Способ мониторинга состояния электрических сетей и сетей связи
METHOD FOR MONITORING THE STATE OF ELECTRICAL NETWORKS AND COMMUNICATION NETWORKS

Изобретение относится к области связи, а именно к контрольно-измерительной технике, в частности к способам, системам и устройствам для измерения параметров электрических сетей и сетей связи, контроля состояния их элементов.
Из существующего уровня техники известны различные способы и системы, предназначенные для мониторинга состояния электрических сетей и сетей связи. Для контроля и диспетчеризации состояния электрических сетей и сетей связи в настоящее время применяется два подхода [1. ГОСТ Р МЭК 60870-5-1-95 Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 1. Форматы передаваемых кадров. 2. ГОСТ Р МЭК 60870-5-104-2004 Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 104. Доступ к сети для ГОСТ Р МЭК 870-5-101 с использованием стандартных транспортных профилей. 3. IEC 61850-5 Communication networks and system sinsubstations-Part5: Communication requirements for functions and device models. 4. IEC 61850-7-2 Communication networks and systems in substations-Part7-2: Basic communication structure for substation and feeder equipment-Abstract communication service interface(ACSI)]:
- непрерывная передача данных о состоянии сети с заданным периодом обновления, при этом данные содержат значения измеряемого параметра и содержат или не содержат метку времени;
- формирование событий при обнаружении изменения состояния электрических сетей и сетей связи (выход измеряемого значения за заданный порог, изменение текущего измеряемого значения относительно предыдущего на заданную величину и т.п.), при этом события содержат значения измеряемого параметра и метку времени события.
Первый подход при малом (относительно времени изменения измеряемого технологического параметра) периоде обновления позволяет получить высокую степень детализации измеряемых параметров, но содержит большую избыточность в стационарном режиме (передаются данные, не содержащие новой полезной информации). Кроме того, объем данных требует наличия канала связи с объектом контроля с достаточно высокой пропускной способностью. Крайним случаем первого подхода является непрерывное измерение формы входного сигнала параметра с использование осцилографа. При относительно большом же периоде обновления обеспечивается низкая степень детализации измеряемых параметров, вплоть до пропуска быстро протекающих процессов. Кроме этого, при использовании данного подхода не учитываются взаимосвязи между измеряемыми параметрами, поэтому производится измерение всех параметров, что в большинстве случаев избыточно. При этом возрастает нагрузка на канал связи, использующийся для передачи метрологической информации, устройства памяти и вычислители, к которым предъявляются большие требования.
Второй подход обеспечивает обнаружение изменений состояния электрических сетей и сетей связи при уменьшении, по сравнению с первым подходом, объема данных с объекта контроля. Критерии формирования событий (например, выбор значений порогов, при пересечении которых измеряемым параметром формируется событие) имеют определяющее значение с точки зрения степени детализации данных измерений. Существуют комбинированные реализации, в которых при обнаружении изменений состояния электрических сетей и энергообъектов формируются соответствующие события со значениями параметров и одновременно производится запись формы сигнала. Данный подход, также не учитывается взаимосвязей межу измеряемыми параметрами, что может приводить к избыточности измерений.
Так, известен способ непрерывного пассивного контроля параметров телефонных линий, реализованный в устройстве типа ЛСТ-1007 [Лысов А.В. Телефон и безопасность. Проблемы защиты информации в телефонных сетях / А.В. Лысов, А.Н. Остапенко. - СПб.: Политехника, 1995. - 109 с. (Лаборатория ППШ)], при котором предварительно проверяют телефонную линию на отсутствие повреждений и несанкционированных подключений, задают контролируемые параметры телефонной линии, измеряют контролируемые параметры, запоминают их в качестве эталонов, непрерывно измеряют и сравнивают текущие значения контролируемых параметров с эталонными, формируют сигнал тревоги при несовпадении измеренных значений параметров с эталонными, продолжают измерения при их совпадении с эталонными значениями контролируемых параметров.
Недостатками данного способа являются низкая эффективность системы контроля, обусловленная значительными временными и материальными затратами, из-за постоянного измерения множества контролируемых параметров телефонной линии (контроль ведется непрерывно).
