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        基于端口模型的公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)

        2021-09-17 08:03:04林巨鵬
        鐵道建筑技術(shù) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:變壓器系統(tǒng)

        林巨鵬

        (中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040)

        1 引言

        作為公共建筑的重要組成部分,電氣設(shè)備直接影響公共建筑的使用效果[1],若電氣設(shè)備出現(xiàn)故障,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致公共建筑中設(shè)備停止運(yùn)行,甚至引發(fā)火災(zāi),嚴(yán)重影響公共建筑的正常使用[2-3]。因此,對公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的研究尤為重要。

        電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)受外部環(huán)境與內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響,其狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化,且變化幅度具有顯著波動(dòng)性[4-5]。端口電氣信息能夠描述電氣設(shè)備狀態(tài)變化,且能夠體現(xiàn)電氣設(shè)備運(yùn)行過程中狀態(tài)變化細(xì)節(jié)[6],對于電氣設(shè)備運(yùn)行過程中微弱的狀態(tài)變化也可準(zhǔn)確描述?;诖?,本研究設(shè)計(jì)了基于端口模型的公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,應(yīng)用該系統(tǒng)測量的變壓器工作頻率介于50~65 Hz之間,表明該系統(tǒng)的測量結(jié)果可靠。應(yīng)用該系統(tǒng)后,電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致,充分證明了該系統(tǒng)的有效性。

        2 電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        公共建筑中的電氣設(shè)備類型種類較多,在監(jiān)測電氣設(shè)備狀態(tài)的過程中可收集到海量的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)信息[7],因此對不同的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)信息分析后需采用的處理方式同樣也存在差異。在本研究基于端口模型設(shè)計(jì)的公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)中,電氣系統(tǒng)的不同電氣設(shè)備只需向端口服務(wù)器發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)和響應(yīng)處理指令即可,目的是將電氣設(shè)備故障的分析與處理均交給服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一處理,方便公共建筑電氣設(shè)備系統(tǒng)的維護(hù)。圖1為公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

        2.2 系統(tǒng)模塊組成與業(yè)務(wù)流程

        公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測模塊、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊、網(wǎng)絡(luò)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、故障智能識別模塊、顯示控制模塊、故障恢復(fù)模塊和管理模塊共九個(gè)模塊。其中,電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測模塊是系統(tǒng)的核心部分,其主要功能是根據(jù)定時(shí)器設(shè)定的查詢周期監(jiān)測公共建筑電氣系統(tǒng)內(nèi)不同電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息;電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)傳輸;網(wǎng)絡(luò)處理模塊用于調(diào)度、派發(fā)系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)信息;運(yùn)行狀態(tài)信息通過數(shù)據(jù)處理模塊分析與處理后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊內(nèi);故障智能識別模塊根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果,判斷公共建筑電氣設(shè)備運(yùn)行故障[8];顯示控制模塊實(shí)時(shí)顯示公共建筑電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息及對電氣設(shè)備的控制;故障恢復(fù)模塊主要功能是恢復(fù)電氣設(shè)備故障,若無法自動(dòng)恢復(fù),則自動(dòng)實(shí)施故障上報(bào)與示警;管理模塊中包含系統(tǒng)各模塊訪問數(shù)據(jù)庫的接口。通過上述九個(gè)模塊間的協(xié)調(diào)合作實(shí)現(xiàn)對公共建筑電氣設(shè)備的智能監(jiān)測。

        2.3 端口模型的應(yīng)用

        公共建筑電氣設(shè)備端口模型接口如圖3所示,其中I和U分別描述電氣設(shè)備兩端的電壓與電流,其具體數(shù)值可通過實(shí)際監(jiān)測獲取。

        結(jié)合端口模型接口圖,利用伏安特性可描述公共建筑電氣設(shè)備某電氣量同其他電氣量間的相關(guān)性[9],其過程可描述為:

        式中:so與se分別為結(jié)構(gòu)參量與互異的電氣量參量;S表示電氣設(shè)備某電氣量同其他電氣量間的相關(guān)性。

        在此基礎(chǔ)上,利用監(jiān)測獲取的I值與U值參考伏安特性,確定用于描述電氣信息同設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)性的數(shù)值,電氣設(shè)備的伏安特性U1如下:

        利用線性組合形式描述式(2),可得到如式(3)所描述的電壓型表達(dá)式:

        式中:p1、q1和m1均為電氣設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)。同理,根據(jù)電氣設(shè)備電流信息確定電氣信息同設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)性公式:

