基于云計算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究

杜亮, 王健, 馬來·對山拜, 徐靜

(新疆信息產(chǎn)業(yè)有限責任公司, 新疆 烏魯木齊 830013)

0 引言

我國早期將“智能電網(wǎng)”作為云計算的主體，極大地促進了我國云計算技術(shù)的快速發(fā)展，增強我國的綜合實力[1]。現(xiàn)如今，國內(nèi)不少企業(yè)也在應用智能電網(wǎng)技術(shù)，甚至有些企業(yè)的設備已達到了世界一流水平，如聯(lián)通、移動、華為等企業(yè)。智能電網(wǎng)的逐步完善，促進企業(yè)快速發(fā)展，未來智能電網(wǎng)技術(shù)也會貫穿于社會中的各行各業(yè)。

近幾年以來，國內(nèi)外很多電力領域的學者都對智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)展開了廣泛的研究。智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要是集圖像處理和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術(shù)于一身，利用中繼路由將數(shù)據(jù)傳送到用戶終端。文獻[2]提出并設計了基于云平臺的智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)，在研究智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)源基本特征的基礎上，利用云平臺對智能電網(wǎng)管理過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行有效管理，并采用Apriori算法對相應的數(shù)據(jù)進行分析，從而提高了管理的準確性。文獻[3]提出并設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，把信息模型引入到輸變電設備的物聯(lián)網(wǎng)中，根據(jù)輸變電設備全壽命周期管理業(yè)務所需的設備全景信息，針對智能變電站設備，提出一個全面的全景信息建模方案，通過仿真分析監(jiān)測網(wǎng)絡的性能。但是以上2種系統(tǒng)的智能電網(wǎng)監(jiān)控性能較差，不能保證電網(wǎng)安全。

針對上述系統(tǒng)存在的問題，本文提出并設計了基于云計算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

1.1 監(jiān)控數(shù)據(jù)收發(fā)器

監(jiān)控數(shù)據(jù)的socket收發(fā)器以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體為基礎，通過服務器端與手機終端的連接進行數(shù)據(jù)的傳輸處理，從而實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、認證以及傳輸?shù)忍幚?。智能電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)主要依靠監(jiān)控傳感器的監(jiān)控性能、本身特點、電路的監(jiān)控電力以及監(jiān)控時間等因素來決定的[4]。但由于獲取的智能電網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)量較大，且規(guī)定檢測數(shù)據(jù)的長度、寬度，對于數(shù)據(jù)的監(jiān)控、認證以及傳輸都會造成一定的困難。因此以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體的形式為基礎，將監(jiān)控的實時數(shù)據(jù)進行分類，利用數(shù)據(jù)本身類型進行分包和收發(fā)，再由監(jiān)控服務器端以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體的形式向用戶終端發(fā)送實時數(shù)據(jù)，最終用戶終端在接收到實時數(shù)據(jù)后對其進行解析、組合、拆分、提取、計算和判斷。監(jiān)控數(shù)據(jù)收發(fā)器的通信原理如圖1所示。

圖1 監(jiān)控數(shù)據(jù)收發(fā)器的通信原理

利用監(jiān)控數(shù)據(jù)的監(jiān)控傳感器采集實時數(shù)據(jù)類型，通過監(jiān)控服務器對用戶終端傳輸實時數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)TCP通信連接。用戶終端接收到的實時數(shù)據(jù)以單鏈表形式存儲在用戶終端的緩沖區(qū)中[5]。當系統(tǒng)更新數(shù)據(jù)獲取到新的實時數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)接脩艚K端時，更新的數(shù)據(jù)就會被用戶終端本身系統(tǒng)自動覆蓋掉之前的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而減少數(shù)據(jù)收發(fā)器的存儲空間、緩存垃圾，實現(xiàn)對智能電網(wǎng)的實時監(jiān)控[6]。

1.2 電能計量芯片

對于智能電網(wǎng)的電能計量監(jiān)控和實時采集，使用的電能計量芯片是能夠同時測量單向、雙向和三向電能。電能計量芯片將電能傳感器(圖2中CT1/CT2/CT3)采集到的電流進行測量，并將其傳輸?shù)絊A9904B電能計量芯片的輸入口中。電能計量芯片選用的是模擬電流，在模擬電流中存在一個標準電流的輸入值，所以必須設計一個分流電阻網(wǎng)絡將采集的電流轉(zhuǎn)化成標準電流，分流電阻網(wǎng)絡如圖2中的R1—R9所示，圖中的R1—R9均為分流電阻。分流電阻網(wǎng)絡先將采集的電流轉(zhuǎn)化成標準電流，將其通過電流通道輸入到芯片內(nèi)部并進行存儲。其中一條電流感應通道主要是由R4、R5分流電阻對輸入電流進行感應并定義電流端位，其余的電流感應通道與其原理相同，對應著相應的分流電阻[7-9],如圖2所示。

圖2 電能計量芯片硬件原理圖

電能計量芯片通過芯片外面接口SPI與用戶終端控制器進行連接，輸入時鐘信號為SCK，輸入或輸出信號為DI/DO，終止數(shù)據(jù)信號的傳輸為CS，輸入或輸出外部信號為OSCI/OSC2。

