胡吉祥

(國(guó)網(wǎng)涼山供電公司，四川 西昌 616550)

電力設(shè)備包括發(fā)電機(jī)、輸電線路、變壓器以及蒸汽輪機(jī)等，根據(jù)作用將其劃分為電氣一次和二次設(shè)備2種[1]。電力設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，如運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)等，它們對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行、管理、調(diào)配等具有重要作用，因此，完成電力設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，成為電力系統(tǒng)運(yùn)行和管理的重要內(nèi)容[2-3]。

有學(xué)者分別設(shè)計(jì)了基于FPGA多通道和大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，用于完成數(shù)據(jù)采集[4-5]，這些平臺(tái)在采集過(guò)程中，當(dāng)面臨突發(fā)數(shù)據(jù)流時(shí)，無(wú)法完成數(shù)據(jù)調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)擁塞率較高；因此，無(wú)法完成采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，也容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)重發(fā)次數(shù)較多。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可通過(guò)信息傳感設(shè)備完成物體和網(wǎng)絡(luò)之間的連接，利用信息傳播媒介，完成物體信息的交換和通信，實(shí)現(xiàn)智能換識(shí)別、定位以及監(jiān)管等；為此，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和通信。

1 電力設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)

1.1 電力設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)采用3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別為智能感知層、數(shù)據(jù)通信層以及數(shù)據(jù)整合層，系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of real time data acquisition system for power equipment

智能感知層依據(jù)標(biāo)識(shí)體系完成電力設(shè)備的運(yùn)行狀的感知以及數(shù)據(jù)采集，通過(guò)規(guī)范化等處理后[6]，通過(guò)數(shù)據(jù)通信層的網(wǎng)關(guān)接口實(shí)行數(shù)據(jù)傳輸和通信后傳送至數(shù)據(jù)整合層；數(shù)據(jù)整合層完成數(shù)據(jù)的橫向進(jìn)而縱向的整合后，存儲(chǔ)至編碼數(shù)據(jù)庫(kù)中，為電力系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

(1) 智能感知層。智能感知層是用于完成電力設(shè)備運(yùn)行全部信息的感知和采集，主要通過(guò)智能傳感器、RFID等完成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)感知[7]，并且利用嵌入式微處理器完成數(shù)據(jù)智能化處理以及規(guī)范化處理后，經(jīng)由數(shù)據(jù)通信層實(shí)行傳送。

(2) 數(shù)據(jù)通信層。該層是系統(tǒng)實(shí)行數(shù)據(jù)傳輸、通信以及共享的依據(jù)以及通道，其采用多網(wǎng)關(guān)聯(lián)合設(shè)計(jì)，可通過(guò)不同網(wǎng)絡(luò)的接入，包括ZigBee網(wǎng)、LPWAN無(wú)線網(wǎng)以及電力企業(yè)內(nèi)部設(shè)有的骨干傳輸網(wǎng)等，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩⑼暾约胺€(wěn)定性傳送至數(shù)據(jù)整合層[8]。同時(shí)該層具備數(shù)據(jù)過(guò)濾功能，可最大程度去除數(shù)據(jù)中冗余信息，提升數(shù)據(jù)通信效率。

(3) 數(shù)據(jù)整合層。該層用于完成感知層感知獲取數(shù)據(jù)的橫向和縱向整合，存儲(chǔ)至編碼數(shù)據(jù)庫(kù)中。

1.2 電力設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 智能感知層結(jié)構(gòu)

