Учебное пособие 2200

тического определения

линий электропере-

мы (при вводе большого количества данных

дач.

для расчета).

Для

диагностики

состояния

линий

электропередачи

предлагается использовать

локационный метод, который позволяет

своевременно обнаруживать появление го-

лоледных отложений на проводах ЛЭП, а

также оперативно обнаруживать поврежде-

ния проводов ЛЭП [2].

Обнаружение гололедных

отложений

необходимо для своевременного проведения

и оптимизации продолжительности

плавки

гололеда на проводах, которые позволяют

предотвратить гололедные аварии на высо-

ковольтных ЛЭП.

На текущий момент имеются несколько

методов обнаружения гололедных отложе-

ний, используемых в электрических сетях.

Самыми надежными, из которых являются

механические методы, основанные на взве-

шивании провода. Но основным недостатком

данного

метода

является

необходимость

вносить изменения в линейную арматуру и

высокая цена [3].

Назначение и область применения:

необходимо разработать программу для вы-

явления текущего состояния линий электро-

передач,

на основе

расчета коэффициента

корреляции параметров затухания и запаз-

дывания, выбрав время эксперимента: год,

день, время (часы, минуты), количество при-

веденных измерений эксперимента, расчета

значения параметра сигма для параметров

затухания и запаздывания.

На рисунке 1 представлена блок схема

для реализации программного комплекса.

Программа может быть использована в

учебном процессе в качестве наглядного по-

собия в научно - исследовательской лабора-

тории «ЛДС ЛЭП», может быть использова-

на в области электроэнергетики,

в области

электротехники, также программа может

быть использована

для

диспетчерского

Рис. 1. Блок - схема для реализации

управления, передачи сигналов релейной

защиты и предотвращения противоаварий-

программного комплекса

ной автоматики.

Также были определены требования к

На первом этапе необходимо рассчи-

разрабатываемому программному обеспече-

тать коэффициент корреляции данных пара-

нию: во-первых,

максимально рационализи-

метров (параметров затухания и запаздыва-

ровать рабочее время диспетчера, во-вторых,

ния), он показывает зависимость двух вели-

предусмотреть, устойчивость системы, т.е.

чин: параметра запаздывания и

затухания,

система не должна терять работоспособно-

значение -1 будет говорить об

отсутствии

сти при некорректных действиях диспетчера,

корреляции между данными двумя парамет-

так же немало важно, эффективность систе-

ВЫПУСК № 2 (20), 2020

ISSN 2618-7167

рами, 0 - о нулевой корреляции, а +1 - о пол-

ной корреляции параметров, то есть чем

ближе значение коэффициента корреляции к

+1, тем сильнее связь между двумя парамет-

рами запаздывания и затухания:

∑

∑

∑

(1)

√

∑

∑

∑

∑

Далее рассчитывается статический па-

раметр сигма - предел прочности, то есть это

механическое напряжение, выше которого

будет происходить разрушение, иначе гово-

ря, можно сказать, что это пороговая вели-

чина, превышая которую механическое

напряжение разрушит некое тело из кон-

кретного материала, в нашем случае, поро-

говой величиной является толщина нараста-

ния гололедообразования на линиях элек-

тропередач. Все изменения должны уклады-

ваться в 3σ, то есть нормальное состояние

линий электропередач укладывается в 3σ. А

гололед постепенно нарастает, определяется

максимальный сдвиг, выше которого будет

изменение состояния линий.

Данные расчеты были проведены и бы-

ли необходимы, так как при отсутствии ста-

тистики измерений на конкретной линии

электропередач сложнее произвести компен-

сацию

температурных

вариаций значений

Рис. 2. Экспериментальные и теоретические

амплитуды и запаздывания.

нормальные распределения (с параметрами

В

этом случае

оценки

погрешностей

экспериментального) амплитуд U (а) и

для задач контроля гололедообразования мо-

запаздываний Δτ (б) отраженных импульсов

гут быть уменьшены за счет исключения из

исходного массива тех данных, которые по-

на линии (измеренные только при

лучены при положительных температурах,

температуре ниже +2°С и без компенсации

когда не могут образовываться гололедные

температурной нестабильности)

отложения. Такие распределения амплитуд и

запаздываний представлены на рис. 2 [4].

Из статистики надежности энергоси-

Определение 95 % доверительных ин-

стем следует, что самыми ненадежными

тервалов амплитуды и запаздывания по из-

элементами энергосистем являются воздуш-

мерениям только при температуре менее

ные линии электропередачи, при этом низкая

+2°С снижает ширину этих интервалов на 12

надежность линий электропередач объясня-

и 30 % соответственно по сравнению с ин-

ется частыми повреждениями проводов, что

тервалами полного массива измерений. Рас-

вызвано как естественными, так и искус-

пределение амплитуд становится нормаль-

ственными причинами.

