基于多维数据的电力营销线损信息监控系统设计

王林信

(国网甘肃省电力公司, 甘肃，兰州 730030)

0 引言

电力营销线损信息监控系统是指具有线损信息采集、监控以及控制功能的系统，以检测电力营销线损位置为主体，来监控电力营销线损信息[1]。国际上对于线损信息监控系统的研究已经进行了数十年，在变电站应用中也取得了飞快的进展，日本在上世纪80年代初期，研制出一套监控系统来检测电力营销的线损情况，随后在德国、美国等发达国家的电力领域也陆续使用[2]；国内针对线损信息监控系统的研究起步于1954年，通过引入苏联的RUT技术，开始研究电力营销线损信息的监控工作，到80年代中期，国内很多科研院所开始致力于线损信息的监控工作，对国内电力系统的发展起到了推动作用[3]。

基于无线传感网络的线损信息监控系统的特点是利用无线传感网络分析电力营销线损信息监控系统的硬件部分，根据线损信息监控设备读取数据库中的线损信息并进行比对，初步处理线损故障。通过计算线损信息的传输速率实现系统的设计，这类系统的可靠性较高[4]；基于ZigBee网络的线损信息监控系统，先设计系统的主控芯片及整体结构展开，然后对系统电源进行模块化设计，采用处理器内核对电源模块实行集成设计，最后通过测试分析得到线损结果，该系统具有较高的监控性能[5]。

基于以上分析，本文将多维数据应用到电力营销线损信息监控系统设计中，以提高线损信息监控系统的性能。

1 系统硬件设计

1.1 线损信息监控电路设计

良好的监控通路可以促进电力营销线损信息监控效率和质量的提高，避免电力营销线损信息监控出现卡顿现象。电力营销线损信息监控系统的硬件电路设计是围绕多维数据进行扩展开发，多维数据运行原理如图1所示。

图1 多维数据运行原理

电力营销线损信息监控系统的外围电路模块包括监控电路设计、电源电路设计、以太网接口设计等。在多维数据集中监控电路设计中的控制芯片。可以发挥更好的性能[6]。基于多维数据的线损信息监控电路接口支持多种输入模式，并且支持最大输入功率为1000 MG的电力营销线损监控数据。线损信息监控电路接口具有监控信息缩放、预览线损信息镜像等功能，同时还支持线损信息的旋转和翻转功能，因此在多维数据原理的支持下，能够有效提高线损信息监控的有效性。多维数据运行原理下线损信息的缩放、预览、旋转、翻转等多功能框架如图2所示。

图2 线损信息多功能处理框架

电力营销线损信息监控系统可以通过监控电路接口来捕捉线损信息数据，采用多维数据设计的监控电路超大内存，满足电力营销线损信息监控系统的内存要求[7]。线损信息监控电路图如图3所示。

线损信息监控电路采用+5 V的输出电压，为线损信息监控系统提供高达100 mA的供电电流，线损信息监控系统的充电部分包括电耦合器和蓄电芯片。

1.2 线损信息监控传感器设计

在给线损信息监控系统充电的同时，还可以通过与监控传感器连接[8]，为线损信息传感器提供电能。线损信息监控传感器采用线损信息监控电路为其供电，由温湿度传感器和电能计量芯片共同组成的，温湿度环境是影响线损信息传输的重要因素，线损信息监控传感器是由一个湿度敏感元件和感温元件组成，2个传感元器件与转换器和串口电路共同集成在电能计量芯片内[9]，线损信息监控传感器设计参数如表1所示。

图3 线损信息监控电路图

表1 线损信息监控传感器设计参数

根据表1中的参数，将传感器与线损控制器进行连接，连接方式如图4所示。

图4 传感器与线损控制器连接结构

线损信息监控传感器采用两线制数据传输方式，将传感器接口直接与控制器连接，通过控制器接口的时钟信号实现线损信息的采集，由于线损信息监控传感器的接口采用的是完全静态的逻辑设计[10]，因此电压低于4.5 V时的最大采集频率也只有1 MHz。在线损信息传输期间，控制器接口的时钟信号为高电平，为了避免时钟信号发生冲突，将线损信息监控传感器的时钟信号稳定在低电平。

