黃呂超，馮 笑，陳明輝，陳正華，呂東東，蔣 演

(1.國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司,北京 100000；2.國網(wǎng)信通億力科技有限責(zé)任公司,福州 350000)

0 引言

為了提升產(chǎn)品和拓展更大的市場(chǎng)，同時(shí)契合2020年國網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)部重點(diǎn)工作方向以及意向客戶的需求，開展低壓臺(tái)區(qū)便攜式智能檢測(cè)儀研發(fā)項(xiàng)目，達(dá)到提高設(shè)備靈敏度，增強(qiáng)臺(tái)區(qū)故障診斷和通信數(shù)據(jù)分析能力的目的。

經(jīng)過參考電力元器件研發(fā)機(jī)構(gòu)的發(fā)明專利，發(fā)現(xiàn)多種智能檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案，其中文獻(xiàn)[1]利用嵌入式ARM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能檢測(cè)儀的內(nèi)部芯片，提高了智能檢測(cè)儀數(shù)據(jù)控制能力。但由于設(shè)計(jì)單片機(jī)為8位處理器，因此檢測(cè)數(shù)據(jù)靈敏度較差，從而形成數(shù)據(jù)采集誤差[1]；文獻(xiàn)[2]基于RATI設(shè)計(jì)理論，對(duì)智能檢測(cè)儀進(jìn)行研發(fā)，設(shè)計(jì)出微型RATI檢測(cè)芯片，固化了系統(tǒng)指令，加強(qiáng)了儀器數(shù)據(jù)控制力度。但這種檢測(cè)只能應(yīng)用在指定場(chǎng)合，靈活性較差，不具有普遍適用性[2]。

綜合上述智能檢測(cè)儀研發(fā)方案技術(shù)上的不足，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：

1)利用CAN控制器設(shè)計(jì)智能檢測(cè)儀集成模塊，加強(qiáng)檢測(cè)儀內(nèi)部控制能力。

2)采用嵌入式方式設(shè)計(jì)微處理器，利用TMS320芯片，增加檢測(cè)儀采集數(shù)據(jù)靈敏度。

3)利用多層級(jí)拓?fù)鋬?yōu)化算法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納處理，數(shù)據(jù)輸出能夠?qū)蛹?jí)化顯示，清晰顯示出其規(guī)律變化。

本課題開展便攜式低壓智能檢測(cè)儀硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)與研發(fā)，完成設(shè)備外觀及硬件功能設(shè)計(jì)，進(jìn)行主控芯片的選型，接口元件等硬件選型，使設(shè)備具有便攜式特點(diǎn)；采用安卓操作系統(tǒng)，內(nèi)置計(jì)算模塊和通信監(jiān)聽模塊，完成整個(gè)儀表的設(shè)計(jì)[3]。

1 臺(tái)區(qū)拓?fù)鋵蛹?jí)關(guān)系結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的智能檢測(cè)儀應(yīng)用于低壓臺(tái)區(qū)設(shè)備，對(duì)整個(gè)低壓臺(tái)區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃，在確保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，設(shè)計(jì)出層級(jí)拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)，便于檢測(cè)臺(tái)區(qū)設(shè)備異常，增加臺(tái)區(qū)安全運(yùn)維，符合電力客戶的利益[4]。臺(tái)區(qū)設(shè)計(jì)層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拓?fù)鋵蛹?jí)關(guān)系結(jié)構(gòu)