智能感知層主要作用是完成電力設(shè)備數(shù)據(jù)的感知和采集，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該層主要通過(guò)標(biāo)識(shí)體系完成電力設(shè)備數(shù)據(jù)感知，該體系分為感知、編碼、標(biāo)識(shí)、識(shí)別以及解碼5個(gè)部分。其中，感知主要依據(jù)各類(lèi)傳感器完成[9]；編碼和標(biāo)識(shí)以及識(shí)別則依據(jù)EPC電力設(shè)備編碼、RFID電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器、全景集成平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。并且，為將感知和采集的數(shù)據(jù)實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化、一致化處理，該層采用嵌入式微處理器完成。并依據(jù)不同編碼和標(biāo)識(shí)的區(qū)分，構(gòu)建編碼相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)處理后相對(duì)應(yīng)的電力數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口完成數(shù)據(jù)通信。該層在運(yùn)行過(guò)程中，為避免發(fā)生電源斷連導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，在電源部分實(shí)行5 V直流電源的外聯(lián)，同時(shí)外掛3 V電池，并且利用MAX6365轉(zhuǎn)換器完成電源轉(zhuǎn)換；CPU部分則采用高速處理器，同時(shí)通過(guò)協(xié)議棧使CPU的頻率高達(dá)75 MHz，采集的電力設(shè)備數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)由TCL2543芯片實(shí)行轉(zhuǎn)換后，存儲(chǔ)至由AM29LV081芯片組成的存儲(chǔ)單元中[10]；網(wǎng)絡(luò)接口用于完成該層與其他層之間的數(shù)據(jù)通信[11]。

圖2 智能感知層結(jié)構(gòu)Fig.2 Intelligent perception layer structure

1.2.2 多網(wǎng)關(guān)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

多網(wǎng)關(guān)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信層的關(guān)鍵，其用于實(shí)現(xiàn)智能感知層和數(shù)據(jù)整合層間數(shù)據(jù)的傳輸[12]，多網(wǎng)關(guān)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的核心處理器為ARMv8架構(gòu)的Cortex-A53，以保證電力設(shè)備數(shù)據(jù)的高效傳輸，結(jié)構(gòu)如圖3所示。智能感知層感知的電力設(shè)備數(shù)據(jù)通過(guò)CC2530和CC2591兩種單片機(jī)轉(zhuǎn)換處理后，通過(guò)ARMv8 Cortex-A53核心處理器傳輸?shù)讲煌木W(wǎng)絡(luò)控制器中進(jìn)行控制傳輸。其中，多網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的核心處理器中部署加權(quán)隊(duì)列調(diào)度算法，可保證在通信數(shù)據(jù)量突發(fā)情況下的通信流暢，避免發(fā)生數(shù)據(jù)擁塞。

1.3 電力設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電力設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)軟件部分基于Windows NT平臺(tái)，采用VC++進(jìn)行編制，充分發(fā)揮面向?qū)ο蟮墓δ?，?shí)現(xiàn)軟件模塊的易升級(jí)易修改，設(shè)計(jì)友好的用戶(hù)界面，便于用戶(hù)操作。設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。在用戶(hù)模式下，該程序可以通過(guò)調(diào)用DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)控制數(shù)據(jù)采集程序；在內(nèi)核模式下，驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制。

圖4 應(yīng)用程序內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Application internal structure diagram

在數(shù)據(jù)采集程序中，具體流程如圖5所示。

圖5 電力設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集流程Fig.5 Real-time data acquisition process of power equipment

由于本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信采用多網(wǎng)關(guān)聯(lián)合方式完成，為避免電力設(shè)備數(shù)據(jù)在通信以及傳輸過(guò)程中，突發(fā)數(shù)據(jù)流量造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，在多網(wǎng)關(guān)聯(lián)合結(jié)構(gòu)中的核心處理器中部署加權(quán)隊(duì)列調(diào)度算法，用于實(shí)現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)流量的調(diào)度，保證電力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

(1)

(2)

(3)

式中，li為隊(duì)列長(zhǎng)度；lj表示第j個(gè)數(shù)據(jù)傳輸包。

(1) 初始時(shí)刻，完成每一個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息的交換，在維護(hù)NBi的同時(shí)完成lj的更新。

