滕志軍，李國強(qiáng)，何鑫，張帆，索大翔

(1.東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林省吉林市132012; 2.天津電力公司調(diào)度通信中心，天津300010)

高壓帶電體溫度監(jiān)測及灰色預(yù)測分析

滕志軍1，李國強(qiáng)1，何鑫1，張帆1，索大翔2

(1.東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林省吉林市132012; 2.天津電力公司調(diào)度通信中心，天津300010)

闡述了ZigBee監(jiān)測變電站高壓帶電體溫度的基本原理與監(jiān)測過程，完成了相關(guān)軟件的設(shè)計，進(jìn)行了變電站高壓帶電體溫度的實際測試工作，且利用灰色預(yù)測理論，提出了高壓帶電體溫度預(yù)測方案，對溫度變化實現(xiàn)了較為精準(zhǔn)的預(yù)測。結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性良好，能夠?qū)崟r監(jiān)測預(yù)測溫度，具有較高的推廣價值。

ZigBee;高壓;溫度;監(jiān)測;灰色預(yù)測

1 引言

目前，隨著電力系統(tǒng)向大容量、大機(jī)組、高電壓等級的方向發(fā)展，對供電可靠性的要求也越來越高。高壓電纜接頭由于接觸不良等原因，在滿負(fù)荷負(fù)載電流通過時會造成溫升過高、局部過熱情況。國內(nèi)外都發(fā)生過多起因為高壓電纜接頭接觸不良而導(dǎo)致的短路、停電等事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失與極大影響。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，60%左右的電纜事故都由電纜接頭過熱導(dǎo)致，故變電站高壓電纜接頭的溫度監(jiān)測也已成為電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行所面臨的現(xiàn)實問題。

近年來，國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)在高壓電纜接頭溫度的實時監(jiān)測上做了一些研究。文獻(xiàn)［1］提出一種示溫貼片和圖像處理技術(shù)相結(jié)合的高壓觸點(diǎn)溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，但示溫貼片的顏色與溫度對應(yīng)有一定要求，容易造成較大誤差。文獻(xiàn)［2］采用紅外測溫方式實現(xiàn)高壓帶電設(shè)備的溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測，并通過現(xiàn)場校正和試驗來保證采集溫度的準(zhǔn)確性，但紅外測溫易受環(huán)境影響。文獻(xiàn)［3，4］提出了一種以WSN為基礎(chǔ)的高壓電氣設(shè)備溫度實時監(jiān)測方案，解決了文獻(xiàn)［1，2］所存在的弊端，但溫度的精確采集需要考慮錯誤數(shù)據(jù)的修正問題。文獻(xiàn)［5］介紹了導(dǎo)線接頭在線測溫系統(tǒng)的軟硬件平臺架構(gòu)，說明了ZigBee測溫節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)方案和算法，一定程度上改善了溫度數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)目煽啃裕珜?shù)據(jù)的修正問題沒有涉及。

相關(guān)國內(nèi)外文獻(xiàn)還停留在實時監(jiān)測方面，而對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，將預(yù)測理論實際應(yīng)用在高壓電纜接頭溫度方面的研究很少。本文在文獻(xiàn)［5］節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)方案的基礎(chǔ)上，利用ZigBee技術(shù)的低功耗、短延時、低成本和傳輸穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建高壓電纜接頭溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)，用較低成本完成傳輸多條輸電線路跳線接頭溫度的功能［6］。然后針對采集到的錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，通過擬合和卡爾曼濾波得到較優(yōu)估計值。最后將灰色預(yù)測理論應(yīng)用到監(jiān)測系統(tǒng)中，有效地預(yù)測溫度變化，在溫度達(dá)到上限值前事先預(yù)警，有助于避免電力事故，利于工作人員掌握溫度變化趨勢，消除安全隱患，也為高壓帶電設(shè)備的狀態(tài)檢修評價工作提供相關(guān)依據(jù)。

