融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電力系統(tǒng)監(jiān)控與優(yōu)化

摘 要：針對傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)控方面存在效率低、延遲高以及安全性不足等問題，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件包括溫度傳感、通信和無線傳輸模塊。系統(tǒng)軟件采用多線程和監(jiān)控調(diào)度算法優(yōu)化了系統(tǒng)性能。利用MATLAB進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸方面明顯比使用傳統(tǒng)協(xié)議效率更高，網(wǎng)絡(luò)延遲現(xiàn)象顯著減少，提高了電力監(jiān)控的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能電力系統(tǒng)；監(jiān)控

中圖分類號：TM 76" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）技術(shù)可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫采集與傳輸，增強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平。本文分析了監(jiān)控調(diào)度算法，設(shè)計(jì)了分布式架構(gòu)，提出了集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)方案，并利用仿真試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。本文研究物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的功能和優(yōu)化策略，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高電力系統(tǒng)監(jiān)控性能，為構(gòu)建更智能、高效的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)提供理論和技術(shù)支持。

1 融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，須細(xì)致分析系統(tǒng)需要滿足的實(shí)際應(yīng)用場景，并著重研究采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來提升電網(wǎng)監(jiān)控的效率與安全性。因此，本文將重點(diǎn)關(guān)注3個(gè)核心領(lǐng)域：安防監(jiān)控、運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測以及智能輔修，這些是構(gòu)建智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，物聯(lián)網(wǎng)電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示[1]。

系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)思路如下。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于電力設(shè)備故障監(jiān)測需求提出了一種具有溫度監(jiān)測、無線通信和控制功能的硬件方案。硬件包括射頻模塊、繼電器模塊、主控單元和溫度電流傳感器。射頻模塊采用ZigBee技術(shù)完成高速數(shù)據(jù)傳輸；4G網(wǎng)絡(luò)的作用是遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳輸。主控單元采用S3C2240芯片，其作用是處理數(shù)據(jù)和發(fā)出指令。溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備溫度和電流，全面評估設(shè)備狀態(tài)。在通信硬件設(shè)計(jì)中，選擇ME3760模塊提高LTE數(shù)據(jù)傳輸效率，并使用USB接口與S3C2240芯片進(jìn)行集成，形成高效無線傳輸架構(gòu)[2]。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)捕獲關(guān)鍵信息后，利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心和主控模塊。當(dāng)檢測到異常時(shí)，控制節(jié)點(diǎn)利用繼電器模塊調(diào)控?cái)嗦菲?，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程：溫度電流傳感器持續(xù)監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，數(shù)據(jù)利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至控制中心。主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，如果發(fā)現(xiàn)異常，那么利用4G網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程控制中心報(bào)警，同時(shí)發(fā)出指令給繼電器模塊，切斷設(shè)備連接。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用多線程Swing架構(gòu)集成用戶界面和數(shù)據(jù)傳輸功能。界面設(shè)計(jì)包括登錄和主操作2個(gè)階段。當(dāng)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)初始化并顯示登錄界面，驗(yàn)證用戶憑證。登錄成功后，激活主界面，依次檢測各功能按鈕的狀態(tài)，對程序流程進(jìn)行控制。傳輸程序設(shè)計(jì)則采用SwingWorker對后臺任務(wù)進(jìn)行管理，保證界面響應(yīng)性能。系統(tǒng)創(chuàng)建2個(gè)線程，分別監(jiān)聽8821和8891端口，處理服務(wù)器命令和圖片數(shù)據(jù)上傳[3]。具體過程如下。

final SwingWorker worker = new SwingWorker（） {

@Override

protected Object doInBackground（） throws Exception {

ObjectServer os = new ObjectServer（）;

ObjectServer.MyThread1 thread1 = os.new MyThread1（）;

ObjectServer.MyThread2 thread2 = os.new MyThread2（）;

thread1.start（）;

thread2.start（）;

return 1;

}

};

worker.run（）;

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)是多線程技術(shù)，該技術(shù)顯著提高了電力系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的通信連接效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。采用動(dòng)力狀態(tài)診斷技術(shù)對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行綜合診斷，利用先進(jìn)的監(jiān)控調(diào)度算法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了智能電網(wǎng)的安全監(jiān)控功能。

