電力信息數(shù)據(jù)多通道采集與自動(dòng)備份方法研究

趙猛，劉怡

（國(guó)網(wǎng)天津市電力公司信息通信公司，天津 300010）

數(shù)據(jù)采集是指通過(guò)傳感器及其他待測(cè)設(shè)備，將模擬信號(hào)從被測(cè)單元中提取出來(lái)的處理過(guò)程，其面向電量信號(hào)、非電量信號(hào)等多種采集對(duì)象。隨著電力信息改革的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的多通道采集迫在眉睫。

數(shù)據(jù)備份是信息容災(zāi)處理的基礎(chǔ)，是指針對(duì)信息傳輸故障進(jìn)行的復(fù)制文件存儲(chǔ)行為。一般來(lái)說(shuō)，待處理的信息文件越多，數(shù)據(jù)備份指令的執(zhí)行也就越頻繁[1-2]。

在電力信息傳輸環(huán)境中，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)備份是兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的研究課題，前者注重對(duì)于傳輸信息的按需提取，后者則可針對(duì)關(guān)鍵傳輸文件進(jìn)行指向性存儲(chǔ)。

傳統(tǒng)電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)采集方案只能采集到廣域狀態(tài)下的電量數(shù)據(jù)信息，并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)電力信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)開銷的有效節(jié)約[3]。而MEMD 和HHT 方法則注重對(duì)電力系統(tǒng)的低頻振蕩模式進(jìn)行識(shí)別，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)文件的按需轉(zhuǎn)換，但對(duì)于信息參量所采取的壓縮比數(shù)值過(guò)小，并不能完全滿足電量信息數(shù)據(jù)的高效性傳輸需求[4]。

為解決上述問(wèn)題，該文從信息量采集、數(shù)據(jù)資源備份兩方面同時(shí)入手，提出電力信息數(shù)據(jù)多通道采集與自動(dòng)備份方法。

1 電力信息數(shù)據(jù)的多通道采集

在電力信息傳輸環(huán)境中，數(shù)據(jù)參量的多通道采集包含電壓和電流有效值確定、畸變因數(shù)計(jì)算、功率因數(shù)計(jì)算三個(gè)基本處理環(huán)節(jié)，具體操作方法如下。

1.1 電壓和電流有效值

平衡電力信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)諧波之間的響應(yīng)關(guān)系，是獲得多通道數(shù)據(jù)采集結(jié)果的重要處理環(huán)節(jié)。在頻率域環(huán)境中，為使電力信息數(shù)據(jù)多通道采集結(jié)果具有較高的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)同時(shí)對(duì)電壓與電流的諧波分量值進(jìn)行求解，并將所獲數(shù)值結(jié)果分別相加，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓有效值、電流有效值的按需計(jì)算。

電壓有效值決定了電力信息數(shù)據(jù)的瞬時(shí)傳輸速率。在多通道環(huán)境中，受到電網(wǎng)覆蓋面積等因素的影響，該項(xiàng)物理指標(biāo)的數(shù)值結(jié)果越大，相應(yīng)情況下的信息數(shù)據(jù)輸出速率也就越快[5]。

設(shè)v代表電力信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸速率，βv代表不同傳輸速率下電壓信號(hào)的諧波分量值，Umax代表諧波電壓的最大表現(xiàn)數(shù)值，聯(lián)立上述物理量，可將電壓有效值表達(dá)式定義為：

電流有效值決定了電力信息數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸距離，在多通道環(huán)境中，該項(xiàng)物理指標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)值結(jié)果可隨電信號(hào)輸出量的變化而不斷波動(dòng)，但最終會(huì)趨于持續(xù)穩(wěn)定的表現(xiàn)形式[6]。設(shè)λ表示電流信號(hào)的諧波分量值，Imax表示諧波電流的最大表現(xiàn)數(shù)值，ΔW表示電力信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化量，聯(lián)立上述物理量，可將電流有效值定義為：

對(duì)于電力信息數(shù)據(jù)而言，信號(hào)量多通道采集結(jié)果始終受到電壓與電流有效值的直接影響。

1.2 畸變因數(shù)