线损信息监控传感器的工作原理如图5所示。

图5 线损信息监控传感器的工作原理

以上通过引入多维数据的运行原理，设计了线损信息监控电路，以满足电力营销线损信息监控系统的内存要求，并且实现线损信息的多功能处理；在设置线损信息监控传感器参数的基础上，将监控传感器与控制器连接，根据监控传感器的工作原理，实现了系统的硬件设计。

2 系统软件设计

2.1 采集电力营销线损信息

采集电力营销线损信息是监控系统软件设计的核心内容。通过多维数据向电力营销黑匣子发送数据请求，在线损信息采集程序中创建一个线损信息采集子程序，并进行合理的配置，以达到传感器可以承受的负荷范围内取得的采集效果[11]。设定监控设备的最大线损信息数量为Cm，多维数据网络的最大深度为Lm，监控子设备中路由设备的最大数量为Rm，线损信息采集时可以通过Cskipd函数来计算监控设备线损位置如式(1)：

(1)

式中，d表示线损信息，m表示监控设备。

根据计算得到的电力营销线损位置，确定线损信息的采集步骤如下。

Step1：调用监控系统的数据连接模块，使其与黑匣子之间建立线损监控连接[12]，如果连接建立成功则进行Step2，如果连接建立失败，则重新读取黑匣子中的数据，进行重复连接，如果连接成功进行Step2，如果再次连接失败，说明黑匣子出现了通信网络异常，此时则终止线损信息采集程序。

Step2：在线损信息访问模块中调用线损信息，向黑匣子发送线损信息采集指令，采集指令的数据格式与数据传输标准一致。

Step3：接收来自黑匣子的线损信息，如果收到采集响应信息直接转到Step4，如果没有接收到响应信息，再一次向黑匣子发送数据请求。

Step4：在黑匣子反馈的响应消息中，提取到电力营销线损信息的实时数据，将线损信息数据存入到缓冲池中，以便客户端的调用，另外还要将其储存在系统数据库中作为备份。

Step5：线损信息采集程序进入休眠状态，休眠结束后开始下一环节的线损信息采集。

基于线损信息的采集步骤，设计线损信息的采集流程如图6所示。

图6 线损信息的采集流程

在线损信息采集的基础上，设计电力营销线损信息监控程序，来实现电力营销线损信息的监控。

2.2 电力营销线损信息监控程序设计

电力营销线损信息监控程序是通过多维数据网络编程并调取监控接口程序来实现电力营销线损信息的监控。监控传感器将电力营销线损信息传输到PC机后，先将电力营销线损信息解码，然后在显示终端将信息显示出来[13]。还要对传输过来的电力营销线损信息进行检测，如果发现电力营销线损信息，就立刻调取检测程序，在确定有可疑电力营销线损信息后要执行报警程序。电力营销线损信息监控程序如图7所示。

图7 电力营销线损信息监控程序

在发现电力营销线损信息之后，检测程序是通过多维数据网络来实现的，在检测电力营销线损信息时，应该对电力营销线损信息采集的信息进行预处理操作，再调用监控系统来获取电力营销线损信息检测程序。然后按照录入电力营销线损信息的顺序读取电力营销线损信息与电力营销正常信息作差分运算，最后判断读取的电力营销线损信息是否为电力营销线损信息，完成电力营销线损信息监测。

在监控电力营销线损信息的过程中，采用一种统计分析筛选的方法来确定比较准确的电力营销线损信息。在电力营销线损信息监控程序运行初期不进行检测，主要是将现有的电力营销线损信息读取到系统数据库中进行记录，在读取一定量的电力营销线损信息后，开始统计分析这些电力营销线损信息，去除与期望值偏差较大的电力营销线损信息[14-15]，实现电力营销线损信息的监控。

