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(fù)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(fù)荷處理的過程[1-3]。建立現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)保障體系是電力采集系統(tǒng)在電力工業(yè)實(shí)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(jìn)行信息采集，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的故障定位、故障處理和運(yùn)行監(jiān)測等功能，但電力信息采集、運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)計(jì)算量大，采集效果較差[5]。為此，設(shè)計(jì)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(jì)

基于曼哈頓距離的用電信息采集運(yùn)維系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)ETL 層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yùn)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(jī)，利用OA 郵件等方式實(shí)現(xiàn)[6]，其收集的用電信息全部輸入到聯(lián)機(jī)分析數(shù)據(jù)庫中，并將主要指標(biāo)與維度關(guān)鍵字進(jìn)行存儲(chǔ)，完成主站和銷售系統(tǒng)的采集、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和總線數(shù)據(jù)的傳輸。

1.1 電采運(yùn)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(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換成載波信號(hào)。圖2 顯示了電采運(yùn)維工具的結(jié)構(gòu)。

圖2 電采運(yùn)維工具結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，若電采運(yùn)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(jī)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(shí)際工作中，單片機(jī)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(jìn)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(shí)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(jì)和使用時(shí)，通過MCU 及時(shí)向上行服務(wù)器發(fā)送外環(huán)境參數(shù)信息并報(bào)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(fù)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(dá)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(duì)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(kuò)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(jì)

2.1 用電信息采集的時(shí)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(yùn)維管理速度；tn-i表示采集用電信息標(biāo)量時(shí)間序列；tn-j表示運(yùn)維管理用電信息標(biāo)量時(shí)間序列。

利用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘[15]異常數(shù)據(jù)對(duì)電力系統(tǒng)電力故障進(jìn)行判斷與定位，構(gòu)建用電信息采集的時(shí)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(bào)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(xiàng)。

2.2 巡檢調(diào)度

分配任務(wù)時(shí)，最重要的是計(jì)算和分析檢查人員(Al,A2,A3,…)到故障點(diǎn)(B1,B2,B3,…)的距離。如圖4所示，點(diǎn)A 與點(diǎn)B 之間沒有直線，需要通過其他中間點(diǎn)，至少要經(jīng)過點(diǎn)C。這時(shí)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(dá)哥拉斯定理，AB 的長度可以用AC 和CB 來計(jì)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(diǎn)A 到點(diǎn)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(jì)算。僅用加減，就能極大地提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。

2.3 遠(yuǎn)程運(yùn)維

遠(yuǎn)程作業(yè)平臺(tái)對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和檢測，發(fā)現(xiàn)異常信息后，在后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)庫中的故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷和匹配；利用探測軟件的定位功能對(duì)各測試儀進(jìn)行定位，然后利用曼哈頓距離法，計(jì)算分析各測試儀和各故障點(diǎn)之間最短路徑的耗散值和激波時(shí)間范圍；檢測員攜帶的app 任務(wù)欄中，會(huì)自動(dòng)推送巡檢計(jì)劃，當(dāng)檢測員接受檢測計(jì)劃后，提示符自動(dòng)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(diǎn)進(jìn)行維修。遠(yuǎn)程運(yùn)維流程如圖5 所示。

圖5 遠(yuǎn)程運(yùn)維流程

3 實(shí) 驗(yàn)

通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于曼哈頓距離的用電信息采集運(yùn)維系統(tǒng)的應(yīng)用性能。利用某省24 907 294個(gè)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(yùn)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(yùn)行過程，共收集了1 417 869 個(gè)數(shù)據(jù)樣本和42 536 070 個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)域波形如圖6 所示。

圖6 理想情況下信息采集時(shí)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(duì)信息采集波形進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同方法信息采集波形對(duì)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(dòng)，與理想情況下的信息采集時(shí)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(dòng)，與理想情況下的信息采集時(shí)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(dòng)，與理想情況下的信息采集時(shí)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(duì)采集標(biāo)準(zhǔn)誤差進(jìn)行對(duì)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(duì)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(duì)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(yùn)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(duì)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(duì)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行管理系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)用電信息采集運(yùn)維系統(tǒng)軟硬件，能夠有效地提高電力信息采集、運(yùn)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(jì)分析方面有較好的應(yīng)用價(jià)值。