李燁桐，郭 潔，祁 霖，蔣 霖，陶新民

(東北林業(yè)大學 工程技術(shù)學院，哈爾濱 150040)

0 引 言

電力系統(tǒng)安全是電網(wǎng)穩(wěn)定運行的基礎，隨著計算機科學技術(shù)的不斷發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)概念的提出、傳感技術(shù)的不斷成熟以及智能化管理水平的不斷提高，電力設備周圍環(huán)境的實時狀態(tài)監(jiān)測越來越受到電力企業(yè)的重視[1-3]。電力設備環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測，其目的在于及時發(fā)現(xiàn)電力設備在不同工作或存放狀態(tài)下因易受到所處環(huán)境參數(shù)等多種因素的影響而產(chǎn)生的各種問題，從而在可能出現(xiàn)故障或突發(fā)情況時，相關管理人員能夠及時維修、更換電力設備，對突發(fā)狀況進行快速補救，避免發(fā)生安全事故[4-6]。

中國對電力設備環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測研究的起步較晚，目前，電力設備環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測及信息管理體系構(gòu)建尚不夠完善，在電力設備環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測領域的發(fā)展較西方先進國家整體落后一個階段[7]。現(xiàn)階段電力設備在運輸及運行過程中易受到周圍環(huán)境(如氣體濃度、噪聲、溫度、濕度等因素)的影響，從而引起設備的磨損和老化，且存在對電力設備監(jiān)管不完善、系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息反饋不及時等問題[8]。這些問題均會導致運輸工作效率低下、電力設備故障率增加，并極有可能威脅整個電力系統(tǒng)的安全。因此，對電力設備運輸及運行過程中的環(huán)境狀態(tài)實時監(jiān)測并對收集得到的數(shù)據(jù)信息進行科學化的管理具有十分重要的現(xiàn)實意義。

為此，采用一款精度高、成本低、功耗小、性能強、外設集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲量大、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速且能夠?qū)崿F(xiàn)電力設備信息監(jiān)測裝置的功能控制、數(shù)據(jù)處理與整合，以及各個模塊的有序運行的TMS320F28335浮點DSP控制器作為核心，開發(fā)設計出一套更科學完善的應用于電力設備運輸及運行過程中的多功能環(huán)境信息監(jiān)測管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對電力設備周圍環(huán)境數(shù)據(jù)信息(包括位置信息、溫度、濕度信息、噪音信息、硫化氫和氧氣濃度信息及相關狀態(tài)信息等)進行實時數(shù)據(jù)采集，并通過無線通信網(wǎng)絡將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回控制中心，經(jīng)計算機分析后對電力設備所處環(huán)境或相關工作人員發(fā)出相應調(diào)整指令，使電力設備達到最適宜的運輸或運行狀態(tài)，以實現(xiàn)對電力設備運輸及運行過程中監(jiān)控的實時化、智能化、科學化管理，以便在可能出現(xiàn)故障或突發(fā)情況時相關管理人員能夠及時對突發(fā)狀況進行快速補救，避免發(fā)生安全事故。從而達到降低運輸工作成本、保障電力設備性能水平、消除潛在故障的目的。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

電力設備多功能環(huán)境信息監(jiān)測管理系統(tǒng)主要由下位機電力設備多功能環(huán)境信息監(jiān)測裝置和上位機遠程客戶端管理系統(tǒng)組成。在電力設備運輸或運行過程中，該系統(tǒng)通過多個傳感器收集電力設備所處環(huán)境的溫度、濕度、氣體濃度、噪音以及所處位置信息等數(shù)據(jù)，經(jīng)CAN總線將數(shù)據(jù)傳遞到司機駕駛室和公司總部的處理器，通過相應的數(shù)據(jù)處理分析電力設備所處環(huán)境溫度、濕度、氣體、聲音數(shù)據(jù)信息，最優(yōu)路線與相應導航將顯示在管理人員的上位機顯示器上。當所處環(huán)境及設備自身溫度、濕度超過規(guī)定的范圍或氣體數(shù)據(jù)(如硫化氫濃度、氧氣濃度等)成為異常值時，處理器將發(fā)送相應信號，從而使電力設備所處環(huán)境自動調(diào)節(jié)至規(guī)定的溫度、濕度范圍，并打開通風裝置使環(huán)境氣體濃度恢復正常值。電力設備定位有誤或因其他原因出現(xiàn)故障時，處理器會將全部信息反饋至總部檢測中心，以便于相關管理人員及時對突發(fā)情況進行補救。