Известны также способы контроля состояния объектов, включающих большое число контролируемых параметров [Патент РФ №2210112 С2 «Унифицированный способ Чернякова / Петрушина для оценки эффективности больших систем», класс G06F 17/00, опубл. 10.08.2003; Патент РФ №2364926 С2, класс G06F 17/00, опубл. 20.08.2009 г.]. Способы основаны на представлении большой системы в виде иерархии ее структурных элементов, задании контролируемых параметров и осуществлении их периодического контроля.
Недостатком такого способа является невысокая точность и оперативность оценки состояния объекта контроля из-за отсутствия точного периода контроля. Кроме того, производится измерение большого количества параметров системы, что в большинстве случаев избыточно. Указываются результаты только критических значений параметров и не указывается связь их c другими параметрами.
Известен также способ мониторинга технического состояния узлов и агрегатов сельскохозяйственной машины (Патент РФ №2741353, МПК G07С 5/08 (2020.02)). Способ заключающийся в вводе в бортовой компьютер параметров технического состояния эталонных узлов и агрегатов, прошедших полный цикл ресурсных испытаний, соответствующие различным величинам остаточных ресурсов данных узлов и агрегатов, в том числе и предельных, с помощью датчиков, установленных на узлах и агрегатах эксплуатируемой машины, замеряют параметры технического состояния узлов и агрегатов и вводят их в бортовой компьютер, бортовой компьютер определяет соответствие параметров технического состояния узлов и агрегатов эксплуатируемой машины параметрам технического состояния эталонных узлов и агрегатов, бортовой компьютер или связанный с ним удаленный сервер определяет остаточный ресурс каждого узла и агрегата, информацию с удаленного сервера о предельном остаточном ресурсе каждого узла и агрегата эксплуатируемой машины передают на информационное устройство ее владельца.
Недостатком способа является ограниченная область применения. Отсутствие учета взаимосвязи измеряемых параметров, а также измерение всех параметров характеризующих техническое состояние узлов и агрегатов, что в большинстве случаев избыточно и приводит к увеличению времени цикла контроля.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ мониторинга состояния электрических сетей и сетей связи (Патент РФ №5646321, МПК G06F 17/00 (2006.01). Способ заключается в том, что формируют множества классов возможных состояний сети, измеряют множество контролируемых параметров на некотором интервале, производят аналого-цифровое преобразование входных сигналов, производят цифровую обработку сигналов, идентифицируют текущее состояние сети с одним из классов, определяют оптимальные частоты измерения контролируемых параметров для текущего состояния сети, формируют массивы с результатами измерений параметров (мониторинга), запоминают массивы с результатами измерений параметров (мониторинга), передают массивы с результатами измерений параметров (мониторинга).
Недостатком способа-прототипа является необходимость измерения всех возможных контролируемых параметров выбранного класса состояния сети, каждый из которых характеризуется различной точностью измерения, размерностью и имеющих различную степень важности для сети.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической проблемой, на решение которой направлен предлагаемый способ, является высокая нагрузка на средства мониторинга, высокая нагрузка на сеть, обусловленная необходимостью передачи данных результатов измерений большого количества параметров; большое время, затрачиваемое на мониторинг, что приводит к увеличению времени реакции системы на отклонения значений измеряемых параметров от установленной нормы.
Техническая проблема решается за счет определения и учета зависимостей между параметрами, оценки и учета степени влияния каждого контролируемого параметра на показатели качества сети, установления и учета требований к точности измерительных приборов.