圖1中低壓臺(tái)區(qū)關(guān)系設(shè)計(jì)采用星型拓?fù)鋵蛹?jí)結(jié)構(gòu)，以因特網(wǎng)為核心，四周擴(kuò)散的數(shù)據(jù)連接方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)傳輸通道負(fù)責(zé)臺(tái)區(qū)用戶、控制云和數(shù)據(jù)庫的無線傳送，智能檢測(cè)儀與3種數(shù)據(jù)庫建立連接通道，完成低壓臺(tái)區(qū)設(shè)備更新，智能檢測(cè)儀負(fù)責(zé)收集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。因特網(wǎng)將調(diào)度中心、數(shù)據(jù)分析平臺(tái)、無線信號(hào)塔和智能檢測(cè)儀聯(lián)結(jié)，組成星型關(guān)系結(jié)構(gòu)，調(diào)度計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)備的運(yùn)維和管理，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行合理化調(diào)度；數(shù)據(jù)分析平臺(tái)負(fù)責(zé)臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)整理，進(jìn)行匯總，將匯總數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度中心；無線信號(hào)塔負(fù)責(zé)用戶網(wǎng)絡(luò)連接，完成整個(gè)低壓臺(tái)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；智能檢測(cè)儀與因特網(wǎng)之間設(shè)有隔離墻，防止檢測(cè)數(shù)據(jù)泄露，為檢測(cè)儀數(shù)據(jù)安全增加了保障[5-7]。通過采集臺(tái)區(qū)關(guān)系數(shù)據(jù)信息匯總，得到檢測(cè)儀設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 檢測(cè)儀設(shè)計(jì)流程

整個(gè)檢測(cè)儀流程的設(shè)計(jì)使本論文思路更加清晰，保證臺(tái)區(qū)設(shè)備數(shù)據(jù)互通，使智能檢測(cè)儀采集數(shù)據(jù)更加簡潔，加快了數(shù)據(jù)采集速度，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)了系統(tǒng)控制能力，便于掌握整個(gè)臺(tái)區(qū)的運(yùn)行過程[8]。

2 智能檢測(cè)儀集成模塊設(shè)計(jì)

為保證檢測(cè)儀適用于低壓環(huán)境，并加強(qiáng)檢測(cè)儀對(duì)數(shù)據(jù)的控制能力，本文對(duì)傳統(tǒng)智能檢測(cè)儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成化處理，使檢測(cè)儀小型化，便于攜帶[9]。檢測(cè)儀集成模塊如圖3所示。

圖3 檢測(cè)儀集成模塊

智能檢測(cè)儀集成模塊以集成單片機(jī)為核心，數(shù)據(jù)總線為傳輸手段，搭配外聯(lián)硬件設(shè)備鍵盤和顯示器等。集成單片機(jī)主要功能通過模數(shù)轉(zhuǎn)換、指令調(diào)度和集成控制器來實(shí)現(xiàn)，采集器得到的設(shè)備信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理分批次輸入到集成芯片中，經(jīng)過芯片中各項(xiàng)功能的處理分析最終傳達(dá)出切合實(shí)際的指令數(shù)據(jù)；集成器負(fù)責(zé)傳達(dá)芯片各功能塊的數(shù)據(jù)指令；集成單片機(jī)發(fā)出模擬信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸出，最終被臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備捕獲[10]。

檢測(cè)儀信號(hào)調(diào)理模塊負(fù)責(zé)聯(lián)通數(shù)據(jù)采集模塊和信號(hào)傳輸通道，調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路圖

信號(hào)調(diào)理過程主要由運(yùn)算放大器來完成，通關(guān)對(duì)信號(hào)的放大使后續(xù)電路的識(shí)別更加準(zhǔn)確，根據(jù)輸入的電壓Ui經(jīng)過兩級(jí)電阻和電容的加工處理，將電壓輸入到放大器的正極，最終輸出較為明顯的放大信號(hào)，更容易進(jìn)行識(shí)別。

檢測(cè)儀的驅(qū)動(dòng)電路決定了設(shè)備工作的起始狀態(tài)，設(shè)備的驅(qū)動(dòng)能力能夠直接反映出其性能，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路簡圖

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)有LED顯示燈，負(fù)責(zé)監(jiān)視驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，有電容和電阻并聯(lián)完成信號(hào)輸入，通過三極管的導(dǎo)通狀態(tài)決定設(shè)備的開關(guān)，并聯(lián)的電阻R2對(duì)三極管進(jìn)行保護(hù)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)保證了檢測(cè)儀的正常運(yùn)行狀態(tài)，是集成模塊的重要組成部分。

檢測(cè)儀集成模塊的設(shè)計(jì)能夠識(shí)別采集器轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)，并進(jìn)行處理，將指令輸送到控制器和指令調(diào)度中心，完成一個(gè)信號(hào)處理周期[11]。