2 下位機環(huán)境信息監(jiān)測裝置

2.1 硬件電路設計

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎的新型電力設備多功能環(huán)境信息監(jiān)測裝置由傳感器數(shù)據(jù)采集裝置、信息處理和通信裝置三部分構(gòu)成，其硬件部分主要由電源供電模塊、控制核心模塊TMS320F28335、高精度溫濕度傳感器模塊SHT20、GPRS/GSM遠程通信模塊、硫化氫濃度監(jiān)測傳感器模塊JXM-H2S、氧氣濃度監(jiān)測傳感器模塊JXM-02、聲音監(jiān)控模塊HD-18C，以及高精度GPS模塊NEO-M8N-0-10組成。其中電源供電模塊為裝置提供穩(wěn)定的工作電壓，使得其它電路模塊能夠正常工作；控制核心模塊TMS320F28335用來實現(xiàn)裝置的功能控制、數(shù)據(jù)處理與整合，以及各個模塊的有序運行；高精度溫濕度傳感器模塊SHT20用來實現(xiàn)電力設備運輸及運行過程中溫度和濕度信息數(shù)據(jù)的實時采集；GPRS/GSM遠程通信模塊E16V能夠在電力設備運輸及運行過程中對同行相關人員發(fā)出調(diào)整指令，使電力設備達到適宜的狀態(tài)；硫化氫濃度監(jiān)測傳感器模塊JXM-H2S和氧氣濃度監(jiān)測傳感器模塊JXM-02用來實現(xiàn)運輸運行過程中環(huán)境硫化氫及氧氣濃度的實時監(jiān)測和周期上傳；聲音監(jiān)控模塊HD-18C能夠?qū)\輸和運行過程中電力設備所處環(huán)境及自身的噪音進行實時監(jiān)測和采集；高精度GPS模塊NEO-M8N-0-10用來實現(xiàn)對電力設備位置的確定，以便于相關管理人員及時對突發(fā)情況進行快速補救。裝置組成如圖1所示。

圖1 電力設備多功能環(huán)境信息監(jiān)測裝置

2.2 程序設計

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎的新型電力設備多功能環(huán)境信息監(jiān)測裝置是電力設備環(huán)境信息監(jiān)測管理系統(tǒng)中的下位機系統(tǒng)。下位機程序通過串口通信、SCI通信等通信方式將各項參數(shù)獲取模塊、GPS信息獲取模塊和GPRS/GSM數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的功能共同結(jié)合，并與TMS320F28335控制核心模塊連接，使得整個系統(tǒng)持續(xù)有效發(fā)揮作用。下位機程序設計流程圖如圖2所示。

圖2 下位機程序設計流程圖

3 上位機遠程客戶端管理系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)設計

遠程客戶端管理系統(tǒng)由管理系統(tǒng)、服務器數(shù)據(jù)庫及客戶端上位機軟件組成。其功能在于運用軟件系統(tǒng)對電力設備多功能環(huán)境信息監(jiān)測管理系統(tǒng)發(fā)送的位置、溫度、濕度、噪音、氣體濃度及運輸運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息進行研究處理，以便在運輸和運行過程中更加準確地監(jiān)測電力設備的周圍環(huán)境狀態(tài)，實現(xiàn)信息的實時監(jiān)測與調(diào)控，并給出電力設備運輸及運行過程中的指令信息，實現(xiàn)電力設備在運輸及運行過程中的智能化決策，便于處理突發(fā)狀況，從而使成本最小化、效率最大化。上位機軟件設計流程如圖3所示。