Техническим результатом изобретения является сокращение количества контролируемых параметров и количества измерительных приборов, необходимых для мониторинга текущего состояния сети, снижения нагрузки на средства мониторинга и средства, предназначенные для передачи массива с результатами измерений параметров.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что формируют множество классов возможных состояний сети, измерении контролируемых параметров на некотором интервале, производят аналого-цифровое преобразование входных сигналов, производят цифровую обработку сигналов, идентифицируют текущее состояния сети с одним из классов, определяют оптимальную частоту измерения контролируемых параметров для текущего состояния сети, формируют массивы с результатами измерений параметров (мониторинга), запоминают массивы с результатами измерений параметров (мониторинга), передают массивы с результатами измерений параметров (мониторинга) дополнительно перед измерением контролируемых параметров предварительно задают множество контролируемых параметров, характеризующих состояния сети, множество функциональных показателей качества сети, критерии значимости каждого контролируемого параметра для каждого класса возможных состояний сети, множество зависимостей между контролируемыми параметрами и функциональными показателями качества сети, задают требования к классу точности измерительных приборов, формируют измерительную систему, включающую множество измерительных приборов, необходимых для измерения множества контролируемых параметров, оценивают степень влияния каждого контролируемого параметра на показатели качества сети, строят вариационный ряд, размещая контролируемые параметры в нем по степени их влияния на показатели качества сети от менее влияющего до более влияющего, определяют зависимые друг от друга параметры, исключают из множества контролируемых параметров параметры, которые можно определить по заданным зависимостям, при этом для исключения выбирают параметр с наименьшим индексом вариационного ряда, сравнивают степень влияния каждого контролируемого параметра на показатели качества сети с заданным критерием значимости, исключают из множества контролируемых параметров параметры, степень влияния которых на показатели качества сети меньше заданного критерия значимости, исключают из измерительной системы приборы необходимые для измерения контролируемых параметров, исключенных из множества контролируемых параметров, сравнивают класс точности каждого измерительного прибора с заданным классом точности, исключают из измерительной системы приборы, класс точности которых не удовлетворяет заданному классу точности.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе достигается указанный технический результат за счет задания критерия значимости контролируемых показателей для каждого класса, сокращение количества контролируемых параметров и количества измерительных приборов, необходимых для мониторинга текущего состояния сети, снижения нагрузки на средства мониторинга и средства, предназначенные для передачи массива с результатами измерений параметров.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна". Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Заявленный способ поясняется чертежом, на котором показаны:
Фиг. 1 - блок-схема алгоритма способа мониторинга состояния электрических сетей и сетей связи.
Заявленный способ реализуется при помощи алгоритма, блок-схема которого представлена на фиг. 1
На основе данных опыта предыдущей эксплуатации, а также требований, существующих ГОСТ (ОСТ) и других нормативных документов, регламентирующих требования к электрическим сетям и сетям связи, формируют исходные данные (бл. 1, фиг. 1).
В качестве исходных данных задают:
множество контролируемых параметров, характеризующих состояния сети,
множество функциональных показателей качества сети,
критерии значимости каждого контролируемого параметра для каждого класса возможных состояний сети,
множество зависимостей между контролируемыми параметрами и функциональными показателями качества сети,
требования к классу точности измерительных приборов.
Требования к классу точности измерительных приборов контролируемых параметров определяется исходя из заданной точности к метрологической системе.
Формируют множество классов возможных состояний сети (бл. 2, фиг. 1). Задание возможных классов состояний сети возможно исходя из результатов их моделирования, проектирования и производства, а также исходя из опыта их эксплуатации, например, сеть связи может обладать следующими состояниями: выключена, функционирует штатно, функционирует в час наибольшей нагрузки, функционирует под предкритической нагрузкой, находится в критическом состоянии (возможно восстановление), находится в закритическом состоянии (невозможно восстановление).
Формируют перечень всех контролируемых параметров объекта контроля (электрической сети или сети связи) (бл. 3, фиг. 1).
