电力用户用电信息采集设备故障实时诊断系统设计

电力用户用电信息采集设备故障实时诊断系统设计杨晨;王昌奎;史旭东;叶新青【期刊名称】《《电子设计工程》》【年(卷)，期】2019(027)022【总页数】5页(P106-110)【关键词】电力用户;用电信息;采集设备;故障诊断;诊断系统【作者】杨晨;王昌奎;史旭东;叶新青【作者单位】国网新疆电力有限公司电力科学研究院新疆乌鲁木齐843000;浙江华云信息科技有限公司浙江杭州310008【正文语种】中文【中图分类】TN301电力信息采集设备每天要采集大量的用户用电信息，确保能够及时准确地向其它设备提供完整的基础数据［1］。虽然目前人们对用电信息采集设备投入了很大的人力、物力、财力，但是采集设备依然存在很多问题，尤其是在故障诊断这方面的研究更加薄弱。由于用电信息采集设备规模庞大，所以想要维护十分困难，需要花费大量工作成本［2］。传统的诊断系统在诊断电力用户用电信息采集设备故障时，只能通过分析局部信息提出解决方案，具有很大的局限性［3］。目前很多诊断系统在采集设备工作时是无法完成检测的，必须要在离线状态下才能完成诊断。随着信息采集设备内部组成结构越来越复杂，对其进行诊断也变得越来越困难［4］。针对上述问题，本文设计了一种新的采集设备故障实时诊断系统，该系统能够将采集设备资源汇集到一起集中控制。其具备全网拓扑信息的能力，利用处理器检测和定位技术检测采集设备故障，并根据资料库中的储存数据提出恢复方案。本研究对于电网安全稳定运行有着重要的参考价值。1系统硬件设计为了能够更好地诊断出电力用户用电信息采集设备，本文采用分层方案设计诊断系统硬件，硬件结构如图1所示。图1用电信息采集设备故障实时诊断系统硬件结构观察图1可知，本文设计的系统硬件结构主要包括3个层次，位于最顶端的层次为应用层，位于中间的层次为控制层，最底层为数据基础层。硬件受网络操作系统控制［5］。数据基础层同时记录性能指标、扩展性指标、流条指标等多种指标数据，基础数据层中的缓冲区大小受流表影响，通常要将缓冲区大小控制在标准值之间，过大或过小都会降低吞吐率［6］。控制层具有很强的可扩展性，扩展性越强，控制的流表数目越大，更新速度越快［7］。控制层中的SDN控制器共有12个，以分布式方式部署［8］。应用层针对终端用户设定，同时使用SDN控制器和SDN网络，通过得到的特定资源满足操控者的需求。由于用户对系统有着不同的需求，所以必须要掌握全网信息，为了提高信息的利用效率，本文采用云计算和虚拟技术［9］。1.1交换机设计文中选用的交换机为OpenFlow交换机，内部组成结构如图2所示。图2OpenFlow交换机组成结构由图2可知，OpenFlow交换机内部包含4个组表，3个流表，通过OpenFlow协议连接。流表负责查找和转发电力用户用电信息，利用安全通道与外部控制器连接成多个信道，组表负责与外部进行信息交换，根据OpenFlow协议查找、转发、删除信息。相较于其它转发设备，OpenFlow交换机可以直接转发数据，不需要再加入MAC地址或IP地址，不需要更新路由表，这样的设定方式不仅降低了整个系统的复杂性，同时也缩短了设备的工作时间［10］。OpenFlow交换机主要包括匹配、指示、限时和计时功能［11］。匹配后的数据包需要被指示到不同的匹配区域。限时功能是OpenFlow交换机比较独特的功能，在交换机中设定最大时间限制，如果数据包超过固定超时时间和匹配超时时间，则需要丢弃［12］。计时功能又称追踪功能，对于交换机中的所有数据包时间进行记录，全面分析数据包的匹配流动时间［13］。上述工作需要依赖流表才能实现，流表结构示意图如图3所示。图3流表结构示意图交换机中的数据包利用流表进行匹配，在匹配成功的情况下执行对应操作；如果匹配失败，则需要丢弃。流表匹配是一个循环的过程，被丢弃的数据包会进入下一个流表，直到能够找到与之对应的动作集，利用字节统计分析数据包的性质［14］。1.2控制器设计文中选用OpenFlow控制器，该控制器可以自动调换成两个模式：主动模式和被动模式，主动模式会自动建立好流表项［15］，不需要再花费额外时间重建流表项，交换机可以更加容易的输出数据；当控制器不存在流表时，需要采用被动模式，被动模式建立流表项时虽然会花费较长的时间，但是可以降低系统负载，提高系统灵活性［16］。控制器组成结构如图4所示。图4控制器组成结构控制器内部服务模块、拓扑模块、缓存模块、线路模块等都独立存在，可统一调配也可单独工作。在进行数据控制时，选用迪尔斯特拉算法（Dijkstra算法）计算出最短路径，便于数据的运输。不同设备记录的信息数据不同，连接方式也不同。2系统软件设计本文设计的电力用户用电信息故障诊断系统主要具备3方面功能：1）在高速且稳定状态采集原始数据；2）根据设备运行情况，识别出故障类型；3）快速上传诊断结果，并给出相应的解决策略。电力用户用电信息采集设备故障实时诊断系统软件工作流程如图5所示。图5用电信息采集设备故障实时诊断系统软件工作流程对电力用户用电信息采集设备故障实时诊断系统的主要步骤进行分析。第一步：数据采集。数据采集是系统运行的基础步骤，利用采集器、传感器和适配器采集电力用户的用电信息。第二步：数据分析。