高昇宇，劉海峰，朱孟周，宋思齊

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，南京210005；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，長沙410007；3.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院，南京211103；4.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京210000）

隨著智能配電網(wǎng)建設的不斷加速，智能化設備需求的不斷增大，傳統(tǒng)意義上的一二次設備已經(jīng)不能滿足當前電網(wǎng)技術發(fā)展的需求，一二次融合配電開關逐漸躍入了人們的視野。兩者加速融合打破了電力設備市場現(xiàn)有格局，對二次設備運行可靠性提出更高要求[1]。目前的配電網(wǎng)一二次設備融合是近年來配電設備標準化、集成化發(fā)展的趨勢。配電網(wǎng)一二次融合設備采取從一次和二次設備進行整體設計、整體招標的方式來應用于現(xiàn)場，和傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜與終端結合方式相比，解決了一二次設備之間的配合問題以及減少了現(xiàn)場調試人員的協(xié)調工作量[2]。

由于一二次融合配電開關采用了傳感器技術來實現(xiàn)測量、保護、計量功能。其具有體積小、可消除鐵磁諧振、采樣線性度好、采樣范圍大、節(jié)省資源等優(yōu)點。但是一二次融合配電開關在復雜環(huán)境中運行情況難以衡量[3]。尤其是在配電開關一二次設備融合之后，在諸如強電場、強磁場、電磁波、高溫、高熱、風暴等各種現(xiàn)場環(huán)境狀況下，二次設備的可靠運行情況就很難把握，這對于配電網(wǎng)能否正常運行具有重要的意義[4]。

1 測試系統(tǒng)總體方案設計

本研究將無線傳感器網(wǎng)絡技術、GPRS 通信技術、傳感器技術、檢測技術融合在一起，設計出新型的一二次融合配電開關運行檢測系統(tǒng)，對變電站內高壓開關、變壓器等主要設備進行實時在線遠程監(jiān)控。測試系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)整體方案設計Fig.1 Overall scheme design of the test system

該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)分析層和數(shù)據(jù)應用層。在應用時，數(shù)據(jù)感知層通過設置檢測裝置或者傳感器技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息采集，信息采集部分采用傳感器電路/設備對一二次融合配電開關的運行情況進行數(shù)據(jù)采集，對其運行的環(huán)境情況以及運行參數(shù)進行檢測[5]。也可以采用物聯(lián)網(wǎng)設備或者RFID 視頻識別裝置、GPS 定位裝置、紅外線感應裝置等，通過底層設備感知，獲取底層設備信息。通過采用物聯(lián)網(wǎng)技術，能夠廣泛地感知各種一二次配電開關的信息。通過在一二次配電開關設置物聯(lián)網(wǎng)感知設備以及多種傳感器，使得每個傳感器都能從不同角度捕獲一二次配電開關的信息，由于傳感器感知到的數(shù)據(jù)信息具有實時性的特點，通過其感知的一二次配電開關能夠按照一定的頻率循環(huán)不斷地采集一二次配電開關的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)實時在線數(shù)據(jù)采集[6]。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術獲取數(shù)據(jù)信息之后，然后在數(shù)據(jù)傳輸層采用基于ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡技術構建配電網(wǎng)設備中的環(huán)境內部網(wǎng)絡，使得各個不同的一二次融合配電開關監(jiān)測節(jié)點的采集數(shù)據(jù)能夠通過路由節(jié)點向匯聚節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)[7]。數(shù)據(jù)檢測類型為檢測一二次融合后配電開關的電壓、電流、磁場、溫度等參數(shù)，通過感知這些數(shù)據(jù)信息，獲取配電開關的運行情況。然后在數(shù)據(jù)傳輸層中將獲取的一二次融合后配電開關信息傳遞到上層結構進行處理[8]。

2 關鍵技術設計

2.1 一二次融合配電開關采樣原理

下面通過設計傳感器電路對運行中的一二次融合配電開關進行采樣。采樣電路包括電壓傳感器、電流傳感器、饋線終端（FTU）、線損采集模塊等，通過該電路實現(xiàn)電流和電壓的感知[9]。其電路結構如圖2所示。

