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        一種新型電力設(shè)備環(huán)境信息監(jiān)測管理系統(tǒng)

        2021-08-19 04:10:02李燁桐陶新民
        黑龍江電力 2021年3期
        關(guān)鍵詞:電力設(shè)備濕度傳感器

        李燁桐,郭 潔,祁 霖,蔣 霖,陶新民

        (東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)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(chǔ),隨著計算機(jī)科學(xué)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(shè)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(shè)備環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測,其目的在于及時發(fā)現(xiàn)電力設(shè)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(guān)管理人員能夠及時維修、更換電力設(shè)備,對突發(fā)狀況進(jìn)行快速補救,避免發(fā)生安全事故[4-6]。

        中國對電力設(shè)備環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測研究的起步較晚,目前,電力設(shè)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(shè)備環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展較西方先進(jìn)國家整體落后一個階段[7]?,F(xiàn)階段電力設(shè)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(shè)備的磨損和老化,且存在對電力設(shè)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(dǎo)致運輸工作效率低下、電力設(shè)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(shè)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(jìn)行科學(xué)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(qiáng)、外設(shè)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(shè)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(shè)計出一套更科學(xué)完善的應(yīng)用于電力設(shè)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(shè)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(guān)狀態(tài)信息等)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集,并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回控制中心,經(jīng)計算機(jī)分析后對電力設(shè)備所處環(huán)境或相關(guān)工作人員發(fā)出相應(yīng)調(diào)整指令,使電力設(shè)備達(dá)到最適宜的運輸或運行狀態(tài),以實現(xiàn)對電力設(shè)備運輸及運行過程中監(jiān)控的實時化、智能化、科學(xué)化管理,以便在可能出現(xiàn)故障或突發(fā)情況時相關(guān)管理人員能夠及時對突發(fā)狀況進(jìn)行快速補救,避免發(fā)生安全事故。從而達(dá)到降低運輸工作成本、保障電力設(shè)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(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測管理系統(tǒng)主要由下位機(jī)電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測裝置和上位機(jī)遠(yuǎn)程客戶端管理系統(tǒng)組成。在電力設(shè)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(shè)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(jī)駕駛室和公司總部的處理器,通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理分析電力設(shè)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(yīng)導(dǎo)航將顯示在管理人員的上位機(jī)顯示器上。當(dāng)所處環(huán)境及設(shè)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(yīng)信號,從而使電力設(shè)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(fēng)裝置使環(huán)境氣體濃度恢復(fù)正常值。電力設(shè)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(guān)管理人員及時對突發(fā)情況進(jìn)行補救。

        2 下位機(jī)環(huán)境信息監(jiān)測裝置

        2.1 硬件電路設(shè)計

        以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型電力設(shè)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(yuǎn)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(shè)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(yuǎn)程通信模塊E16V能夠在電力設(shè)備運輸及運行過程中對同行相關(guān)人員發(fā)出調(diào)整指令,使電力設(shè)備達(dá)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(shè)備所處環(huán)境及自身的噪音進(jìn)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(shè)備位置的確定,以便于相關(guān)管理人員及時對突發(fā)情況進(jìn)行快速補救。裝置組成如圖1所示。

        圖1 電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測裝置

        2.2 程序設(shè)計

        以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測裝置是電力設(shè)備環(huán)境信息監(jiān)測管理系統(tǒng)中的下位機(jī)系統(tǒng)。下位機(jī)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(jī)程序設(shè)計流程圖如圖2所示。

        圖2 下位機(jī)程序設(shè)計流程圖

        3 上位機(jī)遠(yuǎn)程客戶端管理系統(tǒng)

        3.1 系統(tǒng)設(shè)計

        遠(yuǎn)程客戶端管理系統(tǒng)由管理系統(tǒng)、服務(wù)器數(shù)據(jù)庫及客戶端上位機(jī)軟件組成。其功能在于運用軟件系統(tǒng)對電力設(shè)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(jìn)行研究處理,以便在運輸和運行過程中更加準(zhǔn)確地監(jiān)測電力設(shè)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(shè)備運輸及運行過程中的指令信息,實現(xiàn)電力設(shè)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(jī)軟件設(shè)計流程如圖3所示。