(2) 數(shù)據(jù)流量的調(diào)度在(t，t+T)的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行，其中任一數(shù)據(jù)的處理周期用T表示；H(Ni)的取值存在2種情況，分別為等于1和大于1。取值為前者時(shí)，向與Ni最近的本地局域網(wǎng)關(guān)實(shí)行數(shù)據(jù)調(diào)度，取值為后者時(shí)，通過(guò)式(1)—(3)求解加權(quán)隊(duì)列后，完成數(shù)據(jù)調(diào)度。

(3)lj的更新需結(jié)合狀態(tài)信息、產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及到達(dá)的中繼數(shù)據(jù)完成[14]，更新過(guò)程在t+T時(shí)刻內(nèi)完成；下一個(gè)T時(shí)刻內(nèi)循環(huán)步驟(2)。

該算法在執(zhí)行數(shù)據(jù)調(diào)度時(shí)，下一跳的獲取都是從全部NBi中選擇，具備較高的負(fù)載均衡，并且可充分衡量網(wǎng)絡(luò)的即時(shí)狀態(tài)，平均掉包率較低，最大程度減小重傳時(shí)間，使擁塞最大程度緩解[15]，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的平衡，避免擁塞發(fā)生的同時(shí)，可在擁塞發(fā)生后，有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的調(diào)度降低擁塞程度。

2 仿真分析

為測(cè)試本文系統(tǒng)對(duì)于電力設(shè)備數(shù)據(jù)采集的性能以及效果，采用MATLAB 2019軟件以某配電網(wǎng)為實(shí)例對(duì)象實(shí)行模擬。模擬時(shí)最高輸出電壓為110 kV，最大穩(wěn)態(tài)輸出電流為6 500 A，最大輸出涌流電流峰值60 kA。其中，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的登錄界面如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)系統(tǒng)登錄界面Fig.6 Design system login interface

為測(cè)試本文系統(tǒng)的電力設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集效果，以最大穩(wěn)態(tài)輸出電流和最大輸出涌流電流峰值作為測(cè)試內(nèi)容，采用本文系統(tǒng)對(duì)其實(shí)行信號(hào)采集，將采集結(jié)果與實(shí)際結(jié)果作對(duì)比，衡量本文系統(tǒng)采集效果，如圖7所示。依據(jù)圖7測(cè)試結(jié)果可知：在電力設(shè)備電流處于最大穩(wěn)定情況下，本文系統(tǒng)采集的最大穩(wěn)態(tài)輸出電流信號(hào)與實(shí)際信號(hào)波動(dòng)結(jié)果吻合程度較高，誤差極??；并且在電流發(fā)生最大涌流波動(dòng)時(shí)，本文系統(tǒng)依舊能夠完成信號(hào)的準(zhǔn)確采集，保證采集結(jié)果與實(shí)際結(jié)果吻合程度較高。該結(jié)果表明本文系統(tǒng)具備良好的電力設(shè)備數(shù)據(jù)采集效果，可完成電力設(shè)備不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集，且此采集的數(shù)據(jù)可靠性較高。

圖7 采集效果測(cè)試結(jié)果Fig.7 Collection effect test results

采用有效值誤差和峰值誤差作為衡量本文系統(tǒng)的采集性能測(cè)試指標(biāo)，兩者公式分別為：

(4)

(5)

采用MATLAB 2019軟件模擬4種電壓互感器與示波器變比，分別為1 000∶1、1 001∶1、1 002∶1以及1 003∶1，并依據(jù)式(4)和式(5)獲取本文系統(tǒng)在4種情況下數(shù)據(jù)采集結(jié)果的有效值和峰值誤差，結(jié)果見(jiàn)表1。要求2種誤差均處于限制范圍5%以?xún)?nèi)。依據(jù)表1測(cè)試結(jié)果可知，在4種情況下，本文系統(tǒng)采集結(jié)果的有效值誤差和峰值誤差均在4.5%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足2種誤差的限制范圍標(biāo)準(zhǔn)，表明本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集性能良好。

表1 不同情況2種誤差值測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of two error values under different conditions

