電力用戶用電信息采集設備故障實時診斷系統(tǒng)設計

電力用戶用電信息采集設備故障實時診斷系統(tǒng)設計楊晨;王昌奎;史旭東;葉新青【期刊名稱】《《電子設計工程》》【年(卷)，期】2019(027)022【總頁數(shù)】5頁(P106-110)【關鍵詞】電力用戶;用電信息;采集設備;故障診斷;診斷系統(tǒng)【作者】楊晨;王昌奎;史旭東;葉新青【作者單位】國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學研究院新疆烏魯木齊843000;浙江華云信息科技有限公司浙江杭州310008【正文語種】中文【中圖分類】TN301電力信息采集設備每天要采集大量的用戶用電信息，確保能夠及時準確地向其它設備提供完整的基礎數(shù)據(jù)［1］。雖然目前人們對用電信息采集設備投入了很大的人力、物力、財力，但是采集設備依然存在很多問題，尤其是在故障診斷這方面的研究更加薄弱。由于用電信息采集設備規(guī)模龐大，所以想要維護十分困難，需要花費大量工作成本［2］。傳統(tǒng)的診斷系統(tǒng)在診斷電力用戶用電信息采集設備故障時，只能通過分析局部信息提出解決方案，具有很大的局限性［3］。目前很多診斷系統(tǒng)在采集設備工作時是無法完成檢測的，必須要在離線狀態(tài)下才能完成診斷。隨著信息采集設備內(nèi)部組成結構越來越復雜，對其進行診斷也變得越來越困難［4］。針對上述問題，本文設計了一種新的采集設備故障實時診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠將采集設備資源匯集到一起集中控制。其具備全網(wǎng)拓撲信息的能力，利用處理器檢測和定位技術檢測采集設備故障，并根據(jù)資料庫中的儲存數(shù)據(jù)提出恢復方案。本研究對于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行有著重要的參考價值。1系統(tǒng)硬件設計為了能夠更好地診斷出電力用戶用電信息采集設備，本文采用分層方案設計診斷系統(tǒng)硬件，硬件結構如圖1所示。圖1用電信息采集設備故障實時診斷系統(tǒng)硬件結構觀察圖1可知，本文設計的系統(tǒng)硬件結構主要包括3個層次，位于最頂端的層次為應用層，位于中間的層次為控制層，最底層為數(shù)據(jù)基礎層。硬件受網(wǎng)絡操作系統(tǒng)控制［5］。數(shù)據(jù)基礎層同時記錄性能指標、擴展性指標、流條指標等多種指標數(shù)據(jù)，基礎數(shù)據(jù)層中的緩沖區(qū)大小受流表影響，通常要將緩沖區(qū)大小控制在標準值之間，過大或過小都會降低吞吐率［6］?？刂茖泳哂泻軓姷目蓴U展性，擴展性越強，控制的流表數(shù)目越大，更新速度越快［7］?？刂茖又械腟DN控制器共有12個，以分布式方式部署［8］。應用層針對終端用戶設定，同時使用SDN控制器和SDN網(wǎng)絡，通過得到的特定資源滿足操控者的需求。由于用戶對系統(tǒng)有著不同的需求，所以必須要掌握全網(wǎng)信息，為了提高信息的利用效率，本文采用云計算和虛擬技術［9］。1.1交換機設計文中選用的交換機為OpenFlow交換機，內(nèi)部組成結構如圖2所示。圖2OpenFlow交換機組成結構由圖2可知，OpenFlow交換機內(nèi)部包含4個組表，3個流表，通過OpenFlow協(xié)議連接。流表負責查找和轉發(fā)電力用戶用電信息，利用安全通道與外部控制器連接成多個信道，組表負責與外部進行信息交換，根據(jù)OpenFlow協(xié)議查找、轉發(fā)、刪除信息。相較于其它轉發(fā)設備，OpenFlow交換機可以直接轉發(fā)數(shù)據(jù)，不需要再加入MAC地址或IP地址，不需要更新路由表，這樣的設定方式不僅降低了整個系統(tǒng)的復雜性，同時也縮短了設備的工作時間［10］。OpenFlow交換機主要包括匹配、指示、限時和計時功能［11］。匹配后的數(shù)據(jù)包需要被指示到不同的匹配區(qū)域。限時功能是OpenFlow交換機比較獨特的功能，在交換機中設定最大時間限制，如果數(shù)據(jù)包超過固定超時時間和匹配超時時間，則需要丟棄［12］。