2.1 功率動(dòng)態(tài)調(diào)制

在智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，讀出模塊具備可調(diào)節(jié)的發(fā)送信號強(qiáng)度功能，其調(diào)節(jié)范圍為23 dbm～30 dbm，增加3 dbm步長可以使傳輸功率加倍。系統(tǒng)軟件設(shè)定不同的電流水平來調(diào)整信號傳輸功率，其中50 dBm為高電流水平，25 dBm為中電流水平，10 dBm為低電流水平，設(shè)備在不同環(huán)境中能夠發(fā)射高強(qiáng)度的射頻信號。算法根據(jù)從不同電流水平區(qū)域返回的標(biāo)記數(shù)、信號強(qiáng)度以及閱讀器檢測的信號強(qiáng)度來決定下一次調(diào)整的信號強(qiáng)度[4]。

假設(shè)系統(tǒng)在時(shí)間t內(nèi)的輸出功率為P（t），那么電流水平如公式（1）所示。

P（t）=10·log10（I（t））+C （1）

式中：I（t）為電流水平； C 為一個(gè)常數(shù)，其作用是調(diào)整輸出功率 P（t）的基準(zhǔn)水平。

讀取模塊的占空比設(shè)定為每秒1次。在該模式下，模塊執(zhí)行循環(huán)計(jì)數(shù)，記為n次。此時(shí)檢測的不同電子標(biāo)簽的數(shù)量記為k個(gè)。根據(jù)這2個(gè)參數(shù)，計(jì)算在第n次循環(huán)中檢測的k個(gè)電子標(biāo)簽的信號強(qiáng)度θ（n）k的函數(shù)L（x），如公式（2）所示。

（2）

式中：L（x）為循環(huán)計(jì)數(shù)； N 為單個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的標(biāo)記數(shù)。

為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，系統(tǒng)采用自適應(yīng)功率調(diào)節(jié)算法。假設(shè)在第i次循環(huán)中檢測的信號強(qiáng)度為Si，目標(biāo)信號強(qiáng)度為Starget，那么調(diào)節(jié)系數(shù)Ki如公式（3）所示。

（3）

系統(tǒng)可以利用自適應(yīng)算法動(dòng)態(tài)調(diào)整功率輸出，以保證信號強(qiáng)度始終維持在目標(biāo)范圍內(nèi)。具體調(diào)整過程如公式（4）所示。

Pi+1=Pi×Ki （4）

式中：Pi+1為調(diào)整后的功率；Pi為當(dāng)前功率。

采用這種方式，系統(tǒng)可以在不同環(huán)境中靈活調(diào)整功率輸出，保證信號覆蓋全面，能源利用效率更高。

2.2 占空比調(diào)制

將讀卡器模塊的占空比設(shè)置為1 s軌道，并將功率放大器設(shè)計(jì)為模塊中功耗最大的部分。將功率放大器的工作時(shí)間調(diào)整至200 ms，功耗比達(dá)到1∶4，顯著降低了系統(tǒng)總功耗。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該讀卡器能夠在200 ms內(nèi)識別數(shù)千個(gè)不同的ID標(biāo)簽，能夠涵蓋操作區(qū)域內(nèi)的所有電子標(biāo)簽[5]。

假設(shè)讀卡器模塊在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為ton，關(guān)斷時(shí)間為toff，那么占空比D的計(jì)算過程如公式（5）所示。

（5）

在該系統(tǒng)中，導(dǎo)通時(shí)間為200 ms，周期為1 s，因此占空比計(jì)算過程如公式（6）所示。

（6）

為了使功耗達(dá)到最優(yōu)化，系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)調(diào)整占空比。假設(shè)目標(biāo)占空比為c，實(shí)際占空比為Dactual，誤差eD（t）如公式（7）所示。