ным согласно критерию Колмогорова-

Отключение электроэнергии является

Смирнова (Классический критерий Колмо-

весьма опасным фактором, поэтому опера-

горова предназначен для проверки простых

тивное обнаружение места повреждения на

гипотез

о

принадлежности

анализируемой

линии электропередачи и его устранение

выборки некоторому полностью известному

позволяет повысить надежность линий.

закону распределения).

В России ликвидация аварийных ре-

Информация об авторе

Information about the author

Давлетшина Л.А. – магистрант, Казанский государственный энер-

Davletshina L.A. - Master's student, Kazan State Energy University,

гетический университет (420141, Россия, Республика Татарстан,

(51, Krasnoselskaya str., Kazan, 420141, Republic of Tatarstan, Russia),

г. Казань, ул. Красносельская, 51), e-mail: liana.davletshina@mail.ru

e-mail: liana.davletshina@mail.ru

ВЫПУСК № 2 (20), 2020

ISSN 2618-7167

бесплатных библиотек анализа данных на

распространяемых библиотеки анализа дан-

различных языках программирования. Для

ных Jsat [1], VisTrails [2], Weka [3], возмож-

разработки прикладного программного обес-

ности которых сопоставлены в табл. 1 – 3.

печения на Java было найдено три свободно

Таблица 1

Характеристики распространенных библиотек анализа данных

Функции

Jsat

VisTrails

Weka

/характеристики

Язык

Java

Python

Java

программирования

Распространенная

Обучение, научные

Исследовательская

Обучение, научные ис-

область

исследовательские

работа вычислитель-

следования, промыш-

применения

задачи

ных задач

ленность

Лицензия

Свободное ПО

Свободное ПО

Свободное ПО

Стабильная версия

April 17, 2017

May 3, 2016

September 4, 2018

Формат обмена дан-

CSV

XML файл

ARFF файлы

ными

Таблица 2

Состав методов машинного обучения наиболее распространенных свободно

распространяемых библиотек анализа данных

Методы машинного обучения

Jsat

VisTrails

Weka

Нейронные сети (Artificial neural networks)

+

+

+

Деревья решений (Decision trees)

+

+

+

Метод опорный векторов (Support vector machines)

+

-

+

Баессовская сеть (Bayesian networks)

+

-

+

Генетические алгоритмы (Genetic algorithms)

+

-

+

Таблица 3

Состав методов интеллектуального анализа данных распространенных

свободно распространяемых библиотек

Реализованные методы интеллектуального

Jsat

VisTrails

Weka

анализа данных

Регрессионный анализ (GRM)

+

+

+

Многомерный дисперсионный анализ (MANOVA)

+

+

-

Анализ выживаемости

+

+

-

Логлинейный анализ

+

-

-

Анализ временных рядов и прогнозирование

+

+

+

Кластерный анализ

+

+

+

Факторный анализ

+

+

+

Деревья классификации

+

+

+

Многомерное шкалирование

+

-

+

Дискриминантный анализ

+

-

+

Анализ соответствий

+

-

+

Проведенный анализ показал, что

ет Jsat. JSAT – это библиотека методов ма-

наиболее широкими возможностями облада-

шинного обучения для исследовательских и

прикладных задач, которая предоставляется

читаются машинами и людьми. XML-

для использования в рамках GPL 3. Она

документы содержат разметку и символы

написана на языке Java 6, и есть рефакторинг

контента. Эти символы позволяют парсерам

на Java 8. Из всех исследованных библиотек

классифицировать информацию, содержа-

JSAT обладает одним из самых больших

щуюся в документе. Документ состоит из

наборов алгоритмов, и как показал прове-

тегов, и элементы хранятся в тегах. Элемен-

денный анализ (табл.1-3) единственной аль-

ты также могут содержать другие теги раз-

тернативой выступает Weka, по сравнению с

метки и формы, дочерние элементы. Кроме

которой JSAT работает быстрее.

того, элементы могут содержать атрибуты

Цель данной работы – оценить воз-

или специфические характеристики, сохра-

можность и удобство использования библио-

ненные в виде пары имя-значение.

теки JSAT для разработки собственных при-

Внутренняя структура хранения дан-

кладных решений на Java.

ных JSAT представлена специальной струк-

Входные данные программных прило-

турой данных DataSet (рис. 1). Каждая за-

жений могут быть представлены в следую-

пись этой структуры представляет собой

щих форматах [4].

структуру DataPoint, элементы которого со-

1. CSV – значения, разделенные запя-

стоят из разнотипизированных данных. Ин-

тыми. Файлы данного формата содержат за-

формация о типах атрибутов DataSet описы-

писи, состоящие из символьных полей, раз-

вается в шапке файла с данными. В свою

деленных запятыми. Для корректной интер-

очередь, структура данных DataPoint реали-

претации первая строка содержит информа-

зован с помощью типа данных Vec – это мо-

цию о заголовках, помогающая описать по-

дифицированная версия стандартного типа

следующие записи.

