基于影響因子的電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)方法

周全貴

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司西雙版納供電局, 云南 景洪 655100)

0 引 言

隨著電力通信網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)增多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)工作難度加大。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)超過(guò)5%不能正常使用就會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。應(yīng)對(duì)這種情況，一是要有備用的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以在部分節(jié)點(diǎn)失去效用后及時(shí)增補(bǔ)；二是提高節(jié)點(diǎn)的抵御攻擊能力，避免因節(jié)點(diǎn)失效造成電力通信網(wǎng)絡(luò)不暢通。常用的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)方法主要是基于電力通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的不同，建立檢測(cè)指標(biāo)，并通過(guò)檢測(cè)指標(biāo)特征來(lái)判斷檢測(cè)節(jié)點(diǎn)種類，也可以使用該特征來(lái)監(jiān)測(cè)某種節(jié)點(diǎn)是否處于有效狀態(tài)[1-2]。另外，將部分節(jié)點(diǎn)暫時(shí)停用，觀察停用后對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，判斷節(jié)點(diǎn)是否失效，也是一種有效的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)方法。但是該檢測(cè)方法不能在電力通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行，否則會(huì)影響通信網(wǎng)絡(luò)的正常使用。文獻(xiàn)[1]中提出了最短路徑為基礎(chǔ)的電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)方法，通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置，觀察網(wǎng)絡(luò)變化對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。但是，該方法無(wú)法檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中距離十分相近的節(jié)點(diǎn)。

因此，此文通過(guò)分析傳統(tǒng)方法的缺陷，考慮電力通信的背景和特征，基于影響因子，重新設(shè)計(jì)電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)方法。

1 電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)方法

1.1 將通信影響因子融入檢測(cè)系統(tǒng)

電力通信網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中是具有特殊行業(yè)屬性的一種網(wǎng)絡(luò)，通信節(jié)點(diǎn)和電網(wǎng)站點(diǎn)的重合度很高。變電站通信節(jié)點(diǎn)與電網(wǎng)站通信節(jié)點(diǎn)的作用完全不同。電網(wǎng)影響因子的定義，有助于分析電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置和功能。電力通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在不同電站中的等級(jí)不同[3]，例如：專業(yè)用電站的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)比普通用電發(fā)電站的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)高級(jí)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)影響評(píng)價(jià)體系，如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)影響因子評(píng)價(jià)體系Fig.1 Evaluation system of node power grid influence factors

電力通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性強(qiáng)，電流和電壓的變化幅度不大。但網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)一般不會(huì)耗光本身的節(jié)點(diǎn)能量，耗光能量的節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)會(huì)發(fā)生故障，降低通信速度。因此，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)測(cè)試非常必要[4-6]。分析影響因子，主要是先將節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)影響因子進(jìn)行簡(jiǎn)單分類，分為站點(diǎn)類別因素和站點(diǎn)負(fù)荷因素，再通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行檢測(cè)。站點(diǎn)類別因素分為站點(diǎn)等級(jí)和站點(diǎn)規(guī)模；站點(diǎn)負(fù)荷因素分為負(fù)荷等級(jí)和負(fù)荷大小。將分類好的影響因子運(yùn)用到電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)中，具有省時(shí)省力的優(yōu)越性。

電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)一般需要工人到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行排查，將影響因素輸入計(jì)算機(jī)后，可以在線上進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)工人無(wú)需到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，消除了空間限制；只需要計(jì)算機(jī)操作，白天、夜晚都可以進(jìn)行檢測(cè)，也打破了時(shí)間限制[7]。計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力強(qiáng)，且具備強(qiáng)大的存儲(chǔ)服務(wù)功能，有利于影響因子的存儲(chǔ)和分析計(jì)算。影響因子的融入，有利于在電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)斷點(diǎn)故障時(shí)，通過(guò)影響因子的數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)自行檢測(cè)，及時(shí)修復(fù)漏洞，保證電力正常供應(yīng)。

