虞炳文，肖曉強(qiáng)，范利波，丁思煒

(1.國(guó)防科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073；2.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌 615000)

0 引言

供電系統(tǒng)通常是一個(gè)單位的命門(mén)所在，電力的不穩(wěn)定將直接影響單位業(yè)務(wù)的正常開(kāi)展，尤其在航天系統(tǒng)這樣一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求的領(lǐng)域，確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，具有重大的意義。如果航天測(cè)控站的供電系統(tǒng)不穩(wěn)定，可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)控設(shè)備跟蹤測(cè)量飛行器的任務(wù)失敗，甚至可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)控?zé)龤?、損壞。目前，在各航天測(cè)控站中，通過(guò)各類(lèi)型的電力設(shè)備對(duì)供電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)并不少見(jiàn)，但是對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一收集、分析及顯示并沒(méi)有很好的方案，該文結(jié)合工作實(shí)踐，設(shè)計(jì)一種適用于航天測(cè)控站的供電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其目的在于打通包括測(cè)量及供電設(shè)備在內(nèi)的各電力設(shè)備之間的壁壘，將各類(lèi)型電力設(shè)備實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到分析，再到顯示的集中智能監(jiān)測(cè)，以及時(shí)把握供電系統(tǒng)存在的隱患，提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，從而提高航天測(cè)控設(shè)備參加測(cè)量任務(wù)的可靠性。

當(dāng)前部分航天測(cè)控站的電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚未健全，通常依靠人的干預(yù)，來(lái)觀測(cè)記錄分析預(yù)測(cè)。對(duì)電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，主要通過(guò)日常的日、周、月維護(hù)，以及在航天發(fā)射的關(guān)鍵時(shí)刻，安排專(zhuān)人到實(shí)地進(jìn)行監(jiān)視來(lái)實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測(cè)的過(guò)程，也是通過(guò)監(jiān)測(cè)人員對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)的表格化記錄為記錄方式，而且關(guān)鍵指標(biāo)的采集并不完整，部分有用指標(biāo)不具備采集條件。對(duì)電力系統(tǒng)監(jiān)視分析過(guò)程，以及對(duì)可能發(fā)生的故障的預(yù)判，也高度依賴(lài)監(jiān)測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行判斷。

因此，目前航天測(cè)控站的電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主要存在以下幾方面問(wèn)題：

1)數(shù)據(jù)并沒(méi)有被充分挖掘，部分有價(jià)值的數(shù)據(jù)，因?yàn)椴痪邆洳杉瘲l件而未被采集，部分?jǐn)?shù)據(jù)雖然開(kāi)放了接口，具備被采集的條件，但并沒(méi)有得到重視，長(zhǎng)期處于離線采集狀態(tài)；

2)沒(méi)有供電數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)手段，大量有價(jià)值數(shù)據(jù)未被存儲(chǔ)；

3)缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的分析手段，數(shù)據(jù)的處理受限制；

4)缺乏數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一顯示手段。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出以下幾種處理方案：

1)針對(duì)數(shù)據(jù)采集方式的缺失，設(shè)計(jì)了一套新的軟硬件結(jié)合的數(shù)據(jù)采集模塊，通過(guò)硬件上，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集末端局域網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集主干網(wǎng)，將不同類(lèi)型的涉電設(shè)備的電力參數(shù)，根據(jù)其各自的通信方式，如網(wǎng)口或者串口，選用不同的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)將所有的涉電設(shè)備，都通過(guò)以太網(wǎng)就近接入。

2)為解決數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)手段缺失問(wèn)題。結(jié)合數(shù)據(jù)采集模塊，并設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)布模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)C/S架構(gòu)，即在本地搭建以數(shù)據(jù)采集設(shè)備為核心的數(shù)據(jù)采集末端局域網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集主干網(wǎng)傳輸，上傳至搭建了數(shù)據(jù)發(fā)布模塊的上位機(jī)中心服務(wù)器，兩者之間通過(guò)固定通信協(xié)議溝通。從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