综上所述，通过计算监控设备线损位置，设计线损信息采集流程，完成线损信息的采集，结合电力营销线损信息监控程序设计，完成系统的软件设计，实现线损信息的监控。

3 系统性能测试

为了验证线损监控系统的整体应用性能，进行验证实验。

3.1 设置实验参数

测试线损信息监控系统的性能之前，详细分析电力营销信息的特点，选择具有代表性的实验仪器，以保证实验结果具有普遍适用性为目标，表2给出了实验参数。

表2 实验参数

3.2 线损定位精度

线损定位结果对线损信息监控系统的整体性能有着严重影响，因此首先对系统中的线损定位精度进行验证，验证结果如图8所示。

图8 线损定位精度结果

分析图8可知，所设计系统的线损定位结果与实际结果基本一致，说明所提方法能够精准定位线损位置，为线损信息监控奠定基础。

在上述实验结果的支持下，对系统的内存消耗与监控信息量验证，将所设计系统与基于无线传感网络系统、基于Zigbee网络系统进行对比验证。

3.3 系统内存消耗对比测试

根据3.1中设定的实验参数与3.2中的线损定位结果，监控相同数量的电力营销线损信息，进行系统内存消耗对比测试，实验结果如图9所示。

图9 系统内存消耗对比测试结果

从图9的实验结果可以看出，采用基于无线传感网络的线损信息监控系统来监控电力营销线损信息时，随着线损信息分类时间越来越长，前30 s内系统的内存消耗增加较快，30 s之后系统内存消耗略微下降，但是总体系统内存消耗仍保持较高水平，经计算，线损信息分类时间在0-100 s内，系统内存消耗的平均值为2746 kB。采用基于ZigBee网络的线损信息监控系统来监控电力营销线损信息时，系统的内存消耗在前75 s以内持续上升，线损信息分类时间超过70 s之后趋于下降状态，系统内存消耗稳定在1700-2300 kB之间。而采用基于多维数据的线损信息监控系统来监控电力营销线损信息时，线损信息分类时间在前75 s内，系统内存消耗在增加，但是增加的趋势很小，最大内存消耗只有当线损信息分类时间超过75 s以后，系统内存消耗开始缓慢下降，当线损信息分类时间达到100 s时系统内存消耗降到了1200 kB。

3.4 监控电力营销线损信息量对比测试

根据表2给出的实验参数，在相同的时间段内监控电力营销线损信息，采用基于无线传感网络的线损信息监控系统和基于ZigBee网络的线损信息监控系统作为测试的对比对象，进行监控电力营销线损信息量对比测试，实验结果如图10所示。

图10 监控电力营销线损信息量对比结果

从图10的实验结果可以看出，采用基于无线传感网络的线损信息监控系统来监控电力营销线损信息时，监控的电力营销线损信息量平均都在500条以下，特别是在2-4次实验时，监控的电力营销线损信息量下降到216条；采用基于ZigBee网络的线损信息监控系统来监控电力营销线损信息时，监控的电力营销线损信息量基于无线传感网络的线损信息监控系统相差无几，但是该系统在监控过程中非常不稳定，造成监控的电力营销线损信息量忽高忽低，经计算，监控到的电力营销线损信息量平均值为383条；而采用基于多维数据的线损信息监控系统来监控电力营销线损信息时，5次实验监控到的电力营销线损信息量都超过了600条。

综合以上实验结果，基于多维数据的线损信息监控系统与其他两个传统线损信息监控系统相比，在监控电力营销线损信息监控过程中，系统内存消耗更低、信息监控量更高，因此说明该方法的监控性能更高。

4 总结

本研究提出基于多维数据的电力营销线损信息监控系统设计。在多维数据的基础上，通过电力营销线损信息监控系统的硬件设计和软件设计，完成线损信息监控系统的设计，实现电力营销线损信息的监控。测试结果表明，基于多维数据的电力营销线损信息监控系统具有更高的性能，适合电力部门大力推广使用。然而线损信息监控是一项庞大而复杂的系统性功能，因此在未来的研究工作中，仍要进一步提高监控信息量，并减少系统内存开销。