電能傳感器將輸入電流進行采集轉(zhuǎn)換后，存儲在電能計量芯片中，經(jīng)過SPI芯片外端接口，直接傳輸至用戶終端的節(jié)點監(jiān)控器中，并將其傳輸至網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，從而實現(xiàn)對電能計量芯片的控制、執(zhí)行、采集、傳輸，確保電壓平衡[10-12]。

利用監(jiān)控數(shù)據(jù)收發(fā)器的工作原理，將智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)分類，通過監(jiān)控收發(fā)器的通信原理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和提取，完成監(jiān)控數(shù)據(jù)收發(fā)器的設計；將數(shù)據(jù)收發(fā)器采集到的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過電能計量芯片提取出智能電網(wǎng)的傳感電流，利用芯片外端接口實現(xiàn)智能電網(wǎng)的監(jiān)控，完成電能計量芯片的設計，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件設計。

2 智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

2.1 智能電網(wǎng)監(jiān)控程序

在設計智能電網(wǎng)監(jiān)控程序時，以調(diào)節(jié)智能電網(wǎng)的電壓偏移為目的，首先運行監(jiān)控服務器端L，運用數(shù)據(jù)函數(shù)socket()進行套接，表達為式(1)。

(1)

式中，n表示數(shù)據(jù)監(jiān)控收發(fā)器的類別數(shù)量。根據(jù)式(1)，通過數(shù)據(jù)函數(shù)bind()綁定服務器的IP地址，運行數(shù)據(jù)函數(shù)listen()監(jiān)控讀取表達為式(2)。

(2)

調(diào)用函數(shù)accept()進行傳輸，等待用戶終端的請求連接，若終端客戶R同意請求連接，則數(shù)據(jù)函數(shù)accept()開啟表達為式(3)。

(3)

根據(jù)式(3)，調(diào)用實時數(shù)據(jù)至recv()和send()函數(shù)進行傳輸，完成整個通信設備監(jiān)控流程[13-14]，則終端客戶R同意請求連接下的通信設備監(jiān)控表達為式(4)。

S=Ryesrecv(A)send(A)

(4)

若終端客戶不同意請求連接，則accept()阻塞進程，則需要3次握手建立連接，直到終端客戶同意請求連接后，才能完成整個通信設備監(jiān)控。3次握手建立連接后的通信設備監(jiān)控表達為式(5)。

S′=Rno(Third)accept(A)

(5)

智能電網(wǎng)的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能電網(wǎng)監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)

智能電網(wǎng)的監(jiān)控程序設計主要利用了TCP連接模式下的Client及Server通信程序，調(diào)用socket()、bind()、listen()、accept()等數(shù)據(jù)函數(shù)，其中accept()數(shù)據(jù)函數(shù)為本程序設計的重點，對實時數(shù)據(jù)進行調(diào)用傳輸，采集了智能電網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的相互通信[15]。

2.2 監(jiān)控調(diào)度算法

智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的核心是獲取實時數(shù)據(jù)，假設監(jiān)控數(shù)據(jù)收發(fā)器的監(jiān)控范圍為ri，i表示收發(fā)器的類別編號，那么可以定義監(jiān)控數(shù)據(jù)收發(fā)器的平均監(jiān)控半徑為式(6)。

(6)

將智能電網(wǎng)開放環(huán)境的空間面積定義為V，根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)控收發(fā)器的平均監(jiān)控半徑，可以推測出實際需要的監(jiān)控器數(shù)量為式(7)。

(7)

式中，N表示空間面積為V的開放環(huán)境中需要的監(jiān)控器總數(shù)。

監(jiān)控調(diào)度算法流程如下。

Step1：定義云計算的迭代次數(shù)I，得到計算速率為alpha,表達為式(8)。

(8)

式中，CN(r)計算速率的分布函數(shù)。

Step2：根據(jù)計算速率，構(gòu)建智能電網(wǎng)監(jiān)控擬合函數(shù)hw(x)和代價函數(shù)Jw(x)為式(9)、式(10)。

(9)

Jw(x)=Vhw(x)

(10)

Step3：采用梯度下降法計算影響因子d的導數(shù)，得到影響因子d的權(quán)重wi為式(11)。

(11)

Step4：判斷代價函數(shù)Jw(x)是否在監(jiān)控數(shù)據(jù)集上收斂，或者達到最大迭代次數(shù)，如果不存在收斂，則更新計算速率并返回Step3，如果存在收斂，則輸出智能電網(wǎng)監(jiān)控的擬合函數(shù)。

綜上所述，采用智能電網(wǎng)監(jiān)控程序的設計過程，設計了智能電網(wǎng)的監(jiān)控程序，根據(jù)監(jiān)控調(diào)度算法原理，設計了監(jiān)控調(diào)度算法流程，完成系統(tǒng)的軟件設計，結(jié)合硬件設計實現(xiàn)了智能電網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)設計，從而確保智能電網(wǎng)的安全。