3)針對(duì)數(shù)據(jù)分析手段缺失的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)發(fā)布模塊的數(shù)據(jù)分析功能。通過(guò)在上位機(jī)服務(wù)器布設(shè)供電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件，實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能，一則與數(shù)據(jù)采集終端溝通的功能，二則數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析功能，三則數(shù)據(jù)推送功能。

4)針對(duì)數(shù)據(jù)顯示手段缺失的問(wèn)題，將供電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)為B/S架構(gòu)，通過(guò)軟件后臺(tái)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行推送的功能，用戶(hù)可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)前端查看數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。

1 供電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)行框架如圖1所示。

圖1 供電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

可據(jù)此分為兩個(gè)大功能模塊，分別為數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)發(fā)布模塊。

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主體架構(gòu)為C/S架構(gòu)，即服務(wù)器配合客戶(hù)端的架構(gòu)，服務(wù)器即上位機(jī)服務(wù)器，以及其上所運(yùn)行的供電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件，客戶(hù)端即數(shù)據(jù)采集終端，以及終端上所運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集客戶(hù)端軟件?？赏ㄟ^(guò)此設(shè)計(jì)，解決數(shù)據(jù)采集方式缺失的問(wèn)題，以及實(shí)現(xiàn)將采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至中心服務(wù)器的功能。

1.1.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)區(qū)分為數(shù)據(jù)采集末端局域網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)采集主干網(wǎng)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集末端局域網(wǎng)為數(shù)據(jù)采集主干網(wǎng)中的子節(jié)點(diǎn)。一個(gè)數(shù)據(jù)采集主干網(wǎng)可根據(jù)需求包含若干個(gè)數(shù)據(jù)采集末端局域網(wǎng)。

1.1.1.1 數(shù)據(jù)采集末端局域網(wǎng)

數(shù)據(jù)采集末端局域網(wǎng)為整個(gè)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的基本單元，是數(shù)據(jù)采集中的最前端環(huán)節(jié)，與供電系統(tǒng)直接相連接，通過(guò)各類(lèi)傳感器及各類(lèi)通信接口，直接或者間接的獲取各電力設(shè)備的各參數(shù)數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集末端局域網(wǎng)拓?fù)鋱D

圖3 常見(jiàn)三相4回路電參數(shù)采集模塊示意圖

1)數(shù)據(jù)采集終端：

數(shù)據(jù)采集終端為整個(gè)數(shù)據(jù)采集末端局域網(wǎng)的核心，通過(guò)以太網(wǎng)口，經(jīng)交換機(jī)，與各個(gè)終端設(shè)備，根據(jù)其通信接口、通信協(xié)議進(jìn)行溝通，終端設(shè)備若采用串口通信，則通過(guò)串口服務(wù)器與相應(yīng)終端設(shè)備溝通，若采用以太網(wǎng)口，則直接溝通。串口服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集終端之間為保證數(shù)據(jù)的可靠性，采用TCP模式進(jìn)行溝通。數(shù)據(jù)采集終端采用嵌入式設(shè)計(jì)，基于國(guó)產(chǎn)龍芯2K1000芯片設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)板，帶4.2英寸觸摸屏，以及AC音頻口等，開(kāi)發(fā)板運(yùn)行l(wèi)inux內(nèi)核，可運(yùn)行基于Qt開(kāi)發(fā)的C++程序，即數(shù)據(jù)采集客戶(hù)端軟件，該軟件通過(guò)通信協(xié)議與各電力設(shè)備通信，獲取其電參數(shù)，并整理成為統(tǒng)一的通信格式，外發(fā)至上位機(jī)服務(wù)器。

2)繼電器設(shè)備：

繼電器在供電系統(tǒng)中起到的測(cè)量的作用，可測(cè)量三相電的電壓值，通常繼電器設(shè)備包含有顯示屏幕，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相電數(shù)值，繼電器一般使用RS485串口與外部通信。選用繼電器是在本地需要監(jiān)測(cè)的三相電路數(shù)較少，并且需要本地也可實(shí)時(shí)顯示查閱的情況下使用。缺點(diǎn)是繼電器通常只能測(cè)量一路三相電，優(yōu)點(diǎn)是本地可實(shí)時(shí)顯示查看。

