蔡谷奇，袁飛，馬銳軍，陳育輝，鄧春婷，林宇鋼

（廣東技術(shù)師范學(xué)院自動化學(xué)院，廣州 510000）

0 引言

由于偷盜電纜等人為破壞現(xiàn)象，臺風(fēng)暴雨等自然災(zāi)害、線路本身的老化、負(fù)荷運行或者機(jī)械損傷等問題，會導(dǎo)致整條電力線路的故障。若不能及時準(zhǔn)確地對故障進(jìn)行定位，將導(dǎo)致維修不及時，給社會生產(chǎn)生活帶來潛在的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。同時，如果能對電網(wǎng)各用電節(jié)點電能等數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲取，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘方法，可以實現(xiàn)電網(wǎng)供配電方案優(yōu)化，并且線纜檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和安全性也會得到提高。

目前針對電纜線路檢測的研究主要集中在離線檢測、在線監(jiān)測以及電纜故障定點三大類型，但是存在無法實時反映電纜狀態(tài)的缺陷。各用電節(jié)點電量的監(jiān)測與分析方面，目前多采用聚類分析方法，包括K均值聚類法和模糊C均值聚類法，對用戶的用電行為進(jìn)行分類建模，以進(jìn)行異常用電行為識別、電網(wǎng)整體運行狀態(tài)評估等。但目前還沒有將電纜線路檢測與電量信息數(shù)據(jù)分析結(jié)合在一起的系統(tǒng)。因此，本文設(shè)計一套基于物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)挖掘的電纜集中監(jiān)控系統(tǒng)，既可以有效地對電力線纜進(jìn)行有效監(jiān)測管理，又能通過數(shù)據(jù)挖掘方法來分析電量行為特征，為輸電線纜的故障定位、電量信息監(jiān)控和用電行為分析提供了新方法。

1 系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計的系統(tǒng)硬件主要為安裝在各用電單位的監(jiān)測節(jié)點。監(jiān)測節(jié)點以STM32芯片為核心控制模塊，外圍配以電力載波通訊模塊進(jìn)行線纜連接狀態(tài)檢測，電量檢測模塊用于實時監(jiān)測用戶的用電量情況，4GDTU透傳模塊作為數(shù)據(jù)傳輸模塊，負(fù)責(zé)將電纜間連接狀態(tài)信息和用戶電量信息上傳到服務(wù)器。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該監(jiān)控系統(tǒng)在每一電力電纜負(fù)載線路上配備一個監(jiān)測節(jié)點，監(jiān)測節(jié)點將采集到的電量信息和電纜連接狀態(tài)信息通過4G-DTU透傳模塊發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上指定的服務(wù)器，服務(wù)器將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。通過電量信息特征，挖掘出區(qū)域化的特點和用戶用電行為特點等，并進(jìn)行存儲。終端監(jiān)控設(shè)備再將分析結(jié)果數(shù)據(jù)以表格、圖形界面等形式進(jìn)行展示，為電網(wǎng)維護(hù)與運行狀態(tài)監(jiān)測提供準(zhǔn)確且科學(xué)的依據(jù)。

圖1 電纜集中監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

2 監(jiān)測節(jié)點硬件設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點硬件原理圖如圖2所示。監(jiān)測節(jié)點核心模塊選用STM32F103C8T6以內(nèi)核為32位的Cortex-M3 CPU，外圍電力載波通訊模塊選用BWP31電力載波通訊模塊，電力載波模塊與核心模塊之間通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。4G-DTU模塊選用型號為USR-LTE-7S4的4G模塊，該模塊與核心模塊之間通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)設(shè)置好4G-DTU模塊后，會自動將串口接收到的數(shù)據(jù)定向傳輸給指定的服務(wù)器。電量采集模塊采用RN8209芯片為核心芯片，配合相應(yīng)的電子元器件，實現(xiàn)高準(zhǔn)確測量單相交流電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、電量等電參數(shù)。該模塊具有隔離電路，不需與被測電纜連接，即可進(jìn)行檢測。具有體積小，使用便捷的特點。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計中各監(jiān)測節(jié)點的電力載波通訊模塊與電纜線路相連。線纜連接狀態(tài)檢測時，編號為1的檢測節(jié)點向電纜線路上發(fā)送數(shù)據(jù)，其他監(jiān)測節(jié)點的電力載波通信模塊接收電纜上發(fā)來數(shù)據(jù)，并將該接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給相應(yīng)的核心控制模塊，核心控制模塊再將接收到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行編號分析，通過接收到的編號序列數(shù)據(jù)來判斷電纜間是否出現(xiàn)斷路異常。監(jiān)測節(jié)點2再經(jīng)過固定時間T后進(jìn)行編號數(shù)據(jù)發(fā)送，其他監(jiān)測節(jié)點作為接受節(jié)點。以此類推，循環(huán)定時發(fā)送編號數(shù)據(jù)到電纜網(wǎng)絡(luò)中。例如監(jiān)測節(jié)點1向電力網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送編號數(shù)據(jù)“1”，其他監(jiān)測節(jié)點正常收到編號“1”，則保存到編號序列列表中，直到最后一個監(jiān)測節(jié)點發(fā)送完編號數(shù)據(jù)后，各監(jiān)測節(jié)點根據(jù)接受到的編號列表來判斷哪些監(jiān)測節(jié)點之間存在斷路異常。例如監(jiān)測節(jié)點2收到的編號列表缺少編號“3”，則判斷監(jiān)測節(jié)點2和監(jiān)測節(jié)點3之間存在斷路異常，此時節(jié)點2將異常情況通過監(jiān)測節(jié)點2的4G-DTU模塊發(fā)送給服務(wù)器，并做好保存。監(jiān)測節(jié)點的節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 節(jié)點硬件原理圖