電壓畸變因數(shù)是以電壓有效值為基礎(chǔ)的電量信息數(shù)據(jù)采集有效性衡量條件，就多通道傳輸環(huán)境而言，電網(wǎng)主機(jī)中存儲(chǔ)的信息數(shù)據(jù)量值越多，畸變因數(shù)的數(shù)值就越大[7]。

設(shè)φ代表電壓信號(hào)采集系數(shù)，代表電力信息數(shù)據(jù)的單位輸出均值，Umin代表諧波電壓的最小表現(xiàn)數(shù)值，聯(lián)立式（1），可將電壓畸變因數(shù)計(jì)算結(jié)果表示為：

電流畸變因數(shù)是以電流有效值為基礎(chǔ)的電量信息數(shù)據(jù)采集有效性衡量條件，能夠根據(jù)電信號(hào)數(shù)據(jù)的實(shí)際輸出水平，確定主機(jī)元件所具備的信息存儲(chǔ)能力，從而將待采集的信息參量平均分配至多個(gè)不同的通道體系中[8]。

設(shè)ξ代表電流信號(hào)采集系數(shù)，Imin代表諧波電流的最小表現(xiàn)數(shù)值，聯(lián)立式（2），可將電流畸變因數(shù)計(jì)算結(jié)果表示為：

在多通道傳輸環(huán)境下，畸變因數(shù)計(jì)算量的數(shù)值結(jié)果越大，最終所能采集到的電力信息數(shù)據(jù)也就越多。

1.3 功率因數(shù)

功率因數(shù)是電壓畸變因數(shù)與電流畸變因數(shù)的乘積表現(xiàn)形式，決定了電網(wǎng)主機(jī)所具備的信息數(shù)據(jù)采集能力。若采取多通道同時(shí)開發(fā)的采集形式，則可認(rèn)為所有數(shù)據(jù)信息的采集結(jié)果都是唯一且單向存在的[9-10]。

設(shè)ΔT代表電力信息數(shù)據(jù)的單位傳輸時(shí)長(zhǎng)，在DU＞DI的情況下，功率因數(shù)P的計(jì)算值結(jié)果偏大；而在DU＜DI的情況下，功率因數(shù)P的計(jì)算值結(jié)果則偏?。恢挥性贒U數(shù)值與DI數(shù)值基本相等的情況下，才能得到較為準(zhǔn)確的P值計(jì)算結(jié)果。聯(lián)立式（3）、式（4），可將功率因數(shù)P表達(dá)式定義為：

功率因數(shù)計(jì)算項(xiàng)對(duì)于電力信息數(shù)據(jù)多通道采集結(jié)果的影響能力最強(qiáng)，因此在實(shí)施采集處理的過(guò)程中，應(yīng)盡可能保證該項(xiàng)指標(biāo)參量計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性。

2 電力信息數(shù)據(jù)自動(dòng)備份

電力信息數(shù)據(jù)自動(dòng)備份是在多通道采集基礎(chǔ)上對(duì)傳輸信息進(jìn)行二次加工與處理，具體實(shí)施流程包含信息流量統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)模式匹配、備份編碼閾值計(jì)算三個(gè)操作環(huán)節(jié)。

2.1 信息流量統(tǒng)計(jì)

在電力信息數(shù)據(jù)多通道傳輸環(huán)境中，由于各級(jí)信息量采集結(jié)果只能滿足最原始的數(shù)據(jù)請(qǐng)求操作，因此，需要在原有數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)傳輸參量進(jìn)行二次備份處理[11]。

