孟凡陽(yáng)，梁甲慶

（聊城市光明電力服務(wù)有限責(zé)任公司陽(yáng)谷分公司，山東 陽(yáng)谷 252300）

0 引 言

電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)作為電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷方面起著至關(guān)重要的作用。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和復(fù)雜程度的增加，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與診斷方法已經(jīng)不能滿足實(shí)際需求，因此需要研究和設(shè)計(jì)更加高效和準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)。文章將重點(diǎn)探討電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，旨在提升電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及可靠性。

1 電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與組成

電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)是電力系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，主要包括配網(wǎng)主站系統(tǒng)、主站控制層、子站通信層以及接入通信層等，如圖1 所示。配網(wǎng)主站系統(tǒng)作為通信網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)整體控制和監(jiān)測(cè)，包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）服務(wù)器和管理信息系統(tǒng)（Management Information System，MIS）服務(wù)器等；主站控制層承擔(dān)著對(duì)配網(wǎng)主站系統(tǒng)的管理和控制功能；子站通信層將信號(hào)從主站傳輸?shù)礁鱾€(gè)變電子站的通道，其中多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)（Multi- Service Transport Platform，MSTP）和光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）等設(shè)備起到重要作用；接入通信層則是將信號(hào)從變電子站傳輸?shù)骄唧w的終端設(shè)備，其中包括光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）、遠(yuǎn)程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）、數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）等設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)等設(shè)備的控制和監(jiān)測(cè)[1]。

圖1 電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架與架構(gòu)設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)框架主要包括硬件設(shè)備、軟件平臺(tái)以及數(shù)據(jù)處理3 個(gè)方面，如圖2 所示。在硬件設(shè)備方面，系統(tǒng)主要包括配電站內(nèi)部的智能變配電輔助監(jiān)控裝置和配電監(jiān)控云平臺(tái)。智能變配電輔助監(jiān)控裝置通過(guò)遠(yuǎn)程控制和傳感技術(shù)，監(jiān)測(cè)和控制配電站內(nèi)各種設(shè)備。配電監(jiān)控云平臺(tái)作為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理中心，承擔(dān)著接收、存儲(chǔ)以及分析配電站各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的功能，同時(shí)支持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)，以及對(duì)異常情況的預(yù)警和響應(yīng)。在軟件平臺(tái)方面，系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理配電站運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)以及安全情況。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)配電站內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息采集和數(shù)據(jù)傳輸，并確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性；而云計(jì)算平臺(tái)則提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力，支持分析和挖掘大規(guī)模數(shù)據(jù)，從而綜合分析與預(yù)測(cè)配電站運(yùn)行狀態(tài)和故障情況。在數(shù)據(jù)處理方面，系統(tǒng)通過(guò)分析和處理采集到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電站運(yùn)行狀態(tài)和故障情況的智能識(shí)別與判斷[2]。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)手段，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，識(shí)別出潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)和異常情況，并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警和處理，確保配電站的安全運(yùn)行和可靠性供電。

圖2 電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)是電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分。在數(shù)據(jù)采集方面，采用多種傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，如溫度傳感器、濕度傳感器及電流傳感器等，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。這些傳感器通過(guò)數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集裝置，如數(shù)據(jù)采集器或嵌入式控制器。在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用多種通信技術(shù)和協(xié)議，以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸和實(shí)時(shí)性。對(duì)于近距離的數(shù)據(jù)傳輸，采用有線通信方式，如以太網(wǎng)、RS-485 等，以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和高速傳輸；對(duì)于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，采用無(wú)線通信方式，如4G/5G 網(wǎng)絡(luò)、長(zhǎng)距離廣域網(wǎng)（Long Range Wide Area Network，LoRaWAN）等，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布在廣大區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和傳輸。為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，還將采用數(shù)據(jù)加密和身份驗(yàn)證等技術(shù)手段，確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性。在設(shè)計(jì)方案中，通過(guò)采用模塊化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化接口，可以更加便捷地增加新的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)或調(diào)整系統(tǒng)的配置，以適應(yīng)不同規(guī)模和需求的電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)[3]。同時(shí)，引入自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程管理技術(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)，提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)設(shè)計(jì)是電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析以及可視化等多個(gè)模塊。其中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，如Hadoop、Spark 等，用于存儲(chǔ)采集到的大規(guī)模數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)過(guò)程可以表示為

式中：S表示總存儲(chǔ)量；Di表示第i個(gè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量；N表示數(shù)據(jù)總量。

數(shù)據(jù)清洗模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，去除噪聲和異常數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)清洗過(guò)程可以表示為