1.2 建立電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型

電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型采用蜂窩模型建立法，該模型建立法在識(shí)別節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)可以區(qū)分出不同類型的節(jié)點(diǎn)，并將發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。蜂窩模型建立后，可以確定服務(wù)器擺闊中繼器和終端機(jī)等的位置。位置確認(rèn)后，先將各個(gè)服務(wù)器與蜂窩模型通信結(jié)構(gòu)中的部分一一對(duì)應(yīng)，再將模型中的節(jié)點(diǎn)按順序進(jìn)行連接，連接后的節(jié)點(diǎn)與通信線路按順序進(jìn)行編號(hào)。

當(dāng)前蜂窩模型可供選擇的填充曲線有五種，基于影響因子的特點(diǎn)選擇最合適通信網(wǎng)絡(luò)路徑的波特曲線。現(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型是沒(méi)有任何形狀的，計(jì)算中可以將電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型定義為一個(gè)正方形區(qū)域，正方形編號(hào)為X，邊長(zhǎng)為x。波特曲線在X中可以訪問(wèn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)，訪問(wèn)次序?yàn)閺囊欢说搅硪欢耍梢詮淖钭髠?cè)到最右側(cè)或者從最上方到最下方，但不能從中心點(diǎn)向四周擴(kuò)散，這樣的訪問(wèn)方法非常容易遺漏檢測(cè)區(qū)域。依照次序進(jìn)行訪問(wèn)可以將X分為4個(gè)區(qū)域，如圖2所示。

圖2 對(duì)X進(jìn)行分區(qū)Fig.2 Partitioning X

如圖2所示，區(qū)域A和區(qū)域B的面積相等，區(qū)域C和區(qū)域D的面積相等。區(qū)域A和區(qū)域C的區(qū)域面積比約為3:2。區(qū)域C和區(qū)域D的大小決定波特曲線的階數(shù)，波特曲線無(wú)需將區(qū)域中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都訪問(wèn)一遍，因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)將節(jié)點(diǎn)通過(guò)影響因子的特征進(jìn)行分類，所以只需訪問(wèn)每個(gè)分類中的部分節(jié)點(diǎn)[8-10]。這樣的訪問(wèn)方法節(jié)省了大量的時(shí)間，也為后續(xù)檢測(cè)排除了很多重復(fù)進(jìn)行的步驟。

將正方形X的中心點(diǎn)定義為檢測(cè)分界點(diǎn)，按照上述區(qū)域分割比例，中線點(diǎn)肯定位于區(qū)域A和區(qū)域B中。檢測(cè)操作員將中線點(diǎn)標(biāo)記出來(lái)，控制曲線的移動(dòng)路徑，在診斷完一個(gè)節(jié)點(diǎn)后，按照移動(dòng)路徑的規(guī)劃向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出申請(qǐng)檢測(cè)的信號(hào)，節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)后會(huì)將數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸給電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型。最終由計(jì)算機(jī)基于通信的影響因子進(jìn)行檢測(cè)，直到檢測(cè)完所有節(jié)點(diǎn)。

1.3 檢測(cè)路徑設(shè)置

在模型建立的基礎(chǔ)上，設(shè)置節(jié)點(diǎn)路徑，根據(jù)上述正方形X進(jìn)行路徑計(jì)算。為了使檢測(cè)路徑中節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)前處于靜止?fàn)顟B(tài)，保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須滿足三個(gè)條件： 1)所有通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都被檢測(cè)路徑覆蓋，做到不漏查；2)檢測(cè)路徑要保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)只被檢測(cè)到一次，做到不重復(fù)檢查，杜絕無(wú)效檢測(cè)，節(jié)省時(shí)間；3)保證檢測(cè)時(shí)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此采集數(shù)據(jù)的規(guī)則必須準(zhǔn)確[11-12]。

正方形邊長(zhǎng)與中心通信節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)通信距離關(guān)系為

(1)

式中：rs為節(jié)點(diǎn)通信距離。

正方形邊長(zhǎng)與網(wǎng)絡(luò)邊長(zhǎng)和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)存在如下關(guān)系：

(2)

式中：k為波特曲線的階數(shù)；L為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型的網(wǎng)絡(luò)邊長(zhǎng)；n為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

由式(1)、式(2)可得出：

(3)

將式(3)進(jìn)行變換可知，波特曲線的階數(shù)為

(4)

