基于TCP/IP協議與關聯規則的電力監控系統多線程通信方法

吳鑫, 王樹軍, 曹帥, 王中偉

(中國科學院沈陽計算技術研究所有限公司,遼寧 沈陽 110168)

0 引 言

采用多線程通信技術將電力監控系統的主監控站和各個輔監控站進行統一,使系統中各個調度平臺數據相關聯,實現電力監控系統綜合式和閉環式管理。

文獻[1]提出一種基于差分轉換代碼的電力監控系統通信方法,采集電力監控系統信號的源代碼,采用傅里葉變換,因時頻信道傳輸特點,存在誤差概率過高導致后續通信效果差。文獻[2]通過研究電力監控系統中的不確定性因素,作為切入點來建立多線程的通信模型,為獲得更快的響應速度,過于依賴跟蹤策略,算法局限性較大,實用價值不高。

綜合上述問題,本文提出一種基于傳輸控制協議/網際協議(transmission control protocol/internet protocol, TCP/IP)與關聯規則的電力監控系統多線程通信方法。

1 TCP/IP協議與關聯規則下的多線程通信方法研究

1.1 電力監控系統通信模型

電力監控系統的通信服務離不開通信信道,在建立多線程通信模型前,為避免因信道影響導致的傳輸效率低下問題,先對不同因素導致的信道紊亂[3]、數據傳輸延遲、服務器壓力以及不穩定問題進行分析,將此作為后續通信模型的約束條件[4],采用有效的質量優化策略,最大程度上提高通信效果。具體操作過程如下。

首先,假設:h(t)為網絡通信模型在第t時刻下的最穩定狀態函數[5];θi(t)為第i個電力信號源的偏移位置[6];T2為電力監控系統運作周期。由此,得到電力監控系統的運行函數h(t)為:

(1)

式中:ai為電力監控系統信號源;ξ(·)為系統階躍函數;ejθi(t)為電力監控系統信號的平均偏移量。

若不考慮電力監控系統存在延遲偏移量,采用加權計算每個信號源的權重,即可得到在第t時刻下的最穩定狀態函數h(t),表達公式為:

(2)

根據網絡中信號的多普勒效應,若系統接收端收到的延時是T2整倍數,那么可得到穩定函數h(t)為:

(3)

式中:Ni為信息源個數;χi為通信路徑的偏移值。

通過式(3)得到電力監控系統的信號接收模型,考慮數據傳輸過程中容易受到信道不均衡和干擾抑制影響,得到包容信號變化的傳輸模型Xm(t)為:

(4)

式中:In為通信信道中所能容納的最大信號值;Si(t)為電力監控系統中第i個信號源的數據包;nm(t)為信道噪聲;m為正數值。

上述過程詳細分析了電力監控系統進行多線程通信傳輸時可能受到的誤差影響,并給出了穩定傳輸模型。將求解值作為后續多線程通信的參照條件,降低可能出現的誤差影響,提高通信精準度。

1.2 電力監控背景噪聲濾波

本文采用小波重構法去除電力監控系統多線程通信時的背景噪聲值。通常情況下,背景噪聲在整個信號幅值上的動態過程可看作是一個穩態變化的信號突變過程,可采用功率譜密度函數Fn(f)進行表達。

(5)

式中:f為載波頻率;α、β、δ分別為諧波、白噪聲以及普通噪聲系數。以某電力廠為例,采集以1個月為周期,其電力廠周圍背景噪聲系數的實時變化,具體如表1所示。

表1 背景噪聲系數 單位:dB

背景噪聲可采用自回歸模型進行去噪,設電力監控系統的時間序列信號為x(k),k=0,1,2,…,K。該模型可用一個p階的差分方程進行表示。

x(k)=α1x(k-1)+…+αpx(k-p)=w(k)

(6)

式中:w(k)為均值等于0的噪聲方差值。將該方差值x(k)代入到噪聲函數中,可表示為:

(7)

式中:A(z)為初始輸入函數;Z-i為在p階的差分方程下背景噪聲的觀測值。計算背景噪聲值和正常噪聲值間的差值,以該差值作為去噪標準,完成有效去噪。諧波信號可表示為:

f(x)=s1(τ)+s2(τ)=sl(τ)+
Asin(hwfτ)+Bcos(hwfτ)

(8)

