王偉屹，趙 曄

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000)

0 引 言

隨著國家經濟的高速發(fā)展，各類電力通信網為居民的日常生活和企業(yè)的平穩(wěn)運轉提供了重要保障[1]。電力通信網絡在實際應用中容易出現(xiàn)一定的安全隱患，若不及時發(fā)現(xiàn)進行處理，則會直接影響電力系統(tǒng)的正常運作，對居民和企業(yè)用電造成不良影響，由此急需尋找一種有效的電力通信監(jiān)測手段，實時監(jiān)測電力通信網絡運行情況，幫助工作人員及時發(fā)現(xiàn)問題，從而維護電力通信網絡的正常運行[2-3]。由此可見，對電力通信自動化監(jiān)測進行研究，對于居民、企業(yè)供電可靠性和電力通信智能化發(fā)展具有重要的實際意義。

李博等設計了一種電網通信光纜監(jiān)測系統(tǒng)，詳細分析了系統(tǒng)需求，利用光時域反射儀定位光纜故障，設計軟件流程對通信光纜測試，并采用計算機軟件系統(tǒng)對監(jiān)測結果進行可視化分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對于通信光纜的故障定位結果較為準確，但存在耗時長的問題[4]；姜文等提出通信網絡是實現(xiàn)電網智能化發(fā)展的重要基礎，該文分析了電網通信過程中出現(xiàn)的故障、預警和流量異常等問題，實現(xiàn)了通信網絡設備狀態(tài)的準確估計，為電網通信系統(tǒng)的正常運行提供了有效的技術支持，但該方法對通信數(shù)據(jù)的濾波效果不佳[5]；申敏等提出一種改進MIMO檢測算法用于檢測電力線通信系統(tǒng)的運行狀態(tài)，該方法的優(yōu)點在于算法簡單易行，整體復雜度較低，但處理得到的信號含噪聲較高[6]。

為解決現(xiàn)有方法存在的不足，可以引入先進的數(shù)據(jù)信息和通信技術[7]。本文采用卡爾曼濾波算法設計了一種電力通信自動化監(jiān)測系統(tǒng)。實驗結果表明：所設計系統(tǒng)監(jiān)測得到的SINR值相對較高，且系統(tǒng)負載能力強，耗時短。

1 總體架構設計

電力通信自動化監(jiān)測系統(tǒng)是一種具備監(jiān)測、管理功能的分布式系統(tǒng)，主要對電力通信網絡中的設備、信道等進行實時監(jiān)測和故障分析，以方便及時發(fā)現(xiàn)問題、完成故障診斷處理等[8-9]。

本文以監(jiān)測站為中心設計電力通信自動化監(jiān)測系統(tǒng)，主要分為數(shù)據(jù)層、網絡層和應用層3個部分，總體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構Fig.1 Overall system architecture

從圖1可以看出，數(shù)據(jù)層主要通過設備采集電力通信數(shù)據(jù)，多個采集單元集成形成網元控制模塊，完成數(shù)據(jù)采集和存儲工作，然后利用通信傳輸信道將采集得到的數(shù)據(jù)傳輸至網絡層，在應用層設立監(jiān)測中心作為電力通信數(shù)據(jù)處理中心，構建數(shù)據(jù)處理模塊、監(jiān)測模塊和管理模塊，利用網絡技術通過數(shù)據(jù)分析對各個監(jiān)測站進行自動化控制管理[10]，并將監(jiān)測結果實時反饋至工作人員。若電力通信網絡出現(xiàn)故障，將會發(fā)出紅色預警信號，同時自動定位故障點，從而完成對電力通信狀態(tài)的監(jiān)測并做出反饋，為系統(tǒng)維修提供技術支持。

2 電力通信自動化監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

根據(jù)電力通信自動化監(jiān)測系統(tǒng)總體架構，以監(jiān)測中心為重點設計分析系統(tǒng)硬件。根據(jù)系統(tǒng)整體架構及監(jiān)測中心結構可以看出[11]，系統(tǒng)運行中主要使用的硬件設備包括數(shù)據(jù)交換機、數(shù)據(jù)服務器、工作站及路由器等。

