基于边缘计算的输电通道可视化监控系统设计_郭子培.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第15期No.152023年8月Aug.2023收稿日期：2021-12-22稿件编号：202112147基金项目：广西电网有限责任公司钦州供电局科技项目（040600KK52200007）作者简介：郭子培（1987），男，广西钦州人，中级工程师。研究方向：生产项目管理、科技项目管理、输电线路防雷技术、输电线路摇测技术、无人机的轻型集群技术等。基于边缘计算的输电通道可视化监控系统设计郭子培1，蒋再新1，黄胜帮1，唐彰蔚1，周柏乐2（1.广西电网有限责任公司钦州供电局，广西 钦州 535000；2.深圳市鼎信智慧科技有限公司，广东 深圳518116）摘要：为避免供应电流出现过量泄露的情况，实现对输电通道内电量传输行为的可视化监控，设计基于边缘计算的输电通道可视化监控系统。基于输电监控回路、连接设置模块、监控信息查询模块实现输电通道可视化监控系统的硬件设计。在此基础上，根据边缘计算法则，设置必要的 Unity3D引擎结构，通过采集数据流信息的方式，得到准确的边缘信息过滤结果，实现监控系统的软件执行环境搭建，结合相关硬件设备结构，完成基于边缘计算的输电通道可视化监控系统设计。实验结果表明，与边云协同型监控系统相比，在边缘计算原则作用下，供应电流的泄露状态得到了较好控制，能够更好满足可视化监控输电通道内电量传输行为的实际应用需求。关键词：边缘计算；输电通道；可视化监控；信息查询；Unity 3D引擎；电流泄露中图分类号：TN-9文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）15-0117-04DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.15.024Design of visual monitoring system for transmission channel based onedge computingGUO Zipei1，JIANG Zaixin1，HUANG Shengbang1，TANG Zhangwei1，ZHOU Baile2（1.Qinzhou Power Supply Bureau of Guangxi Power Grid Co.，Ltd.，Qinzhou 535000，China；2.Shenzhen Dingxin Smart Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518116，China）Abstract:In order to avoid excessive leakage of supply current and realize visual monitoring of powertransmission behavior in transmission channel，a visual monitoring system of transmission channel basedon edge computing is designed.The hardware design of the transmission channel visualization monitoringsystem is based on the transmission monitoring circuit，connection setting module，and monitoringinformation query module.On this basis，according to the edge of the algorithm，the structure，set upnecessary Unity 3D engine，and then through the way of collecting data flow information，get accurateedge information filtering results，realize the monitoring and control system software execution environment，combined with the related hardware equipment structure，complete the transmission channel based onedge computation visualization monitoring system design.The experimental results show that comparedwith the edgecloud collaborative monitoring system，the