基于粒子群算法的高壓電纜通道大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉 春，邵必飛，劉 濱，茍 軍

（國網(wǎng)蘭州供電公司，甘肅蘭州 730000）

電纜通道管理水平的高低，不僅直接影響到電纜的安全運行、用戶的用電安全，還直接影響到電纜周圍行人、單位和個人的生命財產(chǎn)安全。為此，需要一套能夠?qū)崿F(xiàn)對電力電纜通道環(huán)境進行監(jiān)測與管理的系統(tǒng)[1]。

目前傳輸網(wǎng)絡(luò)中還存在著很多不足，當(dāng)傳輸線越來越密集時，電纜通道的覆蓋率和通過率也越來越高。很多傳輸線需要通過復(fù)雜的地形、復(fù)雜的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的傳輸線，這給人工檢測電路帶來了巨大的挑戰(zhàn)，電氣設(shè)備及人工檢測方法安全風(fēng)險較大，檢測效率較低，突發(fā)事件時往往無法適應(yīng)環(huán)境變化；且高壓電纜具有通道監(jiān)測指標(biāo)繁雜及電網(wǎng)輸電電纜較長的特性，整體覆蓋范圍廣，不同季節(jié)不同繼電段故障率檢測指標(biāo)閾值不同，其監(jiān)測數(shù)據(jù)量也隨之增多，存在冗余的、非結(jié)構(gòu)化的大數(shù)據(jù)[2-4]。

針對這一問題，提出了一種基于粒子群算法的高壓電纜通道大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

電纜通道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要包括高壓電纜通道的防盜、防火、防爆，為了實現(xiàn)電纜通道的全過程實時監(jiān)測，實時獲取電纜通道的狀態(tài)數(shù)據(jù)[5]，將監(jiān)測系統(tǒng)分為3 層：信息采集層、通信編碼層和信息處理展示層，如圖2 所示。

由圖1 可知，信息采集層包括電力電纜通道中所有需要進行監(jiān)測的傳感器設(shè)備。傳感器主要包括電纜溝傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、主干電纜接頭的溫度傳感器、易燃?xì)怏w傳感器、有毒有害氣體傳感器、明火傳感器、煙霧傳感器等[6-7]。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

通信編碼層包括嵌入式通信服務(wù)器，輸入輸出通信模塊。按照既定的規(guī)則對模擬信號和切換信號進行編碼，并按照CAN 總線協(xié)議將信號發(fā)送到上位通信計算機。主機采用LPC2292 工業(yè)級單片機控制，支持10 M 以太網(wǎng)絡(luò)(工業(yè)級)、CAN 通信、A/D 轉(zhuǎn)換、電子盤等CAN 協(xié)議[8-10]。

信息處理展示層：按照GIS 的要求，數(shù)據(jù)以GIS邏輯、信息存儲、信息通道等形式呈現(xiàn)給各級管理人員。這一層包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、GIS 系統(tǒng)、應(yīng)用服務(wù)器、管理機。

1.1 嵌入式上位機

引入CAN 現(xiàn)場總線，當(dāng)CAN 總線輸入模塊將采集的敏感數(shù)據(jù)通過CAN 總線傳輸?shù)缴衔粰C的CAN緩沖區(qū)[11]。該系統(tǒng)采用嵌入式主機，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可用格式，并按照一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行封裝框定[12]?，F(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)的實時顯示，實現(xiàn)了人機交互。通道管理器可以觀察和設(shè)置每臺下位機的CAN 總線輸入模塊和傳感器的開關(guān)狀態(tài)，還可以設(shè)置下位機的IP 地址[13]。

當(dāng)IP 鏈路暢通時，嵌入式主機必須及時將傳感器數(shù)據(jù)包發(fā)送到通信服務(wù)器。如果IP 連接被阻止，接收到的數(shù)據(jù)將被暫時存儲到主機中[14]。在IP 鏈路阻塞解除后，向中央通信服務(wù)器發(fā)送臨時數(shù)據(jù)，當(dāng)IP通信鏈路短時中斷時，監(jiān)測數(shù)據(jù)不會丟失。