計時功能又稱追蹤功能，對于交換機中的所有數(shù)據(jù)包時間進行記錄，全面分析數(shù)據(jù)包的匹配流動時間［13］。上述工作需要依賴流表才能實現(xiàn)，流表結構示意圖如圖3所示。圖3流表結構示意圖交換機中的數(shù)據(jù)包利用流表進行匹配，在匹配成功的情況下執(zhí)行對應操作；如果匹配失敗，則需要丟棄。流表匹配是一個循環(huán)的過程，被丟棄的數(shù)據(jù)包會進入下一個流表，直到能夠找到與之對應的動作集，利用字節(jié)統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)包的性質［14］。1.2控制器設計文中選用OpenFlow控制器，該控制器可以自動調(diào)換成兩個模式：主動模式和被動模式，主動模式會自動建立好流表項［15］，不需要再花費額外時間重建流表項，交換機可以更加容易的輸出數(shù)據(jù)；當控制器不存在流表時，需要采用被動模式，被動模式建立流表項時雖然會花費較長的時間，但是可以降低系統(tǒng)負載，提高系統(tǒng)靈活性［16］?？刂破鹘M成結構如圖4所示。圖4控制器組成結構控制器內(nèi)部服務模塊、拓撲模塊、緩存模塊、線路模塊等都獨立存在，可統(tǒng)一調(diào)配也可單獨工作。在進行數(shù)據(jù)控制時，選用迪爾斯特拉算法（Dijkstra算法）計算出最短路徑，便于數(shù)據(jù)的運輸。不同設備記錄的信息數(shù)據(jù)不同，連接方式也不同。2系統(tǒng)軟件設計本文設計的電力用戶用電信息故障診斷系統(tǒng)主要具備3方面功能：1）在高速且穩(wěn)定狀態(tài)采集原始數(shù)據(jù)；2）根據(jù)設備運行情況，識別出故障類型；3）快速上傳診斷結果，并給出相應的解決策略。電力用戶用電信息采集設備故障實時診斷系統(tǒng)軟件工作流程如圖5所示。圖5用電信息采集設備故障實時診斷系統(tǒng)軟件工作流程對電力用戶用電信息采集設備故障實時診斷系統(tǒng)的主要步驟進行分析。第一步：數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)運行的基礎步驟，利用采集器、傳感器和適配器采集電力用戶的用電信息。第二步：數(shù)據(jù)分析。分析指標主要包括穩(wěn)定性、可靠性、精度、分辨率。在正常狀態(tài)下，采集設備的輸出速度是一定的。第三步：故障診斷。根據(jù)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析結果將所有可能存在的故障問題集中在一起，同時上傳到客戶端，為了使數(shù)據(jù)在上傳過程中不會丟失，本文特別采用了TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。在中心操控系統(tǒng)中，統(tǒng)一計算各類故障的概率，尋求吻合度最高的數(shù)值，診斷出采集設備的故障。3實驗研究3.1實驗環(huán)境設置實驗場景部署過程如下：在開啟Floodlight控制器的同時啟動虛擬設備，利用交換機將運行的文件數(shù)據(jù)上傳給其它設備，通過拓撲關系連接IP端口和控制器端口，設定IP為254.356.841。各個網(wǎng)絡節(jié)點的配置設置如表1所示。表1實驗參數(shù)名稱前端界面Floodlight控制器診斷系統(tǒng)VmwareMySql數(shù)據(jù)庫操控系統(tǒng)Windows?Windows10Windows8.1Windows?Windows10版本-Floodlight1.5--MySql2.0根據(jù)上述設定的參數(shù)進行實驗，使用虛擬機和Floodlight控制器建立拓撲關系，建立的拓撲關系如圖6所示。圖6實驗網(wǎng)絡環(huán)境拓撲關系3.2實驗驗證1）鏈路吞吐量實驗檢測過程本文選用OVSI到OVS6之間的鏈路作為測試鏈路。利用圖6的試驗網(wǎng)絡拓撲關系，設定鏈路寬帶限速為70Mbps，在測試過程中，不會產(chǎn)生其他的業(yè)務流。