Как известно, состояние электрических сетей и сетей связи характеризуется большим количеством параметров. В качестве контролируемых параметров для анализа, например, сетей связи в соответствии с руководящими документами [ГОСТ Р 53111-2008: Устойчивость функционирования сети связи общего пользования. Требования и методы проверки; Приказ №43 Минсвязи РФ от 15.04.1996 Нормы на электрические параметры каналов ТЧ магистральной и внутризоновых первичных сетей; Приказ Госкомсвязи РФ №54 от 05.04.1999. Эксплуатационные нормы на электрические параметры коммутируемых каналов сети ТфОП; ОСТ 45.54-95. Стыки оконечных абонентских телефонных устройств и автоматических телефонных станций; ОСТ 45.01-98 Участки кабельные элементарные и секции кабельные линий передачи. Нормы электрические. Методы испытаний; Приказ Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации от 27.09.2007 №113 «Об утверждении Требований к организационно-техническому обеспечению устойчивого функционирования сети связи общего пользования»; МСЭ-Т Р.862 (02/2001) Perceptual evaluation of speech quality (PESQ): An objective method for end-to-end speech quality assessment of narrowband telephone networks and speech codecs и др.] могут выступать:
- параметры передачи и параметры влияния кабельных линий связи (сопротивление, индуктивность, емкость, проводимость изоляции, волновое сопротивление, коэффициент затухания, коэффициент фазы, электрическая связь, магнитная связь, волновое сопротивление, рабочее затухание; переходное затухание, частота сигнала, уровень шума и др.- для электрических кабелей, мощность сигнала, затухание сигнала в линии, длина волны или частота несущего электромагнитного излучения, дисперсия (расширение) импульса в тракте, чувствительность системы передачи при заданном коэффициенте ошибок, ширина спектральной линии оптического излучения, поляризационная модовая дисперсия, комбинационное рассеяние - для волоконно-оптических линий связи и др.);
- показатели функционирования сетей телефонной сети связи (потери вызовов при передачи пакетов информации, отклонение от среднего значения задержки передачи пакетов информации, коэффициент потери пакетов информации, коэффициент ошибок в пакетах информации и др.);
- параметры анализа импульсных помех (максимальный на секундном интервале уровень импульсной помехи с подавлением сигнала; счет событий превышения уровнем импульсных помех порога; относительное время действия импульсных помех, превышающих порог и др.);
- параметры анализа перерывов связи (минимальный на секундном интервале уровень сигнала, счет перерывов связи с заданной длительностью и др.);
- показатели оценки устойчивости, надежности, живучести, помехоустойчивости сетей.
Формируют измерительную систему (бл. 4, фиг. 1), включающую множество измерительных приборов, необходимых для измерения множества контролируемых параметров.
Под измерительной системой (ИС) понимается совокупность средств измерений и других средств измерительной техники, размещенных в разных точках объекта измерения, функционально объединенных с целью измерений одной или нескольких величин, свойственных этому объекту (Захаров В.А., Волегов А.С. Метрологическое обеспечение измерительных систем: учеб. Пособие: в 2 ч. Ч. 1. Принципы построения и вопросы стандартизации автоматизированных измерительных систем. - Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та, 2018. 168 с. С 19).
Например, для измерения напряжения, силы тока, сопротивления, мощности можно использовать вольтметры, амперметры, мультиметры, ваттметры, как например, показано в [А.Б. Жапабаева, Р.Д. Каримбаева, Т.К. Мусиралиев, А.А. Абкеев Монтаж, ремонт контрольно-измерительных приборов. Астана.: НАО Холдинг К. 2018. - 149 с. С. 123, Н.М. Попов Измерения в электрических сетях 0,4…10 кВ. - Спб.: Лань, 2019. - 227 с. С. 23- 33.]
Оценивают степень влияния каждого контролируемого параметра на показатели качества сети (бл. 5, фиг. 1).
Строят вариационный ряд, размещая контролируемые параметры в нем по степени их влияния на показатели качества сети от менее влияющего до более влияющего. Пример построения вариационного ряда показан в [П.С. Катмаков, В.П. Гавриленко, А.В. Бушов Биометрия. - 2-е изд. Перераб. И доп.. - М.: Издательство Юрайт, 2019. - 177 с. с. 16-19] (бл. 6, фиг. 1). Построение вариационного ряда контролируемых параметров может быть осуществлено при помощи известных средств, например, программ Excel из пакета Microsoft Office или LibreOffice, как показано, например, в [Вариационный ряд. Средние величины. Расчет показателей вариационного ряда, используя мастер функций MS Excel, Возможности программ по построению вариационного ряда [Электронный ресурс www//http://lektsii-org.turbopages.org/lektsii.org/s/18-74242.html. Дата обращения 2.04.2021 г.]
Определяют зависимые друг от друга параметры (бл. 7, фиг. 1).
В этих целях может быть использовано множество зависимостей между контролируемыми параметрами, заданное в исходных данных.
Кроме того, зависимости одних контролируемых параметров от других могуь быть определеныыпри помощи корреляционного анализа.
