基于物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)挖掘的電纜集中監(jiān)控系統(tǒng)

蔡谷奇，袁飛，馬銳軍，陳育輝，鄧春婷，林宇鋼

（廣東技術(shù)師范學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510000）

0 引言

由于偷盜電纜等人為破壞現(xiàn)象，臺(tái)風(fēng)暴雨等自然災(zāi)害、線路本身的老化、負(fù)荷運(yùn)行或者機(jī)械損傷等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致整條電力線路的故障。若不能及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)故障進(jìn)行定位，將導(dǎo)致維修不及時(shí)，給社會(huì)生產(chǎn)生活帶來(lái)潛在的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。同時(shí)，如果能對(duì)電網(wǎng)各用電節(jié)點(diǎn)電能等數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲取，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘方法，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)供配電方案優(yōu)化，并且線纜檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和安全性也會(huì)得到提高。

目前針對(duì)電纜線路檢測(cè)的研究主要集中在離線檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)以及電纜故障定點(diǎn)三大類型，但是存在無(wú)法實(shí)時(shí)反映電纜狀態(tài)的缺陷。各用電節(jié)點(diǎn)電量的監(jiān)測(cè)與分析方面，目前多采用聚類分析方法，包括K均值聚類法和模糊C均值聚類法，對(duì)用戶的用電行為進(jìn)行分類建模，以進(jìn)行異常用電行為識(shí)別、電網(wǎng)整體運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估等。但目前還沒(méi)有將電纜線路檢測(cè)與電量信息數(shù)據(jù)分析結(jié)合在一起的系統(tǒng)。因此，本文設(shè)計(jì)一套基于物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)挖掘的電纜集中監(jiān)控系統(tǒng)，既可以有效地對(duì)電力線纜進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)管理，又能通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘方法來(lái)分析電量行為特征，為輸電線纜的故障定位、電量信息監(jiān)控和用電行為分析提供了新方法。

1 系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件主要為安裝在各用電單位的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)以STM32芯片為核心控制模塊，外圍配以電力載波通訊模塊進(jìn)行線纜連接狀態(tài)檢測(cè)，電量檢測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的用電量情況，4GDTU透?jìng)髂K作為數(shù)據(jù)傳輸模塊，負(fù)責(zé)將電纜間連接狀態(tài)信息和用戶電量信息上傳到服務(wù)器。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該監(jiān)控系統(tǒng)在每一電力電纜負(fù)載線路上配備一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將采集到的電量信息和電纜連接狀態(tài)信息通過(guò)4G-DTU透?jìng)髂K發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上指定的服務(wù)器，服務(wù)器將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。通過(guò)電量信息特征，挖掘出區(qū)域化的特點(diǎn)和用戶用電行為特點(diǎn)等，并進(jìn)行存儲(chǔ)。終端監(jiān)控設(shè)備再將分析結(jié)果數(shù)據(jù)以表格、圖形界面等形式進(jìn)行展示，為電網(wǎng)維護(hù)與運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供準(zhǔn)確且科學(xué)的依據(jù)。

圖1 電纜集中監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件原理圖如圖2所示。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)核心模塊選用STM32F103C8T6以內(nèi)核為32位的Cortex-M3 CPU，外圍電力載波通訊模塊選用BWP31電力載波通訊模塊，電力載波模塊與核心模塊之間通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。4G-DTU模塊選用型號(hào)為USR-LTE-7S4的4G模塊，該模塊與核心模塊之間通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)設(shè)置好4G-DTU模塊后，會(huì)自動(dòng)將串口接收到的數(shù)據(jù)定向傳輸給指定的服務(wù)器。電量采集模塊采用RN8209芯片為核心芯片，配合相應(yīng)的電子元器件，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確測(cè)量單相交流電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、電量等電參數(shù)。該模塊具有隔離電路，不需與被測(cè)電纜連接，即可進(jìn)行檢測(cè)。具有體積小，使用便捷的特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的電力載波通訊模塊與電纜線路相連。線纜連接狀態(tài)檢測(cè)時(shí)，編號(hào)為1的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)向電纜線路上發(fā)送數(shù)據(jù)，其他監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的電力載波通信模塊接收電纜上發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)，并將該接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給相應(yīng)的核心控制模塊，核心控制模塊再將接收到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行編號(hào)分析，通過(guò)接收到的編號(hào)序列數(shù)據(jù)來(lái)判斷電纜間是否出現(xiàn)斷路異常。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2再經(jīng)過(guò)固定時(shí)間T后進(jìn)行編號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送，其他監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)作為接受節(jié)點(diǎn)。以此類推，循環(huán)定時(shí)發(fā)送編號(hào)數(shù)據(jù)到電纜網(wǎng)絡(luò)中。例如監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)1向電力網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送編號(hào)數(shù)據(jù)“1”，其他監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)正常收到編號(hào)“1”，則保存到編號(hào)序列列表中，直到最后一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送完編號(hào)數(shù)據(jù)后，各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接受到的編號(hào)列表來(lái)判斷哪些監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間存在斷路異常。例如監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2收到的編號(hào)列表缺少編號(hào)“3”，則判斷監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)3之間存在斷路異常，此時(shí)節(jié)點(diǎn)2將異常情況通過(guò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2的4G-DTU模塊發(fā)送給服務(wù)器，并做好保存。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件原理圖