圖3 上位機軟件設計流程圖

3.2 上位機算法設計

上位機算法設計部分，在電力設備環(huán)境溫度、濕度檢測方面，采用一種基于數(shù)據(jù)級融合的改進自適應加權(quán)融合算法模型，并與傳統(tǒng)自適應加權(quán)算法和算術(shù)平均值方法進行對比測試。結(jié)果表明，該模型在溫度、濕度數(shù)據(jù)采集及處理分析的精度上優(yōu)于其他算法，能夠更精確地對電力設備運輸和運行過程中所處環(huán)境及設備自身的溫度、濕度進行監(jiān)測。

3.2.1 多傳感器自適應加權(quán)融合算法

數(shù)據(jù)融合是20世紀80年代形成并迅速發(fā)展的一門信息綜合處理技術(shù)[9]，其是一種初始級別的融合方法，能夠從大量來自于同一傳感器的組合數(shù)據(jù)信息中提取出1個特征矢量，并根據(jù)此特征矢量對參數(shù)進行識別并做出準確合理的描述[10-11]。

根據(jù)李戰(zhàn)明等[12]的研究，自適應加權(quán)融合估計算法對多個傳感器收集數(shù)據(jù)的估計結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)的平均值估計算法的結(jié)果。數(shù)據(jù)級融合的最大優(yōu)勢是能做到信息的無損，充分利用多元數(shù)據(jù)的互補性來提高信息的質(zhì)量，減少被測對象的不確定性，從而提高監(jiān)測的準確度和可靠度。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自適應加權(quán)數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)圖

(1)

由于X1,X2…Xn彼此獨立且為X無偏估計值，故總均方差為

(2)

代入式中可得

(3)

由于X1,X2…Xn彼此獨立且均為X無偏估計值，則

(4)

由于總均方差σ2的值與加權(quán)因子Pi有關，σ2的值越小，對應的Pi值性能越好，在此基礎上，根據(jù)多元函數(shù)求極值的方法，可得到當總均方差σ2取最小值時所對應的加權(quán)因子Pi為系統(tǒng)的最佳權(quán)值。

(5)

(6)

再根據(jù)實際測量值，可計算數(shù)據(jù)融合的最優(yōu)值，即

(7)

3.2.2 改進自適應加權(quán)融合算法

在傳統(tǒng)自適應加權(quán)融合算法模型中，系統(tǒng)待估計的真實值X可由一組測量值的平均值經(jīng)過處理而得到。然而由于考慮到在監(jiān)測電力設備環(huán)境溫、濕度過程中，其數(shù)據(jù)精度和準確程度易受到外界因素的影響，且因傳感器數(shù)量有限，因此取平均值的方法會導致結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。為解決上述問題，王浩等[13]提出通過數(shù)值迭代的思想，對算法中系統(tǒng)待估計真實值的選取進行了改進，在此基礎上提出一種改進的自適應加權(quán)融合算法模型。該模型充分考慮在傳感器實際監(jiān)測采集的過程中環(huán)境噪聲對于真實值的影響，從而提高了模型數(shù)據(jù)信息監(jiān)測采集的精度和準確程度，融合性能高，符合對電力設備運輸及運行過程中溫度、濕度數(shù)據(jù)精準監(jiān)測的要求。因此，在電力設備多功能環(huán)境信息監(jiān)測管理系統(tǒng)中，采用改進的自適應加權(quán)融合算法，對監(jiān)測裝置所收集的多個溫、濕度檢測值進行融合，使處理器能夠根據(jù)融合后的溫、濕度值自動判斷電力設備自身及其所處環(huán)境的溫、濕度是否處于規(guī)定的范圍內(nèi)，有無異常狀態(tài)產(chǎn)生。

考慮到傳感器在實際采集的過程中，會受到環(huán)境噪聲ei的影響，導致測量值Xi與真實值Zi產(chǎn)生偏差，其數(shù)學關系為

Xi=Zi+ei,i=1,2,3,…,n

(8)

