宋景慧,胡春潮
(南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司,廣州 510600)
直流電源指的是干電池、蓄電池或者直流發(fā)電機(jī)等裝置,主要用于維持電路中電壓電流的穩(wěn)衡[1]。熱失控是直流電源負(fù)載容易導(dǎo)致的一種安全問題,受到外力機(jī)械作用或者電氣使用不當(dāng)則是導(dǎo)致熱失控的因素,例如常見的碰撞、擠壓、短路、過放電等,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致直流電源起火以致爆炸[2]。物聯(lián)網(wǎng)為一種以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的可以實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、物與人的泛在連接的網(wǎng)絡(luò),利用傳感設(shè)備、識(shí)別技術(shù)、定位系統(tǒng)等多種設(shè)備和技術(shù),完成所需信息的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測,通過智能化感知和識(shí)別,完成使用目的[3]。具備整體感知、智能處理以及安全傳輸是其主要特征。
為保證直流電源的使用安全性,遠(yuǎn)程負(fù)載熱失控監(jiān)測為主要手段,因此,本文設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的遠(yuǎn)程直流電源負(fù)載熱失控在線監(jiān)測系統(tǒng),用于高效、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確完成遠(yuǎn)程直流電源負(fù)載熱失控監(jiān)測。
基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的遠(yuǎn)程直流電源負(fù)載熱失控在線監(jiān)測系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通過3 層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程直流電源運(yùn)行時(shí)的電壓、電流以及溫度等數(shù)據(jù)的采集,并利用無線網(wǎng)絡(luò)完成采集數(shù)據(jù)的傳輸,實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測[4]。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure
感知層:該層次為系統(tǒng)的基礎(chǔ)層,完成直流電源狀態(tài)實(shí)時(shí)識(shí)別以及信息采集[4]。傳感器可同時(shí)完成上行和下行的兩方面處理,完成感知和監(jiān)測以及執(zhí)行,同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管和控。
網(wǎng)絡(luò)層:該層次為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸中間站,由無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、路由器、網(wǎng)絡(luò)管理等構(gòu)成[5-7]。傳輸過程中,感知層至應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸以TCP/IP 協(xié)議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol,傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議)為依據(jù),可完成跨地域的多個(gè)直流電源的運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)傳輸。
應(yīng)用層:該層次作為遠(yuǎn)程訪問層,通過遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件平臺(tái)完成直流電源負(fù)載熱失控的在線監(jiān)測,該層次可完成熱失控監(jiān)測的同時(shí)還能夠下發(fā)指令完成控制以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、挖掘應(yīng)用[8-10]。
為實(shí)現(xiàn)特征參量融合效果,完成數(shù)據(jù)降維,使非線性數(shù)據(jù)的處理效果提升,采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程直流電源負(fù)載熱失控監(jiān)測,其流程如圖2所示。
圖2 監(jiān)測流程Fig.2 Monitoring flow chart
設(shè)Φ(x)為非線性核函數(shù);矩陣和特征方程兩者分別為K=[Kij],Kij=K(xi,xj)=〈Φ(xi),Φ(xj)〉和nλα=K(xi,xj)α,為獲取直流電源運(yùn)行狀態(tài)特征向量Vk,采用后者對前者完成求解。特征空間內(nèi),直流電源運(yùn)行狀態(tài)特征參量的第k 個(gè)主成分求解公式為
式中:核函數(shù)用K(xi,xj)表示。
式中:lin和lmj分別為直流電源i 和直流電源j 的空間特征距離值。
獲取直流電源運(yùn)行狀態(tài)特征參量后,采用隱半馬爾可夫模型完成多特征融合,其融合步驟如下所述:
(1)對直流電源的運(yùn)行狀態(tài)特征向量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。
(2)采用核主成分分析對處理后的參量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,通過高斯徑向基核函數(shù)獲取n 個(gè)特征值和特征向量,分別為λ1,λ2,…,λn和h1,h2,…,hn。按照一定的累積貢獻(xiàn)率在n 個(gè)主成分中選取超過85%的l≤n 個(gè)主成分。
(3)直流電源所有的狀態(tài)的參量信息可通過選取的l 個(gè)主成分表示,對應(yīng)主成分的特征權(quán)值可通過選取的主成分描述,其為
對選取的l 個(gè)主成分進(jìn)行和其特征權(quán)值,進(jìn)行融合處理,獲取n 個(gè)通道融合后的特征向量為
根據(jù)融合后的特征向量完成識(shí)別,并將其與直流電源負(fù)載故障庫進(jìn)行比對,完成在線監(jiān)測。
為測試本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果和性能,將某變電站的直流電源組作為實(shí)例測試對象,采用本文系統(tǒng)對其進(jìn)行直流電源負(fù)載熱失控遠(yuǎn)程在線監(jiān)測,統(tǒng)計(jì)本文系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)對象熱失控的發(fā)生溫度階段為140 ℃以上、850 ℃以下。系統(tǒng)分別用于層級(jí)之間數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)顯示、溫度相關(guān)的監(jiān)測結(jié)果傳輸?shù)闹兴俸偷退俚男畔鬏敽臅r(shí)分別需低于100 ms 和500 ms;視頻傳輸延時(shí)低于200 ms;監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和視頻寬帶需大于100 Mb/s 和3 Mb/s。
不同核參數(shù)情況下,高斯徑向基核函數(shù)的累積貢獻(xiàn)率會(huì)受到影響,因此需獲取核參數(shù)取值不同時(shí),核主成分和第一核主成分的貢獻(xiàn)率結(jié)果,如圖3所示。