（7）

系統(tǒng)采用PID控制算法調(diào)整占空比，控制過程如公式（8）所示。

（8）

式中：D（t）為當(dāng)前時(shí)間的控制輸出；Kp、Ki和Kd分別為比例、積分和微分系數(shù)；τ為積分變量，表示從初始時(shí)刻至當(dāng)前時(shí)刻的連續(xù)區(qū)間，eD（τ）為誤差；r為比例項(xiàng)的常數(shù)乘數(shù)；t為當(dāng)前時(shí)間變量。

為了避免占空比超過合理范圍，系統(tǒng)設(shè)置占空比的上限D(zhuǎn)max和下限D(zhuǎn)min，占空比的限制條件如公式（9）所示。

Dmin≤D（t）≤Dmax" " （9）

2.3 多線程機(jī)制

在物聯(lián)網(wǎng)智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理需求高，單線程輪詢方式效率低，多線程技術(shù)能夠顯著提升系統(tǒng)性能。電源黑箱存儲大量電網(wǎng)數(shù)據(jù)，配置信息列表獲取豐富信息。系統(tǒng)采用多線程技術(shù)并行處理不同數(shù)據(jù)源，保障數(shù)據(jù)安全、完整地傳送。為提高效率，系統(tǒng)采用線程池技術(shù)預(yù)先創(chuàng)建線程，避免頻繁創(chuàng)建和銷毀線程造成的性能開銷。每個(gè)線程獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾，分配特定數(shù)據(jù)處理任務(wù)。假設(shè)線程池中有N個(gè)線程，每個(gè)線程都分配1個(gè)特定的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，那么整個(gè)處理過程如公式（10）所示。

（10）

式中：T為總處理時(shí)間；Ti為第i個(gè)線程的處理時(shí)間。由于多線程具有并行處理特性，因此總處理時(shí)間將顯著縮短。

系統(tǒng)使用多線程同步機(jī)制還能夠避免資源競爭和數(shù)據(jù)不一致問題。常見的同步機(jī)制包括互斥鎖（Mutex）、信號量（Semaphore）和條件變量（Condition Variable）等。這些機(jī)制可以保證在同一段時(shí)間只有1個(gè)線程訪問共享資源，避免數(shù)據(jù)沖突。假設(shè)每個(gè)線程的處理時(shí)間服從均勻分布U（a，b），那么單個(gè)線程的期望處理時(shí)間如公式（11）所示。

（11）

式中： E（Ti）為第i個(gè)線程的期望處理時(shí)間；a、b分別為均勻分布的下限和上限。

多線程總處理時(shí)間的期望值的計(jì)算過程如公式（12）所示。

E（Ttotal）=E（max（T1，T2，...，TN）） （12）

式中：E（Ttotal）為總處理時(shí)間的期望值。

假設(shè)線程池中Ti服從指數(shù)分布λ，那么第i個(gè)線程的期望處理時(shí)間如公式（13）所示。

（13）

優(yōu)化線程分配和調(diào)度算法可以進(jìn)一步縮短總處理時(shí)間，提升系統(tǒng)性能。

2.4 監(jiān)控調(diào)度算法

在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，該系統(tǒng)的樞紐為實(shí)時(shí)采集終端數(shù)據(jù)的能力，由于服務(wù)地域具有廣泛性，因此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)的過程中須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蛿?shù)據(jù)完整性。鑒于這個(gè)需求，大部分電網(wǎng)系統(tǒng)采用分布式的架構(gòu)策略?？紤]前端傳感器覆蓋的監(jiān)控范圍，定義傳感器的平均監(jiān)測半徑如公式（14）所示。

（14）

式中：為傳感器的平均監(jiān)測半徑；n為傳感器的數(shù)量；ri為第 i個(gè)傳感器的監(jiān)測半徑。

根據(jù)ri可以估算覆蓋整個(gè)區(qū)域?qū)嶋H所需要部署傳感器的數(shù)量S，如公式（15）所示。

（15）

式中：S為為了對空間面積V的環(huán)境進(jìn)行全面監(jiān)測，需要部署的傳感器節(jié)點(diǎn)的總數(shù)量；s為不同傳感器類別的數(shù)量。