2 ZigBee技術(shù)與灰色預(yù)測

2.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee采用IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［7］，是新興的短距離、低速率、低功耗的無線通信技術(shù)。Zig-Bee采用直接序列擴(kuò)頻，工作在全球免費(fèi)的2.4GHz頻段，利用較高階的QPSK調(diào)制技術(shù)達(dá)到250KB/s的速率。ZigBee根據(jù)輸出功率和信道環(huán)境的不同，其實際傳輸距離介于10～75m之間，一般在30m左右［8］。ZigBee采用碰撞避免機(jī)制的CSMA/CA協(xié)議，保證了節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的可靠性傳輸。ZigBee可以自動組網(wǎng)，能夠使系統(tǒng)方便靈活地加入或者撤消測溫節(jié)點(diǎn)［5］，可支持高達(dá)65000個節(jié)點(diǎn)，采用AES-128加密算法保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。ZigBee聯(lián)盟制定了星形、樹形和網(wǎng)形三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［9］，如圖1所示。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1ZigBee network topology

2.2 灰色預(yù)測算法

灰色預(yù)測理論是用于研究數(shù)據(jù)量少、信息貧瘠的不確定問題的理論方法［10］，在預(yù)測領(lǐng)域具有樣本需求較少、預(yù)測精度較高、低運(yùn)算量以及不用考慮樣本分布規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用［11-13］。本設(shè)計采用灰色系統(tǒng)的基本預(yù)測模型—GM(1，1)模型［14］，把變電站高壓電纜接頭的溫度看作灰數(shù)，進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，對所測歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行累加累減等數(shù)據(jù)處理來發(fā)現(xiàn)其潛在規(guī)律，建立灰色微分方程，從而對溫度的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。

一周內(nèi)所對應(yīng)的同一時間的歷史溫度數(shù)列為:

式中，n為數(shù)據(jù)個數(shù)，且n=7。對x(0)進(jìn)行AGO運(yùn)算，使之構(gòu)成累加溫度數(shù)列x(1)，以弱化歷史數(shù)據(jù)的波動性和隨機(jī)性，則:式中，

GM(1，1)灰微分模型為:

式中，z(1)(k)為x(1)(k)的緊鄰累加溫度均值序列，z(1)(k)=0.5［x(1)(k)+x(1)(k－1)］，k=2，3，…，n;a，b分別為模型發(fā)展系數(shù)和灰色輸入，可通過歷史溫度數(shù)列x(0)和累加數(shù)列x(1)求得。

由方程(3)可得累加數(shù)列的預(yù)測結(jié)果:

式中，x^(1)(k)表示第k個解析值。由于GM模型得到的是一次累加量，故必須對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行累減逆生成，則可得到還原預(yù)測結(jié)果:

式中，x^(0)(k)表示累減還原所得到的第k個溫度預(yù)測值。

3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)主要由終端采集裝置、ZigBee協(xié)調(diào)器、GPRS網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測中心等構(gòu)成。監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖Fig.2Composition block diagram of monitoring system

系統(tǒng)將采集裝置(溫度傳感器與ZigBee終端通過一段數(shù)據(jù)線相連接)掛接在高壓電纜上，溫度傳感器直接安裝在變電站高壓電纜接點(diǎn)處，利用直接接觸測溫方式采集接頭溫度，獲得更加準(zhǔn)確的發(fā)熱點(diǎn)情況。

ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收下層(采集裝置直接或ZigBee路由轉(zhuǎn)發(fā))上傳的數(shù)據(jù)，并對信息進(jìn)行匯總，將接收到的數(shù)據(jù)通過RS232傳送給GPRS，再由GPRS將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)測中心的計算機(jī)并交由其中的后臺軟件進(jìn)行處理。