Под корреляцией двух параметров понимается взаимная связь, взаимозависимость, соотношение рассматриваемых параметров [Большой современный толковый словарь русского языка. 2012]. Пример определения степени корреляции между величинами показан в [Шенченко Н.И. Эконометрика: лабораторный практикум: учебное пособие. - Ульяновск: УлГТУ, 2011. - 117 с. с 8-10, Осипов Г.В., Лисичкин В.А., Математические методы в современных социальных науках: учебное пособие, под. Общ. Ред. В.А. Садовничего. - М.: Норма: ИНФА-М, 2019. - 384 с., с. 238-241, М.А. Харченко Корреляционный анализ учебное пособие, Воронеж. 2008. - 31 с. с. 11-12.]
Степень корреляции контролируемых параметров может быть определена при помощи известных средств, например, при использовании программы Excel пакета Microsoft Office или LibreOffice, как показано, например, в [М. Тютюшев 2 способа корреляционного анализа в Microsoft Excel Электронный ресурс www//http://lumpics.ru/correlation-analysis-in-excel/ Дата обращения 2.04.2021 г.].
Исключают из множества контролируемых параметров параметры, которые можно определить по заданным зависимостям, при этом для исключения выбирают параметр с наименьшим индексом вариационного ряда (бл. 8, фиг. 1).
Сравнивают степень влияния каждого контролируемого параметра на показатели качества сети (бл. 9, фиг. 1) с заданным критерием значимости.
Исключают из множества контролируемых параметров параметры, степень влияния которых на показатели качества сети меньше заданного критерия значимости (бл. 10, фиг. 1).
Исключают из измерительной системы приборы, необходимые для измерения контролируемых параметров, исключенных из множества контролируемых параметров (бл. 11, фиг. 1).
Сравнивают класс точности каждого измерительного прибора с заданным классом точности (бл. 12, фиг. 1).
Исключают из измерительной системы приборы, класс точности которых не удовлетворяет заданному классу точности (бл. 13, фиг. 1).
Производят измерение контролируемых параметров, оставленных во множестве контролируемых параметров (бл. 14, фиг. 1). Для измерения параметров используются различные приборы, например, представленные в [Н.М. Попов Измерения в электрических сетях 0,4…10 кВ. - Спб.: Лань, 2019. - 227 с., В.П. Дьяконов Современная осциллография и осциллографы. - М.: Солон-Пресс. 2010. - 320 с., А.Б. Жапабаева, Р.Д. Каримбаева, Т.К. Мусиралиев, А.А. Абкеев Монтаж, ремонт контрольно-измерительных приборов. Астана.: НАО Холдинг К. 2018. - 149 с.]
Производят аналого-цифровое преобразование входных параметров (бл. 15, фиг. 1).
Производят цифровую обработку сигналов (бл. 16-20, фиг. 1), а именно:
идентифицируют текущее состояние сети с одним из классов с использованием любого из известных методов анализа данных (бл. 18, фиг. 1) [Загоруйко Н.Г. Прикладные методы анализа данных и знаний. Новосибирск: ИМ СО РАН, 1999. - 270 с.; Рубан А.И. Методы анализа данных. Учебное пособие. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004. - 319 с.; Боровиков В.П. Нейронные сети. Statistica Neural Networks. Методология и технологии современного анализа данных. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Горячая линия - Телеком, 2008. - 392 с.; Миркин Б.Г. Введение в анализ данных. Учебник и практикум. - М.: Юрайт, 2015. - 174 с.];
определяют оптимальную частоту измерения контролируемых параметров для текущего состояния сети (бл. 17, фиг. 1), как показано в прототипе [Патент РФ №5646321, МПК G06F 17/00 (2006.01)];
формируют массивы с результатами измерений параметров (мониторинга) (бл. 18, фиг. 1);
запоминают массивы с результатами измерений параметров (мониторинга) (бл. 19, фиг. 1).
Передают массивы с результатами измерений параметров (мониторинга) (бл. 20, фиг. 1).
Таким образом, за счет определения и учета зависимостей между параметрами, оценки степени влияния каждого контролируемого параметра на показатели качества сети, установления и учета требований к точности измерительных приборов достигается обоснованное сокращение множества контролируемых параметров, сокращение количества измерительных приборов, снижается нагрузка на средства мониторинга и сети связи, предназначенные для передачи массивов с результатами измерений. Технический результат достигнут.