服務器：服務器采用數(shù)據(jù)服務器和通信服務器2種，其中數(shù)據(jù)服務器用于數(shù)據(jù)存儲，配置磁盤列陣；通信服務器作為前置機用于實時處理電力通信數(shù)據(jù)[12-14]。

交換機：以太網交換機具有網絡虛擬功能，可有效連接監(jiān)測節(jié)點，因此系統(tǒng)設計中選取以太網交換機進行連接[15-17]。但實際系統(tǒng)運行過程中可能會出現(xiàn)網絡負荷壓力大或交換機故障等問題，為進一步提高虛擬網絡的可靠性，在監(jiān)測中心中配置雙套以太網交換機，增強網絡通信負荷分擔能力，提高網絡通信效果。

工作站：工作站設置監(jiān)控工作站和管理工作站，監(jiān)控工作站用于實時監(jiān)控通信數(shù)據(jù)，管理工作站通過對系統(tǒng)數(shù)據(jù)和程序設定、修改等，完成對顯示單元和設備的控制。

路由器：本文使用的路由器具備多樣化接口，包括RS449、RS232、X.21等類型，可提供多樣化速率，為系統(tǒng)各部件連接提供基礎[18-20]。

2.2 軟件設計

在硬件結構配置完成的基礎上，設計軟件運行流程，實現(xiàn)電力通信自動化監(jiān)測系統(tǒng)設計。根據(jù)系統(tǒng)設計架構可知，本文系統(tǒng)重點需要對采集得到的電力通信數(shù)據(jù)進行處理，提高數(shù)據(jù)質量，實現(xiàn)電力通信狀態(tài)的自動化監(jiān)測，從而完成系統(tǒng)運行和管理。因此，需要對電力通信數(shù)據(jù)處理方法進行詳細分析。

實際應用中，電力系統(tǒng)呈非線性運行狀態(tài)，非線性系統(tǒng)的運作需要依靠非線性模型，數(shù)據(jù)計算量極大，因此需要尋找一種簡化模型完成電力通信的非線性濾波[21-23]。常用的卡爾曼濾波算法是一種線性濾波算法，因此本文對其改進，形成無跡卡爾曼濾波算法。無跡變換是無跡卡爾曼濾波算法設計的關鍵，采用非線性方式對電力通信數(shù)據(jù)點集進行變換，獲取近似變量變換統(tǒng)計特征[24-25]。通過無跡變換這一方法計算電力通信非線性系統(tǒng)中的信息，計算結果更為準確和穩(wěn)定。

(1)

式中：x(t)為t時刻的電力通信狀態(tài)量估計值；P(t)為t時刻狀態(tài)量的方差；q(t)為t時刻噪聲；f(ψt)為t時刻sigma點集{ψt}形成的點集函數(shù)。

(2)

式中：Wt為卡爾曼增益；y(t)為t時刻電力通信狀態(tài)量的非線性變換估計值；z(t)為噪聲量測變量；K為權值。

綜上所述，依地酸鈣鈉或DMSA聯(lián)合水溶性維生素可作為臨床上治療慢性鉛中毒的首選治療方案，其效果遠優(yōu)于目前臨床使用的依地酸鈣鈉或DMSA的單獨治療。

通過上述操作，實現(xiàn)基于卡爾曼濾波的電力通信數(shù)據(jù)處理，將處理后的數(shù)據(jù)傳遞輸出，則能在監(jiān)控工作站完成電力通信自動化監(jiān)測，實現(xiàn)系統(tǒng)設計和管理。監(jiān)測流程如圖2所示。

圖2 電力通信自動化監(jiān)測實現(xiàn)流程Fig.2 Implementation process of power communication automation monitoring

