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        基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

        2021-09-23 02:30
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2021年18期
        關(guān)鍵詞:錯(cuò)誤率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)正確率

        王 嵐

        (洛陽(yáng)LYC軸承有限公司 軸承滾動(dòng)體廠,河南 洛陽(yáng) 471039)

        0 引 言

        隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們的用電量不斷增加,給電網(wǎng)系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求[1]。在電網(wǎng)系統(tǒng)中,存在許多關(guān)鍵的電氣設(shè)備,如:變壓器、變頻器等,它們的狀態(tài)一旦出現(xiàn)了異常,那么就會(huì)影響電網(wǎng)的正常工作,有時(shí)可能導(dǎo)致大面積停電,給人們生活帶來(lái)不便,同時(shí)可能會(huì)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此,如何對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)具有深遠(yuǎn)的研究意義[2?4]。

        電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)研究可以劃分為兩個(gè)階段:第一階段為人工方式,該方法通過(guò)一些專家以及專業(yè)人員對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和分析,得到電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)結(jié)果比較直觀,可解釋性好;但是電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)過(guò)程復(fù)雜,使得電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)于一些復(fù)雜電氣設(shè)備,監(jiān)測(cè)結(jié)果可信度不高[5?7]。第二階段為自動(dòng)化方式,通過(guò)引入一些人工智能技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)理論等對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),獲得了不錯(cuò)的電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果[8?10]。近幾年,由于通信技術(shù)的不斷發(fā)展,出現(xiàn)了一些電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng),它們通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)或者光纖進(jìn)行電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等[11?13],但是在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)前電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)還不成熟,還存在許多局限性,如:電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)誤差大、效率低等[14?16]。為了高精度進(jìn)行電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè),本文設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等優(yōu)勢(shì),并與其他電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)越性。

        1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

        1.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

        無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理:首先將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在電氣設(shè)備周圍,周期性對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集,并對(duì)采集電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行去噪;然后將電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)融合輸入到中心網(wǎng)關(guān),通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送到管理中心,在管理中心服務(wù)器中提取電氣設(shè)備狀態(tài)特征,并引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)特征與電氣設(shè)備狀態(tài)之間的聯(lián)系進(jìn)行擬合,建立電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型;最后根據(jù)模型得到電氣設(shè)備狀態(tài)結(jié)果,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)送給管理人員。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)原理如圖1所示。

        圖1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)原理

        1.2 電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)采集

        無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量的無(wú)線節(jié)點(diǎn)組成,可以對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)對(duì)象的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并將采集數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星等發(fā)送給管理人員,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。本文將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署于電氣設(shè)備所在區(qū)域,對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集并發(fā)送到任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)。

        圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

        1.3 電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)去噪

        無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集的電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)由于環(huán)境等干擾,存在一定的噪聲。因此,本文在進(jìn)行電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)之前,采用小波去噪算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,其工作原理為:采用小波變換對(duì)含有噪的電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)從一維空間轉(zhuǎn)換到二維空間,得到多尺度的電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào);然后通過(guò)濾波算法去掉噪聲的小波系數(shù),保留有用電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)的小波系數(shù);最后通過(guò)小波逆變換對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu),得到?jīng)]有噪聲的電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)。電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)去噪如圖3所示。

        圖3 電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)去噪

        1.4 電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)特征提取

        采用EMD分解和Hilbert變換提取Hilbert譜和邊際譜,將它們作為電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)特征,具體步驟如下:

        1)采用EMD分解算法對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行處理,得到IMF分量。

        2)采用Hilbert對(duì)IMF分量進(jìn)行變換,得到:

        3)構(gòu)建新的電氣設(shè)備狀態(tài)解析信號(hào),具體如下:

        4)根據(jù)新的電氣設(shè)備狀態(tài)解析信號(hào)設(shè)計(jì)每一個(gè)IMF分量的幅值和相位函數(shù),具體如下:

        5)根據(jù)式(4)計(jì)算出瞬時(shí)頻率:

        6)這樣,電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)可以表示為:

        式中?表示取實(shí)部操作。

        7)Hilbert譜可以全面描述電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)的幅值時(shí)間變化特性,根據(jù)式(5)可以得到電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)的Hilbert譜。

        8)Hilbert邊際譜可以描述電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)幅值的頻率特性,具體如下:

        1.5 電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型設(shè)計(jì)

