基于载波时频同步网络集群中节点异常诊断方法及系统与流程

本发明涉及计量领域，并且更具体地，涉及一种基于载波时频同步网络集群中节点异常诊断方法及系统。

背景技术：

1、目前电力线载波通讯技术已经在国网台区全面使用，计量装置通过载波通讯方式进行数据采集和远程费控等操作，实际运行数据统计结果显示通讯质量稳定可靠，台区载波通讯技术已经成熟。为了解决当前台区众多计量装置缺乏有效时间同步手段、时间准确性误差较大、不能满足新型电力系统需求的问题，当前正在研究和建设基于载波技术对台区内计量装置进行在线时频量值传递和在线时频性能监测的时频网络，但是针对载波时频网络和时频节点的异常实时诊断技术还没有相关研究，本方法针对时频网络和时频节点的特点提出基于大数据的异常诊断方法，对有效提升未来基于载波的时频量传网络运维效率有关键性作用。

技术实现思路

1、根据本发明，提供了一种基于载波时频同步网络集群中节点异常诊断方法及系统，以解决现有网络异常诊断技术存在的不足和台区时频同步采用载波通讯的实际情况的技术问题。

2、根据本发明的第一个方面，提供了一种基于载波时频同步网络集群中节点异常诊断方法，包括：

3、确定基于载波的台区时频同步网络，并基于载波时频网络采集时频节点实时测量信息；

4、将所述时频节点实时测量信息分为特征量和异常类型，提取所述时频节点实时测量信息的特征量，获得时频节点特征值，通过分析所述时频节点特征值确定异常节点范围，通过分析单节点时频参数演化规律和集群内邻近节点时频参数演化规律，划分时频节点异常类型；

5、从所述时频节点实时测量信息中随机选取一部分数据作为验证集，其余部分数据作为训练集，基于决策树生成算法c4.5从训练集中学习一个决策树；

6、根据精准度和召回率评估决策树在验证集的性能，若性能不能达到设定阈值，则对决策树进行剪枝，对剪枝后的决策树进行再训练，直到决策树的性能达到设定阈值或迭代次数超过预设上限。

7、可选地，确定基于载波的台区时频同步网络，并基于载波时频网络采集时频节点实时测量信息，包括：

8、确定台区时频同步网络包括多个终端节点，即一个载波主时钟节点和若干个载波从时钟节点；

9、基于电力载波网络将各终端节点建立拓扑关系，进而在整个电力载波网络中建立起同步体系，在该拓扑关系中：t-gm位于是网络主节点，是主时钟；t-tc是中继节点，既是从时钟又是透明时钟；t-sc是末端节点，是从时钟；

10、通过t-gm主节点进行载波，对网络内其他节点进行时频同步，同时采集时频节点实时测量信息，所述时频节点实时测量信息包括：本设备编号、上级设备编号、下级设备编号、频率误差、时间误差、网络延时、上次时频同步时间以及环境温度。

11、可选地，提取所述时频节点实时测量信息的特征量，获得时频节点特征值，包括：

12、所述时频节点特征值包括：频率温度校正系数、节点温度校正后归一化频差、节点归一化频差均值、节点归一化频差标准差、节点频率偏差老化率、节点时差均值、节点时差标准差、与上级节点间频率偏差、与上级节点间时间偏差、与下级节点间频率偏差、与上级节点间时间偏差、节点网络延时均值以及节点网络延时标准差；

13、根据主时钟的准确频率数值fyi，从时钟的频差测量值fci，实时温度测量值ti，按(fci/fyi)＝k1*ti+k2*ti2+k3*ti3，进行拟合，在线得到频率温度校正系数k(k1,k2,k3)；

14、基于频差测量值fci和温度测量值ti，主节点频率测量值fyi，和节点温度校正系数k，按照fc＝[fci-fyi*(1+k1*ti+k2*ti2+k3*ti3)]/fyi，获得节点温度校正后归一化频差fc；

15、对节点在一段时间内多次节点温度校正后归一化频差fc测量结果求平均得到节点归一化频差均值fm；

16、对节点在一段时间内多次节点温度校正后归一化频差fc测量结果求标准偏差得到节点归一化频差标准差fs；

17、对节点在一段时间内温度校正后归一化频差均值fmi，按照fmi＝λ*t+c进行拟合，得到节点频率偏差老化率λ；

18、对节点在一段时间内多次时差测量结果求平均得到节点时差均值δtm；

19、对节点在一段时间内多次时差测量结果求标准偏差得到节点时差标准差δts；

20、将节点归一化频差减去同期上级节点归一化频差得到与上级节点间频率偏差fuc；

21、将节点时间偏差减去同期上级节点时间偏差得到与上级节点间时间偏差δtuc；

22、将节点归一化频差减去同期下级节点归一化频差得到与下级节点间频率偏差fnc；

23、将节点时间偏差减去同期下级节点时间偏差得到与下级节点间时间偏差δtnc；

24、将节点在一段时间内的网络延时测量值平均得到节点网络延时均值δtnm；

25、将节点在一段时间内的网络延时测量值计算标准偏差得到节点网络延时标准差δtns。

26、可选地，通过分析所述时频节点特征值确定异常节点范围，通过分析单节点时频参数演化规律和集群内邻近节点时频参数演化规律，划分时频节点异常类型，包括：

27、通过分析所述时频节点特征值确定异常节点范围，通过分析单节点时频参数演化规律和集群内邻近节点时频参数单节点同步网络延迟不稳定故障演化规律，将时频节点异常类型划分为、单节点时频同步数据丢包故障、单节点同步网络组网不稳定故障、单节点时频性能衰减超阈故障、单节点时频性能突变故障、区域时频同步数据丢包故障、区域同步网络延迟不稳定故障；