由上述各式計(jì)算得到波特曲線最小階數(shù)k,也就是檢測(cè)路徑的最有效方法。按照該檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的路徑進(jìn)行節(jié)點(diǎn)檢測(cè)，可以保證在每個(gè)劃分出的區(qū)域都滿足上述三個(gè)條件。通信網(wǎng)絡(luò)頻繁使用的時(shí)段可以幾個(gè)區(qū)域同時(shí)檢測(cè)，因此，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)只需要完成自己區(qū)域的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)，4個(gè)區(qū)域可同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，節(jié)省檢測(cè)時(shí)間。

1.4 數(shù)據(jù)處理和故障定位

數(shù)據(jù)采集是指使用網(wǎng)絡(luò)查線器采集檢測(cè)后的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的過(guò)程可以在通信網(wǎng)絡(luò)工作的同時(shí)進(jìn)行，查線器在開(kāi)啟后可以發(fā)射信號(hào)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射，再將產(chǎn)生信號(hào)反射的部分進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最終完成數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)不能直接作為檢測(cè)結(jié)果，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。因?yàn)樾盘?hào)反饋的數(shù)據(jù)中，越是靠近信號(hào)高頻發(fā)射處越會(huì)出現(xiàn)信號(hào)混疊的現(xiàn)象，混疊后的信號(hào)需要先進(jìn)行過(guò)濾處理。

信號(hào)過(guò)濾方法很多，其中最準(zhǔn)確高效的是小波信號(hào)過(guò)濾法，可以將采集信號(hào)中的噪聲信號(hào)進(jìn)行有效過(guò)濾。噪聲信號(hào)過(guò)濾后，需要把數(shù)據(jù)重新整理排序，確定數(shù)據(jù)無(wú)誤后，將故障節(jié)點(diǎn)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行標(biāo)記，以便于維修工作的開(kāi)展[13-15]。

2 對(duì)比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的方法能夠滿足電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的需求，設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)，將傳統(tǒng)方法與所設(shè)計(jì)方法的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)效率進(jìn)行對(duì)比。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇MCC電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)仿真平臺(tái)，參數(shù)設(shè)置參考電力通信真實(shí)數(shù)據(jù)，具體仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters

節(jié)點(diǎn)在正方形區(qū)域中均勻分布，節(jié)點(diǎn)的原點(diǎn)在區(qū)域左下角，終點(diǎn)在右上角，路徑最優(yōu)選擇是從下到上進(jìn)行檢測(cè)。路徑選擇使用閾值算法。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

分別使用所設(shè)計(jì)的方法和傳統(tǒng)方法進(jìn)行通信節(jié)點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)召喚率結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 召喚率對(duì)比Table 2 Summoning rate comparison

由表2可知，傳統(tǒng)方法1對(duì)故障的檢測(cè)隨著節(jié)點(diǎn)和故障點(diǎn)的增多，召喚率不斷降低；傳統(tǒng)方法2的召喚率雖然并非依照這個(gè)規(guī)律變化，但是也很不穩(wěn)定；所設(shè)計(jì)的方法召喚率一直保持在97%以上，沒(méi)有隨著節(jié)點(diǎn)和故障點(diǎn)的增多而降低，也非常穩(wěn)定，作為電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)方法，滿足檢測(cè)的條件。

使用傳統(tǒng)方法和所設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行檢測(cè)仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證哪種方法的數(shù)據(jù)收斂時(shí)間更短，結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)收斂時(shí)間對(duì)比Fig.3 Comparison of data convergence time

如圖3所示，在5次對(duì)比試驗(yàn)中，所設(shè)計(jì)的方法使用數(shù)據(jù)的收斂時(shí)間都比傳統(tǒng)方法短，收斂時(shí)間所用的時(shí)間越短，越節(jié)省整個(gè)檢測(cè)工作時(shí)間，為后續(xù)的維修工作爭(zhēng)取更多時(shí)間，有助于盡早恢復(fù)正常通信。

3 結(jié) 語(yǔ)

為提高電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，基于通信的影響因子，重新設(shè)計(jì)電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)方法。構(gòu)建電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型，并設(shè)置科學(xué)的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)路徑，實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)與定位。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，證明了所設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法檢測(cè)效果更好，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法檢測(cè)召喚率低的缺陷，節(jié)省了節(jié)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)間，且具有實(shí)用性。