式中：C表示清洗后的數(shù)據(jù)；表示數(shù)據(jù)的均值。

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊采用多種技術(shù)，如特征選擇、降維等，對(duì)清洗后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取有用的特征信息。數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程可以表示為

式中：P表示預(yù)處理后的數(shù)據(jù)；X表示原始數(shù)據(jù)；α和β表示預(yù)處理參數(shù)。

數(shù)據(jù)分析模塊采用聚類分析和關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘等算法，對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其中的潛在規(guī)律和異常行為，以支持故障診斷和預(yù)測(cè)[4]。數(shù)據(jù)分析過(guò)程可以表示為

式中：A表示分析結(jié)果；f(·)表示數(shù)據(jù)分析函數(shù)。

可視化模塊將分析結(jié)果以表格或圖形等形式直觀展示給用戶，幫助用戶理解電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況?？梢暬^(guò)程可以表示為

式中：V表示可視化結(jié)果；g(·)表示可視化函數(shù)。

2.4 故障診斷子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

故障診斷子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷的流程主要分為數(shù)據(jù)采集、故障特征提取、故障診斷、故障定位以及故障報(bào)告生成5 個(gè)主要步驟，具體如圖3 所示。在數(shù)據(jù)采集階段，故障診斷子系統(tǒng)通過(guò)傳感器、監(jiān)測(cè)設(shè)備以及無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)收集電力系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如電壓、電流、溫濕度及設(shè)備狀態(tài)等。這些數(shù)據(jù)為后續(xù)故障分析提供關(guān)鍵支持。在故障特征提取階段，子系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和特征提取，通過(guò)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，識(shí)別異常行為和模式，如電壓波動(dòng)或電流異常等，為故障診斷做鋪墊。在故障診斷階段，子系統(tǒng)利用先進(jìn)的算法和模型，結(jié)合歷史案例和設(shè)備參數(shù)，采用模式識(shí)別和人工智能等技術(shù)，對(duì)異常數(shù)據(jù)深入分析，實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)識(shí)別與診斷。在故障定位階段，系統(tǒng)精確鎖定故障位置，并生成詳細(xì)報(bào)告和建議[5]。利用地理信息系統(tǒng)和實(shí)時(shí)定位技術(shù)，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示故障點(diǎn)，幫助運(yùn)維人員迅速定位并采取修復(fù)措施。

圖3 電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)故障診斷流程

3 案例分析

3.1 案例概況

某一小區(qū)的配電站發(fā)生一起電力系統(tǒng)故障，導(dǎo)致附近多個(gè)區(qū)域出現(xiàn)停電情況。調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生在該配電站的開閉所設(shè)備中。開閉所設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，導(dǎo)致部分電纜接頭老化且存在松動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備的接觸不良和局部短路。這一故障嚴(yán)重影響了配電站的正常運(yùn)行，也給附近居民的生活和工作帶來(lái)不便。通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)配電站主變壓器出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱，從而引發(fā)配電站的突發(fā)故障。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果分析

相較于傳統(tǒng)檢測(cè)方法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在多個(gè)方面都取得了顯著的改善，具體如表1 所示。在故障診斷方面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將故障診斷時(shí)間從傳統(tǒng)方法的60 min縮短至10 min，大幅提高故障診斷的效率。同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障定位準(zhǔn)確率達(dá)到95%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法的70%，說(shuō)明系統(tǒng)在故障定位方面具有更高的精準(zhǔn)度和準(zhǔn)確性。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)⒐收闲迯?fù)時(shí)間從傳統(tǒng)方法的8 h 縮短至2 h，有效縮短故障處理的時(shí)間，減少停電對(duì)周邊區(qū)域的影響。在維修成本方面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也取得顯著的降低，僅為傳統(tǒng)方法維修成本的40%，這主要得益于其高效的故障診斷和定位能力，減少人力和物力的浪費(fèi)。最重要的是，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)的高效率和精準(zhǔn)性使客戶滿意度評(píng)分得到明顯提升，從傳統(tǒng)方法的6 分提升至9 分，充分展現(xiàn)了系統(tǒng)在提升服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)方面的顯著優(yōu)勢(shì)。由此表明，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電力系統(tǒng)故障診斷與維修方面的應(yīng)用效果明顯，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。

表1 系統(tǒng)應(yīng)用效果

4 結(jié) 論

文章所提出的電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)不僅對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，也為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)、提升電力系統(tǒng)運(yùn)行效率及服務(wù)質(zhì)量提供重要支撐。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的不斷深入，電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)將不斷完善和提升，為電力行業(yè)的發(fā)展注入新的活力。