為測(cè)試本文系統(tǒng)的通信能力，以信道調(diào)度分配效果作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試本文系統(tǒng)在4種不同通信信道寬帶情況下的信道分布幅度變化結(jié)果，用表2所示。其中4種不同通信信道寬帶分別是100、120、140、160 Mb/s。依據(jù)表2測(cè)試結(jié)果可知：隨著通信數(shù)據(jù)總量的增加，4條信道的數(shù)據(jù)分布幅度變化結(jié)果較為接近，該結(jié)果表明本文系統(tǒng)具備良好的通信效果，可充分完成數(shù)據(jù)分配，使各條信道被充分利用，以此避免發(fā)生信道擁塞。

表2 信道分布幅度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of channel distribution amplitude

為進(jìn)一步測(cè)試本文系統(tǒng)的通信效果，分析電力設(shè)備數(shù)據(jù)在通信時(shí)突發(fā)流量，測(cè)試本文系統(tǒng)在該情況下?lián)砣?目標(biāo)結(jié)果為低于5.5%)的變化結(jié)果，見(jiàn)表3。依據(jù)表3測(cè)試結(jié)果可知，采用本文系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中，其時(shí)間在4 s和10 s時(shí)，發(fā)生突發(fā)數(shù)據(jù)流量，擁塞率低于4%，并且本文系統(tǒng)可在1 s內(nèi)完成突發(fā)數(shù)據(jù)流量的調(diào)度分配，最大程度降低擁塞率，保證采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信。

表3 突發(fā)數(shù)據(jù)流量擁塞率測(cè)試結(jié)果Tab.3 Burst data traffic congestion rate test results

由于電力設(shè)備數(shù)據(jù)在通信過(guò)程中，電力設(shè)備的運(yùn)行的情況存在差異，因此導(dǎo)致數(shù)據(jù)的生成速率存在差異。本文系統(tǒng)在不同數(shù)據(jù)生成速率、不同本地局域網(wǎng)關(guān)數(shù)量情況下，數(shù)據(jù)流量分布結(jié)果見(jiàn)表4。其中，分布結(jié)果通過(guò)傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)量占據(jù)數(shù)據(jù)包總量的百分比標(biāo)準(zhǔn)差表示，目標(biāo)結(jié)果低于0.45。依據(jù)表4測(cè)試結(jié)果可知，數(shù)據(jù)生成速率的增加，4種網(wǎng)關(guān)數(shù)量的多標(biāo)準(zhǔn)差的結(jié)果均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且生成速率超過(guò)4 kb/s以后，網(wǎng)關(guān)數(shù)量越多，下降趨勢(shì)越明顯。該結(jié)果表明：本文系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)數(shù)量越多數(shù)據(jù)生成速率越快，在實(shí)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)通信的負(fù)載程度越好，可有效避免擁塞率的發(fā)生。

表4 不同數(shù)量本地局域數(shù)據(jù)流量分布測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test results of different amounts of local area data traffic distribution

3 結(jié)論

電力設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中其全部運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，對(duì)于電力系統(tǒng)的整體管理以及供電服務(wù)的保證具有重要意義，但是由于電力設(shè)備的差異性，其數(shù)據(jù)的產(chǎn)生方式、采集方法等均存在差異，并且結(jié)果電力系統(tǒng)的特殊性，數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、傳輸?shù)耐暾跃鶗?huì)受到不同程度的影響。因此，本文設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，最大限度地保障電力設(shè)備數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性以及通信的實(shí)時(shí)性和完整性。經(jīng)測(cè)試：本文系統(tǒng)可有效、可靠完成電力設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中信號(hào)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集結(jié)果的有效值和峰值誤差均在限制范圍內(nèi)，并且多網(wǎng)關(guān)聯(lián)合設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，發(fā)生突發(fā)數(shù)據(jù)流量時(shí)可快速完成數(shù)據(jù)調(diào)度，最大程度降低數(shù)據(jù)通信擁塞率。