圖3 貢獻(xiàn)率測試結(jié)果Fig.3 Contribution rate test results
根據(jù)圖3測試結(jié)果可知:核參數(shù)的取值增加第一主成分的貢獻(xiàn)率呈上升趨勢,累計(jì)貢獻(xiàn)率超過85%的核主成分?jǐn)?shù)量則減少;當(dāng)其取值為28 時(shí),第一主成分貢獻(xiàn)率呈穩(wěn)定狀態(tài),累計(jì)貢獻(xiàn)率超過85%的核主成分?jǐn)?shù)量也呈穩(wěn)定狀態(tài)。因此,核參數(shù)取值為28。
系統(tǒng)在監(jiān)測過程中,網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的優(yōu)劣決定監(jiān)測的實(shí)時(shí)性,并且系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)包含有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò),因此,為保證直流電源負(fù)載熱失效的監(jiān)測實(shí)時(shí)性,有線網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)抖動(dòng)以及兩種網(wǎng)絡(luò)的組合網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)需保證最低。結(jié)合該實(shí)驗(yàn)對象實(shí)際使用需求,測試本文系統(tǒng)在不同的通信網(wǎng)絡(luò)寬帶下有線網(wǎng)絡(luò)的多種傳輸時(shí)延結(jié)果、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為4 Mb/s時(shí)傳輸抖動(dòng)時(shí)延測試結(jié)果分別如表1和表2所示。同時(shí)獲取相同條件下組合網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延和抖動(dòng)時(shí)延測試結(jié)果,分別如表3和表4所示。
根據(jù)表1和表2測試結(jié)果可知:本文系統(tǒng)的有線在不同的通信網(wǎng)絡(luò)寬帶下有線網(wǎng)絡(luò)的多種傳輸時(shí)延均在0.7 ms 以內(nèi),網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為4 Mb/s 時(shí)傳輸抖動(dòng)時(shí)延0.3 ms 以內(nèi)。根據(jù)表3和表4的測試結(jié)果可知:本文系統(tǒng)在兩種網(wǎng)絡(luò)組合的情況下,多種傳輸時(shí)延均在21 ms 以內(nèi);組合網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為4 Mb/s 時(shí)傳輸抖動(dòng)時(shí)延均在1.9 ms 以內(nèi)。并且抖動(dòng)時(shí)延波動(dòng)較小。該時(shí)延結(jié)果符合實(shí)際使用標(biāo)準(zhǔn),因此說明本文系統(tǒng)在有線網(wǎng)絡(luò)以及組合網(wǎng)絡(luò)兩種情況下,均可保證數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性,可高效完成。
表1 有線網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延結(jié)果Tab.1 Transmission delay results of wired network
表2 有線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為4 Mb/s 時(shí)傳輸抖動(dòng)時(shí)延測試結(jié)果Tab.2 Test results of transmission jitter delay when wired network load is 4 Mb/s
表3 組合網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延結(jié)果Tab.3 Transmission delay results of combined network
表4 組合網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為4 Mb/s 時(shí)傳輸抖動(dòng)時(shí)延測試結(jié)果Tab.4 Test results of transmission jitter delay when the combined network load is 4 Mb/s
為測試本文系統(tǒng)對直流電源負(fù)載熱失控的在線監(jiān)測效果,實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行不同次數(shù)的恒流恒壓充放電循環(huán)而導(dǎo)致溫度升高過程中,測試本文系統(tǒng)在溫度變化過程中的識(shí)別監(jiān)測結(jié)果,如圖4所示。
圖4 熱失控監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Monitoring results of thermal runaway
根據(jù)圖4測試結(jié)果可知:本文系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測直流電源溫度變化,循環(huán)次數(shù)越多,負(fù)載越嚴(yán)重,則溫度增加的越快,達(dá)到熱失控的時(shí)間越短。該結(jié)果說明本文系統(tǒng)可有效監(jiān)測直流電源的溫度變化,完成熱失控的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
為進(jìn)一步測試本文系統(tǒng)的監(jiān)測效果,保證直流電源的安全運(yùn)行,避免電力事故形成。以圖5中3種負(fù)載循環(huán)次數(shù)為例,在不同循環(huán)次數(shù)時(shí),溫度分別在150 ℃,250 ℃和350 ℃時(shí)直流電源分別發(fā)生電芯SEI 膜全部分解、大規(guī)模短路、電芯著火3 種故障,測試本文系統(tǒng)對于熱失控引起的上述電力故障識(shí)別結(jié)果,如圖5所示。
圖5 故障識(shí)別結(jié)果Fig.5 Fault identification results
根據(jù)圖5的測試結(jié)果可知:3 種循環(huán)次數(shù)負(fù)載條件下,產(chǎn)生的熱失控故障,本文系統(tǒng)均可準(zhǔn)確、高效地完成識(shí)別。說明本文方法具備良好的監(jiān)測效果,可100%完成熱失控引起的故障識(shí)別和監(jiān)測。
直流電源是變電站的主要電力設(shè)備,熱失控是其在使用過程常見的一種安全隱患極大的故障,為對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,本文設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的遠(yuǎn)程直流電源負(fù)載熱失控在線監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)直流電源負(fù)載熱失控遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。測試結(jié)果表明:該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信傳輸時(shí)延極低,可保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,并且可準(zhǔn)確完成直流電源熱失控溫度監(jiān)測以及引起的故障識(shí)別,可為直流電源的安全運(yùn)行提供保證。