基于離散貝葉斯的電力線局域網通信節點故障定位方法

朱 瑩，穆 巍

（1.國網寧夏銀川供電公司，寧夏 銀川 750001；2.寧夏回族自治區電力設計院有限公司，寧夏 銀川 750001）

0 引 言

21 世紀，隨著計算機與微電子技術的飛速發展，電力系統、大型電力設備的綜合性能越來越優，其內部結構也越來越復雜，相關建設的自動化水平也越來越高。為滿足電力系統的建設需求，各建設單位加大了對電力線局域網的建設力度，并明確電力線局域網通信節點優化等相關工作實施的重要意義[1]。在深入行業發展的研究中發現，當前電力系統電子器件呈現小型化、輕質化和集成化發展趨勢，隨著電力系統功能的日益增強，其內部結構也日趨復雜，對電力線局域網通信建設的投入也逐步增加。但在提升電力線局域網通信綜合效能的同時，電力線局域網通信節點故障導致電力系統出現運行問題也成為了有關單位的關注重點[2]。在很多大規模的電力系統中，各個組件在電力線局域網上都是緊密相連的，且電力線在同一局域網內的功能是一體的。當一個小的節點存在錯誤時，便極有可能引發一系列的連鎖反應，使整個系統在一瞬間陷入癱瘓，造成極其嚴重的后果。因此，研究適用于電力線局域網通信節點的故障診斷方法，對于保證大規模電力線的安全、穩定運行，有著重要的現實意義。為全面落實此項工作，本文將引進離散貝葉斯網絡，以某電力線局域網為例，開展通信節點故障定位方法的設計，旨在通過此次設計，為局域網的高可用性建設提供技術層面指導。

1 電力線局域網通信節點故障特征參數提取

為滿足電力線局域網通信節點故障的定位需求，開展相關研究前，應明確電力線局域網由中心骨干網絡、分支網絡與若干通信節點構成[3]。在提取節點故障參數特征時，需要設定不同節點在通信過程中的參數具體取值，通過此種方式，掌握是否有節點在通信中存在異常。根據用戶的通信需求，進行電力線局域網通信分割粒度的計算，計算公式為

式中：Q為電力線局域網通信分割粒度；W為網絡分割參數?？梢愿鶕嬎愕玫降膮礠，進行局域網通信狀態的感知，通過此種方式，實現對通信網絡中特定區域的分割，減少故障節點定位的復雜性。同時，根據通信網絡節點的分布，計算不同節點在通信過程中的風險指數，計算公式為

式中：E為不同節點在通信過程中的風險指數；T為電力線局域網通信時長；R為節點通信異常的權重[4]。將計算結果E與電力線局域網通信節點標準進行比對，進行通信網節點與故障形式的匹配，匹配度計算公式為

式中：Y為通信網節點與故障形式的匹配度；U為匹配過程中的補償差。根據式（1）～式（3），計算用于電力線局域網通信節點故障的特征值，實現對節點故障特征參數的提取。

2 基于離散貝葉斯的節點故障辨識與自動定位

基于參數提取結果引進離散貝葉斯網絡，進行節點故障的辨識，在此過程中，提取節點的隨機變量集合，將其表示為{X1,X2,X3,…}，用一個二元組B描述離散貝葉斯網絡，在此過程中應明確X與B兩者之間存在一一對應的關系[5]。建立針對節點故障離散數據的故障診斷模型，計算節點可能出現故障的概率。計算公式為