3 仿真實驗

3.1 實驗平臺

為驗證本文所設計基于云計算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)在實際應用過程中的應用性能與效果，在仿真軟件為Matlab 7.0，Microsoft Windows XP操作系統(tǒng)，Intel(R)Celeron(R) 2.6 GHz處理器，16 GB內(nèi)存環(huán)境下進行一次仿真實驗。

利用智能電網(wǎng)監(jiān)控程序?qū)﹄妷浩频恼{(diào)節(jié)功能，建立了實驗平臺的主接線，如圖4所示。

圖4 實驗平臺的主接線圖

智能電網(wǎng)的電能來源是一臺千瓦斜擊式水力發(fā)電機，高速水流從水管噴嘴處沿著與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平面夾角的方向沖擊葉片，使得發(fā)電機葉片高速轉(zhuǎn)動，從而帶動發(fā)電機持續(xù)發(fā)電。選擇他勵為發(fā)電機的勵磁方式，由發(fā)電機自身攜帶的控制器來控制系統(tǒng)勵磁電流的大小，而控制器又要接收來自終端的操作指令，從而使終端可以控制發(fā)電機端的電壓。在圖4中A處安裝檢測儀表，來監(jiān)控智能電網(wǎng)的電壓偏移，在實驗平臺里，將檢測儀表裝在動力柜的母線上。

考慮到需要在較大范圍內(nèi)來控制監(jiān)控系統(tǒng)的勵磁電流，采用獨立的電池組為實驗平臺提供勵磁電流，控制器通過調(diào)整智能電網(wǎng)的脈沖寬度來控制電壓和勵磁電流。

3.2 實驗方法

通過上述實驗平臺驗證基于云計算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，為了增強實驗效果，將智能電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)、柴油機以及系統(tǒng)負載斷開，使得智能電網(wǎng)的容量達到最小，從而改善電壓偏移量。

實驗過程中，緩慢向?qū)嶒炂脚_中施加無功負載，使智能電網(wǎng)的電壓迅速下降，并偏離正常電壓，母線的電壓值可以從實驗平臺中的A點檢測得到。分別利用基于云計算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、基于云平臺的智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)和基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提出解決方案，生成監(jiān)控運行指令，增加監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)電機的勵磁電流，使得無功功率的輸出變大，電壓偏移量最小，最終使電壓回歸到正常狀態(tài)。

3.3 實驗結(jié)果與分析

基于上述實驗方法，得到了實驗結(jié)果，電壓偏移控制曲線如圖5所示。

圖5 電壓偏移控制曲線

勵磁電流曲線如圖6所示。

圖6 勵磁電流曲線

發(fā)電機定子溫度曲線如圖7所示。

圖7 發(fā)電機定子溫度曲線

結(jié)合上述實驗結(jié)果可以看出，基于云計算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)從6:37到8:06，將誤差明顯的數(shù)據(jù)點去除，系統(tǒng)的電壓逐漸下降，原因是無功負載的增加，此時的監(jiān)控系統(tǒng)沒有任何其他設備來補償無功功率，監(jiān)控系統(tǒng)開始偏離平衡點，此時的勵磁電流和發(fā)電機定子溫度基本不變，8:06時以后，勵磁電流呈線性上升，8:09時，系統(tǒng)的電壓下降到最低點，為204.5 V，然后逐漸增大，電壓升高的過程中，由于勵磁電流的增加，發(fā)電機定子溫度急劇上升，當時間為8:47時，發(fā)電機定子溫度就會突破約束條件，使得電壓偏移量最小且保持在平衡點附近，由于智能電網(wǎng)的慣性，智能電網(wǎng)的電壓峰值為215.24 V，最大偏移量只有0.24 V，符合允許的偏差范圍，發(fā)電機定子的溫度也滿足系統(tǒng)的要求；基于云平臺的智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)和基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)雖然可以做到0.02秒獲取一次數(shù)據(jù)，但是對于遠程終端來講，獲取一次數(shù)據(jù)的時間為4—8秒，當時間為7:50時，電壓就達到了最低點，為212.3 V和219.5 V，隨后開始緩慢增加，而此時的勵磁電流早已進入增加狀態(tài)，造成了發(fā)電機定子的溫度也不穩(wěn)定，基于云平臺的智能電網(wǎng)管理系統(tǒng)和基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)得到的智能電網(wǎng)的電壓峰值為216 V和217 V，電壓偏移量達到了1 V和2 V，不在偏差范圍內(nèi)。

綜合以上結(jié)果，無論是電壓偏移量、勵磁電流還是發(fā)電機定子溫度，都證明了采用基于云計算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)可以得到平衡的電網(wǎng)電壓，保證了電網(wǎng)安全。

4 總結(jié)

為了提高智能電網(wǎng)監(jiān)控性能，本文將云計算技術(shù)應用到了智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設計中，實現(xiàn)了智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和監(jiān)控。測試結(jié)果表明，基于云計算的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)完全滿足電壓恒定要求。當然設計的監(jiān)控系統(tǒng)還存在一些不足，希望以后將無人操作應用到智能電網(wǎng)發(fā)展中，進一步提升系統(tǒng)的性能。