3)模擬量采集器：

模擬量采集器即采集模擬信號(hào)并獲取其數(shù)值的設(shè)備，可通過(guò)A/D采樣，采集電壓值和電流值，其中電壓值可直接從電路中串接分線，電流值需要互感器的配合。常見(jiàn)的模擬量采集器量程有，電壓0至24 V，電流0至20毫安?？筛鶕?jù)需求選擇采集路數(shù)。模擬量采集器的通信接口通常為RS485串口。該設(shè)備適合用于用電設(shè)備端，比如采集機(jī)房機(jī)架用電情況。所選用的模擬量采集器的技術(shù)參數(shù)可見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)模擬量采集器的技術(shù)參數(shù)

4)三相4回路電參數(shù)采集模塊：

三相4回路電參數(shù)采集模塊，可測(cè)量相電壓和相電流，以及功率、功率因數(shù)、有功電能等，常見(jiàn)的相電壓量程在20～500 V之間，常見(jiàn)的電流量程為1～20 A之間，電流測(cè)量需要配合外置互感器。與模擬量采集器類(lèi)似，通過(guò)對(duì)模擬量的A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采樣，區(qū)別在于通常普通的模擬量采集器的量程較小，而三相4回路電參數(shù)采集模塊的量程較大。通常采用RS485的通信接口。該設(shè)備適合用于配電機(jī)房這樣的主干電路機(jī)房中。常見(jiàn)的三相4回路電參數(shù)采集模塊的示意圖如下。

5)油機(jī)設(shè)備：

航天測(cè)控站中，通常都會(huì)安裝有油機(jī)設(shè)備，用于對(duì)市電的冗余備份，當(dāng)市電中斷供應(yīng)時(shí)，所采用的應(yīng)急手段，油機(jī)可以采集的電參數(shù)通常有，油機(jī)額定功率、額定電壓、額定頻率、額定電流、額定轉(zhuǎn)速等等，可見(jiàn)表2。

表2 油機(jī)常見(jiàn)參數(shù)

6)UPS設(shè)備：

航天測(cè)控站因?yàn)槠涮厥庑再|(zhì)，對(duì)其電力使用的穩(wěn)定性及可靠性，都有著較高的要求，因此必定會(huì)配備有UPS設(shè)備，UPS設(shè)備即不間斷電源設(shè)備，通常起到兩個(gè)作用，一個(gè)是穩(wěn)壓，無(wú)論是市電還是油機(jī)發(fā)電的輸入，其電力都是不可靠的，會(huì)有著較大的波動(dòng)，這對(duì)于測(cè)控設(shè)備來(lái)說(shuō)是不可接受的，因此UPS設(shè)備的穩(wěn)壓功能有著非常重要的作用，另一個(gè)作用是當(dāng)接入的電力中斷或者電力在幾路來(lái)源中切換時(shí)，保持經(jīng)過(guò)UPS設(shè)備的后側(cè)用電設(shè)備不斷電，能無(wú)縫銜接。UPS設(shè)備可以采集的電參數(shù)有輸入電壓、最近一次的異常電圧、輸出電壓、輸出電流、輸出頻率、電池總電壓、UPS溫度、UPS狀態(tài)、預(yù)計(jì)電池備用時(shí)間、電池容量百分比、輸出有功功率、輸出視在功率、總功率、負(fù)載百分比、故障代碼、警告代碼等。UPS設(shè)備通?？赏ㄟ^(guò)網(wǎng)口和串口兩種方式與外部通信。

7)蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：

蓄電池組是UPS的配套設(shè)備，通常一套UPS設(shè)備起碼配備有一組蓄電池，一組蓄電池通常包含有32塊蓄電池，一塊蓄電池通常額定電壓為12 V，容量常見(jiàn)的有100安時(shí)或120安時(shí)。蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是用于對(duì)蓄電池組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)的設(shè)備，能監(jiān)測(cè)得到的電參數(shù)有單塊電池的電壓、電流、電阻和溫度值，每一組蓄電池組的電壓值和電流值、以及系統(tǒng)根據(jù)所獲取參數(shù)及預(yù)設(shè)指標(biāo)所給出的告警信息等。蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常采用串口通信，通信模式如圖4。