信息流量是與數(shù)據(jù)參量自動(dòng)備份操作直接相關(guān)的干擾項(xiàng)指標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)，隨著原數(shù)據(jù)信息編碼條件的改變，整個(gè)多通道電力通信環(huán)境會(huì)進(jìn)入相對(duì)變動(dòng)的存在狀態(tài)。在此情況下，若不能及時(shí)對(duì)傳輸參量進(jìn)行采集與提取，不但會(huì)造成數(shù)據(jù)信息總存儲(chǔ)開銷量的增大，也會(huì)在一定程度上促使信息壓縮比數(shù)值趨于不斷下降的變化趨勢(shì)[12]。而信息流量指標(biāo)的存在，不但能夠在最短時(shí)間內(nèi)確定數(shù)據(jù)信息所處的實(shí)時(shí)傳輸位置，也能通過(guò)多通道感知的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)待備份參量的定向篩選，這也是數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)開銷結(jié)果能夠得到有效控制的最主要原因。設(shè)en代表n個(gè)不同的電力信息數(shù)據(jù)備份解碼系數(shù)，其中n表示電力數(shù)據(jù)信息量，聯(lián)立式（5），可將電力信息數(shù)據(jù)在備份過(guò)程中的流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表示為：

其中，χ表示電力信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，f表示數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)傳輸量，表示n個(gè)備份解碼系數(shù)的物理平均值。由于所有電力信息數(shù)據(jù)都只能存儲(chǔ)在單一的備份空間中，所以信息流量值越大，備份空間中數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)所具備的存儲(chǔ)能力也就越強(qiáng)。

2.2 數(shù)據(jù)模式匹配

數(shù)據(jù)模式匹配是實(shí)現(xiàn)電力信息數(shù)據(jù)自動(dòng)備份的關(guān)鍵處理環(huán)節(jié)，在多通道采集條件的支持下，能夠挖掘到的數(shù)據(jù)信息總量值越大，最終能夠收獲的匹配模式也就越復(fù)雜，與之相關(guān)的備份結(jié)果也就越完善。在實(shí)際處理過(guò)程中，數(shù)據(jù)模式匹配結(jié)果能夠干預(yù)電力信息數(shù)據(jù)的實(shí)際挖掘強(qiáng)度，并可針對(duì)各級(jí)備份節(jié)點(diǎn)，生成多個(gè)不同的數(shù)據(jù)信息陣列，以供通信主機(jī)的直接調(diào)取與應(yīng)用。

為獲得更為理想的電力信息數(shù)據(jù)備份結(jié)果，數(shù)據(jù)模式匹配處理應(yīng)從信息對(duì)象之間的子串相似性入手，在排查傳輸參量之間模式共通能力的同時(shí)，建立定向的關(guān)系型映射，一方面能夠避免已備份數(shù)據(jù)、未備份數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)混亂存儲(chǔ)的情況，另一方面也可在最短時(shí)間內(nèi)獲得最為理想的數(shù)據(jù)模式匹配結(jié)果[13-14]。

設(shè)κ代表電力信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)排查系數(shù)，c代表信息數(shù)據(jù)共通參量，cmin和cmax分別代表信息數(shù)據(jù)共通參量的最小值和最大值，聯(lián)立式（6），可將電力信息數(shù)據(jù)備份處理前的模式匹配結(jié)果表示為：

其中，μ代表電力數(shù)據(jù)信息流量的統(tǒng)籌速率，mc代表不同信息參量下的定向匹配系數(shù)，ΔK代表單位時(shí)間內(nèi)的電力信息數(shù)據(jù)傳輸量。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，數(shù)據(jù)模式匹配結(jié)果將直接影響電力通信主機(jī)所具備的信息備份能力。

2.3 備份編碼閾值

由于電力信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量較大，因此為獲得較為穩(wěn)定的備份處理結(jié)果，應(yīng)針對(duì)不同的信息參量進(jìn)行按需編碼，并根據(jù)最終的編碼結(jié)果，確定閾值計(jì)算量的真實(shí)物理數(shù)值[15-16]。

規(guī)定在一個(gè)備份區(qū)段中，電力信息數(shù)據(jù)的單節(jié)點(diǎn)最大通過(guò)量只能達(dá)到，且隨著傳輸時(shí)間的延長(zhǎng)，該項(xiàng)物理量的數(shù)值結(jié)果只會(huì)呈現(xiàn)不斷下降的變化趨勢(shì)。設(shè)τ代表電力信息數(shù)據(jù)的原定碼源值，聯(lián)立式（7），可將備份編碼閾值計(jì)算表達(dá)式定義為：