監(jiān)測節(jié)點在檢測電纜之間的連通狀態(tài)的同時，各監(jiān)測節(jié)點通過電量檢測模塊對用電節(jié)點進(jìn)行電量數(shù)據(jù)采集，并將電量數(shù)據(jù)通過4G-DTU模塊實時傳給服務(wù)器進(jìn)行保存。在服務(wù)器中，本文設(shè)計的系統(tǒng)利用Apri?ori算法挖掘電量與電能負(fù)載熱區(qū)進(jìn)行的關(guān)聯(lián)性。

圖3 電力載波節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

本文的軟件設(shè)計流程圖如圖4所示，系統(tǒng)啟動之后，初始化各節(jié)點的電纜監(jiān)控系統(tǒng)，包括STM32主控芯片的初始化、電力載波模塊的初始化、電量采集模塊的初始化以及4G-DTU模塊的初始化。各節(jié)點之間采用輪詢的方式進(jìn)行載波通訊，電力載波模塊第n+1個節(jié)點接收來自上個節(jié)點n的載波數(shù)據(jù)，并通過USART的通訊方式將數(shù)據(jù)傳給主控芯片，主控芯片經(jīng)過預(yù)先設(shè)定的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)驗證。假如數(shù)據(jù)正常，則節(jié)點n與節(jié)點n+1線路正常；假如經(jīng)過多次驗證，節(jié)點n+1等待上一結(jié)點的載波信號超時，則節(jié)點n與節(jié)點n+1之間的線路異常。最后，主控芯片將線路信息和電量采集模塊采集的電流、電壓、電量數(shù)據(jù)通過4G-DUT模塊遠(yuǎn)程通信傳送給終端監(jiān)控系統(tǒng)，并且節(jié)點n+1發(fā)送相應(yīng)的載波數(shù)據(jù)給節(jié)點n+2。其中，線路異常時將會緊急報警，并定位節(jié)點位置，通知工作人員前來處理。

4 系統(tǒng)功能測試實驗

為驗證本文設(shè)計系統(tǒng)的有效性，構(gòu)建了如圖5所示的驗證系統(tǒng)。驗證系統(tǒng)中由5個負(fù)載并聯(lián)構(gòu)成，每個負(fù)載線纜上并聯(lián)監(jiān)測節(jié)點，每個負(fù)載之間的間距為400米，且各負(fù)載位于同一變壓器供電范圍之內(nèi)。由于只是做驗證性試驗，所以負(fù)載選用了功率較小的節(jié)能燈進(jìn)行模擬。

圖4 軟件設(shè)計流程圖

圖5 驗證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

試驗中，負(fù)載之間的線路按照表1所示的故障狀態(tài)進(jìn)行故障模擬，在終端監(jiān)控設(shè)備上可以觀察到相應(yīng)的故障狀態(tài)。將終端監(jiān)控設(shè)備上顯示的故障狀態(tài)記錄在表1的“故障定位”列中。從表1結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測到電纜之間的故障狀態(tài)，可以及時發(fā)現(xiàn)故障線纜所在區(qū)域。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

除了故障點檢測外，我們還對采集到的多個時間段實時電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，得出電能負(fù)載熱區(qū)以及用電高峰期。圖6所示為1周內(nèi)，每天在10點、14點、18點和22點四個時間點上的電壓情況。由圖6所示曲線可知：14時測得的電壓值最低，該時間點處于一個用電高峰期之內(nèi)，用戶用電量都相對較高，通過需要調(diào)節(jié)該區(qū)域的供電水平，防止過負(fù)荷運行，以滿足該區(qū)域各用戶供電需求。

圖6 一周內(nèi)多時間點電壓情況曲線圖

另外，我們對各負(fù)載實時的用電量情況進(jìn)行的采集，得到表2的數(shù)據(jù)。從表2可以看出各個用戶區(qū)的用電量，通過對數(shù)據(jù)的整理分析，分析出整個區(qū)域的電能負(fù)載熱區(qū)為負(fù)載5。若某個時間段內(nèi)，負(fù)載4的用電量持續(xù)較高狀態(tài)，那么可以判斷負(fù)載4有可能存在異常用電行為，可以指導(dǎo)電力管理部分進(jìn)行異常用電行為的排查。

表2 一周12小時各負(fù)載用電量（kW★h）

5 結(jié)語

本文設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)挖掘的電纜集中監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對電纜間故障進(jìn)行實時監(jiān)控，且通過對監(jiān)測節(jié)點采集到的電量數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)等統(tǒng)計與分析，挖掘出用戶負(fù)載熱區(qū)以及異常用電信息等。該系統(tǒng)具有部署簡便、數(shù)據(jù)實時和檢測準(zhǔn)確度高的優(yōu)點，可以提高現(xiàn)有中低壓電網(wǎng)區(qū)域的實時監(jiān)控能力，具有較高的實用價值。