卡爾曼濾波算法下電力通信自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王偉屹，趙 曄

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

0 引 言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各類電力通信網(wǎng)為居民的日常生活和企業(yè)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)提供了重要保障[1]。電力通信網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)一定的安全隱患，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行處理，則會(huì)直接影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)作，對(duì)居民和企業(yè)用電造成不良影響，由此急需尋找一種有效的電力通信監(jiān)測(cè)手段，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況，幫助工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而維護(hù)電力通信網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行[2-3]。由此可見，對(duì)電力通信自動(dòng)化監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究，對(duì)于居民、企業(yè)供電可靠性和電力通信智能化發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。

李博等設(shè)計(jì)了一種電網(wǎng)通信光纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)分析了系統(tǒng)需求，利用光時(shí)域反射儀定位光纜故障，設(shè)計(jì)軟件流程對(duì)通信光纜測(cè)試，并采用計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行可視化分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對(duì)于通信光纜的故障定位結(jié)果較為準(zhǔn)確，但存在耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題[4]；姜文等提出通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化發(fā)展的重要基礎(chǔ)，該文分析了電網(wǎng)通信過(guò)程中出現(xiàn)的故障、預(yù)警和流量異常等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì)，為電網(wǎng)通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了有效的技術(shù)支持，但該方法對(duì)通信數(shù)據(jù)的濾波效果不佳[5]；申敏等提出一種改進(jìn)MIMO檢測(cè)算法用于檢測(cè)電力線通信系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于算法簡(jiǎn)單易行，整體復(fù)雜度較低，但處理得到的信號(hào)含噪聲較高[6]。

為解決現(xiàn)有方法存在的不足，可以引入先進(jìn)的數(shù)據(jù)信息和通信技術(shù)[7]。本文采用卡爾曼濾波算法設(shè)計(jì)了一種電力通信自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到的SINR值相對(duì)較高，且系統(tǒng)負(fù)載能力強(qiáng)，耗時(shí)短。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

電力通信自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種具備監(jiān)測(cè)、管理功能的分布式系統(tǒng)，主要對(duì)電力通信網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備、信道等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障分析，以方便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、完成故障診斷處理等[8-9]。

本文以監(jiān)測(cè)站為中心設(shè)計(jì)電力通信自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個(gè)部分，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall system architecture

從圖1可以看出，數(shù)據(jù)層主要通過(guò)設(shè)備采集電力通信數(shù)據(jù)，多個(gè)采集單元集成形成網(wǎng)元控制模塊，完成數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)工作，然后利用通信傳輸信道將采集得到的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)層，在應(yīng)用層設(shè)立監(jiān)測(cè)中心作為電力通信數(shù)據(jù)處理中心，構(gòu)建數(shù)據(jù)處理模塊、監(jiān)測(cè)模塊和管理模塊，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行自動(dòng)化控制管理[10]，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)反饋至工作人員。若電力通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，將會(huì)發(fā)出紅色預(yù)警信號(hào)，同時(shí)自動(dòng)定位故障點(diǎn)，從而完成對(duì)電力通信狀態(tài)的監(jiān)測(cè)并做出反饋，為系統(tǒng)維修提供技術(shù)支持。

2 電力通信自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)電力通信自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)，以監(jiān)測(cè)中心為重點(diǎn)設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)硬件。根據(jù)系統(tǒng)整體架構(gòu)及監(jiān)測(cè)中心結(jié)構(gòu)可以看出[11]，系統(tǒng)運(yùn)行中主要使用的硬件設(shè)備包括數(shù)據(jù)交換機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、工作站及路由器等。

服務(wù)器：服務(wù)器采用數(shù)據(jù)服務(wù)器和通信服務(wù)器2種，其中數(shù)據(jù)服務(wù)器用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，配置磁盤列陣；通信服務(wù)器作為前置機(jī)用于實(shí)時(shí)處理電力通信數(shù)據(jù)[12-14]。

交換機(jī)：以太網(wǎng)交換機(jī)具有網(wǎng)絡(luò)虛擬功能，可有效連接監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選取以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行連接[15-17]。但實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷壓力大或交換機(jī)故障等問(wèn)題，為進(jìn)一步提高虛擬網(wǎng)絡(luò)的可靠性，在監(jiān)測(cè)中心中配置雙套以太網(wǎng)交換機(jī)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷分擔(dān)能力，提高網(wǎng)絡(luò)通信效果。

工作站：工作站設(shè)置監(jiān)控工作站和管理工作站，監(jiān)控工作站用于實(shí)時(shí)監(jiān)控通信數(shù)據(jù)，管理工作站通過(guò)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和程序設(shè)定、修改等，完成對(duì)顯示單元和設(shè)備的控制。

路由器：本文使用的路由器具備多樣化接口，包括RS449、RS232、X.21等類型，可提供多樣化速率，為系統(tǒng)各部件連接提供基礎(chǔ)[18-20]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在硬件結(jié)構(gòu)配置完成的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)軟件運(yùn)行流程，實(shí)現(xiàn)電力通信自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)可知，本文系統(tǒng)重點(diǎn)需要對(duì)采集得到的電力通信數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)電力通信狀態(tài)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，從而完成系統(tǒng)運(yùn)行和管理。因此，需要對(duì)電力通信數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行詳細(xì)分析。

