后的大路上練字，仿佛告訴東來西往的人們，書法高手在民間。當(dāng)然，柳知客還以為自有柳公權(quán)的書法遺風(fēng)。用村里人的話說，能否和柳公權(quán)搭上一分錢關(guān)系，恐怕只有他自己心里最清楚，至多用來充充面子罷了。

式（2）中，amn表示用電信息采集的潛在有用信息幅值；gmn表示多層共軛認(rèn)證系數(shù)；n(t) 表示干擾項。

2.2 巡檢調(diào)度

分配任務(wù)時，最重要的是計算和分析檢查人員(Al,A2,A3,…)到故障點(B1,B2,B3,…)的距離。如圖4所示，點A 與點B 之間沒有直線，需要通過其他中間點，至少要經(jīng)過點C。這時檢查員的路線是AC 和CB。假設(shè)街景較為整齊，直角三角形可由ACB 組成，依據(jù)畢達哥拉斯定理，AB 的長度可以用AC 和CB 來計算。圖4 顯示了曼哈頓距離法[16]的原理。

圖4 曼哈頓距離法原理圖

假定路況如圖4 所示，點A 到點B 之間的距離，不管經(jīng)過多少次，都可以用AC 和CB 長度的總和來計算。僅用加減，就能極大地提高系統(tǒng)運行速度。

2.3 遠程運維

遠程作業(yè)平臺對信息數(shù)據(jù)進行實時采集和檢測，發(fā)現(xiàn)異常信息后，在后臺對數(shù)據(jù)庫中的故障信息進行實時診斷和匹配；利用探測軟件的定位功能對各測試儀進行定位，然后利用曼哈頓距離法，計算分析各測試儀和各故障點之間最短路徑的耗散值和激波時間范圍；檢測員攜帶的app 任務(wù)欄中，會自動推送巡檢計劃，當(dāng)檢測員接受檢測計劃后，提示符自動彈出。除交通堵塞或其他惡劣天氣外，需要到指定的故障檢修地點進行維修。遠程運維流程如圖5 所示。

圖5 遠程運維流程

3 實 驗

通過仿真實驗，驗證了基于曼哈頓距離的用電信息采集運維系統(tǒng)的應(yīng)用性能。利用某省24 907 294個低壓用戶從2017年3月1日到2017年8月31日的日用電量信息作為運行監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本，將2017 年3 月1 日至2017年8月31日的抄表數(shù)據(jù)作為測試樣本，利用大數(shù)據(jù)綜合分析和監(jiān)控運行過程，共收集了1 417 869 個數(shù)據(jù)樣本和42 536 070 個數(shù)據(jù)條目。

3.1 測試環(huán)境軟硬件配置

測試環(huán)境軟硬件配置如表1 所示。

表1

3.2 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)設(shè)定的測試環(huán)境，理想情況下的信息采集時域波形如圖6 所示。

圖6 理想情況下信息采集時域波形

在圖6 所示波形支持下，分別采用人工抄表、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對信息采集波形進行對比分析，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同方法信息采集波形對比分析

由圖7 可知，使用人工抄表方法采集的功率在10～60 kW 范圍內(nèi)波動，與理想情況下的信息采集時域波形相差較大，說明該方法采集信息受到人為因素影響較大，導(dǎo)致采集結(jié)果不精準(zhǔn)；使用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)采集的功率在10～70 kW 范圍內(nèi)波動，與理想情況下的信息采集時域波形相差較小，說明使用該方法采集信息受到外界因素影響較小，但結(jié)果也并不精準(zhǔn)；使用基于曼哈頓距離的方法采集的功率在10～90 kW 范圍內(nèi)波動，與理想情況下的信息采集時域波形一致，說明使用該方法采集效果較好。

基于此，分別在正常工單和異常工單情況下，使用三種技術(shù)對采集標(biāo)準(zhǔn)誤差進行對比分析。

1）正常工單

正常工單下3 種技術(shù)采集標(biāo)準(zhǔn)誤差對比結(jié)果如圖8 所示。

圖8 正常工單下3種技術(shù)采集標(biāo)準(zhǔn)誤差對比

由圖8 可知，使用人工抄表方法隨著迭代次數(shù)增加，電量采集偏差逐漸下降，最終下降到38%；使用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)隨著迭代次數(shù)增加，電量采集偏差也逐漸下降，最終下降到17%；使用基于曼哈頓距離運維方法隨著迭代次數(shù)增加，電量采集偏差從12%下降到8%。

2）異常工單

異常工單下3 種技術(shù)采集標(biāo)準(zhǔn)誤差對比結(jié)果如圖9 所示。

圖9 異常工單下3種技術(shù)采集標(biāo)準(zhǔn)誤差對比

由圖9 可知，使用人工抄表方法和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，隨著迭代次數(shù)增加，電量采集偏差逐漸下降，最終分別下降到39%和18%；使用基于曼哈頓距離運維方法隨著迭代次數(shù)增加，電量采集偏差從20%下降到6%。通過上述分析結(jié)果可知，使用基于曼哈頓距離運維方法信息采集結(jié)果偏差較小。

4 結(jié)束語

以曼哈頓距離法為基礎(chǔ)的運行管理系統(tǒng)，通過設(shè)計用電信息采集運維系統(tǒng)軟硬件，能夠有效地提高電力信息采集、運維監(jiān)測能力，減小用電信息采集偏差，在電力用電管理和統(tǒng)計分析方面有較好的應(yīng)用價值。