圖4 蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信模式

8)溫濕度計(jì)：

通常供電設(shè)備最容易受到溫濕度變化而出現(xiàn)問(wèn)題，同樣，溫濕度變化也是最直接能反映供電設(shè)備狀態(tài)的參數(shù)指標(biāo)，因此溫濕度雖然并不是直接的電參數(shù)，因?yàn)槠渲匾?，納入到電力設(shè)備范疇，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)采集。溫濕度計(jì)通常采用網(wǎng)口接入以太網(wǎng)。常見(jiàn)以太網(wǎng)型溫濕度計(jì)參數(shù)如表3。

表3 常見(jiàn)以太網(wǎng)型溫濕度計(jì)參數(shù)

表4 單個(gè)設(shè)備極限輪詢(xún)測(cè)試

表5 滿載同時(shí)輪詢(xún)測(cè)試

表6 上位機(jī)服務(wù)器接收數(shù)據(jù)測(cè)試

表7 上位機(jī)服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試

表8 顯示界面刷新率測(cè)試

表9 顯示界面刷新率測(cè)試

1.1.1.2 數(shù)據(jù)采集主干網(wǎng)

數(shù)據(jù)采集主干網(wǎng)采用星型接入結(jié)構(gòu)，即一個(gè)數(shù)據(jù)采集主干網(wǎng)可以接入若干個(gè)數(shù)據(jù)采集末端局域網(wǎng)，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集主干網(wǎng)

圖6 與電力終端設(shè)備的通信協(xié)議生成流程圖

圖7 與電力終端設(shè)備的通信協(xié)議生成流程圖

1.1.2 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊中的軟件部分，主要便是數(shù)據(jù)采集終端中的數(shù)據(jù)采集客戶(hù)端軟件的開(kāi)發(fā)，該軟件的開(kāi)發(fā)應(yīng)該聚焦兩個(gè)方面的內(nèi)容，一則通信協(xié)議設(shè)置模塊，包含與電力設(shè)備溝通采集數(shù)據(jù)以及與上位機(jī)溝通兩部分，二則網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

1.1.2.1 通信協(xié)議設(shè)置模塊

該模塊解決的是在與各個(gè)方向的通信過(guò)程中，會(huì)涉及到的通信協(xié)議的問(wèn)題。

1)與各電力終端設(shè)備的通信協(xié)議：

與各電力終端設(shè)備的通信協(xié)議，主要采用串口與串口服務(wù)器的方式。在常見(jiàn)的電力設(shè)備中整體可區(qū)分為兩種串口通信協(xié)議，一種為規(guī)則的通信協(xié)議，按照標(biāo)準(zhǔn)的起始碼、地址碼、命令字、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼的格式生成的通信協(xié)議。另一種為不規(guī)則的通信協(xié)議，比如UPS設(shè)備，通常其通信協(xié)議并不規(guī)則，使用其廠家自行定義的一套規(guī)則。

2)與上位機(jī)服務(wù)器溝通的通信協(xié)議：

與上位機(jī)服務(wù)器溝通，采用網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的格式，因此其通信協(xié)議格式按照智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部約定好的格式即可，通?？砂凑杖缦赂袷郊s定。

報(bào)文包含有報(bào)文類(lèi)型、目的地址、源地址、數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)域、校驗(yàn)位等內(nèi)容。報(bào)文類(lèi)型即可區(qū)分是控制命令還是測(cè)量數(shù)據(jù)，以及該條報(bào)文所含數(shù)據(jù)，采集自何種電力設(shè)備等，目的地址可區(qū)分接收方，通常是上位機(jī)服務(wù)器，源地址可區(qū)分來(lái)源，如哪臺(tái)數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度即告知接受者數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度為多長(zhǎng)，該長(zhǎng)度即為后續(xù)數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)，最后使用校驗(yàn)碼保證數(shù)據(jù)報(bào)文的準(zhǔn)確性。

1.1.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。包含與串口服務(wù)器的數(shù)據(jù)收發(fā)，以及與上位機(jī)服務(wù)器的數(shù)據(jù)收發(fā)。