3 嵌入式微處理器

對(duì)于智能檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)處理中心，本文采用嵌入式微處理器，利用TMS320芯片多個(gè)引腳完成檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)對(duì)接，對(duì)低壓臺(tái)區(qū)多種數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分類處理，增加檢測(cè)儀內(nèi)部數(shù)據(jù)處理速度[12]。微處理器集成芯片如圖6所示。

圖6 微處理器集成芯片圖

微處理器芯片采用TI公司研發(fā)的TMS320處理芯片，整體設(shè)計(jì)符合ISO研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，在輸出PC機(jī)上建立無線通訊線路，利用片外RAM負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，ROM與芯片輸出完成對(duì)接，負(fù)載輸出為MAX232傳輸機(jī)和PC機(jī)輸出信號(hào)。采用鋰離子電池供電，保證接入系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，TXD和A/D引腳與信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換功能塊連接，中間設(shè)有繼電保護(hù)電路，主要利用多開路繼電器進(jìn)行電路安全防護(hù)，通過I/O控制開關(guān)與ET引腳相連，通過LED顯示屏輸出，EA引腳與外圈電路相連，使芯片作用范圍能夠根據(jù)配網(wǎng)電壓等級(jí)調(diào)整，使智能檢測(cè)儀符合低壓臺(tái)區(qū)設(shè)備使用條件[13]。

TMS320芯片通過32位引腳進(jìn)行控制，增加了無線數(shù)據(jù)錄入和輸出位置，加快了集成模塊數(shù)據(jù)初始化速度，能夠完成低壓臺(tái)區(qū)檢測(cè)數(shù)據(jù)篩選，芯片處理數(shù)據(jù)采用微秒級(jí)計(jì)算方式，提高了檢測(cè)儀的靈敏度[14]。

4 多層級(jí)拓?fù)鋬?yōu)化算法

本文采用多層級(jí)拓?fù)鋬?yōu)化算法對(duì)智能檢測(cè)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納處理，將處理結(jié)果傳達(dá)至指令控制中心，從而完成數(shù)據(jù)收錄，便于低壓臺(tái)區(qū)用戶檢索。多層級(jí)拓?fù)鋬?yōu)化算法主要根據(jù)智能檢測(cè)儀采集數(shù)據(jù)樣本，對(duì)低壓臺(tái)區(qū)設(shè)備進(jìn)行調(diào)度控制，具有自適應(yīng)性[15]。

忽略低壓臺(tái)區(qū)設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的不可控因素，將臺(tái)區(qū)采集數(shù)據(jù)參數(shù)化，對(duì)數(shù)據(jù)參數(shù)微分計(jì)算即構(gòu)建出多層級(jí)模型：

(1)

式中,J(ΦMA,ΦME)表示智能檢測(cè)儀數(shù)據(jù)目標(biāo)函數(shù)，ΦMA表示宏觀約束條件下的儀表數(shù)據(jù)，ΦME表示約束坐標(biāo)系縱坐標(biāo)，uMA表示檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)偏差，kMA表示拓?fù)淠Ｐ蛯蛹?jí)數(shù)，ΩMA表示拓?fù)淠Ｐ洼斎胱宰兞?，即檢測(cè)儀電阻參數(shù)。

將圖4中微處理器輸出的拓?fù)鋽?shù)據(jù)作為算法輸入量，拓?fù)淠Ｐ蛿?shù)據(jù)量取決于采集數(shù)據(jù)在約束條件下的縱坐標(biāo)數(shù)值[16]，因此得到關(guān)系式：

(2)

將模型層級(jí)關(guān)系式進(jìn)行線性處理[17]，經(jīng)過宏平衡條件得到拓?fù)淠Ｐ偷碾p線性方程：

(3)

式中,uMA表示雙線性拓?fù)鋵訖z測(cè)電壓，即檢測(cè)儀電壓參數(shù)，vMA表示雙線性拓?fù)鋵訖z測(cè)誤差。

對(duì)式(1)的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化分析，對(duì)其載荷進(jìn)行形式化分析[18]，得到層級(jí)模型載荷線性函數(shù)為：