式中，θ代表預(yù)設(shè)的備份信息量上限編碼數(shù)值。按照上述操作流程，完成對(duì)既定信息數(shù)據(jù)的編碼與調(diào)度，再聯(lián)合已知的處理結(jié)果，完成對(duì)電力信息數(shù)據(jù)多通道采集與自動(dòng)備份方法的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)例分析

電力信息數(shù)據(jù)的采集與備份性能通常以存儲(chǔ)開銷、壓縮比兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)上述性能指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)比較，并從中總結(jié)出相應(yīng)的結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)組，首先對(duì)測(cè)試電力信息數(shù)據(jù)采取了三種不同的備份方式：該文方法、基于電力調(diào)度的數(shù)據(jù)采集備份方法以及基于MEMD 和HHT 的數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)備份方法，然后以實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為基礎(chǔ)，比較了三種方法在時(shí)間方面的總存儲(chǔ)開銷S(n)（即儲(chǔ)存空間占比），n為電力數(shù)據(jù)信息量，并分別引入了三者的理論值結(jié)果作為參照，其具體對(duì)比情況如圖1 所示。圖1 中，上述三種方法的總存儲(chǔ)開銷都隨著電力數(shù)據(jù)信息量的增大而增大，但是基于MEMD 和HHT 的方法和該文方法的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯比基于電力調(diào)度采集方案更為緩慢。與該文方法相比，基于MEMD 和HHT 的方法雖未出現(xiàn)階躍式增長(zhǎng)，但其變化曲線始終位于多通道采集與自動(dòng)備份方法上端。綜上可證明，在所選取的三種方法中，該文方法具有最低的存儲(chǔ)開銷。

圖1 總存儲(chǔ)開銷對(duì)比

壓縮比能夠反映電力信息數(shù)據(jù)的壓縮程度。一般來(lái)說(shuō)，壓縮比數(shù)值越大則代表所選用方法對(duì)于電力信息數(shù)據(jù)的采集與備份處理能力越強(qiáng)。表1 給出了當(dāng)電力數(shù)據(jù)信息量n=3 399.86 MB 時(shí)所選取三種方法的壓縮比。

表1 壓縮比數(shù)值對(duì)比

分析表1 可知，在總存儲(chǔ)開銷量相對(duì)較小的情況下，上述三種方法的實(shí)驗(yàn)壓縮比數(shù)值均高于理論壓縮比數(shù)值，其中基于MEMD 和HHT 的方法對(duì)于電力信息數(shù)據(jù)的壓縮能力最弱，其實(shí)驗(yàn)壓縮比數(shù)值明顯低于另外兩種方法。該文方法對(duì)于電力信息數(shù)據(jù)的壓縮能力最強(qiáng)，與基于電力調(diào)度采集方法相比，其實(shí)驗(yàn)壓縮比數(shù)值增大了1.42。綜上可知，在所選取的三種方法中，該文方法對(duì)于電力信息數(shù)據(jù)的壓縮能力最強(qiáng)，在信息實(shí)時(shí)處理方面的應(yīng)用能力也最強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

電力信息數(shù)據(jù)多通道采集與自動(dòng)備份方法從節(jié)約電力信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)開銷的角度入手，在保持高水平信息參量壓縮比數(shù)值的基礎(chǔ)上，根據(jù)電壓和電流有效值結(jié)果，對(duì)畸變因數(shù)與功率因數(shù)進(jìn)行按需計(jì)算，再通過(guò)統(tǒng)計(jì)信息流量數(shù)值的方式，得到準(zhǔn)確的備份編碼閾值結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，該方法能夠以最低的開銷數(shù)值對(duì)電力信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，不但能夠較好滿足實(shí)際應(yīng)用需求，也可以將壓縮比指標(biāo)控制在理想化的數(shù)值區(qū)間之內(nèi)。