基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的分布式配電通信組網(wǎng)方法分析

陸繼釗 羅 濱 楊宏宇 鞏 銳 劉 涌

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司信息通信公司，河南駐馬店463000；2.上海博英信息科技有限公司，上海200240）

0 引言

目前的配網(wǎng)自動(dòng)化、負(fù)荷控制系統(tǒng)，通信的安全性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性尚無法得到可靠保證，不能構(gòu)成相對(duì)完善的解決方案，亟需明確配網(wǎng)通信的建設(shè)戰(zhàn)略，統(tǒng)一性能標(biāo)準(zhǔn)。配用電通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)布局應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)適當(dāng)、先進(jìn)實(shí)用、因地制宜的準(zhǔn)則。由于配用電網(wǎng)絡(luò)范圍廣、環(huán)境復(fù)雜，建設(shè)的同時(shí)要考慮運(yùn)行維護(hù)、管理手段及相關(guān)機(jī)制的建立，提前制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)制度，同時(shí)建設(shè)環(huán)境、資源、狀態(tài)的統(tǒng)一管控，為運(yùn)維提供先進(jìn)技術(shù)手段。

本文就是在這樣的大背景下，提出一種適應(yīng)現(xiàn)代化需求的電力企業(yè)多維度配用電通信組網(wǎng)方法，將不同區(qū)域的電網(wǎng)通信方式集中起來，進(jìn)行配用電通信一體化系統(tǒng)的組網(wǎng)，最終搭建傳輸通道，將多源設(shè)備的遙信、遙測(cè)等多種狀態(tài)信息進(jìn)行雙向的傳輸。

1 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

1.1 時(shí)間序列法

時(shí)間序列分析是指基于系統(tǒng)觀測(cè)得到的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，通過參數(shù)估計(jì)和曲線擬合來建立數(shù)學(xué)模型的方法和理論。其常用方法有參數(shù)估計(jì)法和曲線擬合法等（如非線性最小二乘法）。

（1）抽樣：時(shí)間序列動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是通過觀測(cè)、抽樣、調(diào)查、統(tǒng)計(jì)等方法得到的。

（2）作圖：依照所獲動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)作出相關(guān)圖，進(jìn)行有關(guān)剖析，求出自相關(guān)函數(shù)關(guān)系。相關(guān)圖可直觀體現(xiàn)周期和趨勢(shì)的變動(dòng)，迅速發(fā)現(xiàn)拐點(diǎn)和跳點(diǎn)。拐點(diǎn)指時(shí)間序列從上升走勢(shì)驟變?yōu)橄陆底邉?shì)的點(diǎn)，如有拐點(diǎn)存在，則要求用不同的數(shù)學(xué)模型對(duì)建模過程中的時(shí)間序列進(jìn)行分段擬合。跳點(diǎn)則指與其他數(shù)據(jù)不一致的觀測(cè)值，若該值正確，在建模時(shí)應(yīng)予以考慮；若該值異常，需把跳點(diǎn)調(diào)整為期望值。

（3）擬合：甄別適當(dāng)?shù)碾S機(jī)模型，并采用曲線擬合，即以通用隨機(jī)模型來擬合時(shí)間序列的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

時(shí)間序列是一種特殊的隨機(jī)過程，當(dāng)X（t）中的t取非負(fù)整數(shù)時(shí)，便可表示各個(gè)時(shí)刻，從而看作時(shí)間序列（time series）。當(dāng)一個(gè)隨機(jī)過程可以看作時(shí)間序列時(shí)，便能以現(xiàn)有的時(shí)間序列模型對(duì)該隨機(jī)過程進(jìn)行建模并解析其特性。

1.2 熵值法

在信息論中，熵是針對(duì)不確定性的一種量度。信息量越大，則不確定性越小，隨之熵越?。环粗?，信息量越小，其不確定性越大，熵便越大。按照熵的特點(diǎn)，便能通過計(jì)算熵值來判別某個(gè)事件的隨機(jī)性及無序程度，也可利用熵值來判斷一個(gè)指標(biāo)的離散程度，離散程度越大，該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)估的影響也就越大。

因此，可依據(jù)各指標(biāo)的變化程度，運(yùn)用信息熵算法，計(jì)算出每項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，為多指標(biāo)綜合評(píng)估提供相關(guān)依據(jù)。

2 規(guī)劃預(yù)測(cè)及隱患分析

數(shù)據(jù)挖掘在國(guó)內(nèi)配電通信組網(wǎng)領(lǐng)域?qū)儆谛屡d的前沿技術(shù)，對(duì)從業(yè)人員的技術(shù)要求相對(duì)較高。由于現(xiàn)階段知識(shí)和技術(shù)層面的不足，國(guó)家電網(wǎng)幾乎沒有關(guān)于此方向的項(xiàng)目實(shí)施。本節(jié)基于兩種數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在此方向的應(yīng)用，初步探討數(shù)據(jù)挖掘的建模過程。