(4)

為計(jì)算組建層級(jí)模型消耗時(shí)間與檢測(cè)結(jié)果之間的關(guān)系[19]，對(duì)宏觀建設(shè)模型時(shí)間周期進(jìn)行求導(dǎo)：

(5)

式中,tMA表示宏觀建模時(shí)間周期，γMA表示層級(jí)建模受影響程度，為模型構(gòu)建約束條件，δ(ΦMA)表示檢測(cè)儀采集的數(shù)據(jù)樣本函數(shù)，vn表示層級(jí)建模速度，即檢測(cè)儀速度參數(shù)。

對(duì)式(5)時(shí)間導(dǎo)數(shù)函數(shù)與層級(jí)建設(shè)模型函數(shù)對(duì)比，得到層級(jí)拓?fù)淠Ｐ蛯?dǎo)數(shù)函數(shù)式：

(6)

結(jié)合式(5)、(6)的時(shí)間周期導(dǎo)數(shù)函數(shù)，采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)將兩式按周期變化結(jié)合得到：

(7)

式(7)中,?J(ΦMA)為拓?fù)潢P(guān)系層級(jí)結(jié)構(gòu)邊界。

為了解層級(jí)拓展向量變化規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行求導(dǎo)：

(8)

由此得到宏觀函數(shù)與時(shí)間周期的關(guān)系：

(9)

式(9)中,GMA表示表示宏觀層級(jí)函數(shù)式。根據(jù)兩者的關(guān)系推導(dǎo)出時(shí)間周期是影響宏觀層級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。

對(duì)兩者關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，將時(shí)間周期導(dǎo)數(shù)代入到宏觀層級(jí)函數(shù)中，然后進(jìn)行求導(dǎo)：

(10)

通過計(jì)算兩者關(guān)系，將檢測(cè)儀表數(shù)據(jù)輸入到層級(jí)模型，使輸出的宏觀數(shù)據(jù)具有普遍適用性。

根據(jù)輸入的檢測(cè)儀表運(yùn)行規(guī)律，將宏觀層級(jí)表達(dá)式求導(dǎo)：

(11)

經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，最終輸出的宏觀函數(shù)能夠引起單個(gè)微觀層級(jí)模型的變化。

為解釋這種變化產(chǎn)生的原因，將宏觀層級(jí)求導(dǎo)函數(shù)進(jìn)行微觀化處理，得到數(shù)據(jù)輸入后的層級(jí)微觀結(jié)構(gòu)[20]，其表達(dá)式為：

(12)

式(12)中,uME表示微觀化層級(jí)結(jié)構(gòu)輸入電壓，ΩME表示微觀函數(shù)層級(jí)變量。

對(duì)其微觀函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，得到層級(jí)關(guān)系拓?fù)淠Ｐ团c微觀層級(jí)系數(shù)關(guān)系式：

(13)

多層級(jí)拓?fù)鋬?yōu)化算法對(duì)智能檢測(cè)儀采集的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分層次處理，通過計(jì)算宏觀層次模型和微觀層次模型與時(shí)間周期函數(shù)關(guān)系進(jìn)行分類，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)邊界完成數(shù)據(jù)劃分，使儀表顯示更加具有條理化[21]。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)低于380 V低壓臺(tái)區(qū)測(cè)試網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試記錄，對(duì)傳感器采集的臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)具體結(jié)果數(shù)據(jù)驗(yàn)證其性能[22]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置，臺(tái)區(qū)變壓設(shè)備額定功率為450 V，傳感器數(shù)據(jù)采集精度為94%，微機(jī)計(jì)算誤差小于5%，無線傳輸速度為4.5 MB/s[23]。測(cè)試網(wǎng)點(diǎn)配置參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)在安卓操作系統(tǒng)下，對(duì)2 240 V電壓等級(jí)臺(tái)區(qū)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄報(bào)表，經(jīng)過后續(xù)分類匯總，將采集數(shù)據(jù)和誤差進(jìn)行列舉，根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄和式(1)、(5)計(jì)算數(shù)據(jù)，從而得到智能檢測(cè)儀數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 檢測(cè)儀數(shù)據(jù)采集表