實(shí)際應(yīng)用中，電力系統(tǒng)呈非線性運(yùn)行狀態(tài)，非線性系統(tǒng)的運(yùn)作需要依靠非線性模型，數(shù)據(jù)計(jì)算量極大，因此需要尋找一種簡(jiǎn)化模型完成電力通信的非線性濾波[21-23]。常用的卡爾曼濾波算法是一種線性濾波算法，因此本文對(duì)其改進(jìn)，形成無(wú)跡卡爾曼濾波算法。無(wú)跡變換是無(wú)跡卡爾曼濾波算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，采用非線性方式對(duì)電力通信數(shù)據(jù)點(diǎn)集進(jìn)行變換，獲取近似變量變換統(tǒng)計(jì)特征[24-25]。通過(guò)無(wú)跡變換這一方法計(jì)算電力通信非線性系統(tǒng)中的信息，計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

(1)

式中：x(t)為t時(shí)刻的電力通信狀態(tài)量估計(jì)值；P(t)為t時(shí)刻狀態(tài)量的方差；q(t)為t時(shí)刻噪聲；f(ψt)為t時(shí)刻sigma點(diǎn)集{ψt}形成的點(diǎn)集函數(shù)。

(2)

式中：Wt為卡爾曼增益；y(t)為t時(shí)刻電力通信狀態(tài)量的非線性變換估計(jì)值；z(t)為噪聲量測(cè)變量；K為權(quán)值。

綜上所述，依地酸鈣鈉或DMSA聯(lián)合水溶性維生素可作為臨床上治療慢性鉛中毒的首選治療方案，其效果遠(yuǎn)優(yōu)于目前臨床使用的依地酸鈣鈉或DMSA的單獨(dú)治療。

通過(guò)上述操作，實(shí)現(xiàn)基于卡爾曼濾波的電力通信數(shù)據(jù)處理，將處理后的數(shù)據(jù)傳遞輸出，則能在監(jiān)控工作站完成電力通信自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理。監(jiān)測(cè)流程如圖2所示。

圖2 電力通信自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)流程Fig.2 Implementation process of power communication automation monitoring

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)性能，在Web 服務(wù)器下，利用Matlab軟件搭建模擬環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)。操作系統(tǒng)為Windows 10，結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言為SQL Server，開發(fā)工具包為JDK Version 1.6.0，CPU為Intel(r)Core(tm)i5-2410m。選取SINR、負(fù)載能力和耗時(shí)3個(gè)性能度量指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試分析。

SINR表示接收的信息中有用信號(hào)的強(qiáng)度與干擾信號(hào)的強(qiáng)度的比值。SINR值越大，有用信號(hào)的強(qiáng)度越大、系統(tǒng)抗噪聲干擾性能越強(qiáng)。以SINR為指標(biāo)，在迭代1 350次的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)比本文系統(tǒng)與3D模型技術(shù)和電力通信狀態(tài)估計(jì)法，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，在1 350次迭代運(yùn)行中，本文系統(tǒng)具有更快的收斂速度，且相較于3D模型技術(shù)和電力通信狀態(tài)估計(jì)法具有更高的SINR值，表明本文系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的迭代運(yùn)行后，具有更強(qiáng)的噪聲抑制能力。

系統(tǒng)負(fù)載能力測(cè)試是驗(yàn)證系統(tǒng)是否高效的指標(biāo)之一。將本文的電力通信監(jiān)測(cè)系統(tǒng)負(fù)載率與其他文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，負(fù)載率越低，表明系統(tǒng)負(fù)載能力越強(qiáng)。使用壓力測(cè)試工具Web application stress進(jìn)行系統(tǒng)負(fù)載測(cè)試，測(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同系統(tǒng)的負(fù)載測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of load test results of different systems

從圖4可以看出，本文系統(tǒng)在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的最高負(fù)載率約為40%，3D模型技術(shù)和電力通信狀態(tài)估計(jì)法的最高負(fù)載率分別約為80%和70%。從數(shù)據(jù)對(duì)比可知，本文系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中能夠很好的平衡系統(tǒng)負(fù)載，保持高效運(yùn)行，而其他2種系統(tǒng)則會(huì)因系統(tǒng)負(fù)載過(guò)高出現(xiàn)阻礙系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題，影響用戶的使用體驗(yàn)。由此驗(yàn)證了本文系統(tǒng)具有較好的負(fù)載能力，這是因?yàn)樵谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了雙交換機(jī)和雙服務(wù)器，有效緩解了運(yùn)行壓力，且基于簡(jiǎn)化后的非線性濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以降低數(shù)據(jù)運(yùn)算量，從而減小系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)。

表1 不同系統(tǒng)的運(yùn)行耗時(shí)對(duì)比Tab.1 Comparison of running time of different systems 單位：s

從表1可以看出，本文系統(tǒng)的平均耗時(shí)為8.0 s，且在多次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用本文系統(tǒng)進(jìn)行電力通信自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的最高時(shí)間不超過(guò)9 s，而文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的平均耗時(shí)為22.4 s，文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的平均耗時(shí)為27.4 s，超過(guò)本文系統(tǒng)耗時(shí)的2倍多，差距顯著，說(shuō)明本文系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)間方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

電力通信網(wǎng)絡(luò)緊密關(guān)聯(lián)人們的生活和工作，其發(fā)展已成為大眾關(guān)注的熱點(diǎn)。對(duì)電力通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)是一種有效的管理手段，為提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，獲取準(zhǔn)確的電力通信運(yùn)行狀態(tài)，本文通過(guò)改進(jìn)后的卡爾曼濾波算法處理電力通信數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能。結(jié)果表明：該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，系統(tǒng)運(yùn)行效果好，對(duì)電力通信相關(guān)研究提供了基礎(chǔ)。

然而，本研究仍存在一定的不足，對(duì)電力通信可能出現(xiàn)的各種故障問(wèn)題未進(jìn)行詳細(xì)分析，下一步將更加深入討論通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行細(xì)節(jié)，對(duì)不同狀態(tài)下的系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行探索，提高系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性。