基于大数据技术的分布式配电通信组网方法分析

陆继钊 罗 滨 杨宏宇 巩 锐 刘 涌

（1.国网河南省电力公司信息通信公司，河南驻马店463000；2.上海博英信息科技有限公司，上海200240）

0 引言

目前的配网自动化、负荷控制系统，通信的安全性、稳定性和实时性尚无法得到可靠保证，不能构成相对完善的解决方案，亟需明确配网通信的建设战略，统一性能标准。配用电通信网络建设布局应遵循结构适当、先进实用、因地制宜的准则。由于配用电网络范围广、环境复杂，建设的同时要考虑运行维护、管理手段及相关机制的建立，提前制定技术标准和相应制度，同时建设环境、资源、状态的统一管控，为运维提供先进技术手段。

本文就是在这样的大背景下，提出一种适应现代化需求的电力企业多维度配用电通信组网方法，将不同区域的电网通信方式集中起来，进行配用电通信一体化系统的组网，最终搭建传输通道，将多源设备的遥信、遥测等多种状态信息进行双向的传输。

1 数据挖掘技术

1.1 时间序列法

时间序列分析是指基于系统观测得到的时间序列数据，通过参数估计和曲线拟合来建立数学模型的方法和理论。其常用方法有参数估计法和曲线拟合法等（如非线性最小二乘法）。

（1）抽样：时间序列动态数据是通过观测、抽样、调查、统计等方法得到的。

（2）作图：依照所获动态数据作出相关图，进行有关剖析，求出自相关函数关系。相关图可直观体现周期和趋势的变动，迅速发现拐点和跳点。拐点指时间序列从上升走势骤变为下降走势的点，如有拐点存在，则要求用不同的数学模型对建模过程中的时间序列进行分段拟合。跳点则指与其他数据不一致的观测值，若该值正确，在建模时应予以考虑；若该值异常，需把跳点调整为期望值。

（3）拟合：甄别适当的随机模型，并采用曲线拟合，即以通用随机模型来拟合时间序列的观测数据。

时间序列是一种特殊的随机过程，当X（t）中的t取非负整数时，便可表示各个时刻，从而看作时间序列（time series）。当一个随机过程可以看作时间序列时，便能以现有的时间序列模型对该随机过程进行建模并解析其特性。

1.2 熵值法

在信息论中，熵是针对不确定性的一种量度。信息量越大，则不确定性越小，随之熵越小；反之，信息量越小，其不确定性越大，熵便越大。按照熵的特点，便能通过计算熵值来判别某个事件的随机性及无序程度，也可利用熵值来判断一个指标的离散程度，离散程度越大，该指标对综合评估的影响也就越大。

因此，可依据各指标的变化程度，运用信息熵算法，计算出每项指标的权重，为多指标综合评估提供相关依据。

2 规划预测及隐患分析

数据挖掘在国内配电通信组网领域属于新兴的前沿技术，对从业人员的技术要求相对较高。由于现阶段知识和技术层面的不足，国家电网几乎没有关于此方向的项目实施。本节基于两种数据挖掘技术在此方向的应用，初步探讨数据挖掘的建模过程。

（1）收集实施地区未来三年的配电网规划数据，对建设地理位置、数据吞吐量等通过时间序列法进行建模分析，预测未来如用户数量、终端设备、电网负荷等数据的发展趋势。

（2）收集实施地区近三年的网络运行情况等，通过熵值法建立数据挖掘模型，对故障数量、故障设备、故障率等指标进行分析挖掘，发现故障率较高的设备及施工方式等。具体实施步骤如下：

1）选取该地区配电网n个运行异常、m个相关指标，则Xij为第i个异常的第j个指标的数值（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m）。

2）指标的标准化处理：异质指标同质化。因为每项指标的计量单位有所差异，须对其进行标准化处理，然后才可用它们计算综合指标。即把指标的绝对值换算为其相对值，以解决不同值的同质化问题。由于正向指标和负向指标数值代表的含义有差异（正向指标数值越高越好，负向指标数值越低越好），通过不同的算法对高低指标进行数据处理。

3）计算第i个异常在第j项指标下的比重。

4）计算第j项指标的熵值。

5）计算第j项指标的差异系数。对第j项指标，其指标值差异越大，熵值便越小，对方案评估的影响越大。

6）求权值。

7）计算各项异常的综合得分。

3 多维度分布式组网

根据分析挖掘结果，结合各通信技术优缺点及不同地区的配用电自动化系统建设情况，考虑配用电业务需求、负荷密度、供电特点等，采取分布式组网方式，选取适宜的技术方案，并为将来的升级预留空间。