1.2 監(jiān)測控制器

下位計算機通過CAN 總線接收現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)，當(dāng)IP 鏈路被解除阻塞時，數(shù)據(jù)打包后通過以太網(wǎng)發(fā)送給服務(wù)器；當(dāng)IP 鏈路被解除阻塞時，數(shù)據(jù)臨時存儲在上位機的電子磁盤上；同時，監(jiān)控控制器具有人機交互功能，上位機的系統(tǒng)參數(shù)必須通過鍵盤配置[15]。因為未來的系統(tǒng)升級可能會產(chǎn)生大量代碼，所以添加NOR Flash 是為了進行擴展。監(jiān)測控制器的硬件架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測控制器硬件架構(gòu)

控制器LPC2292 有4 組輸入功率，由于主機不需要加載功能，因此在設(shè)計時沒有將數(shù)字電源與模擬電源分開。另外，LCD 和NIC 芯片需要5 V 電源，所以最后階段只需要3 組電源[16]。

選用Sipex 半導(dǎo)體SPX1117，晶片輸出電壓可調(diào)，可選擇多種輸出，完全符合系統(tǒng)要求。SP708S芯片進行復(fù)位。信號燈NRST 連接LPC2292 的復(fù)位引腳，JTAG 接口電路連接信號ntrst，信號ntrst 連接LPC2292，信號ntrst連接系統(tǒng)。

在系統(tǒng)調(diào)試階段，采用了ARM 公司推薦的20pinJTAG 調(diào)試界面。值得注意的是，LPC2292 的rtck 引腳需要連接一個下拉電阻，這樣LPC2292 內(nèi)部的JTAG 接口可以打開，并且可以進行JTAG 模擬調(diào)試。

1.3 CAN接口電路設(shè)計

基于LPC2292 的CAN 控制模塊和CTM82_SOD對CAN 收發(fā)器的引腳隔離功能，圖3 中顯示了CAN接口電路的設(shè)計。CTM82_RXD 和TXD 分別與CAN控制器LPC2292 的RD2 和TD2 相連；下位機與上位機具有相同的CAN 接口。母線兩端連接一個120 Ω的端子電阻，CAN 接口電路如圖3 所示。

圖3 CAN接口電路

CTM8250D 是一款具有隔離功能的CAN 控制芯片。該芯片集成了所有必要的CAN 隔離和CAN 收發(fā)設(shè)備，并以不到3 cm3的面積將其集成到芯片中，大大簡化了硬件電路設(shè)計。其主要功能是將CAN控制器中的邏輯級轉(zhuǎn)換成CAN 總線上的差分級。晶片亦有DC2500V 隔離功能，符合ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)?？膳c任意CAN 協(xié)議控制器相連，實現(xiàn)CAN 節(jié)點的發(fā)送、接收和隔離功能。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

粒子群優(yōu)化算法是一種基于群體行為的進化全局優(yōu)化算法，其基本思想是以“粒子”為基礎(chǔ)，在搜索空間對優(yōu)化問題進行求解。每個粒子都有一個速度、距離和方向來確定其運動方向，且所有粒子都遵循當(dāng)前最優(yōu)粒子的搜索過程。都使用相同的適應(yīng)度函數(shù)，在每個迭代過程中，粒子會找到兩個“極值”，即單個極值和全局極值，獲取粒子自身最優(yōu)解和整個種群的最優(yōu)解。

2.1 基于粒子群算法異常大數(shù)據(jù)提取

在粒子群算法中，每個粒子都是根據(jù)每輪計算后得到的現(xiàn)有速度Vi和位置Xi，計算公式為：

Step1：對式（1）、（2）中涉及的參數(shù)進行初始化處理；

Step2：計算適應(yīng)度；

Step3：按照Step2 得到的值，首先是和歷史上的最佳點進行比較，選取最佳點，確定當(dāng)前的最佳點。然后用當(dāng)前粒子的位置和速度來取代原來的最佳值；

Step4：在單粒優(yōu)化之后，對結(jié)果進行對比，然后進行優(yōu)化。由此就會得到當(dāng)前的全局最優(yōu)值，并與歷史值相比較，進行優(yōu)化置換；