3 實驗分析

為驗證本文系統(tǒng)性能，在Web 服務器下，利用Matlab軟件搭建模擬環(huán)境測試系統(tǒng)。操作系統(tǒng)為Windows 10，結構化語言為SQL Server，開發(fā)工具包為JDK Version 1.6.0，CPU為Intel(r)Core(tm)i5-2410m。選取SINR、負載能力和耗時3個性能度量指標進行系統(tǒng)測試分析。

SINR表示接收的信息中有用信號的強度與干擾信號的強度的比值。SINR值越大，有用信號的強度越大、系統(tǒng)抗噪聲干擾性能越強。以SINR為指標，在迭代1 350次的實驗過程中對比本文系統(tǒng)與3D模型技術和電力通信狀態(tài)估計法，對比結果如圖3所示。

從圖3可以看出，在1 350次迭代運行中，本文系統(tǒng)具有更快的收斂速度，且相較于3D模型技術和電力通信狀態(tài)估計法具有更高的SINR值，表明本文系統(tǒng)經過一段時間的迭代運行后，具有更強的噪聲抑制能力。

系統(tǒng)負載能力測試是驗證系統(tǒng)是否高效的指標之一。將本文的電力通信監(jiān)測系統(tǒng)負載率與其他文獻進行對比，負載率越低，表明系統(tǒng)負載能力越強。使用壓力測試工具Web application stress進行系統(tǒng)負載測試，測試對比結果如圖4所示。

圖4 不同系統(tǒng)的負載測試結果對比Fig.4 Comparison of load test results of different systems

從圖4可以看出，本文系統(tǒng)在測試過程中出現(xiàn)的最高負載率約為40%，3D模型技術和電力通信狀態(tài)估計法的最高負載率分別約為80%和70%。從數(shù)據(jù)對比可知，本文系統(tǒng)在整個運行過程中能夠很好的平衡系統(tǒng)負載，保持高效運行，而其他2種系統(tǒng)則會因系統(tǒng)負載過高出現(xiàn)阻礙系統(tǒng)運行問題，影響用戶的使用體驗。由此驗證了本文系統(tǒng)具有較好的負載能力，這是因為在系統(tǒng)設計中采用了雙交換機和雙服務器，有效緩解了運行壓力，且基于簡化后的非線性濾波器進行數(shù)據(jù)處理，可以降低數(shù)據(jù)運算量，從而減小系統(tǒng)運行負擔。

表1 不同系統(tǒng)的運行耗時對比Tab.1 Comparison of running time of different systems 單位：s

從表1可以看出，本文系統(tǒng)的平均耗時為8.0 s，且在多次實驗過程中，利用本文系統(tǒng)進行電力通信自動化監(jiān)測的最高時間不超過9 s，而文獻[4]系統(tǒng)的平均耗時為22.4 s，文獻[5]系統(tǒng)的平均耗時為27.4 s，超過本文系統(tǒng)耗時的2倍多，差距顯著，說明本文系統(tǒng)在運行時間方面具有明顯的優(yōu)勢。

4 結 語

電力通信網絡緊密關聯(lián)人們的生活和工作，其發(fā)展已成為大眾關注的熱點。對電力通信網絡進行自動監(jiān)測是一種有效的管理手段，為提高監(jiān)測數(shù)據(jù)質量，獲取準確的電力通信運行狀態(tài)，本文通過改進后的卡爾曼濾波算法處理電力通信數(shù)據(jù)，構建數(shù)據(jù)層、網絡層和應用層實現(xiàn)系統(tǒng)設計，并通過實驗驗證了所設計系統(tǒng)的性能。結果表明：該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力強，系統(tǒng)運行效果好，對電力通信相關研究提供了基礎。

然而，本研究仍存在一定的不足，對電力通信可能出現(xiàn)的各種故障問題未進行詳細分析，下一步將更加深入討論通信網絡運行細節(jié)，對不同狀態(tài)下的系統(tǒng)運行方式進行探索，提高系統(tǒng)的實際應用性。