監(jiān)測中心內(nèi)的終端數(shù)據(jù)處理單元完成對接收數(shù)據(jù)的分析處理，將處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)需要存儲到數(shù)據(jù)庫中，并以圖形與報表形式顯示以便分析;當(dāng)溫度超過預(yù)先設(shè)定的閾值后進(jìn)行聲音報警與屏幕提示處理，提醒值班人員緊急處理。同時，監(jiān)測中心不僅提供故障點(diǎn)的定位、歷史數(shù)據(jù)查詢功能，而且可以根據(jù)監(jiān)測到的歷史數(shù)據(jù)，利用預(yù)測算法對未來的溫度變化進(jìn)行預(yù)測，在事故發(fā)生前采取必要的措施，保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。

4 高壓帶電體溫度監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 硬件實現(xiàn)

本設(shè)計實現(xiàn)了采集裝置和監(jiān)測中心主機(jī)。采集裝置硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，采集裝置由傳感器模塊、處理器模塊、供電模塊和無線通信模塊構(gòu)成。傳感器模塊采用1-Wire總線技術(shù)的DS18B20溫度傳感器。處理器模塊和無線通信模塊采用CC2430芯片，它集成了一個高性能且符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)的RF無線電收發(fā)機(jī)，擁有一顆高效、低功耗的工業(yè)級8051微控制器［15］。供電模塊采用3.3V的直流電源，由于采集裝置要求電池壽命長，而CC2430由休眠模式轉(zhuǎn)換到工作模式的超短時間特性正好符合要求。監(jiān)測中心主機(jī)采用采集裝置的處理器模塊、供電模塊和無線通信模塊，再接入串口模塊，以實現(xiàn)監(jiān)測中心主機(jī)與無線網(wǎng)絡(luò)的通信。

圖3 采集裝置硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3Hardware structure diagram of acquisition device

4.2 軟件設(shè)計

在監(jiān)測中心上裝有Linux系統(tǒng)，開發(fā)了相應(yīng)的部分驅(qū)動程序，實現(xiàn)了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，數(shù)據(jù)查詢協(xié)議的設(shè)計等。

4.2.1 ZigBee組網(wǎng)設(shè)計

ZigBee具有強(qiáng)大的自組網(wǎng)功能，其網(wǎng)絡(luò)容量可達(dá)到驚人的65535個節(jié)點(diǎn)。圖4為ZigBee組網(wǎng)流程圖。首先通過串口進(jìn)行初始化，并對協(xié)議棧指定的信道進(jìn)行掃描。若是滿足組網(wǎng)條件，則廣播查詢網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請求，如果網(wǎng)絡(luò)中已存在協(xié)調(diào)器，通過一系列的請求認(rèn)證加入網(wǎng)絡(luò)成為其子節(jié)點(diǎn);否則，將自身設(shè)置為協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器會為網(wǎng)絡(luò)選擇一個唯一的PANID，并擁有一個支持其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的連接設(shè)備列表。其他節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)連接請求，根據(jù)入網(wǎng)先后順序，會自動為其分配一個16位的短地址，則子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功。

4.2.2 數(shù)據(jù)查詢協(xié)議設(shè)計

監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)網(wǎng)狀分布，越靠近協(xié)調(diào)器，上傳的數(shù)據(jù)量越大，越容易造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，不能及時處理緊急事件。因此，本文設(shè)計了數(shù)據(jù)查詢協(xié)議。

傳感器監(jiān)測到異常事件時，即高壓帶電體溫度超出了正常范圍，將產(chǎn)生報警信息。由于高壓傳輸線的溫度可能在臨界值附近波動，所以，本設(shè)計采取連續(xù)三次的異常才會產(chǎn)生報警信息，且報警信息的優(yōu)先級最高，各路由節(jié)點(diǎn)優(yōu)先處理并轉(zhuǎn)發(fā)，可以保證及時上傳報警數(shù)據(jù)。而其他采集到的溫度數(shù)據(jù)包周期性地上傳到監(jiān)測中心。監(jiān)測中心采用輪詢方式，自由調(diào)整數(shù)據(jù)采集的周期，以避免采集到的數(shù)據(jù)同時大量上傳而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)阻塞。同時，在采集周期內(nèi)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式以節(jié)省能量。