        利用線性組合形式描述式(4),則可得到如式(5)所描述的電流型表達(dá)式:

        式中:p2、q2和m2同樣為電氣設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)。

        通過上述分析可知,參數(shù)p、q和m是描述公共建筑電氣設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù),能夠體現(xiàn)電氣設(shè)備狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上,選取偏最小二乘回歸算法識別公共建筑電氣設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)[10]。這一過程中,用V描述因變量數(shù)量,設(shè)定其值為1,用Z、D分別描述自變量與因變量,依照式(6)標(biāo)準(zhǔn)化處理Z與D,獲取 Z0與 D0。

        式中:Z0j和D0分別為自變量Z預(yù)測矩陣Z0的第j列分量和因變量d1的響應(yīng)矩陣,服從獨(dú)立同分布的正態(tài)分布;Vzj和G(zj)分別描述zj的標(biāo)準(zhǔn)差和均值;Vd1和G(d1)分別描述d1的標(biāo)準(zhǔn)差和協(xié)方差。

        用t1描述Z0第一成分,其提取過程如下:

        式中:h1和 k(zj,d1)分別為 Z0第一個(gè)軸和 zj、d1的相關(guān)函數(shù),h1的模值為1。

        用l1描述D0第一成分,其提取過程如下:

        式中:y1為D0第一個(gè)軸,其模值為1。

        由于t1內(nèi)包含矩陣Z0的大量變化信息,同理l1內(nèi)也包含矩陣D0的大量變化信息,并且t1具有最大限度上表征l1的功能[11]。根據(jù)t1確定Z0與D0對其回歸方程殘差矩陣Z1、D1用λ1和γ1描述回歸系數(shù)向量,可得:

        利用Z1和D1替代Z0和D0,不斷循環(huán)以上各成分提取過程,直到滿足交叉有效性檢驗(yàn)為止。由此能夠獲取k個(gè)互異的成分,可用t1,…,tk描述;計(jì)算 D0關(guān)于 t1,…,tk的回歸方程,依照 t1,…,tk同 Z0間的相關(guān)性確定D0同Z0的回歸方程,反推獲取D同Z的回歸方程,方程系數(shù)即為電氣設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)。

        公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變將直接導(dǎo)致接口模型中設(shè)備參數(shù)均值改變[12],從而造成其概率密度分布曲線偏移。因此,結(jié)合上述計(jì)算得到的電氣設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù),對比同一區(qū)間內(nèi)不同時(shí)間條件下結(jié)構(gòu)參數(shù)的累積概率,即可完成公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。以電氣設(shè)備電壓信息為例,公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測過程如下:

        Step 1:利用偏最小二乘回歸算法采集公共建筑電氣設(shè)備電壓信息,并區(qū)分其實(shí)部和虛部。

        Step 2:分別用A和a描述監(jiān)測時(shí)間窗口內(nèi)數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)量初值,劃分監(jiān)測時(shí)間窗口寬度,讀取不同窗口內(nèi)多組電壓電流數(shù)據(jù);利用所得數(shù)據(jù)構(gòu)建自變量與因變量矩陣,識別電壓信息位置參數(shù)中的一個(gè)樣本,獲取監(jiān)測時(shí)間窗口內(nèi)模型參數(shù)的a個(gè)樣本;計(jì)算樣本方差系數(shù),當(dāng)方差系數(shù)滿足收斂精度時(shí),確定該樣本數(shù)與數(shù)據(jù)量A一致。

        Step 3:將監(jiān)測時(shí)間窗口寬度分為A段,利用偏最小二乘回歸算法確定未知參數(shù)的A個(gè)樣本;計(jì)算監(jiān)測時(shí)間窗口內(nèi)模型參數(shù)的概率密度函數(shù),同時(shí)計(jì)算置信度對應(yīng)區(qū)間。

        Step 4:等間隔時(shí)間移動(dòng)時(shí)間窗,確定新時(shí)間窗口內(nèi)模型參數(shù)的概率密度函數(shù),計(jì)算參數(shù)下限值與上限值區(qū)間內(nèi)累計(jì)概率和新時(shí)間窗口設(shè)備狀態(tài)變化的概率。

        Step 5:根據(jù)設(shè)定的閾值確定設(shè)備狀態(tài)變化情況,當(dāng)新時(shí)間窗口內(nèi)設(shè)備狀態(tài)變化概率大于設(shè)定閾值時(shí),系統(tǒng)發(fā)出電氣設(shè)備狀態(tài)變化警示。

        不斷重復(fù)以上過程監(jiān)測新時(shí)間窗口內(nèi)電氣設(shè)備狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測。

