電力用戶用電信息采集設備故障實時診斷系統設計

電力用戶用電信息采集設備故障實時診斷系統設計楊晨;王昌奎;史旭東;葉新青【期刊名稱】《《電子設計工程》》【年(卷)，期】2019(027)022【總頁數】5頁(P106-110)【關鍵詞】電力用戶;用電信息;采集設備;故障診斷;診斷系統【作者】楊晨;王昌奎;史旭東;葉新青【作者單位】國網新疆電力有限公司電力科學研究院新疆烏魯木齊843000;浙江華云信息科技有限公司浙江杭州310008【正文語種】中文【中圖分類】TN301電力信息采集設備每天要采集大量的用戶用電信息，確保能夠及時準確地向其它設備提供完整的基礎數據［1］。雖然目前人們對用電信息采集設備投入了很大的人力、物力、財力，但是采集設備依然存在很多問題，尤其是在故障診斷這方面的研究更加薄弱。由于用電信息采集設備規(guī)模龐大，所以想要維護十分困難，需要花費大量工作成本［2］。傳統的診斷系統在診斷電力用戶用電信息采集設備故障時，只能通過分析局部信息提出解決方案，具有很大的局限性［3］。目前很多診斷系統在采集設備工作時是無法完成檢測的，必須要在離線狀態(tài)下才能完成診斷。隨著信息采集設備內部組成結構越來越復雜，對其進行診斷也變得越來越困難［4］。針對上述問題，本文設計了一種新的采集設備故障實時診斷系統，該系統能夠將采集設備資源匯集到一起集中控制。其具備全網拓撲信息的能力，利用處理器檢測和定位技術檢測采集設備故障，并根據資料庫中的儲存數據提出恢復方案。本研究對于電網安全穩(wěn)定運行有著重要的參考價值。1系統硬件設計為了能夠更好地診斷出電力用戶用電信息采集設備，本文采用分層方案設計診斷系統硬件，硬件結構如圖1所示。圖1用電信息采集設備故障實時診斷系統硬件結構觀察圖1可知，本文設計的系統硬件結構主要包括3個層次，位于最頂端的層次為應用層，位于中間的層次為控制層，最底層為數據基礎層。硬件受網絡操作系統控制［5］。數據基礎層同時記錄性能指標、擴展性指標、流條指標等多種指標數據，基礎數據層中的緩沖區(qū)大小受流表影響，通常要將緩沖區(qū)大小控制在標準值之間，過大或過小都會降低吞吐率［6］。控制層具有很強的可擴展性，擴展性越強，控制的流表數目越大，更新速度越快［7］?？刂茖又械腟DN控制器共有12個，以分布式方式部署［8］。應用層針對終端用戶設定，同時使用SDN控制器和SDN網絡，通過得到的特定資源滿足操控者的需求。由于用戶對系統有著不同的需求，所以必須要掌握全網信息，為了提高信息的利用效率，本文采用云計算和虛擬技術［9］。1.1交換機設計文中選用的交換機為OpenFlow交換機，內部組成結構如圖2所示。圖2OpenFlow交換機組成結構由圖2可知，OpenFlow交換機內部包含4個組表，3個流表，通過OpenFlow協議連接。流表負責查找和轉發(fā)電力用戶用電信息，利用安全通道與外部控制器連接成多個信道，組表負責與外部進行信息交換，根據OpenFlow協議查找、轉發(fā)、刪除信息。相較于其它轉發(fā)設備，OpenFlow交換機可以直接轉發(fā)數據，不需要再加入MAC地址或IP地址，不需要更新路由表，這樣的設定方式不僅降低了整個系統的復雜性，同時也縮短了設備的工作時間［10］。OpenFlow交換機主要包括匹配、指示、限時和計時功能［11］。匹配后的數據包需要被指示到不同的匹配區(qū)域。限時功能是OpenFlow交換機比較獨特的功能，在交換機中設定最大時間限制，如果數據包超過固定超時時間和匹配超時時間，則需要丟棄［12］。計時功能又稱追蹤功能，對于交換機中的所有數據包時間進行記錄，全面分析數據包的匹配流動時間［13］。