取n個傳感器測量值最大值和最小值的平均值

(9)

以平均值A0為標準分別與n個傳感器采集到的監(jiān)測值X(n)對比，可得

(10)

對H1和H2兩部分求均值得E(H1)和E(H2)，并計算E(H1)和E(H2)的平均值作為新中值A1。重復以上步驟，不斷對中值Ak進行迭代。

(k=1,2,3,…,n)

(11)

直至Ak=Ak+1時，完成迭代。此時Ak為改進的自適應加權(quán)融合算法模型的系統(tǒng)待估計的真實值。

4 改進自適應加權(quán)融合監(jiān)測模型

4.1 建立與測試

將各溫度監(jiān)測節(jié)點放置在適當位置，并同時啟動電力設備多功能環(huán)境信息監(jiān)測管理系統(tǒng)。當系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)后，通過上位機控制發(fā)送電力設備相關參數(shù)監(jiān)測采集指令，各個終端節(jié)點在一定時間間隔內(nèi)采集數(shù)據(jù)并反饋回上位控制中心，從而對上位機算法模型進行測試。選取5個傳感器節(jié)點對電力設備運輸及運行過程中的溫、濕度進行監(jiān)測采集，要求終端節(jié)點每隔60 min采集1次數(shù)據(jù)信息，從下午13：00至17：00溫度和濕度各采集5組，共計10組采樣數(shù)據(jù)，見表1。將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行融合處理，通過計算分析得到總均方差σ2，其數(shù)值見表2?？紤]傳感器數(shù)量有限，采用改進的自適應加權(quán)融合算法模型所得真實的溫度、濕度數(shù)值見表3。

表1 溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)

表2 數(shù)據(jù)融合結(jié)果

表3 真實溫度、濕度數(shù)值表

4.2 結(jié)果與分析

由表2可以看出，應用算數(shù)平均值法及傳統(tǒng)自適應加權(quán)融合算法處理傳感器采集的數(shù)據(jù)所得總均方差數(shù)值偏大，融合效果不夠理想，誤差較大。在此基礎上，改進的自適應加權(quán)融合算法處理數(shù)據(jù)計算得到的系統(tǒng)總均方差進一步減少，與改進前相比，融合精度顯著提升，融合性能更高，能夠有效提高電力設備運輸及運行時溫度、濕度數(shù)據(jù)信息監(jiān)測的準確度和可靠度，從而保障電力設備性能水平,消除潛在故障。

5 結(jié) 語

提出一種新型電力設備多功能環(huán)境信息監(jiān)測管理系統(tǒng)，主要包括下位機電力設備多功能環(huán)境信息監(jiān)測裝置及上位機遠程客戶端管理系統(tǒng)兩部分。電力設備多功能環(huán)境信息監(jiān)測裝置以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎，主要實現(xiàn)對電力設備運輸及運行過程中的環(huán)境參數(shù)信息進行采集，并傳輸至遠程客戶端管理系統(tǒng)，便于確定電力設備所處環(huán)境的狀態(tài)；遠程客戶端管理系統(tǒng)，在溫濕度監(jiān)測方面的算法部分采用一種基于數(shù)據(jù)級融合的改進自適應加權(quán)融合算法模型，通過對比測試，表明該模型在溫濕度數(shù)據(jù)采集及處理分析的精度上均優(yōu)于傳統(tǒng)自適應加權(quán)算法和算術(shù)平均值方法，能夠更精確地對電力設備所處環(huán)境及設備自身的溫度、濕度進行監(jiān)測。

該系統(tǒng)為實現(xiàn)電力設備運輸和運行過程中的實時監(jiān)控及信息管理提供了一種可靠的技術(shù)方案，并同時達到了保障電力設備安全、消除潛在故障的效果，具有一定的推廣意義。需要說明的是，目前該系統(tǒng)所能監(jiān)測的環(huán)境情況有限，對于磁場情況、灰塵情況等在運輸和運行過程中對電力設備周圍環(huán)境影響較大情況的監(jiān)測，將是下一階段研究的重點。