1)與串口服務(wù)器的數(shù)據(jù)收發(fā)：

與串口服務(wù)器的通信，采用TCP模式，在串口服務(wù)器的每個(gè)端口中分別啟用TCP的客戶(hù)端模式，以端口號(hào)區(qū)分設(shè)備，在數(shù)據(jù)采集終端啟用TCP的服務(wù)器模式，當(dāng)有電力設(shè)備上線時(shí)，串口服務(wù)器相應(yīng)端口激活，與數(shù)據(jù)采集終端溝通成功，數(shù)據(jù)采集終端開(kāi)始根據(jù)輪詢(xún)電力設(shè)備，獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。流程如圖8。

圖8 與電力終端設(shè)備的通信協(xié)議生成流程圖

2)與上位機(jī)服務(wù)器的數(shù)據(jù)收發(fā)：

與上位機(jī)服務(wù)器采用UDP組播的通信方式，組播的優(yōu)勢(shì)是不擠占網(wǎng)絡(luò)資源，數(shù)據(jù)的可靠性通過(guò)通信協(xié)議中的校驗(yàn)碼來(lái)保證。

1.2 數(shù)據(jù)發(fā)布模塊

數(shù)據(jù)發(fā)布模塊的主要聚焦于3個(gè)功能，一則數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，二則數(shù)據(jù)分析，三則數(shù)據(jù)顯示。以解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和顯示手段缺失的問(wèn)題。數(shù)據(jù)發(fā)布模塊部署在上位機(jī)服務(wù)器中，即供電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件，該軟件采用Java語(yǔ)言編寫(xiě)。

1.2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

通過(guò)與數(shù)據(jù)采集終端形成C/S架構(gòu)，數(shù)據(jù)采集終端將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)組播形式發(fā)送，上位機(jī)服務(wù)器中的供電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件通過(guò)加入組播組接收數(shù)據(jù)。接收到數(shù)據(jù)后，拆解包頭，可獲悉屬于何種電力設(shè)備數(shù)據(jù)，通過(guò)預(yù)設(shè)的該類(lèi)型電力設(shè)備的數(shù)據(jù)格式拆解數(shù)據(jù)域內(nèi)容，并存入相應(yīng)數(shù)據(jù)表。流程如圖9。

圖9 上位機(jī)拆解報(bào)文并存儲(chǔ)流程圖

1.2.2 數(shù)據(jù)分析功能

在供電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件中，數(shù)據(jù)分析智能性的最重要的體現(xiàn)，通過(guò)這一功能，將已獲取的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行盡可能的數(shù)據(jù)分析，以挖掘數(shù)據(jù)的價(jià)值。

1.2.2.1 可統(tǒng)計(jì)分析的參數(shù)

常見(jiàn)數(shù)據(jù)分析需求如下。

1)統(tǒng)計(jì)近期某測(cè)控設(shè)備的耗電量趨勢(shì)，判斷是否存在何種異常；

2)統(tǒng)計(jì)蓄電池近期內(nèi)阻上升趨勢(shì)，判斷蓄電池健康狀況，判斷蓄電池是否已老化嚴(yán)重，是否需要進(jìn)行蓄電池更換；

3)根據(jù)預(yù)設(shè)的范圍值，對(duì)超出正常范圍的參數(shù)進(jìn)行告警；

4)統(tǒng)計(jì)油機(jī)的通過(guò)對(duì)油機(jī)供電的一段時(shí)期內(nèi)的參數(shù)值趨勢(shì)進(jìn)行分析，判斷油機(jī)是否存在異常；

5)通過(guò)對(duì)市電采集的一段時(shí)期內(nèi)的參數(shù)值數(shù)據(jù)趨勢(shì)進(jìn)行分析，判斷市電是否存在異常。

6)通過(guò)對(duì)內(nèi)部電網(wǎng)的一段時(shí)期內(nèi)的參數(shù)值進(jìn)行分析，看是否存在異常值，看是否有接線松弛等風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)存在的可能。