式中：P為節點可能出現故障的概率；Bi為二元組B中對應的第i個通信節點；x為離散數據。輸出計算結果，將計算結果與通信節點進行匹配，即可實現對節點故障的診斷。假設故障節點之間存在一定的相互獨立性，設定T為故障閾值，將節點故障概率與故障閾值進行比對，如果差值較大，證明節點的故障風險較高。找到故障風險較高的節點分布區域，在分布區域找到第i個通信節點中第j類特征的節點，明確j的取值在1 ～m。定位中，將提取的所有電力線局域網通信節點故障特征參數作為依據，進行節點故障概率值的修正，反復執行此步驟，直到j=k-1 時停止上述步驟，其中k表示最大節點數量。將得到的結果以降序方式進行排列，通過此種方式，可以掌握最大故障節點。保留概率值較高的節點，將其與離散貝葉斯網絡中的離散節點進行匹配，完成匹配后按照故障概率值的大小輸出節點，排除未匹配的節點，按照此種方式，完成基于離散貝葉斯的節點故障辨識與自動定位，實現電力線局域網通信節點故障定位方法的設計研究。

3 對比實驗

引進離散貝葉斯網絡后，以某電力線局域網為例，完成了通信節點故障定位方法的設計。為實現對該方法在實際應用中故障定位效果的檢驗，以某地區大型供電服務單位為例，采用設計對比實驗的方式，展開如下研究。

為確保實驗結果的真實性與可靠性，開展實驗前，對電力線局域網的通信傳輸架構進行描述，相關內容如圖1 所示。

圖1 電力線局域網通信傳輸架構

設置電力線局域網通信中的常見故障，包括通信節點物理類故障、線路破損故障、電力線通信傳輸端口故障、局域網路由器故障、局域網集線器故障、通信網卡故障、通信進程端口故障、通信驅動故障、通信過程中節點IP 沖突故障等。

在電力線局域網節點中隨機插入故障，使用本文設計的方法，進行節點故障的定位。定位過程中，先進行電力線局域網通信節點故障特征參數的提取。引進離散貝葉斯網絡，對通信過程中的節點是否存在故障進行診斷，完成對故障的診斷后，即可實現對故障節點的自動定位。

為滿足實驗結果的對比性需求，引進基于多分辨奇異值分解-門控循環單元（Multi Resolution Singular Value Decomposition-Gate Recurrent Unit，MRSVDGRU）的節點故障定位方法、基于ZigBee 協議棧的節點故障定位方法，將提出的2 種方法作為傳統方法1 與傳統方法2。使用傳統方法與本文方法，對電力線局域網通信節點故障進行定位。

為記錄3 種方法的故障定位效率，在電力系統通信傳輸接口接入計時器，調用后臺數據，記錄故障定位時長。其中接入的計時器參數如表1 所示。

表1 電力線局域網中接入計時器技術參數

記錄接入的計時器在電力線局域網中統計的通信節點故障定位時長，將其作為檢驗設計方法應用效果的關鍵指標，其結果如表2 所示。

表2 電力線局域網通信節點故障定位時長

從上述表2 所示的實驗結果可以看出，使用本文方法進行局域網通信節點故障定位，定位時長可以被控制在10 ms 以內，使用傳統方法1 進行局域網通信節點故障定位，定位時長可以被控制在100 ms以內，使用傳統方法2 進行局域網通信節點故障定位，不僅存在定位時長較高的問題，還存在部分節點故障無法被精準識別的現象。因此，在完成上述實驗后，得到如下結論：相比傳統定位方法，本文設計的基于離散貝葉斯的定位方法實際應用效果良好，應用該方法不僅可以實現對電力線局域網通信節點故障的定位，還可以縮短定位時長，實現對電力線局域網通信過程中節點故障的快速感知，提高電力線局域網通信的可靠性、連續性與穩定性。

4 結 論

為滿足電力線局域網的穩定、連續通信需求，引進離散貝葉斯網絡，以某電力線局域網為例，通過電力線局域網通信節點故障特征參數提取、節點故障辨識與自動定位，完成了通信節點故障定位方法的設計。完成設計后，以某地區大型供電服務單位為例，通過對比實驗證明，該方法不僅可以實現對電力線局域網通信節點故障的定位，還可以縮短定位時長。因此，在后續的研究中，可以根據電力線局域網的通信建設需求，加大對本文方法的應用，通過對該方法的推廣使用，掌握此方法的缺陷、優勢，為完善節點故障定位方法的綜合性能提供進一步的指導與幫助。