leakage state of supply current can be bettercontrolled under the action of edge computing principle，which can better meet the practical applicationrequirements of visual monitoring of power transmission behavior in the transmission channel.Keywords:edge computing；transmission channel；visualmonitoring；information query；Unity 3D engine；current leakage-117电子设计工程 2023年第15期边缘计算是就近提供端口服务的应用算法，在靠近数据源头或信息输入端的一侧，常设置开放型网络平台，一方面，使得连接程序能够更快传输数据信息产生响应，另一方面，也可更高满足网络主机对于信息参量的传输与存储需求1。对于区域性电网组织或输电供应平台而言，边缘计算法则必须在多个物理实体结构的作用下，才能实现对数据信息参量的按需分拣，且由于顶端云服务主机元件的存在，所有已成生的历史信息都可被直接存储于互联网数据库之中，不但避免了混乱信息互传行为的出现，也可以从根本上解决网络主机容纳能力不足的问题2-3。在输电网络平台中，由于电信号攻击等外界干扰行为的存在，供应电流极易在个别位置处出现过量泄露的情况，从而导致电网主机对于传输电量的实时监控能力下降。为解决此问题，基于边云协同的监控系统通过 3dsMax 软件对电信号传输与反馈环境进行建模，再借助 Eclipse 工具，传输电量信号所处的实时传输位置，并依靠输入信道，将这些信息参量反馈回核心电网主机元件之中4。然而此系统对于电流泄露行为的控制能力并不能完全达到实际应用需求，导致系统主机在可视化监控方面的适应能力相对较弱。为避免上述情况的发生，引入边缘计算法则，并以此为基础，设计一种新型输电通道可视化监控系统。1输电通道可视化监控系统硬件设计1.1输电监控回路输电监控回路以MAX811T芯片、L-Bank装置作为核心搭建元件，能够在电流输入端与电流输出端之间，通过电量传输行为变更的处理方式，控制供应电流的实时输出量，从而满足电网主机对于电量传输行为的可视化监控需求。MAX811T 芯片同时监管多个连接电阻，可在感知电流传输水平的同时，记录电量信号的击穿作用强度5-6。L-Bank 装置则主要负责对传输电量进行疏导与分流，可将未完全消耗的电流平均分配至已连接电阻元件之中，再借助复位器装置，将这些电量信号整合成全新的传输形式，以供电网主机的选取与利用。具体回路连接结构如图1所示。输电控制主机作为唯一与监控回路相连的下级应用结构，能够准确记录电量信号的实时消耗情况，并可将记录信息直接反馈给电网核心控制元件。1.2连接设置模块在输电通道可视化监控系统中，连接设置模块可同时管控输电量、电流信息、通道宽度、监控原则等多项指标参量，且可以在边缘计算作用的支持下，规划可视化监控主机的实际执行强度，从而实现对电流泄露行为的有效管控7。输电量、电流信息与通道宽度同属于硬性规定指标，可直接作用于核心输电控制主机，对于连接设置模块而言，上述物理指标的数值水平越高，则表示监控主机对于传输电流的管控作用能力越强，反之则越弱8。详细的连接设置模块功能结构图如图2所示。图2连接设置模块的功能结构图监控原则设置结果属于非硬性规定指标，对于核心输电控制主机的连接能力，只能起到一定的影响与约束作用。1.3监控信息查询模块监控信息查询模块的执行功能主要划分为如下三类：1）对于已存储的电流供应信息，查询模块可根据边缘计算法则，对当前情况下的主体监控对象进行定义，从而满足核心电网主机对于传输电量信号的可视化管控需求。2）对于未存储的电流供应信息，查询模块主要图1输电监控回路连接示意图-118负责对这些数据参量进行封装处理，并可将这些物理信息反馈回连接设置模块，以供核心输电主机的继续调取与利用9。3）由于输电通道的实时容纳能力具有较强的不确定性，所以监控信息查询模块中指令文件的输出行为并不能保持绝对稳定的存在状态。2输电通道可视化监控系统软件设计2.1Unity 3D引擎Unity 3D引擎是具有三维渲染能力的图像复原软件，可对监控主机所捕获的输电信号进行二次加工与处理，并可根据边缘计算原则，将个别节点参量放置在准确的监控位置之中10-11。在输电通道可视化监控系统中，Unity 3D 引擎始终保持多平台共通的连接形式，可同时与连接设置模块、监控信息查询模块保持数据传输关系，且在整个监控过程中，引擎元件对于输电信号的处理必须遵循边缘计算原则。设s表示基于边缘计算原则的输电节点编码条件，xs表示编码节点s的横坐标，ys表示编码节点s的纵坐标，x0表示初始监控节点的横坐标，y0表示初始监控节点的纵坐标。