        圖3 上位機(jī)軟件設(shè)計流程圖

        3.2 上位機(jī)算法設(shè)計

        上位機(jī)算法設(shè)計部分,在電力設(shè)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(jìn)自適應(yīng)加權(quán)融合算法模型,并與傳統(tǒng)自適應(yīng)加權(quán)算法和算術(shù)平均值方法進(jìn)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(shè)備運輸和運行過程中所處環(huán)境及設(shè)備自身的溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)測。

        3.2.1 多傳感器自適應(yīng)加權(quán)融合算法

        數(shù)據(jù)融合是20世紀(jì)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(jìn)行識別并做出準(zhǔn)確合理的描述[10-11]。

        根據(jù)李戰(zhàn)明等[12]的研究,自適應(yīng)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(zhǔn)確度和可靠度。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 自適應(yīng)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(guān),σ2的值越小,對應(yīng)的Pi值性能越好,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)多元函數(shù)求極值的方法,可得到當(dāng)總均方差σ2取最小值時所對應(yīng)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(jìn)自適應(yīng)加權(quán)融合算法

        在傳統(tǒng)自適應(yīng)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(shè)備環(huán)境溫、濕度過程中,其數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)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(dǎo)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(jìn)行了改進(jìn),在此基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)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(zhǔn)確程度,融合性能高,符合對電力設(shè)備運輸及運行過程中溫度、濕度數(shù)據(jù)精準(zhǔn)監(jiān)測的要求。因此,在電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測管理系統(tǒng)中,采用改進(jìn)的自適應(yīng)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(jìn)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(shè)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(dǎo)致測量值Xi與真實值Zi產(chǎn)生偏差,其數(shù)學(xué)關(guān)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A(chǔ)0為標(biāo)準(zhǔn)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A(chǔ)1。重復(fù)以上步驟,不斷對中值A(chǔ)k進(jìn)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(jìn)的自適應(yīng)加權(quán)融合算法模型的系統(tǒng)待估計的真實值。

        4 改進(jìn)自適應(yīng)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(dāng)位置,并同時啟動電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測管理系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,通過上位機(jī)控制發(fā)送電力設(shè)備相關(guān)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(jī)算法模型進(jìn)行測試。選取5個傳感器節(jié)點對電力設(shè)備運輸及運行過程中的溫、濕度進(jìn)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(jìn)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(jìn)的自適應(yīng)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(yīng)用算數(shù)平均值法及傳統(tǒng)自適應(yīng)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(chǔ)上,改進(jìn)的自適應(yīng)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(jìn)一步減少,與改進(jìn)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(shè)備運輸及運行時溫度、濕度數(shù)據(jù)信息監(jiān)測的準(zhǔn)確度和可靠度,從而保障電力設(shè)備性能水平,消除潛在故障。

        5 結(jié) 語

        提出一種新型電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測管理系統(tǒng),主要包括下位機(jī)電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測裝置及上位機(jī)遠(yuǎn)程客戶端管理系統(tǒng)兩部分。電力設(shè)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(chǔ),主要實現(xiàn)對電力設(shè)備運輸及運行過程中的環(huán)境參數(shù)信息進(jìn)行采集,并傳輸至遠(yuǎn)程客戶端管理系統(tǒng),便于確定電力設(shè)備所處環(huán)境的狀態(tài);遠(yuǎn)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(jìn)自適應(yīng)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(yīng)加權(quán)算法和算術(shù)平均值方法,能夠更精確地對電力設(shè)備所處環(huán)境及設(shè)備自身的溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)測。

        該系統(tǒng)為實現(xiàn)電力設(shè)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(dá)到了保障電力設(shè)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(shè)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。

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