圖4 ZigBee組網(wǎng)流程圖Fig.4ZigBee network flow chart

5 系統(tǒng)實現(xiàn)的相關(guān)問題

5.1 高壓帶電體電磁干擾的影響

變電站高壓輸電線路的電壓等級高，輸送電能量大，在工作過程中會成為一個強(qiáng)大的電磁輻射源，存在電磁干擾、電暈危害等情況，對無線電波的傳輸在一定程度上造成干擾。ZigBee工作在免費(fèi)的2.4GHz頻段，而電暈放電形成的電磁波輻射對周圍環(huán)境的高頻干擾在超過20MHz頻率后快速衰減，幾乎為0，因此不用考慮變電站高壓帶電體電磁干擾的影響。

5.2 節(jié)點(diǎn)間通信距離問題

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的通信距離對數(shù)據(jù)的傳輸可靠性和穩(wěn)定性具有很大的影響，它決定了監(jiān)測中心接收到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，本設(shè)計在變電站高壓電磁情況下，連續(xù)兩天測試了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間通信距離與丟包率的關(guān)系以找尋最大通信距離，結(jié)果見表1。通過對實際測試數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)節(jié)點(diǎn)間距離≤12m時，丟包率較低(≤1.24%)，可以認(rèn)為終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)通信穩(wěn)定可靠。當(dāng)節(jié)點(diǎn)間距離≥15m時，丟包率急劇增大，已經(jīng)不能滿足節(jié)點(diǎn)之間的通信要求?；陔娏ο到y(tǒng)安全性的考慮，其對通信可靠性的要求較高，因此推薦12m作為節(jié)點(diǎn)間的最大通信距離。

表1 通信距離測試數(shù)據(jù)Tab.1Test data of communication distance

5.3 供電問題

可靠的供電裝置是高壓帶電體溫度監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，其性能關(guān)乎到溫度監(jiān)測的成敗。而且出于安全考慮，供電裝置的重量和體積要滿足設(shè)計的承重等要求，避免對電纜造成損傷［10］。由于采集裝置掛接在室外變電站高壓電纜接點(diǎn)處，電池更換困難，故本系統(tǒng)采用特制電源CT供能與蓄電池并行的供電方式。電源CT采用特制穿心式電流互感器，通過能量控制、全波整流、LC濾波、穩(wěn)壓等措施為采集裝置提供能量，能夠在小電流和大電流情況下保證電源供應(yīng)。CT鐵心選擇坡莫合金1J85以保證電源的啟動電流［16］。一般情況下，由電源CT供電并向蓄電池充電，溫度測量裝置就能夠正常工作;當(dāng)電纜斷電時，自動切換到蓄電池供電。

5.4 預(yù)測子系統(tǒng)問題

變電站高壓帶電體溫度預(yù)測是保證電力系統(tǒng)安全和可靠運(yùn)行的前提，可以在一定程度上影響電力運(yùn)行規(guī)劃，為電力的合理調(diào)度做參考。而高壓帶電體溫度的變化既有隨機(jī)性又有周期性，因此本設(shè)計利用灰色預(yù)測來描述溫度的變化趨勢。終端采集節(jié)點(diǎn)可能存在故障而造成錯誤或壞數(shù)據(jù)，因此預(yù)測子系統(tǒng)需要對采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與判斷，對錯誤的信息進(jìn)行修正，若不能得到有效的修正，會將錯誤的數(shù)據(jù)提供給溫度預(yù)測作為參考，影響預(yù)測的精度。