данных Vector библиотеки java.util, который

2. Электронные таблицы являются

имеет большое число реализованных мето-

формой табличных данных, где информация

дов для удобства реализации задач. Vec мо-

хранится в строках и столбцах, так же, как

жет быть либо разреженным, либо плотным,

двумерный массив. Они, как правило, со-

где разреженные векторы имеют большое

держат числовую и текстовую информацию

число нулей значения, которые явно не хра-

и используют формулы для обобщения и

нятся.

анализа их содержания. Большинство людей

Одним из весомых факторов при выбо-

знакомы с электронными таблицами Excel,

ре JSAT является добавленные в библиотеку

но они также встречаются в составе других

основных алгоритмом статистического ана-

пакетов программного обеспечения, таких

лиза, некоторые из которых перекрываются

как OpenOffice.

или являются частью другого алгоритма. Для

3. База данных - представленная в объ-

задач регрессии и кластеризации использу-

ективной форме совокупность самостоятель-

ется разное представление. При регрессион-

ных материалов, систематизированных та-

ном анализе используется особый тип дан-

ким образом, чтобы эти материалы могли

ных – RegressionDataSet – набор данных,

быть найдены и обработаны с помощью си-

специально предназначенный для выполне-

стемы управления базы данных (СУБД).

ния задачи регрессии. Каждая точка данных

4. Extensible Markup Language (XML) –

сопряжена с двойным значением s, которое

это язык разметки, который определяет

указывает на ее истинное значение регрес-

стандартный формат документа. Широко ис-

сии. Для кластеризации используется

пользуется для обмена данными между при-

ClassificationDataSet – набор данных, предна-

ложениями через Интернет. XML является

значенный специально для задач классифи-

популярным из-за своей относительной про-

кации. Истинный класс каждой точки дан-

стоты и гибкости. Документы, закодирован-

ных хранится отдельно от точки данных, так

ные в XML, являются символьными и легко

что он может быть подан в алгоритм обуче-

ВЫПУСК № 2 (20), 2020

ISSN 2618-7167

ВЫПУСК № 2 (20), 2020

ISSN 2618-7167

единиц (сотрудников подразделений или

держан международными экспертами во гла-

объектов контроля или наблюдения).

ве со специалистами LoRa Alliance в каче-

Для выполнения оперативно - техниче-

стве

полноценного протокола семейства

ских задач могут быть использованы техно-

LoRaWAN.

логии беспроводных дистанционных сетей с

LoRaWAN работает в диапазоне от 400

низким энергопотреблением (Low-Power

до 900 МГц, ширина полосы пропускания –

Wide-Area Networks, LPWAN), которые были

125 кГц, количество пропускных каналов –

разработаны для обмена небольшими объе-

8, уровень сигнала - 2-14 Дб. Максимальная

мами данных с устройствами, которые рас-

пиковая мощность передатчика/приемника –

считаны на длительную автономную работу.

не может превышать 25 мВт. Скорость пере-

Изначально данные технологии создавались

дачи данных – до 5,5 кбит/сек. Срок службы

в рамках концепции «интернет вещей» - IoT

устройств от одного аккумулятора может

(Internet of Things), то есть как рабочая сеть,

доходить до десяти лет, поскольку сигналы

которая связывает объекты с интернетом.

LoRa не требуют большой мощности для ге-

При этом собирается и обрабатывается ин-

нерации и передачи. В условиях плотной го-

формация от подключѐнных объектов. Одна-

родской застройки сигнал от одной базовой

ко такую концепцию возможно применить и

станции (БС) может преодолеть до 3 км, в

для локальной специализированной сети без

условиях сельских поселений – 5-7 км, в

возможности подключения к интернету.

условиях прямой видимости – 25 км. В сен-

Технология,

получившая

название

тябре 2017 года шар-зонд, поднявшийся на

LoRaWAN (Long Range wide-area networks),

высоту 38 км, оборудованный подключен-

построенная на основе спецификаций и про-

ным радиомодулем LoRa, антенной и GPS-

токолов для LPWAN, использующего нели-

модулем, смог отправить данные на расстоя-

цензируемый диапазон частот, позволяет

ние в 702 км.

подключать IoT-устройства на большие рас-

Основная структура LoRaWAN – сеть

стояния, при минимальных требованиях к

типа «звезда»: несколько приборов контроля

инфраструктуре и длительном сроке службы

или сигнализации подключаются беспровод-

на автономном питании [1].