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)電纜之間的連通狀態(tài)的同時(shí)，各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)電量檢測(cè)模塊對(duì)用電節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電量數(shù)據(jù)采集，并將電量數(shù)據(jù)通過(guò)4G-DTU模塊實(shí)時(shí)傳給服務(wù)器進(jìn)行保存。在服務(wù)器中，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用Apri?ori算法挖掘電量與電能負(fù)載熱區(qū)進(jìn)行的關(guān)聯(lián)性。

圖3 電力載波節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

本文的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示，系統(tǒng)啟動(dòng)之后，初始化各節(jié)點(diǎn)的電纜監(jiān)控系統(tǒng)，包括STM32主控芯片的初始化、電力載波模塊的初始化、電量采集模塊的初始化以及4G-DTU模塊的初始化。各節(jié)點(diǎn)之間采用輪詢的方式進(jìn)行載波通訊，電力載波模塊第n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自上個(gè)節(jié)點(diǎn)n的載波數(shù)據(jù)，并通過(guò)USART的通訊方式將數(shù)據(jù)傳給主控芯片，主控芯片經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)定的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證。假如數(shù)據(jù)正常，則節(jié)點(diǎn)n與節(jié)點(diǎn)n+1線路正常；假如經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，節(jié)點(diǎn)n+1等待上一結(jié)點(diǎn)的載波信號(hào)超時(shí)，則節(jié)點(diǎn)n與節(jié)點(diǎn)n+1之間的線路異常。最后，主控芯片將線路信息和電量采集模塊采集的電流、電壓、電量數(shù)據(jù)通過(guò)4G-DUT模塊遠(yuǎn)程通信傳送給終端監(jiān)控系統(tǒng)，并且節(jié)點(diǎn)n+1發(fā)送相應(yīng)的載波數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)n+2。其中，線路異常時(shí)將會(huì)緊急報(bào)警，并定位節(jié)點(diǎn)位置，通知工作人員前來(lái)處理。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，構(gòu)建了如圖5所示的驗(yàn)證系統(tǒng)。驗(yàn)證系統(tǒng)中由5個(gè)負(fù)載并聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)負(fù)載線纜上并聯(lián)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)負(fù)載之間的間距為400米，且各負(fù)載位于同一變壓器供電范圍之內(nèi)。由于只是做驗(yàn)證性試驗(yàn)，所以負(fù)載選用了功率較小的節(jié)能燈進(jìn)行模擬。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖5 驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)中，負(fù)載之間的線路按照表1所示的故障狀態(tài)進(jìn)行故障模擬，在終端監(jiān)控設(shè)備上可以觀察到相應(yīng)的故障狀態(tài)。將終端監(jiān)控設(shè)備上顯示的故障狀態(tài)記錄在表1的“故障定位”列中。從表1結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到電纜之間的故障狀態(tài)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障線纜所在區(qū)域。

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

除了故障點(diǎn)檢測(cè)外，我們還對(duì)采集到的多個(gè)時(shí)間段實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，得出電能負(fù)載熱區(qū)以及用電高峰期。圖6所示為1周內(nèi)，每天在10點(diǎn)、14點(diǎn)、18點(diǎn)和22點(diǎn)四個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的電壓情況。由圖6所示曲線可知：14時(shí)測(cè)得的電壓值最低，該時(shí)間點(diǎn)處于一個(gè)用電高峰期之內(nèi)，用戶用電量都相對(duì)較高，通過(guò)需要調(diào)節(jié)該區(qū)域的供電水平，防止過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，以滿足該區(qū)域各用戶供電需求。

圖6 一周內(nèi)多時(shí)間點(diǎn)電壓情況曲線圖

另外，我們對(duì)各負(fù)載實(shí)時(shí)的用電量情況進(jìn)行的采集，得到表2的數(shù)據(jù)。從表2可以看出各個(gè)用戶區(qū)的用電量，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的整理分析，分析出整個(gè)區(qū)域的電能負(fù)載熱區(qū)為負(fù)載5。若某個(gè)時(shí)間段內(nèi)，負(fù)載4的用電量持續(xù)較高狀態(tài)，那么可以判斷負(fù)載4有可能存在異常用電行為，可以指導(dǎo)電力管理部分進(jìn)行異常用電行為的排查。

表2 一周12小時(shí)各負(fù)載用電量（kW★h）

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)挖掘的電纜集中監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)電纜間故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，且通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采集到的電量數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)等統(tǒng)計(jì)與分析，挖掘出用戶負(fù)載熱區(qū)以及異常用電信息等。該系統(tǒng)具有部署簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)和檢測(cè)準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，可以提高現(xiàn)有中低壓電網(wǎng)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，具有較高的實(shí)用價(jià)值。