（1）收集實(shí)施地區(qū)未來三年的配電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)，對(duì)建設(shè)地理位置、數(shù)據(jù)吞吐量等通過時(shí)間序列法進(jìn)行建模分析，預(yù)測(cè)未來如用戶數(shù)量、終端設(shè)備、電網(wǎng)負(fù)荷等數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）收集實(shí)施地區(qū)近三年的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況等，通過熵值法建立數(shù)據(jù)挖掘模型，對(duì)故障數(shù)量、故障設(shè)備、故障率等指標(biāo)進(jìn)行分析挖掘，發(fā)現(xiàn)故障率較高的設(shè)備及施工方式等。具體實(shí)施步驟如下：

1）選取該地區(qū)配電網(wǎng)n個(gè)運(yùn)行異常、m個(gè)相關(guān)指標(biāo)，則Xij為第i個(gè)異常的第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)值（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m）。

2）指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理：異質(zhì)指標(biāo)同質(zhì)化。因?yàn)槊宽?xiàng)指標(biāo)的計(jì)量單位有所差異，須對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后才可用它們計(jì)算綜合指標(biāo)。即把指標(biāo)的絕對(duì)值換算為其相對(duì)值，以解決不同值的同質(zhì)化問題。由于正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)數(shù)值代表的含義有差異（正向指標(biāo)數(shù)值越高越好，負(fù)向指標(biāo)數(shù)值越低越好），通過不同的算法對(duì)高低指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3）計(jì)算第i個(gè)異常在第j項(xiàng)指標(biāo)下的比重。

4）計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值。

5）計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的差異系數(shù)。對(duì)第j項(xiàng)指標(biāo)，其指標(biāo)值差異越大，熵值便越小，對(duì)方案評(píng)估的影響越大。

6）求權(quán)值。

7）計(jì)算各項(xiàng)異常的綜合得分。

3 多維度分布式組網(wǎng)

根據(jù)分析挖掘結(jié)果，結(jié)合各通信技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)及不同地區(qū)的配用電自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)情況，考慮配用電業(yè)務(wù)需求、負(fù)荷密度、供電特點(diǎn)等，采取分布式組網(wǎng)方式，選取適宜的技術(shù)方案，并為將來的升級(jí)預(yù)留空間。

（1）在配用電業(yè)務(wù)方面，遵循以下方法：

1）就配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)而言，若只需滿足兩遙，可供選擇的技術(shù)較多，包括光纖、無線專網(wǎng)、無線公網(wǎng)、PLC等。但需要實(shí)現(xiàn)遙控，則以光纖和無線專網(wǎng)為宜，僅當(dāng)對(duì)遙控的實(shí)時(shí)性和安全性要求不高時(shí)，才可以考慮無線公網(wǎng)、北斗等通信方式。

2）就用電信息采集業(yè)務(wù)而言，低壓電量采集可以采用PLC技術(shù)，集中器到后臺(tái)主站之間的通信選擇光纖、無線等方式。

3）就電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)而言，可參考兩遙的業(yè)務(wù)需求，采用光纖、無線、PLC等技術(shù)。

4）就遙視業(yè)務(wù)而言（某些需要視頻監(jiān)控的系統(tǒng)），由于其對(duì)帶寬有一定要求，宜采用光纖、3G/4G等技術(shù)。

5）由于北斗具備精確授時(shí)和短報(bào)文通信功能，在配網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)均配置北斗通信裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)二次測(cè)控設(shè)備的同步對(duì)時(shí)和事件上報(bào)功能。

（2）在供電區(qū)域方面，遵循以下方法：

1）在企業(yè)集中、人口居住密集的地域（城市），早已形成相對(duì)完善的城市配用電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施以光纖通信為主的配用電通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并依據(jù)地域特點(diǎn)，選擇光MODEM技術(shù)、EPON或工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。

2）郊區(qū)、城鎮(zhèn)、山區(qū)、廠礦不適合采用光纖通信技術(shù)，考慮到經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)因地制宜地選擇最優(yōu)通信方式，如無線專網(wǎng)、北斗、PSTN等，或租用無線公網(wǎng)。