1.2.2.2 回歸分析方法

在數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)中，比較常見(jiàn)的分析方法為回歸分析法。

回歸分析法根據(jù)自變量的數(shù)目，區(qū)分為一元回歸分析法和多元回歸分析法。可按照自變量和因變量之間的變化關(guān)系，分為線性回歸分析和非線性回歸分析。

以蓄電池老化為例，蓄電池老化的一個(gè)典型特征是內(nèi)阻開(kāi)始增大，可以以?xún)?nèi)阻作為自變量參數(shù)，來(lái)反映蓄電池老化的一個(gè)趨勢(shì)。

設(shè)內(nèi)阻的值為x，設(shè)蓄電池已使用時(shí)間為y。當(dāng)內(nèi)阻的值越大，蓄電池的已經(jīng)使用時(shí)間越長(zhǎng)，即x越大，，y則越大，這是一個(gè)正相關(guān)的過(guò)程，但x一開(kāi)始不為零，因此，這是一個(gè)一元的線性回歸分析問(wèn)題。可以列出一個(gè)簡(jiǎn)答的線性相關(guān)函數(shù)如下。

(1)

其中：i代表為第i次記錄內(nèi)阻值，β0為一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，β1為xi的系數(shù)，ε為不可觀測(cè)的隨機(jī)誤差，E(ε)代表著ε的期望應(yīng)當(dāng)為0，即不可觀測(cè)的隨機(jī)誤差應(yīng)當(dāng)趨于0，D(ε)=σ2所指的σ2是未知參數(shù)，即σ2的方差應(yīng)當(dāng)趨于某個(gè)固定的值。該式即為一元線性回歸模型，βk為回歸系數(shù)，在此k取0和1。

在i次觀察記錄后，可以得到i組數(shù)據(jù)，此時(shí)i個(gè)y值可以組成Y矩陣，i個(gè)x值可以組成X矩陣，i個(gè)ε值寫(xiě)作ε矩陣，組成如下函數(shù)。

(2)

使用最小二乘估計(jì)，估計(jì)X中的β0和β1值。

(3)

可計(jì)算得到參數(shù)值，并通過(guò)以下公式判斷結(jié)果的好壞。

(4)

Qe=eTe

(5)

(6)

求出的一元線性回歸模型即可作為蓄電池生命周期的函數(shù)，進(jìn)而判斷其剩余壽命。

1.2.3 數(shù)據(jù)顯示功能

在供電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件中，采用B/S架構(gòu)顯示數(shù)值，顯示的參數(shù)包括原始數(shù)據(jù)和分析結(jié)果數(shù)值。供電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件作為服務(wù)器端，采用Java語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)websocket與前端網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面進(jìn)行溝通，實(shí)現(xiàn)雙向握手實(shí)時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新頁(yè)面數(shù)據(jù)，保證頁(yè)面數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，以及數(shù)據(jù)的可靠性。websocket的溝通機(jī)制如圖10所示。

圖10 websocket原理機(jī)制圖

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為測(cè)試方案的可行性，現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試。

2.1 串口終端接入容量測(cè)試

串口終端接入容量測(cè)試，目的在于測(cè)試數(shù)據(jù)處理終端通過(guò)串口服務(wù)器輪詢(xún)各涉電設(shè)備數(shù)據(jù)的能力，其是否滿足航天測(cè)控站的需求，并找到單個(gè)數(shù)據(jù)采集末端局域網(wǎng)的最佳采集方案。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可知測(cè)試數(shù)據(jù)處理終端通過(guò)串口服務(wù)器輪詢(xún)各涉電設(shè)備數(shù)據(jù)的能力，滿足航天測(cè)控站的需求，并且可知滿足航天測(cè)控站需求的最佳檔位組合為繼電器采用1秒1次采集頻率，模擬量采集器采用10秒1次采集頻率，油機(jī)采用10秒1次采集頻率，電參數(shù)采集模塊采用10秒1次采集頻率，UPS采用10秒1次采集頻率，蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用30秒1次采集頻率。