ным сигналом к шлюзу, который работает в

LoRa - технология, которая модулирует

режиме коммутатора\повторителя. Сам он не

данные в электромагнитные волны. Техноло-

производит обработку информации, а просто

гия использует метод Chirp Spread Spectrum

служит ретранслятором, объединяющим не-

(линейно-частотная модуляция), кодирую-

сколько клиентских устройств. Безопасность

щий данные в импульсы (похожий метод пе-

в стандарте реализуется двумя ключами (из

редачи данных на протяжении десятилетий

зарубежной практики – ключи AES-128 бит)

использовался в военной и космической свя-

[2]. Любой пакет шифруется ключом сетево-

зи). LoRaWAN - это протокол связи и си-

го сервера и сервера приложений. Таким об-

стемная архитектура для сети. Уже суще-

разом, сети LoraWAN имеют существенные

ствует

предварительный национальный

преимущества по дальности передачи (в том

стандарт (ПНСТ) «Информационные техно-

числе, в условиях строений и иных препят-

логии. Интернет вещей. Протокол обмена

ствий)

данных, энергопотреблению,

по

для высокоемких сетей с большим радиусом

сравнению с сетями WiFi и GSM [3].

действия и низким энергопотреблением». В

Основными требованиями для приме-

ходе обсуждения на конференции «Регули-

нения данной технологии являются – невы-

рование

цифровых

технологий»

был под-

сокие требования к скорости передачи дан-

ных, а также наличие возможности устанав-

рублей)

ливать антенны, как можно выше для увели-

сетевой сервер на основе Intel

чения дальности связи.

Pentium G3220 = 80$ = 5887 рублей.

Немаловажен тот факт, что стоимость

В целом данная конфигурация с 8 дат-

оборудования для реализации сети LoRa за-

чиками оценивается в 36776 рублей, что бо-

метно ниже, чем стоимость оборудования

лее, чем в 2 раза экономически целесообраз-

WiFi или, тем более, GSM.

ней WiFi-аналога и на несколько порядков

Для

более наглядного

представления

ниже стоимости GSM-аналога. При этом

различий в стоимости развертывания подоб-

стоит отметить ряд как технических (таких

ных коммуникаций далее приведен сравни-

как дальность покрытия, потребляемая дат-

тельный анализ средних цен на основные

чиками мощность), так и эргономико-

компоненты архитектуры всех трех рассмат-

эксплуатационных (срок службы) парамет-

риваемых типов сетей на примере построе-

ров, по которым LoRa сеть во многих случа-

ния системы контроля и учета показаний

ях практической реализации

превосходит

счетчиков водоснабжения в жилых домах.

своих потенциальных конкурентов.

Простейшая конфигурация сети WiFi в

Исходя из выявленных преимуществ,

данном случае состоит из:

целесообразно

рассмотреть

возможность

счетчик АИСТ А100 с коммуника-

применения технологии LoraWAN в качестве

ционными модулями (3000 рублей)

альтернативы технологиям, используемым в

WiFi-роутер с необходимой зоной

системе электронного мониторинга подкон-

покрытия

и количеством

подключаемых

трольных

лиц (СЭМПЛ) органами ФСИН

устройств – WiFi Eltex WB-2 (19934 рублей)

(система электронных браслетов) [5].

сервер HP Proliant DL 380e Gen8

Как правило, судьи определяют терри-

(39 897 рублей)

торию передвижения осужденного в грани-

Таким образом, данная сеть с 8 счетчи-

цах муниципального образования, предъяв-

ками потребует финансовых вложений на

ляют ограничения по нахождению дома в

сумму 83831 рублей.

ночные часы, запрет приближаться к увесе-

Применительно

к архитектуре

сети

лительным заведениям, школам, детским са-

GSM:

дам. С помощью технологии LoRaWAN воз-

базовая станция HUAWEI BIS 3900

можно реализовать все эти требования на

– при оптовом заказе - 100$

большей территории, с лучшим качеством

опорная сеть (абонентский сервер)-

передачи данных в условиях плотной за-

Yate HSS/HLR LTE 28050$

стройки, при этом значительно дешевле, чем

транспортная

сеть -

средняя

стои-

существующая система.

мость порядка нескольких тысяч $

Для

обеспечения дистанционного

В итоге на проектирование данной сети

надзора в системе СЭМПЛ применяются два

необходимо иметь стартовый капитал разме-

типа оборудования:

ром в несколько десятков тысяч $.

cтационарное контрольное устрой-

Для варианта использования сети LoRa

ство –

аппарат,

внешне напоминающий те-

[4]:

лефон,

который

устанавливается в месте

LoRi Spi 433 МГц – 5$ = 368 рублей.

тролировать периметр жилища. Использует-

базовая станция Вега БС-1.2 (27945

ся при ограничении не покидать помещение.

мобильное устройство - небольшой

ВЫПУСК № 2 (20), 2020

ISSN 2618-7167