联立上述物理量，可将Unity 3D引擎连接原则表示为：s=g(xs-x0)j(ys-y0)2（1）式中，g表示基于边缘计算原则的监控节点横坐标协调系数，j表示基于边缘计算原则的监控节点纵坐标协调系数。在边缘计算原则作用强度保持不变的情况下，g、j的取值结果也始终保持不变。2.2数据流采集数据流是指输电通道监控数据的传输，在可视化监控系统中，只有保障数据流采集结果的唯一性，才能有限避免供应电流出现过量泄露的表现行为12。在不考虑其他干扰条件下，数据流采集结果会受到输电信号单位传输量、电量监控指征两项物理指标的直接影响13。输电信号的单位传输量可表示为K，在边缘计算原则的支持下，可认为该项物理指标的取值量越大，最终所得的数据流采集结果也就越接近其物理最小值。电量监控指征由最大值dmax、最小值dmin两部分组成，一般来说，极值指标之间的物理差值越大，数据流采集结果也就越接近其物理最大值。在上述物理量的支持下，联立式（1），可将数据流采集结果表示为：P=e=1+s(dmax-dmin)-1f(K)（2）式中，e表示边缘计算系数的初始取值结果，表示可视化监控系数，f表示特定的输电信号取值特征。在考虑边缘计算法则的影响下，输电通道可视化监控系统的设计必须以数据流采集结果作为核心参考条件14。2.3边缘信息过滤边缘信息过滤是输电通道可视化监控系统设计的关键执行环节，可根据边缘计算原则，对已存储的输电信号参量进行筛选，并从中剔除非必要的数据信息，从而大幅缓解系统数据库主机所面临的信息存储压力15-16。规定v、m表示两个不同的输电信号边缘化分布系数，在可视化监控系统的作用下，vm的不等式取值结果恒成立。c1、c2、cn表示n个不同的电量信号过滤权重值，一般来说，系数n的取值结果越大，与之对应的过滤指标权重等级也就越高。联立式（2），可将基于边缘计算原则的电量信息过滤表达式定义为：k=v=1+m=1+|c1+c2+cmPv-H2（3）式中，表示电量信息的可视化判别系数，H表示输电通道内的电量信号传输均值。在边缘计算原则的支持下，电网主机对于传输信息参量的过滤能力越强，输电通道可视化监控系统的实际应用能力也就越强。3实例分析为验证基于边缘计算的输电通道可视化监控系统的实际应用能力，设计如下对比实验。选取一台运行能力相对稳定的电力供应主机作为实验对象，将其置于完整的输电规划网络中。单位时间内的供应电流泄露量能够反映电网主机对于输电通道内电量传输行为的可视化监控能力，一般情况下，供应电流的单位泄露量越少，则表示电网主机对于输电通道内电量传输行为的可视化监控能力越强，反之则越弱。表 1记录了单位时间内供应电流泄露量的理想化数值水平。分析表1可知，实验取15 min作为一个单位时长。在第一个单位时长内，供应电流泄露量始终保持绝郭子培，等基于边缘计算的输电通道可视化监控系统设计-119电子设计工程 2023年第15期对稳定的数值存在状态，且其均值水平相对较低；从第二个单位时长开始，供应电流泄露量始终保持不断上升的数值变化趋势，且其单位上升幅度基本保持一致。全局最大值 2.6 mA 与全局最小值 0.8 mA相比，上升了1.8 mA。图 3 反映了实验组、对照组供应电流泄漏量在前两个单位时长内的数值变化情况。图3供应电流泄漏量（前两个单位时长）分析图 3所示曲线可知，在前两个单位时长内，实验组供应电流泄漏量保持不断上升的数值变化态势，但其整体均值水平相对较低，全局最大值仅能达到 1.09 mA，与理想最大值 1.5 mA 相比，下降了0.41 mA；对照组供应电流泄漏量虽然也保持不断上升的数值变化态势，但其整体均值水平相对较高，全局最大值达到了 1.72 mA，与理想最大值 1.5 mA 相比，上升了0.22 mA，更远高于实验组数值水平。图 4 反映了实验组、对照组供应电流泄露量在前后个单位时长内的数值变化情况。图4供应电流泄漏量（后两个单位时长）分析图 4所示曲线可知，在后两个单位时长内，实验组供应电流泄漏量在一段时间的上升状态后，开始逐渐趋于稳定，其全局最大值仅能达到2.0 mA，与理想最大值2.6 mA相比，下降了0.6 mA；对照组供应电流泄漏量则呈现上升、下降交替出现的数值变化形式。其全局最大值达到了2.65 mA，与理想最大值 2.6 mA相比，上升了 0.05 mA，更远高于实验组数值水平。4结束语在边缘计算原则的作用下，信息输电通道可视化监控系统重新定义了输电监控回路的作用能力，又联合连接设置模块与监控信息查询模块，设置了Unity 3D引擎的布局形式。对于电信号数据流而言，由于边缘计算原则的存在，个别信息参量能够得到准确过滤，不但能够实现对供应电流泄露行为的有效控制，也可以满足电网主机对于输电通道内电量传输行为进行可视化监控的实际应用需求。参考文献：1 郑贵林,余星烨.基于边缘计算的智能用电管控系统设计及应用J.电测与仪表,2021,58(8):28-35.2 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