設定第一次Host1、Host2、Host3和Host4發(fā)送的業(yè)務流為30Mbps數(shù)據(jù)流，持續(xù)時間為60s，第二次發(fā)射的業(yè)務流為60Mbps，數(shù)據(jù)流持續(xù)時間為120s。實驗結果如下：圖7傳統(tǒng)系統(tǒng)鏈路吞吐量功能驗證結果圖8本文系統(tǒng)鏈路吞吐量功能驗證結果分析上圖可知，傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)與預期結果出入很大。而本文系統(tǒng)與預計值一致。說明本文診斷系統(tǒng)吞吐量監(jiān)測功能正常，傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)吞吐量監(jiān)測功能存在弊端。2）工作延時檢測過程在Python中設定工作延時時間為120ms，每次延時從持續(xù)的有效時間為60s，利用拓撲關系與遠程控制器連接，從HOST1、HOST2、HOST3......HOST10中各發(fā)送20Mbps的業(yè)務流，記錄鏈路延時。檢測結果如圖9、圖10所示。圖9傳統(tǒng)系統(tǒng)工作延時驗證結果圖10本文系統(tǒng)工作延時驗證結果對比上圖驗證結果可知，在設置生效之前，傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文系統(tǒng)的延時都很低，在驗證開始后，傳統(tǒng)系統(tǒng)的延時時間在80ms左右波動，60s后設置無法自動關閉，鏈路不能回到正常狀態(tài)，系統(tǒng)無法正確計算延時信息；本文系統(tǒng)的延時時間在1200ms左右波動，60s后設置自動關閉，鏈路回到正常狀態(tài)，系統(tǒng)可以正確計算延時信息。3）丟包率實驗檢測過程由于丟包率檢測實驗比較復雜，因此本文僅針對第一丟包率進行驗證，驗證過程與上述實驗類似。在Python中設定系統(tǒng)的丟包率為20%，在與遠程控制器建立連接后，同時下發(fā)20Mbps的業(yè)務流，設定優(yōu)先級后，記錄OVSI到OVS6的丟包率，傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文系統(tǒng)顯示結果如表2所示。表2診斷系統(tǒng)丟包率名稱OVSIOVS2OVS3OVS4OVS5OVS6傳統(tǒng)系統(tǒng)第一丟包率17.5%14.3%19.2%18.6%17.3%12.4%本文系統(tǒng)第一丟包率20.1%19.9%19.8%20.0%20.0%19.9%由于傳統(tǒng)系統(tǒng)存在很大的延時，所以丟包率的記錄數(shù)據(jù)普遍偏小，與實際值不符。本文診斷系統(tǒng)能在預定時間內(nèi)統(tǒng)計出丟包率，與設定值相等，丟包監(jiān)測功能正常。4結束語針對目前電力用戶用電信息采集設備故障實時診斷系統(tǒng)存在的一些問題，本文設計了一種新的診斷系統(tǒng)。本文利用鏈路吞吐量檢測實驗、工作延時檢測實驗和丟包率檢測實驗驗證了設計系統(tǒng)的工作效果，實驗結果表明，給出的診斷系統(tǒng)能夠及時準確地診斷出電力用戶用電信息采集設備存在的故障，具有很強的診斷功能，并且能夠在第一時間將診斷結果顯示到頁面中?！鞠嚓P文獻】傅文軍.智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡的設計[J].中國儀器儀表，2017，11（3）:1-7.曹永峰，翟峰，肖建紅，等.用電信息采集系統(tǒng)故障運維知識庫的設計與應用[J].電力信息與通信技術，2018，23（3）:67-72.黃濤.線損管理基于用電信息采集系統(tǒng)的分析[J].科學技術創(chuàng)新，2017,15（7）:25.劉興奇.故障預測與健康管理技術在用電信息采集系統(tǒng)中的應用與展望[J].電器與能效管理技術，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