        3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

        為驗(yàn)證本研究設(shè)計(jì)的基于端口模型的公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用性能,以某省內(nèi)一公共建筑電氣系統(tǒng)中的變壓器為研究對象,將本文系統(tǒng)應(yīng)用于變壓器狀態(tài)監(jiān)測中。由于變壓器運(yùn)行過程中會(huì)受到短路沖擊和熱及力的綜合影響,變壓器繞組將出現(xiàn)局部放電、高溫過熱、匝間短路等問題,嚴(yán)重影響變壓器工作的穩(wěn)定性與安全性。因此,監(jiān)測變壓器狀態(tài)對于維護(hù)公共建筑電氣系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

        該公共建筑電氣系統(tǒng)中的變壓器為單相芯式變壓器,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4中,變壓器高低壓繞組采用連續(xù)式繞制方式。低壓繞組和高壓繞組分別包含10個(gè)線餅和12個(gè)線餅,各線餅中分別包含8匝和28匝。測試過程中,低壓繞組和高壓繞組分別由 WL2、WL3和WH2、WH3、WH5、WH6、WH7、WH9構(gòu)成;單相變壓器額定壓電、容量、采樣頻率分別為220/95 V、2 kVA和5 kHz。在采集獲取到的信息內(nèi)添加白噪聲,設(shè)定監(jiān)測時(shí)間窗口寬度為5 min。設(shè)定兩種不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境,分別監(jiān)測電壓器狀態(tài)變化情況。

        第一種實(shí)驗(yàn)環(huán)境:高壓繞組WH6短接,仿真繞組為匝間短路狀態(tài);第二種實(shí)驗(yàn)環(huán)境:高壓繞組WH3被WH4取代,仿真繞組軸向?yàn)橄蛳挛灰茽顟B(tài)。

        在變壓器狀態(tài)監(jiān)測方面,變壓器工作頻率能夠較好地反映變壓器狀態(tài)。現(xiàn)已知實(shí)驗(yàn)對象的工作頻率穩(wěn)定在50~65 Hz之間,分別利用本文系統(tǒng)、基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)的電力設(shè)備運(yùn)作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、基于Harris角點(diǎn)檢測的電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對變壓器的工作頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測量。變壓器狀態(tài)變化前后共存在800個(gè)模型端口,其工作頻率變化情況如圖5所示。

        分析圖5中不同系統(tǒng)對應(yīng)的三條折線可知,只有本文系統(tǒng)對應(yīng)的折線,其代表的工作頻率數(shù)值介于50~65 Hz之間,而兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)對應(yīng)的折線所代表的工作頻率數(shù)值均存在超過實(shí)際數(shù)值的情況。由此可知,本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測定實(shí)驗(yàn)對象中變壓器的工作頻率,具有較高的可靠性。

        為進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)監(jiān)測變壓器狀態(tài)的準(zhǔn)確性,收集3 208條變壓器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù),其中有效數(shù)據(jù)量為3 004條,有效數(shù)據(jù)中正常狀態(tài)數(shù)據(jù)與異常狀態(tài)數(shù)據(jù)分別為652條和2 352條。從有效數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為本文系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將其與應(yīng)用本文系統(tǒng)得到的變壓器狀態(tài)信息進(jìn)行對比,結(jié)果如表1所示。

        表1 變壓器狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果對比

        由表1可知,當(dāng)變壓器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)為正常時(shí),本文系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果顯示變壓器狀態(tài)未發(fā)生變化;當(dāng)變壓器出現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí),本文系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果顯示變壓器狀態(tài)發(fā)生變化,且能夠根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確判斷變壓器出現(xiàn)異常狀態(tài)的原因。由此可以說明,本文系統(tǒng)對電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測精準(zhǔn)度較高,能夠有效滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

        產(chǎn)生上述結(jié)果的原因在于本文系統(tǒng)在利用偏最小二乘回歸算法確定端口模型參數(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合監(jiān)測時(shí)間窗口得到端口模型的概率密度,然后確定電氣設(shè)備狀態(tài)變化概率,從根本上提高了監(jiān)測結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。

        4 結(jié)束語

        本研究利用端口模型設(shè)計(jì)了一種公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng),仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠有效、精準(zhǔn)地監(jiān)測公共建筑電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),且監(jiān)測性能能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。在后續(xù)研究中可對該系統(tǒng)的可擴(kuò)展性進(jìn)行研究,以期擴(kuò)大該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,實(shí)現(xiàn)對更多場景下電力設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測。

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