式中:f(x)為諧波信號;s1(τ)為分離后的基波信號;s2(τ)為高次波信號;A為諧波信號的正弦轉換sin(hwfτ)系數;B為諧波信號的余切轉換cos(hwfτ)系數;wf為諧波權重;τ為時間;h為諧波帶寬。

分離諧波步驟如下。

(2) 按照正常電力信號的線性波動原理,查找觀測序列中不符合表達的信號值。

(3) 根據正常信號的噪聲信號差值,設置去噪標準參數。

1.3 電力監控系統服務器端和客戶端的通信

多線程的電力監控系統通信策略需重點考慮各個線程設備端的連通性,系統服務器和客服機的通信是依靠TCP/IP協議實現的,并結合關聯規則將數據包在因特網上特征關聯后進行傳輸。關聯規則作為數據挖掘技術,可幫助電力監控系統在眾多通信數據集中查找到相同特征項的信息包并進行關聯,精準反映通信事物之間的內在關聯性,實現統一通信與管理。根據每個數據包的特征形式,按照TCP的流式套接字采集客戶需求,對每個客戶需求都建立一個獨立線程進行管理,降低隊列內連接請求的數量,提高通信效率。

1.4 客戶端和下層電力設備的通信

電力監控系統客戶端和下層電力設備間的通信需要通過應用程序接口(application programming interface, API)函數來實現。用Windows提供一個API函數,將其作為通信數據包的接口,對系統下層的電力設備分別建立不同接收函數,使得電力監控系統下所有通信線程都能實現統一管理。

2 仿真試驗

2.1 試驗背景

為了驗證本文多線程通信算法的有效性,采用配置為Intel 2.30-1230V2終端服務器作為測試設備,試驗對象為某處電力工廠。電力工廠內部包含三種電子通信網絡,在通信網絡中引入134.05 GB的數據流量包,對電力監控系統和與其關聯的設備進行同步通信,且電廠周圍存在很多干擾因素。

為進一步驗證通信算法的實用性,將其與文獻[1]方法、文獻[2]方法進行對比分析。仿真試驗所需參數如表2所示。

表2 電力監控系統接入網絡參數

2.2 電力監控系統多線程通信結果對比分析

采集電力監控系統源設備的傳輸信號,將其作為網絡通信的碼元信號,如圖1所示,對其進行多線程通信。三種方法的試驗結果如圖2所示。

圖1 電力監控系統碼元信號

圖2 三種方法通信結果

從圖1可以看出:電力監控系統的碼元信號即源設備信號,整體呈現較為平穩的波動趨勢,在400～600 s、1 000～1 200 s以及1 400～1 600 s采樣區間內信號屬于不輸出狀態,說明在這個區段間電力監控系統的多線程通信輸出信號量為0。

從圖2可以看出,三種方法中本文方法的通信信號波頻變化最為平穩,在0～2 000 s的采樣區間內,未出現傳輸為0現象,整個傳輸過程信號變化較為穩定。

2.3 背景噪聲去除效果對比分析

由于電力監控系統環境中存在過多背景噪聲影響,噪聲的去除效果也是驗證通信能力的指標之一。三種方法的試驗結果如圖3～圖6所示。

圖3 含噪電力監控系統載波信號時域波形

圖4 文獻[1]方法去噪結果

圖5 文獻[2]方法去噪結果

圖6 本文方法去噪結果

從圖3～圖6可以看出,本文方法去噪后的波形相比原始信號變化明顯較為穩定,沒有出現過高或過低的幅值變化。

3 結束語

本文提出了一種基于TCP/IP協議與關聯規則的電力監控系統多線程通信方法,將通信失敗率降到最低,且本文考慮到了背景噪聲的影響,采用自回歸算法對噪聲實現了有效去除,在基礎上再利用TCP/IP協議建立多線程通信程序,結合關聯規則保證通信的穩定性和同步性。對比試驗結果如下。

(1) 對電力監控系統源設備的傳輸信號多線程通信時,該方法的通信信號波頻變化最為平穩,在0～2 000 s的采樣區間內,未出現傳輸為0現象。

(2) 對背景噪聲去噪后,波形相比原始信號變化明顯較為穩定,沒有出現過高或過低的幅值變化。

本文方法在三種方法中表現最好,對原始信號的保留效果較好且去噪能力很強,有較好應用前景。