鑒于溫度的變化不是突變式的，選擇錯誤數(shù)據(jù)所對應(yīng)的連續(xù)若干天同一時間的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到擬合表達(dá)式并估計出壞點(diǎn)數(shù)據(jù)的值，并利用卡爾曼濾波器得到一個較優(yōu)估計值，結(jié)果見表2。

表2 不良數(shù)據(jù)修正檢驗結(jié)果Tab.2Test results for correcting bad data

6 測試結(jié)果與預(yù)測分析

通過對某220kV變電站高壓電纜接頭的實時監(jiān)測，可以得到每隔5min采集一次的溫度數(shù)據(jù)。

為了驗證灰色預(yù)測算法的可行性與可靠性，以預(yù)測日前一周的歷史溫度數(shù)據(jù)建立灰色GM(1，1)模型，并運(yùn)用此模型對預(yù)測日00:00～24:00的溫度進(jìn)行預(yù)測，可以得到如圖5所示的兩條曲線，其中實線為通過實時監(jiān)測得到的高壓電纜接頭實際值，虛線表示運(yùn)用灰色預(yù)測對歷史數(shù)據(jù)挖掘所得到的預(yù)測值。

圖5 GM(1，1)預(yù)測結(jié)果圖Fig.5Prediction map of GM(1，1)

表3為預(yù)測日8～9時的溫度預(yù)測結(jié)果。由圖5與表3中的結(jié)果可知，灰色預(yù)測算法不僅能很好地預(yù)測高壓帶電體溫度數(shù)據(jù)，并且在總體上的預(yù)測精度較高，相對誤差控制在1.5%以內(nèi)，證明該預(yù)測是有效可行的，為電力系統(tǒng)的提前預(yù)警和狀態(tài)評估提供了依據(jù)。

表3 一小時溫度預(yù)測結(jié)果Tab.3Prediction results of temperature for one hour

7 結(jié)論

本文討論了ZigBee技術(shù)應(yīng)用在變電站高壓帶電體溫度監(jiān)測系統(tǒng)的具體流程，提出了相關(guān)的軟硬件實現(xiàn)方案，進(jìn)行了實際環(huán)境下測量實驗，實現(xiàn)了監(jiān)測的無線化與每天24h連續(xù)在線監(jiān)測，并針對采集錯誤的數(shù)據(jù)在監(jiān)測中心使用擬合與卡爾曼濾波相結(jié)合的方式進(jìn)行了修正，創(chuàng)新性地結(jié)合了灰色預(yù)測理論，提出高壓帶電體溫度故障預(yù)測方案。該方案能夠預(yù)測溫度數(shù)據(jù)的變化趨勢，便于工作人員及時掌握高壓帶電體溫度并進(jìn)行相應(yīng)控制，提高供電可靠性，保證了電力系統(tǒng)可靠與安全運(yùn)行。

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Temperature monitoring and grey prediction analysis for high voltage electrified body

TENG Zhi-jun1，LI Guo-qiang1，HE Xin1，ZHANG Fan1，SUO Da-xiang2
(1.Department of Information Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China; 2.Tianjin Electric Power Corporation，Tianjin 300010，China)

This paper expounds the basic principle and monitoring process of ZigBee monitoring the high voltage electrified body temperature in substations，completing the related software design and testing the high voltage electrified body temperature in substations practically.Moreover，using grey prediction theory，this paper proposed the prediction scheme of high voltage electrified body temperature，realizing prediction to the change of temperature precisely.The results show that the stability and security of the monitoring system is good as well as the system can accurately monitor and predict the temperature in real time，thus the system is worth to popularize.

ZigBee;high voltage;temperature;monitoring;grey prediction

TN92

A

1003-3076(2014)09-0062-06

2013-03-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(51077010)

滕志軍(1973-)，男，吉林籍，教授，博士，研究方向為無線通信技術(shù);李國強(qiáng)(1989-)，男，內(nèi)蒙古籍，碩士研究生，研究方向為無線通信技術(shù)。