Step5：按照式（1）、（2）繼續(xù)計算下一輪，得到新的位置值和速度值；

Step6：滿足終止條件，就可獲得最佳解。否則，則返回Step2。

2.2 異常大數(shù)據(jù)監(jiān)測

根據(jù)異常大數(shù)據(jù)提取結(jié)果，計算高壓電纜通道正常數(shù)據(jù)量，計算公式為：

式（3）中，m1為高壓電纜通道日數(shù)據(jù)與同地區(qū)同類通道的數(shù)據(jù)匹配度；m2為高壓電纜通道日數(shù)據(jù)與歷史通道數(shù)據(jù)匹配度；根據(jù)上述兩個匹配度，確定偏好度ω1和ω2，由此得到最終高壓電纜通道正常數(shù)據(jù)量η。

高壓電纜通道可根據(jù)對電纜通道數(shù)據(jù)通過狀況評估來設(shè)置高壓電纜通道數(shù)據(jù)量正常值的報警閾值λ，當(dāng)高壓電纜通道監(jiān)測到的正常數(shù)據(jù)量η大于報警閾值λ時，則說明該通道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)正常；反之，則異常，說明高壓電纜通道出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。

3 實 驗

為了對基于粒子群算法的高壓電纜通道大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計合理性進行驗證，對其進行仿真實驗。

3.1 實驗環(huán)境

高壓電纜導(dǎo)體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 高壓電纜導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

設(shè)置高壓電纜通道處于兩種環(huán)境下正常工作，其中環(huán)境1 風(fēng)力較大；環(huán)境2 風(fēng)力較小。

3.2 實驗結(jié)果與分析

3.2.1 環(huán)境1

在環(huán)境1 下，大數(shù)據(jù)監(jiān)測波形如圖5 所示。

圖5 環(huán)境1下大數(shù)據(jù)監(jiān)測波形

由圖5 可知，在該環(huán)境下，受到風(fēng)力影響，大數(shù)據(jù)監(jiān)測波形變化幅度不具有規(guī)律性，尤其在監(jiān)測時間為0～14 min 內(nèi)，上下波動幅度較大，由此說明在該時間段內(nèi)受到風(fēng)力影響較大。

3.2.2 環(huán)境2

在環(huán)境2 下，大數(shù)據(jù)監(jiān)測波形如圖6 所示。

圖6 環(huán)境2下大數(shù)據(jù)監(jiān)測波形

由圖6 可知，在該環(huán)境下，受到風(fēng)力影響較小，大數(shù)據(jù)監(jiān)測波動與環(huán)境1不一致，尤其在0～1/16～18 min內(nèi)，上下波動幅度較大，由此說明在該時間段內(nèi)受到風(fēng)力影響較小。

通過上述分析結(jié)果可知，對大數(shù)據(jù)監(jiān)測時間0～1/16～18 min 的大數(shù)據(jù)監(jiān)測情況分析，分別使用基于改進支持向量機和專家系統(tǒng)、結(jié)合和聲搜索算法和最佳路徑森林分類系統(tǒng)和基于粒子群算法監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精準(zhǔn)度進行對比分析，結(jié)果如表1 所示。

由表1 可知，基于改進支持向量機和專家系統(tǒng)監(jiān)測精度最低為0.53，最高為0.62；使用結(jié)合和聲搜索算法和最佳路徑森林分類系統(tǒng)監(jiān)測精度最低為0.60，最高為0.71；基于粒子群算法監(jiān)測系統(tǒng)最低為0.96，最高為0.98。

表1 3種系統(tǒng)大數(shù)據(jù)監(jiān)測精準(zhǔn)度對比分析

4 結(jié)束語

通過嵌入式以太網(wǎng)和CAN 現(xiàn)場總線的結(jié)合，實現(xiàn)了對高壓電纜通道監(jiān)測數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)控制和傳輸。利用微粒群算法對異常數(shù)據(jù)進行提取，實現(xiàn)了對異常數(shù)據(jù)的精確監(jiān)控。實驗結(jié)果表明，該方法準(zhǔn)確有效，為異常大數(shù)據(jù)的檢測提供了一種新的數(shù)據(jù)分析方法。