假設(shè)總監(jiān)測面積為A，那么每個(gè)傳感器的有效監(jiān)測面積如公式（16）所示。

Asensor=πr2 （16）

為使能源消耗最優(yōu)化，調(diào)度節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)存儲節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)須遵循最低能耗原則。在保證智能電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，對節(jié)點(diǎn)配置進(jìn)行優(yōu)化，以減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量。以調(diào)度節(jié)點(diǎn)的配置為例，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足預(yù)設(shè)的吞吐能力要求，即在單位時(shí)間內(nèi)能夠處理的最大節(jié)點(diǎn)請求量。根據(jù)公式，推導(dǎo)所需部署的調(diào)度節(jié)點(diǎn)的數(shù)量N調(diào)度，如公式（17）所示。

（17）

式中：Q總為總請求量；Q為單個(gè)調(diào)度節(jié)點(diǎn)的處理量。

一般來說，數(shù)據(jù)存儲節(jié)點(diǎn)的數(shù)目應(yīng)該等于或略高于調(diào)度節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，這樣的比例設(shè)置使數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行冗余備份和容錯(cuò)處理，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整、可靠。假設(shè)數(shù)據(jù)存儲節(jié)點(diǎn)的配置數(shù)量為N存儲，那么滿足冗余備份和容錯(cuò)要求的配置如公式（18）所示。

N存儲≥N調(diào)度 （18）

調(diào)度節(jié)點(diǎn)利用內(nèi)置的適配模式在識別異常數(shù)據(jù)源方面發(fā)揮重要作用。適配模式通?；诜诸愃惴ㄟM(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)，利用傳感器采集的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行模式訓(xùn)練和學(xué)習(xí)。特征集合為 X=（X1，X2，...，Xn），在特定的時(shí)間點(diǎn)t，各類傳感器收集的數(shù)據(jù)集合為時(shí)刻的特征向量X t。同時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)St對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的系統(tǒng)狀況，可以作為監(jiān)督學(xué)習(xí)的標(biāo)簽使用。積累大量的特征向量和相應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)，調(diào)度節(jié)點(diǎn)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練能夠準(zhǔn)確識別系統(tǒng)狀態(tài)的適配模型。為了對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，將狀態(tài)分為4種類型，見表1。

由表1可知，為準(zhǔn)確描述系統(tǒng)狀態(tài)與傳感器數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，本文構(gòu)建了1個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法的框架。該框架的核心目標(biāo)是訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集（X，S）來構(gòu)建1個(gè)參數(shù)模型。其中，X為傳感器的數(shù)據(jù)矩陣，S為相應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)識符。

為驗(yàn)證電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸完整性，本文構(gòu)建以MATLAB軟件為基礎(chǔ)的仿真環(huán)境，并采用分布式架構(gòu)來監(jiān)控系統(tǒng)。采用直接連接方式對終端設(shè)備和服務(wù)器之間的擁塞率進(jìn)行量化分析，并將基于ZigBee協(xié)議構(gòu)建方式與基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建方式獲取的電力數(shù)據(jù)在信道島內(nèi)傳輸情況進(jìn)行對比，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在采用ZigBee協(xié)議的電力數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)沿信道的遷移路徑十分混亂，擁塞狀況嚴(yán)重，部分?jǐn)?shù)據(jù)甚至?xí)撾x既定的傳輸路徑，因此在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中出現(xiàn)延遲問題。在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的構(gòu)架中，電力數(shù)據(jù)的信道傳輸過程規(guī)律性較高，并成功避免了數(shù)據(jù)脫軌問題。因此，在采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延遲問題。

4 結(jié)論

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，其能夠提高數(shù)據(jù)傳輸效率、優(yōu)化監(jiān)控調(diào)度算法，并保持?jǐn)?shù)據(jù)流的穩(wěn)定性和可靠性。試驗(yàn)結(jié)果證明了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的有效性，尤其是與傳統(tǒng)的ZigBee協(xié)議相比，在電力數(shù)據(jù)傳輸過程中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)延遲更低，性能更好。這個(gè)結(jié)果對智能電網(wǎng)的未來發(fā)展方向提供了重要的指導(dǎo)。

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