上述工作需要依賴流表才能實現，流表結構示意圖如圖3所示。圖3流表結構示意圖交換機中的數據包利用流表進行匹配，在匹配成功的情況下執(zhí)行對應操作；如果匹配失敗，則需要丟棄。流表匹配是一個循環(huán)的過程，被丟棄的數據包會進入下一個流表，直到能夠找到與之對應的動作集，利用字節(jié)統計分析數據包的性質［14］。1.2控制器設計文中選用OpenFlow控制器，該控制器可以自動調換成兩個模式：主動模式和被動模式，主動模式會自動建立好流表項［15］，不需要再花費額外時間重建流表項，交換機可以更加容易的輸出數據；當控制器不存在流表時，需要采用被動模式，被動模式建立流表項時雖然會花費較長的時間，但是可以降低系統負載，提高系統靈活性［16］。控制器組成結構如圖4所示。圖4控制器組成結構控制器內部服務模塊、拓撲模塊、緩存模塊、線路模塊等都獨立存在，可統一調配也可單獨工作。在進行數據控制時，選用迪爾斯特拉算法（Dijkstra算法）計算出最短路徑，便于數據的運輸。不同設備記錄的信息數據不同，連接方式也不同。2系統軟件設計本文設計的電力用戶用電信息故障診斷系統主要具備3方面功能：1）在高速且穩(wěn)定狀態(tài)采集原始數據；2）根據設備運行情況，識別出故障類型；3）快速上傳診斷結果，并給出相應的解決策略。電力用戶用電信息采集設備故障實時診斷系統軟件工作流程如圖5所示。圖5用電信息采集設備故障實時診斷系統軟件工作流程對電力用戶用電信息采集設備故障實時診斷系統的主要步驟進行分析。第一步：數據采集。數據采集是系統運行的基礎步驟，利用采集器、傳感器和適配器采集電力用戶的用電信息。第二步：數據分析。分析指標主要包括穩(wěn)定性、可靠性、精度、分辨率。在正常狀態(tài)下，采集設備的輸出速度是一定的。第三步：故障診斷。根據數據采集和數據分析結果將所有可能存在的故障問題集中在一起，同時上傳到客戶端，為了使數據在上傳過程中不會丟失，本文特別采用了TCP協議進行數據傳輸。在中心操控系統中，統一計算各類故障的概率，尋求吻合度最高的數值，診斷出采集設備的故障。3實驗研究3.1實驗環(huán)境設置實驗場景部署過程如下：在開啟Floodlight控制器的同時啟動虛擬設備，利用交換機將運行的文件數據上傳給其它設備，通過拓撲關系連接IP端口和控制器端口，設定IP為254.356.841。各個網絡節(jié)點的配置設置如表1所示。表1實驗參數名稱前端界面Floodlight控制器診斷系統VmwareMySql數據庫操控系統Windows?Windows10Windows8.1Windows?Windows10版本-Floodlight1.5--MySql2.0根據上述設定的參數進行實驗，使用虛擬機和Floodlight控制器建立拓撲關系，建立的拓撲關系如圖6所示。圖6實驗網絡環(huán)境拓撲關系3.2實驗驗證1）鏈路吞吐量實驗檢測過程本文選用OVSI到OVS6之間的鏈路作為測試鏈路。利用圖6的試驗網絡拓撲關系，設定鏈路寬帶限速為70Mbps，在測試過程中，不會產生其他的業(yè)務流。設定第一次Host1、Host2、Host3和Host4發(fā)送的業(yè)務流為30Mbps數據流，持續(xù)時間為60s，第二次發(fā)射的業(yè)務流為60Mbps，數據流持續(xù)時間為120s。實驗結果如下：圖7傳統系統鏈路吞吐量功能驗證結果圖8本文系統鏈路吞吐量功能驗證結果分析上圖可知，傳統診斷系統與預期結果出入很大。而本文系統與預計值一致。說明本文診斷系統吞吐量監(jiān)測功能正常，傳統診斷系統吞吐量監(jiān)測功能存在弊端。