2.2 網(wǎng)絡(luò)收發(fā)包測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)收發(fā)包壓力測(cè)試的目的，在于測(cè)試上位機(jī)服務(wù)器是否滿足航天測(cè)控站對(duì)數(shù)據(jù)采集末端局域網(wǎng)數(shù)量的需求，通常，這個(gè)數(shù)量需求應(yīng)當(dāng)大于10個(gè)。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可知上位機(jī)服務(wù)器軟件，可同時(shí)采集10個(gè)以上，采用最佳檔位組合進(jìn)行采集的末端局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)，滿足航天測(cè)控站對(duì)數(shù)據(jù)采集末端局域網(wǎng)數(shù)量的需求。

2.3 上位機(jī)服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試

在執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)收發(fā)包壓力測(cè)試時(shí)，同時(shí)執(zhí)行上位機(jī)服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試，測(cè)試上位機(jī)服務(wù)器是否滿足航天測(cè)控站對(duì)10臺(tái)以上數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行正常的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可知上位機(jī)服務(wù)器軟件的存儲(chǔ)功能，可同時(shí)存儲(chǔ)10個(gè)以上，采用最佳檔位組合進(jìn)行采集的末端局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)，滿足航天測(cè)控站對(duì)上位機(jī)服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性能的需求。

2.4 顯示界面刷新率測(cè)試

在執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)收發(fā)包測(cè)試時(shí)，同時(shí)進(jìn)行顯示界面刷新率測(cè)試，測(cè)試上位機(jī)服務(wù)器是否能將10臺(tái)以上數(shù)據(jù)采集終端所發(fā)送的采集的數(shù)據(jù)、及分析的結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在網(wǎng)頁(yè)中。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可知上位機(jī)服務(wù)器軟件的分析顯示功能，可同時(shí)處理、分析并顯示10個(gè)以上，采用最佳檔位組合進(jìn)行采集的末端局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息，滿足航天測(cè)控站對(duì)上位機(jī)服務(wù)器數(shù)據(jù)處理顯示性能的需求。

2.5 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

在執(zhí)行全系統(tǒng)的壓力測(cè)試的同時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包含從數(shù)據(jù)采集，到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，到數(shù)據(jù)分析，再到數(shù)據(jù)局顯示的整個(gè)過(guò)程的測(cè)試。主要測(cè)試對(duì)象為數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)發(fā)布模塊的穩(wěn)定性，通過(guò)查看供電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件，以及數(shù)據(jù)采集客戶(hù)端軟件的運(yùn)行情況判斷運(yùn)行狀態(tài)。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可知，全系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行72小時(shí)以上，軟件運(yùn)行穩(wěn)定性可靠，滿足使用需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

該文對(duì)航天測(cè)控站供電系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)結(jié)合上位機(jī)服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集終端的C/S架構(gòu)、上位機(jī)服務(wù)器與前端頁(yè)面顯示的C/S架構(gòu)、數(shù)據(jù)采集終端與串口服務(wù)器的TCP服務(wù)架構(gòu)，并從軟硬件兩個(gè)方面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊，從數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、顯示3個(gè)主要功能設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)發(fā)布模塊。通過(guò)測(cè)試串口終端接入、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)包、上位機(jī)服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示界面刷新等實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)方案的可行性。

該設(shè)計(jì)滿足航天測(cè)控站的需求，并提出了如下創(chuàng)新點(diǎn)。

1)通過(guò)數(shù)據(jù)采集終端和串口服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了涉電終端設(shè)備，無(wú)差別接入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

2)通過(guò)融合設(shè)計(jì)C/S及B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)從采集到存儲(chǔ)，再到處理和顯示的整個(gè)流程，并自行設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集終端和上位機(jī)服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。上位機(jī)服務(wù)器通過(guò)websocket實(shí)現(xiàn)界面實(shí)時(shí)刷新。

3)提出了將數(shù)據(jù)回歸分析應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理分析的方法。

4)滿足了航天測(cè)控站對(duì)供電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的需求。

解決了航天測(cè)控站電力系統(tǒng)有價(jià)值數(shù)據(jù)挖掘不足、缺乏電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中顯示手段的問(wèn)題，并提出了電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)潛在的智能化應(yīng)用方向，為確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行提出了可行方案，為航天測(cè)控任務(wù)的正常實(shí)施提供了有力支撐。