（1）在配用电业务方面，遵循以下方法：

1）就配电自动化业务而言，若只需满足两遥，可供选择的技术较多，包括光纤、无线专网、无线公网、PLC等。但需要实现遥控，则以光纤和无线专网为宜，仅当对遥控的实时性和安全性要求不高时，才可以考虑无线公网、北斗等通信方式。

2）就用电信息采集业务而言，低压电量采集可以采用PLC技术，集中器到后台主站之间的通信选择光纤、无线等方式。

3）就电能质量监测业务而言，可参考两遥的业务需求，采用光纤、无线、PLC等技术。

4）就遥视业务而言（某些需要视频监控的系统），由于其对带宽有一定要求，宜采用光纤、3G/4G等技术。

5）由于北斗具备精确授时和短报文通信功能，在配网关键节点均配置北斗通信装置，实现对二次测控设备的同步对时和事件上报功能。

（2）在供电区域方面，遵循以下方法：

1）在企业集中、人口居住密集的地域（城市），早已形成相对完善的城市配用电网络，实施以光纤通信为主的配用电通信网络技术，并依据地域特点，选择光MODEM技术、EPON或工业以太网交换机。

2）郊区、城镇、山区、厂矿不适合采用光纤通信技术，考虑到经济性，应因地制宜地选择最优通信方式，如无线专网、北斗、PSTN等，或租用无线公网。

3）对于版图辽阔的平原地域，通信应利用无线公网的形式来实现，同期考虑无线专网建设。对于不能覆盖无线信号的山区，如小水电、厂矿企业等，因其分布相对分散，所以应优先考虑租用无线公网，也可考虑北斗、PSTN等其他方式。

4）对于缺乏光纤但被电话线路所覆盖的区域，主站和采集终端的通信可以PSTN的形式实现。PSTN单纯作为一种补充方式，应逐步过渡到无线公网和无线专网等方式。

此外，由于光纤通信具有传输容量大、可靠性及安全性高等优势，在条件容许的情况下应优先采用；而无线专网无需有线介质，且组网灵活，其传输速率也能满足需求，因此适合光缆架设困难、变更频繁且网络构造复杂、老旧线路多的地区，但存在需申请使用频段、实际应用经验少等问题，且在城区基站选址建设有一定困难，终端设备的安装方式也会受到些许影响；中压电力线载波技术施工方便，节省介质投资，但其使用效果较差，架空线路安装很有难度，运行维护工作量大，网管能力较低，作为专网通信方式之一，在不便采用光纤时，可以作为补充。

配用电通信网情况复杂，仅采用一种或两种通信方式无法满足需求，但同一地区若采取过多的通信方式，首先会增加变电站端的主设备类型和数量，其次还需建设多种设备类型的网管系统。设备种类增多将导致同类设备数量减少，设备招标时单价将提高，对于运行维护人员的工作量和技术水平也会提出更高的要求。综上所述，为满足使用要求，同一区域内应采用相对统一的通信方式，以取得更好的运行效果和技术经济效益。

综合考虑各种通信方式的优缺点及其建设成本，各终端通信接入方式在电力线载波（中压PLC）、无线公网（WiFi、3G/4G）和光纤（EPON）等三种方式中选择。采用电力线载波方式时，电缆线路优先选择卡接式电感耦合方式，架空线路优先选择相-相电容耦合方式，载波机优先选择一对多的系统。

使用WiFi、3G/4G无线公网通信方式时，公司与运营商侧采用高可靠的APN通道互联，在公司配置网络鉴权、授权与记账系统，实现终端接入认证。

选用EPON设备组网时，采用光路全保护冗余方式建设，任意一个终端设备出现故障都不影响其他终端设备，双PON（Passive Optical Network，无源光纤网络）口的ONU（Optical Network Unit，光节点）设备，ODN（Optical Distribution Node，光配线网）结构设计基于环形和总线结构，分光级数不超过6级。

采用多种通信方式时要确保方式的统一接入、统一接口规范和统一管理，所采用的通信设备/终端应支持以太网和标准串行通信接口[1]。

组网方式图如图1所示。

图1 组网方式图[2]

4 结语

以数据挖掘技术进行辅助，因地制宜，根据不同地域通信条件及建设现状等，通过合理的通信技术设计，进行多维度的分布式配网通信建设，将比较分散的各区域不同通信方式集中起来管理，可为打造坚强电网提供重要支撑。

[1]陈良，薛保星，黄传金.郑州高新区配电网自动化通信系统设计与应用[J].制造业自动化，2012，34（16）：87-90.

[2]《中国电力百科全书》编辑委员会，《中国电力百科全书》编辑部.中国电力百科全书：电力系统卷[M].3版.北京：中国电力出版社，2014.