分析指标主要包括稳定性、可靠性、精度、分辨率。在正常状态下，采集设备的输出速度是一定的。第三步：故障诊断。根据数据采集和数据分析结果将所有可能存在的故障问题集中在一起，同时上传到客户端，为了使数据在上传过程中不会丢失，本文特别采用了TCP协议进行数据传输。在中心操控系统中，统一计算各类故障的概率，寻求吻合度最高的数值，诊断出采集设备的故障。3实验研究3.1实验环境设置实验场景部署过程如下：在开启Floodlight控制器的同时启动虚拟设备，利用交换机将运行的文件数据上传给其它设备，通过拓扑关系连接IP端口和控制器端口，设定IP为254.356.841。各个网络节点的配置设置如表1所示。表1实验参数名称前端界面Floodlight控制器诊断系统VmwareMySql数据库操控系统Windows?Windows10Windows8.1Windows?Windows10版本-Floodlight1.5--MySql2.0根据上述设定的参数进行实验，使用虚拟机和Floodlight控制器建立拓扑关系，建立的拓扑关系如图6所示。图6实验网络环境拓扑关系3.2实验验证1）链路吞吐量实验检测过程本文选用OVSI到OVS6之间的链路作为测试链路。利用图6的试验网络拓扑关系，设定链路宽带限速为70Mbps，在测试过程中，不会产生其他的业务流。设定第一次Host1、Host2、Host3和Host4发送的业务流为30Mbps数据流，持续时间为60s，第二次发射的业务流为60Mbps，数据流持续时间为120s。实验结果如下：图7传统系统链路吞吐量功能验证结果图8本文系统链路吞吐量功能验证结果分析上图可知，传统诊断系统与预期结果出入很大。而本文系统与预计值一致。说明本文诊断系统吞吐量监测功能正常，传统诊断系统吞吐量监测功能存在弊端。2）工作延时检测过程在Python中设定工作延时时间为120ms，每次延时从持续的有效时间为60s，利用拓扑关系与远程控制器连接，从HOST1、HOST2、HOST3......HOST10中各发送20Mbps的业务流，记录链路延时。检测结果如图9、图10所示。图9传统系统工作延时验证结果图10本文系统工作延时验证结果对比上图验证结果可知，在设置生效之前，传统系统和本文系统的延时都很低，在验证开始后，传统系统的延时时间在80ms左右波动，60s后设置无法自动关闭，链路不能回到正常状态，系统无法正确计算延时信息；本文系统的延时时间在1200ms左右波动，60s后设置自动关闭，链路回到正常状态，系统可以正确计算延时信息。3）丢包率实验检测过程由于丢包率检测实验比较复杂，因此本文仅针对第一丢包率进行验证，验证过程与上述实验类似。在Python中设定系统的丢包率为20%，在与远程控制器建立连接后，同时下发20Mbps的业务流，设定优先级后，记录OVSI到OVS6的丢包率，传统系统和本文系统显示结果如表2所示。表2诊断系统丢包率名称OVSIOVS2OVS3OVS4OVS5OVS6传统系统第一丢包率17.5%14.3%19.2%18.6%17.3%12.4%本文系统第一丢包率20.1%19.9%19.8%20.0%20.0%19.9%由于传统系统存在很大的延时，所以丢包率的记录数据普遍偏小，与实际值不符。本文诊断系统能在预定时间内统计出丢包率，与设定值相等，丢包监测功能正常。4结束语针对目前电力用户用电信息采集设备故障实时诊断系统存在的一些问题，本文设计了一种新的诊断系统。本文利用链路吞吐量检测实验、工作延时检测实验和丢包率检测实验验证了设计系统的工作效果，实验结果表明，给出的诊断系统能够及时准确地诊断出电力用户用电信息采集设备存在的故障，具有很强的诊断功能，并且能够在第一时间将诊断结果显示到页面中。【相关文献】傅文军.智能电网用电信息采集系统传输网络的设计[J].中国仪器仪表，2017，11（3）:1-7.曹永峰，翟峰，肖建红，等.用电信息采集系统故障运维知识库的设计与应用[J].电力信息与通信技术，2018，23（3）:67-72.黄涛.线损管理基于用电信息采集系统的分析[J].科学技术创新，2017,15（7）:25.刘兴奇.故障预测与健康管理技术在用电信息采集系统中的应用与展望[J].电器与能效管理技术，2018，25（2）:73-77.李昊.基于用电采集系统线损管理的分析与研究[J].电子世界，2017，61（24）:89-90.曲樱倩，李汐.用电信息采集系统在电能计量中的应用分析[J].经济技术协作信息，2017，17（33）:75.武文广，杜峰，李俊臣，等.依托用电信息采集系统的配电网电能质量判定技术研究[J].电网与清洁能源，2017，33（5）:69-73.杨霖，吕伟嘉，刘浩宇，等.用电信息采集系统监测技术的应用[J].电气应用，2017，91（17）:69-71.张晓龙.研究与应用电力用户用电信息采集系统[J].现代国企研究，2017，22（14）:142.张国庆.用电信息采集系统实时监测功能的设计和实现[J].科技风，2017，65（23）:90.周小娜，陈志英，卢超龙.高压断路器在线监测及故障诊断系统设计[J].南昌大学学报（工科版），2017，39（3）:274-279.蔡晓燕.基于智能用电大数据分析的台区线损管理