2）工作延時檢測過程在Python中設定工作延時時間為120ms，每次延時從持續(xù)的有效時間為60s，利用拓撲關系與遠程控制器連接，從HOST1、HOST2、HOST3......HOST10中各發(fā)送20Mbps的業(yè)務流，記錄鏈路延時。檢測結果如圖9、圖10所示。圖9傳統系統工作延時驗證結果圖10本文系統工作延時驗證結果對比上圖驗證結果可知，在設置生效之前，傳統系統和本文系統的延時都很低，在驗證開始后，傳統系統的延時時間在80ms左右波動，60s后設置無法自動關閉，鏈路不能回到正常狀態(tài)，系統無法正確計算延時信息；本文系統的延時時間在1200ms左右波動，60s后設置自動關閉，鏈路回到正常狀態(tài)，系統可以正確計算延時信息。3）丟包率實驗檢測過程由于丟包率檢測實驗比較復雜，因此本文僅針對第一丟包率進行驗證，驗證過程與上述實驗類似。在Python中設定系統的丟包率為20%，在與遠程控制器建立連接后，同時下發(fā)20Mbps的業(yè)務流，設定優(yōu)先級后，記錄OVSI到OVS6的丟包率，傳統系統和本文系統顯示結果如表2所示。表2診斷系統丟包率名稱OVSIOVS2OVS3OVS4OVS5OVS6傳統系統第一丟包率17.5%14.3%19.2%18.6%17.3%12.4%本文系統第一丟包率20.1%19.9%19.8%20.0%20.0%19.9%由于傳統系統存在很大的延時，所以丟包率的記錄數據普遍偏小，與實際值不符。本文診斷系統能在預定時間內統計出丟包率，與設定值相等，丟包監(jiān)測功能正常。4結束語針對目前電力用戶用電信息采集設備故障實時診斷系統存在的一些問題，本文設計了一種新的診斷系統。本文利用鏈路吞吐量檢測實驗、工作延時檢測實驗和丟包率檢測實驗驗證了設計系統的工作效果，實驗結果表明，給出的診斷系統能夠及時準確地診斷出電力用戶用電信息采集設備存在的故障，具有很強的診斷功能，并且能夠在第一時間將診斷結果顯示到頁面中?！鞠嚓P文獻】傅文軍.智能電網用電信息采集系統傳輸網絡的設計[J].中國儀器儀表，2017，11（3）:1-7.曹永峰，翟峰，肖建紅，等.用電信息采集系統故障運維知識庫的設計與應用[J].電力信息與通信技術，2018，23（3）:67-72.黃濤.線損管理基于用電信息采集系統的分析[J].科學技術創(chuàng)新，2017,15（7）:25.劉興奇.故障預測與健康管理技術在用電信息采集系統中的應用與展望[J].電器與能效管理技術，2018，25（2）:73-77.李昊.基于用電采集系統線損管理的分析與研究[J].電子世界，2017，61（24）:89-90.曲櫻倩，李汐.用電信息采集系統在電能計量中的應用分析[J].經濟技術協作信息，2017，17（33）:75.武文廣，杜峰，李俊臣，等.依托用電信息采集系統的配電網電能質量判定技術研究[J].電網與清潔能源，2017，33（5）:69-73.楊霖，呂偉嘉，劉浩宇，等.用電信息采集系統監(jiān)測技術的應用[J].電氣應用，2017，91（17）:69-71.張曉龍.研究與應用電力用戶用電信息采集系統[J].現代國企研究，2017，22（14）:142.張國慶.用電信息采集系統實時監(jiān)測功能的設計和實現[J].科技風，2017，65（23）:90.周小娜，陳志英，盧超龍.高壓斷路器在線監(jiān)測及故障診斷系統設計[J].南昌大學學報（工科版），2017，39（3）:274-279.蔡曉燕.基于智能用電大數據分析的臺區(qū)線損管理