        電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)樣本集合為{xi,yi},i=1,2,…,N,xi表示電氣設(shè)備狀態(tài)特征,yi表示電氣設(shè)備狀態(tài)類型,電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)本質(zhì)上是一種二分類問(wèn)題,即將電氣設(shè)備狀態(tài)劃為分正?;蛘弋惓#@樣需要找到一個(gè)分類超平面,具體如下:

        式中:b表示閾值。

        該分類超平面要求兩個(gè)類別的電氣設(shè)備狀態(tài)樣本之間的間隔最大化,那么式(8)滿足如下條件:

        支持向量機(jī)是一種流行的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),其基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則,這樣分類超平面可以轉(zhuǎn)換一個(gè)約束優(yōu)化問(wèn)題,即在式(9)的約束下求式(10)的最小化函數(shù)。

        引入Lagrange乘子ai,構(gòu)建Lagrange函數(shù),具體如下:

        對(duì)式(11)求最大值,得到ai的解:

        設(shè)ai的最優(yōu)解為a*i,那可以得到w的最優(yōu)值為:

        式中SV表示支持向量,即位于電氣設(shè)備狀態(tài)的分類超平面上的樣本點(diǎn)。從而得到閾值的最優(yōu)解為:

        根據(jù)a*i,w*,b*得到電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的最優(yōu)分類函數(shù)為:

        根據(jù)式(15)設(shè)計(jì)的最優(yōu)分類函數(shù)進(jìn)行電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),并輸出電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)結(jié)果。

        2 仿真測(cè)試

        2.1 測(cè)試平臺(tái)

        為了測(cè)試無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法的有效性,采用表1的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。為了體現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)結(jié)果優(yōu)越性,在相同測(cè)試平臺(tái)下,采用文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)照測(cè)試。

        表1 電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的測(cè)試平臺(tái)

        2.2 測(cè)試對(duì)象

        為了分析電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性,選擇多種電氣設(shè)備作為研究對(duì)象,對(duì)于每一種對(duì)象,把它們狀態(tài)劃分為正常狀態(tài)和異常兩種,采集狀態(tài)信號(hào)樣本數(shù)量如表2所示。對(duì)于每一種電氣設(shè)備,2 3的樣本數(shù)量組成訓(xùn)練集,用于構(gòu)建電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模型,其他樣本用于測(cè)試電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能。

        表2 不同類型的電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)數(shù)量

        2.3 電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)結(jié)果

        采用三種電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)表1中的電氣設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試與分析,統(tǒng)計(jì)它們的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)正確率和錯(cuò)誤率,具體如圖4和圖5所示。對(duì)圖4和圖5進(jìn)行分析可以知道:

        圖4 電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的正確率

        圖5 電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的錯(cuò)誤率

        1)文獻(xiàn)[10]系統(tǒng)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)正確率和錯(cuò)誤率分別為82.92%和17.08%,其電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)錯(cuò)誤率超過(guò)了15%,無(wú)法滿足電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)實(shí)際要求,沒(méi)有什么實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

        2)文獻(xiàn)[11]系統(tǒng)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)正確率和錯(cuò)誤率分別為87.05%和13.95%,其電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)正確率高于文獻(xiàn)[10]系統(tǒng),但是電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)錯(cuò)誤率仍然比較高。

        3)本文系統(tǒng)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)正確率和錯(cuò)誤率分別為92.27%和7.73%,其電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]系統(tǒng),可以高精度描述電氣設(shè)備狀態(tài)變化規(guī)律,獲得了理想的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)結(jié)果。對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)越性。

        2.4 電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)效率

        對(duì)于電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其監(jiān)測(cè)效率十分關(guān)鍵,本文采用電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)間作為效率評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)果如圖6所示。對(duì)圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析可以發(fā)現(xiàn),本文系統(tǒng)電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的時(shí)間均值為5.47 s,文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]系統(tǒng)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)間均值分別為8.52 s和7.06 s。經(jīng)過(guò)對(duì)比,本文系統(tǒng)電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)間明顯減少,電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)效率更高。

        圖6 不同方法的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)間

        3 結(jié) 論

        為了改善電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)效果,本文提出基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并與其他系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試,可以得到如下結(jié)論:

        1)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集,并對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)信號(hào)進(jìn)去去噪處理,減少了電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)間,提高了電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)效率。

        2)引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)變化特點(diǎn)進(jìn)行擬合,根據(jù)擬合結(jié)果對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分類,提高了電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的正確率,并將電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給管理員,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),保證了電氣設(shè)備正常工作。

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