圖2 一二次融合配電開關采樣原理圖Fig.2 Sampling schematic diagram of primary and secondary fusion distribution switch

該電路在工作時，通過電壓傳感器采集一二次融合配電開關的電壓信息，通過電流傳感器采集一二次融合配電開關的電流信息，一二次融合配電開關將或者的電阻分壓式電壓傳感器和600 A/1 V 的低功耗電流傳感器集成在其本體上，這些信息通過航插線的方式傳遞到FTU設備[10]，F(xiàn)TU 設備能夠將采集到一二次融合配電開關運行電壓信息計算電壓值，再采集電流值，以同樣的方式進行。在評價磁波、溫度、熱量等參數(shù)時，可以在電路中接入磁場傳感器、溫度傳感器、熱量傳感器等不同的傳感器類型，通過各種不同的傳感器類型傳遞不同的數(shù)據(jù)，進而全面地評價一二次融合配電開關的運行狀況[11]。在工作過程中，還采用了運維App，其具有獨立的物理端口，能夠有效地保障維護功能，并且與核心業(yè)務進行安全隔離。該采集系統(tǒng)還支持運維端口工作，能夠在HTTPS-443、TFTP-69 等端口在運行時，在默認情況下是關閉狀態(tài)。該采集終端僅僅在運維特定條件下，能夠開放地兼容國網(wǎng)/南網(wǎng)數(shù)字證書的雙向身份認證以及芯片加密功能[12]。

2.2 數(shù)據(jù)融合方法

由于一二次融合配電開關運行環(huán)境的復雜性，如果考察其運行狀態(tài)的多個參數(shù)，則需要設置不同種類的傳感器，在多個傳感器并行工作的情況下，難以精確獲取其數(shù)據(jù)。本研究引用一種自適應加權融合算法，即在各種不同數(shù)據(jù)總均方差最小的情況下，按照各個傳感器感知的數(shù)據(jù)測量值，通過自適應的方式搜索出不同傳感器所對應的最優(yōu)加權算子，使數(shù)據(jù)搜索結果達到最優(yōu)解[13]，數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)結構如圖3所示，其包括無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點、各種不同的傳感器組件、信號調理電路、A/D 轉換模塊、微處理器及電源模塊。通過各種傳感器感測的不同數(shù)據(jù)，進而獲取均方值誤差期望值比較小的數(shù)據(jù)融合值。傳感器通過RS485 總線接口與SEEDVPM642 開發(fā)平臺中的RS485 串口連接[14]。

在數(shù)據(jù)融合計算時，首先建立自適應加權融合算法模型，該算法模型如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the system structure of data fusion

圖4 自適應加權融合算法模型Fig.4 Adaptive weighted fusion algorithm model

基于上述數(shù)據(jù)模型，可以對多個傳感器數(shù)據(jù)進行融合分析。在上述數(shù)據(jù)模型中，假設第i 個傳感器傳感的數(shù)據(jù)方差記作σi，對其數(shù)據(jù)進行融合后的輸出數(shù)據(jù)記作Xi，加權算子記作Wi，其中i 的值為1-n，設置好數(shù)據(jù)后，則融合后的X 數(shù)值與加權算子之間的計算關系[15]，能夠滿足：

則在計算總方差時，則有：

式中：?表示總方差；E 表示方差。由于X1、X2，Xn之間互相獨立，并且該數(shù)據(jù)是X 的無偏估計，所以通過方差計算，能夠減少數(shù)據(jù)融合計算的誤差[16]。則有：

式中：（p≠q，p=1，2，3，……，n；q=1，2，3，……，n）；

每種不同的傳感器的加權算子可以表示為

利用式（5）能夠計算輸出各個傳感器的最優(yōu)加權算子，然后結合具體工作的實際測量值，通過式（1）可以計算出數(shù)據(jù)融合后的最優(yōu)值[17]。