28、单节点时频同步数据丢包故障指节点监测数据能够采集到的，但是节点上一次时间未更新，同时下级节点时频特性与该节点一致，而上级节点时频特性正常；

29、单节点同步网络延迟不稳定故障指节点网络延时标准差超过阈值；

30、单节点同步网络组网不稳定故障指节点存在网络离线状态；

31、单节点时频性能衰减超阈故障指节点频率偏差老化率超过阈值，同时上级节点时频特性正常；

32、单节点时频性能突变故障指通过节点归一化频差均值、节点归一化频差标准差、节点时差均值、节点时差标准差进行变化综合评定，评定结果超过阈值，同时上级节点时频特性正常，下级节点时频性能与该节点一致；

33、区域时频同步数据丢包故障指台区内多个节点存在数据丢包故障；

34、区域同步网络延迟不稳定故障指台区内多个节点存在网络延时不稳定故障；

35、区域同步网络组网不稳定故障指台区内多个节点存在网络离线状态；

36、时频设备批次质量故障指正在运行的设备中多个设备存在性能衰减超阈故障或时频性能突变故障。

37、可选地，根据精准度和召回率评估决策树在验证集的性能，若性能不能达到设定阈值，则对决策树进行剪枝，对剪枝后的决策树进行再训练，直到决策树的性能达到设定阈值或迭代次数超过预设上限，包括：

38、根据精准度和召回率评估决策树在验证集的性能，若性能不能达到设定阈值，则定义超参数概率分布对决策树进行剪枝，对马尔科夫链蒙特卡洛链进行初始化，考虑时频节点实时测量信息的特征量，确保剪枝策略针对实际应用场景进行优化；

39、对所述剪枝策略进行采样，并评估每个剪枝策略在验证集上的理论性能，基于评估性能更新超参数概率分布，使得剪枝策略逐步优化；

40、通过更新后的超参数对剪枝后的决策树进行再训练，并在训练集上训练决策树，在验证集上评估其性能，重复上述过程，直到决策树的性能达到设定阈值或迭代次数超过预设上限。

41、根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于载波时频同步网络集群中节点异常诊断系统，包括：

42、确定实时测量信息模块，用于确定基于载波的台区时频同步网络，并基于载波时频网络采集时频节点实时测量信息；

43、划分实时测量信息模块，用于将所述时频节点实时测量信息分为特征量和异常类型，提取所述时频节点实时测量信息的特征量，获得时频节点特征值，通过分析所述时频节点特征值确定异常节点范围，通过分析单节点时频参数演化规律和集群内邻近节点时频参数演化规律，划分时频节点异常类型；

44、学习决策树模块，用于从所述时频节点实时测量信息中随机选取一部分数据作为验证集，其余部分数据作为训练集，基于决策树生成算法c4.5从训练集中学习一个决策树；

45、评估验证集性能模块，用于根据精准度和召回率评估决策树在验证集的性能，若性能不能达到设定阈值，则对决策树进行剪枝，对剪枝后的决策树进行再训练，直到决策树的性能达到设定阈值或迭代次数超过预设上限。

46、可选地，确定实时测量信息模块，包括：

47、确定时频同步网络子模块，用于确定台区时频同步网络包括多个终端节点，即一个载波主时钟节点和若干个载波从时钟节点；

48、建立拓扑关系子模块，用于基于电力载波网络将各终端节点建立拓扑关系，进而在整个电力载波网络中建立起同步体系，在该拓扑关系中：t-gm位于是网络主节点，是主时钟；t-tc是中继节点，既是从时钟又是透明时钟；t-sc是末端节点，是从时钟；

49、采集时频节点实时测量信息子模块，用于通过t-gm主节点进行载波，对网络内其他节点进行时频同步，同时采集时频节点实时测量信息，所述时频节点实时测量信息包括：本设备编号、上级设备编号、下级设备编号、频率误差、时间误差、网络延时、上次时频同步时间以及环境温度。

50、可选地，划分实时测量信息模块，包括：

51、所述时频节点特征值包括：频率温度校正系数、节点温度校正后归一化频差、节点归一化频差均值、节点归一化频差标准差、节点频率偏差老化率、节点时差均值、节点时差标准差、与上级节点间频率偏差、与上级节点间时间偏差、与下级节点间频率偏差、与上级节点间时间偏差、节点网络延时均值以及节点网络延时标准差；