3）對(duì)于版圖遼闊的平原地域，通信應(yīng)利用無線公網(wǎng)的形式來實(shí)現(xiàn)，同期考慮無線專網(wǎng)建設(shè)。對(duì)于不能覆蓋無線信號(hào)的山區(qū)，如小水電、廠礦企業(yè)等，因其分布相對(duì)分散，所以應(yīng)優(yōu)先考慮租用無線公網(wǎng)，也可考慮北斗、PSTN等其他方式。

4）對(duì)于缺乏光纖但被電話線路所覆蓋的區(qū)域，主站和采集終端的通信可以PSTN的形式實(shí)現(xiàn)。PSTN單純作為一種補(bǔ)充方式，應(yīng)逐步過渡到無線公網(wǎng)和無線專網(wǎng)等方式。

此外，由于光纖通信具有傳輸容量大、可靠性及安全性高等優(yōu)勢(shì)，在條件容許的情況下應(yīng)優(yōu)先采用；而無線專網(wǎng)無需有線介質(zhì)，且組網(wǎng)靈活，其傳輸速率也能滿足需求，因此適合光纜架設(shè)困難、變更頻繁且網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造復(fù)雜、老舊線路多的地區(qū)，但存在需申請(qǐng)使用頻段、實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)少等問題，且在城區(qū)基站選址建設(shè)有一定困難，終端設(shè)備的安裝方式也會(huì)受到些許影響；中壓電力線載波技術(shù)施工方便，節(jié)省介質(zhì)投資，但其使用效果較差，架空線路安裝很有難度，運(yùn)行維護(hù)工作量大，網(wǎng)管能力較低，作為專網(wǎng)通信方式之一，在不便采用光纖時(shí)，可以作為補(bǔ)充。

配用電通信網(wǎng)情況復(fù)雜，僅采用一種或兩種通信方式無法滿足需求，但同一地區(qū)若采取過多的通信方式，首先會(huì)增加變電站端的主設(shè)備類型和數(shù)量，其次還需建設(shè)多種設(shè)備類型的網(wǎng)管系統(tǒng)。設(shè)備種類增多將導(dǎo)致同類設(shè)備數(shù)量減少，設(shè)備招標(biāo)時(shí)單價(jià)將提高，對(duì)于運(yùn)行維護(hù)人員的工作量和技術(shù)水平也會(huì)提出更高的要求。綜上所述，為滿足使用要求，同一區(qū)域內(nèi)應(yīng)采用相對(duì)統(tǒng)一的通信方式，以取得更好的運(yùn)行效果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

綜合考慮各種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)及其建設(shè)成本，各終端通信接入方式在電力線載波（中壓PLC）、無線公網(wǎng)（WiFi、3G/4G）和光纖（EPON）等三種方式中選擇。采用電力線載波方式時(shí)，電纜線路優(yōu)先選擇卡接式電感耦合方式，架空線路優(yōu)先選擇相-相電容耦合方式，載波機(jī)優(yōu)先選擇一對(duì)多的系統(tǒng)。

使用WiFi、3G/4G無線公網(wǎng)通信方式時(shí)，公司與運(yùn)營(yíng)商側(cè)采用高可靠的APN通道互聯(lián)，在公司配置網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)、授權(quán)與記賬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)終端接入認(rèn)證。

選用EPON設(shè)備組網(wǎng)時(shí)，采用光路全保護(hù)冗余方式建設(shè)，任意一個(gè)終端設(shè)備出現(xiàn)故障都不影響其他終端設(shè)備，雙PON（Passive Optical Network，無源光纖網(wǎng)絡(luò)）口的ONU（Optical Network Unit，光節(jié)點(diǎn)）設(shè)備，ODN（Optical Distribution Node，光配線網(wǎng)）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于環(huán)形和總線結(jié)構(gòu)，分光級(jí)數(shù)不超過6級(jí)。

采用多種通信方式時(shí)要確保方式的統(tǒng)一接入、統(tǒng)一接口規(guī)范和統(tǒng)一管理，所采用的通信設(shè)備/終端應(yīng)支持以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口[1]。

組網(wǎng)方式圖如圖1所示。

圖1 組網(wǎng)方式圖[2]

4 結(jié)語

以數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行輔助，因地制宜，根據(jù)不同地域通信條件及建設(shè)現(xiàn)狀等，通過合理的通信技術(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行多維度的分布式配網(wǎng)通信建設(shè)，將比較分散的各區(qū)域不同通信方式集中起來管理，可為打造堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)提供重要支撐。

[1]陳良，薛保星，黃傳金.鄭州高新區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（16）：87-90.

[2]《中國(guó)電力百科全書》編輯委員會(huì)，《中國(guó)電力百科全書》編輯部.中國(guó)電力百科全書：電力系統(tǒng)卷[M].3版.北京：中國(guó)電力出版社，2014.