3 試驗結果與分析

在試驗時采用SEED-VPM642 開發(fā)平臺，與感測傳感器之間通過Modbus 協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，其中每480 ms 內獲取一組傳感器數(shù)據(jù)。在試驗時，通過圖像傳感器感測一二次融合配電開關的運行信息[18]。在圖像傳感器中，還設置了視頻解碼器TVP5150 芯片，視頻解碼器TVP5150 芯片與DM642 連接，通過DM642 能夠每隔160 ms 通過TVP5150 芯片來采集一幀又一幀的圖像，然后再完成圖像參數(shù)的計算，利用磁場傳感器、溫度傳感器實現(xiàn)電路設備中磁場和溫度的檢測，多角度地反映一二次融合配電開關的數(shù)據(jù)信息[19]。

在試驗時，分別采用3 組互不相關的零的均值白噪聲數(shù)據(jù)來模擬上述3 個傳感器感測出的數(shù)據(jù)誤差數(shù)據(jù)。取真值為X=1，先取3 組白噪聲的方差分別為0.06、0.11、0.40，將真值X 與白噪聲數(shù)據(jù)一次相加，即可模擬出3 組傳感器的測量數(shù)據(jù)。然后按照上述的自適應加權融合估計算法對3 個不同的傳感器測量的數(shù)據(jù)進行融合計算[20]。輸出自適應加權估計的輸出曲線如圖5所示。

圖5 自適應加權估計的輸出曲線Fig.5 Output curve of adaptive weighted estimation

然后再直接對3 個傳感器進行平均值估計，再繪出這3 個傳感器分別對應的權值分布曲線，如圖6所示。

圖6 不同傳感器的權值分布圖Fig.6 Weight distribution of different sensors

當傳感器發(fā)生故障時，此時，如果利用傳統(tǒng)的均值計算方法則很難得出的結論。因為故障的存在，會在輸出信號中出現(xiàn)很大的震蕩現(xiàn)象，這對于估計測量值造成很大的困難[21]。本文提出的融合算法就發(fā)揮出重要的作用，該算法具有較強的容錯特性，其輸出值能夠很好地收斂于真值，故障發(fā)生時的融合曲線如圖7所示，傳感器發(fā)生故障時的權值分布曲線如圖8所示。

圖7 傳感器發(fā)生故障時的融合曲線Fig.7 Fusion curve when the sensor fails

圖8 傳感器發(fā)生故障時的權值分布曲線Fig.8 Weight distribution curve when the sensor fails

通過上述曲線可以看出，方差為0.11 的故障傳感器的測量值權值比較小，基本接近于0 值，這說明，采用該權值估計，算法比較準確，在傳感器應用中，具有較強的數(shù)據(jù)正確性和容錯性能。通過上述測試，本研究在未知傳感器感測數(shù)據(jù)先驗信息的條件下，能夠從包括有觀測噪聲的數(shù)量測量信息中獲取估計量的最小均方誤差值[22]。本研究的方法將傳感器的均方誤差、測量精度等信息進行了融合處理，能夠使用戶快速、精確地獲取信息真值，大大提高了信息檢測的精度，進而擴展了數(shù)據(jù)觀測的范圍，提高了一二次融合配電開關的工作測試性能。

4 結語

一二次融合的智能集成開關對于配電網(wǎng)的正常運行具有重要的意義，通過對一二次融合智能集成開關運行情況的測試，能夠快速提高智能開關對配電網(wǎng)的故障的感知能力、精準定位和自動隔離的能力，其可靠性測試也是至關重要的一環(huán)[23-24]。本研究設計的物聯(lián)網(wǎng)測試系統(tǒng)能夠增加一二次融合配電開關運行的可靠性監(jiān)測，用戶可以遠程監(jiān)控一二次融合配電開關運行狀態(tài)，通過融合算法實現(xiàn)多種傳感器數(shù)據(jù)的計算、分析與處理，為保證配電網(wǎng)的正常運行提供有力的技術保障，也為配電網(wǎng)技術的下一步研究給出重要技術支撐。