52、得到频率温度校正系数子模块，用于根据主时钟的准确频率数值fyi，从时钟的频差测量值fci，实时温度测量值ti，按(fci/fyi)＝k1*ti+k2*ti2+k3*ti3，进行拟合，在线得到频率温度校正系数k(k1,k2,k3)；

53、获得节点温度校正后归一化频差子模块，用于基于频差测量值fci和温度测量值ti，主节点频率测量值fyi，和节点温度校正系数k，按照fc＝[fci-fyi*(1+k1*ti+k2*ti2+k3*ti3)]/fyi，获得节点温度校正后归一化频差fc；

54、得到节点归一化频差均值子模块，用于对节点在一段时间内多次节点温度校正后归一化频差fc测量结果求平均得到节点归一化频差均值fm；

55、得到节点归一化频差标准差子模块，用于对节点在一段时间内多次节点温度校正后归一化频差fc测量结果求标准偏差得到节点归一化频差标准差fs；

56、得到节点频率偏差老化率子模块，用于对节点在一段时间内温度校正后归一化频差均值fmi，按照fmi＝λ*t+c进行拟合，得到节点频率偏差老化率λ；

57、得到节点时差均值子模块，用于对节点在一段时间内多次时差测量结果求平均得到节点时差均值δtm；

58、得到节点时差标准子模块，用于对节点在一段时间内多次时差测量结果求标准偏差得到节点时差标准差δts；

59、得到与上级节点间频率偏差子模块，用于将节点归一化频差减去同期上级节点归一化频差得到与上级节点间频率偏差fuc；

60、得到与上级节点间时间偏差子模块，用于将节点时间偏差减去同期上级节点时间偏差得到与上级节点间时间偏差δtuc；

61、得到与下级节点间频率偏差子模块，用于将节点归一化频差减去同期下级节点归一化频差得到与下级节点间频率偏差fnc；

62、得到与下级节点间时间偏差子模块，用于将节点时间偏差减去同期下级节点时间偏差得到与下级节点间时间偏差δtnc；

63、得到节点网络延时均值子模块，用于将节点在一段时间内的网络延时测量值平均得到节点网络延时均值δtnm；

64、得到节点网络延时标准差子模块，用于将节点在一段时间内的网络延时测量值计算标准偏差得到节点网络延时标准差δtns。

65、可选地，划分实时测量信息模块，包括：

66、划分异常类型子模块，用于通过分析所述时频节点特征值确定异常节点范围，通过分析单节点时频参数演化规律和集群内邻近节点时频参数单节点同步网络延迟不稳定故障演化规律，将时频节点异常类型划分为单节点时频同步数据丢包故障、单节点同步网络组网不稳定故障、单节点时频性能衰减超阈故障、单节点时频性能突变故障、区域时频同步数据丢包故障、区域同步网络延迟不稳定故障；

67、单节点时频同步数据丢包故障指节点监测数据能够采集到的，但是节点上一次时间未更新，同时下级节点时频特性与该节点一致，而上级节点时频特性正常；

68、单节点同步网络延迟不稳定故障指节点网络延时标准差超过阈值；

69、单节点同步网络组网不稳定故障指节点存在网络离线状态；

70、单节点时频性能衰减超阈故障指节点频率偏差老化率超过阈值，同时上级节点时频特性正常；

71、单节点时频性能突变故障指通过节点归一化频差均值、节点归一化频差标准差、节点时差均值、节点时差标准差进行变化综合评定，评定结果超过阈值，同时上级节点时频特性正常，下级节点时频性能与该节点一致；

72、区域时频同步数据丢包故障指台区内多个节点存在数据丢包故障；

73、区域同步网络延迟不稳定故障指台区内多个节点存在网络延时不稳定故障；

74、区域同步网络组网不稳定故障指台区内多个节点存在网络离线状态；

75、时频设备批次质量故障指正在运行的设备中多个设备存在性能衰减超阈故障或时频性能突变故障。

76、可选地，评估验证集性能模块，包括：

77、对决策树进行剪枝子模块，用于根据精准度和召回率评估决策树在验证集的性能，若性能不能达到设定阈值，则定义超参数概率分布对决策树进行剪枝，对马尔科夫链蒙特卡洛链进行初始化，考虑时频节点实时测量信息的特征量，确保剪枝策略针对实际应用场景进行优化；

78、更新超参数概率分布子模块，用于对所述剪枝策略进行采样，并评估每个剪枝策略在验证集上的理论性能，基于评估性能更新超参数概率分布，使得剪枝策略逐步优化；

79、再训练决策树子模块，用于通过更新后的超参数对剪枝后的决策树进行再训练，并在训练集上训练决策树，在验证集上评估其性能，重复上述过程，直到决策树的性能达到设定阈值或迭代次数超过预设上限。

80、从而，可以快速诊断台区内通信网络异常的原因，并通过出现问题特征值给出异常诊断结果，在部署此算法的试点台区中诊断效果显著。本方案的智能诊断的准确率根据积累问题特征的时间，以及针对新的问题数据集通过模型的不断训练，可以提升台区内通信网络异常的诊断的检出率和命中率，大大降低了原有通过人工排查以及现场问题定位的时间成本和经济成本。