分析表2測(cè)試結(jié)果，儀表電壓最高為6.5 V，此時(shí)標(biāo)稱電阻為47 Ω，測(cè)量電阻與標(biāo)稱電阻阻值接近，最大測(cè)量誤差為0.9%，最小測(cè)量誤差為0.2%，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)檢測(cè)儀具有較高精度。

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的靈敏度，通過計(jì)算3種方法的超調(diào)量，然后利用Matlab仿真軟件對(duì)3種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 檢測(cè)數(shù)據(jù)靈敏度對(duì)比

圖7中仿真本研究檢測(cè)儀靈敏度，并與文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的ARM檢測(cè)儀和文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的RATI檢測(cè)儀進(jìn)行對(duì)比，分析可知，本研究總體靈敏度高于另外兩種設(shè)計(jì)方法，其中本研究在200 MB就達(dá)到最大靈敏度，并穩(wěn)定在96%；而文獻(xiàn)[1]在300 MB達(dá)到最大靈敏度，穩(wěn)定在95%；文獻(xiàn)[3]在300 MB達(dá)到最大靈敏度，穩(wěn)定在94%，但在600 MB時(shí)靈敏度極具下降。分析可知,存在這種明顯差異的原因在于微處理器的選擇，也表明了集成模塊對(duì)數(shù)據(jù)處理能力的強(qiáng)弱對(duì)比，可見本研究靈敏度較高。

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)模型的控制能力，與傳統(tǒng)BP神經(jīng)模型進(jìn)行對(duì)比，通過微機(jī)顯示式(13)的計(jì)算結(jié)果，將多組數(shù)據(jù)結(jié)果曲線化，得到兩種方法控制能力對(duì)比曲線如圖8所示。

圖8 模型控制能力對(duì)比

分析圖8中曲線，可以看出傳統(tǒng)BP模型強(qiáng)控比率最大為0.77，控制時(shí)間周期為20 s；本研究多層次拓?fù)淠Ｐ蛷?qiáng)控比率最大為0.8，控制時(shí)間周期為30 s。明顯本文設(shè)計(jì)模型強(qiáng)控力度更大，控制時(shí)間更長。

綜合上述實(shí)驗(yàn)分析，本文設(shè)計(jì)的低壓智能檢測(cè)儀采集精度更高，對(duì)于臺(tái)區(qū)設(shè)備檢測(cè)更加靈敏，控制能力更強(qiáng)，整體性能較為優(yōu)越，解決了低壓臺(tái)區(qū)檢測(cè)靈敏度差，檢測(cè)儀靈活性不足的問題，同時(shí)加強(qiáng)了臺(tái)區(qū)設(shè)備監(jiān)管力度[24]。

6 結(jié)束語

本文主要研究應(yīng)用于低壓臺(tái)區(qū)的智能檢測(cè)儀設(shè)計(jì)，通過參考多項(xiàng)發(fā)明專利，對(duì)低壓臺(tái)區(qū)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)出星型拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)；同時(shí)對(duì)智能檢測(cè)儀進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過更新其集成模塊提高儀表對(duì)數(shù)據(jù)控制能力，采用TMS320芯片更新儀表的信號(hào)調(diào)理線路，加強(qiáng)了儀表檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析能力；利用多層級(jí)拓?fù)鋬?yōu)化算法對(duì)低壓臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，使檢測(cè)儀表數(shù)據(jù)顯示具有條理化。最后通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)儀表的可行性，對(duì)儀表檢測(cè)靈敏度和模型控制能力進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方案的優(yōu)越性。

但是本研究在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中仍存在一些不足，由于進(jìn)行了便攜式改造，因此儀表檢測(cè)覆蓋面較窄；對(duì)于較大型電力設(shè)備檢測(cè)較為困難等問題亟待解決。希望后續(xù)能夠針對(duì)這些問題加以完善。