王健寧

(中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

0 引言

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]被廣泛應用到互聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)中，已經(jīng)成為炙手可熱的研究重點，針對該技術(shù)我國已經(jīng)開展全國性以及戰(zhàn)略性的研究部署，利用先進的傳感技術(shù)、識別技術(shù)和網(wǎng)絡通信等，結(jié)合特殊的協(xié)議轉(zhuǎn)換實現(xiàn)不同種類的連接，因此該技術(shù)廣泛應用于交通和電網(wǎng)等[2-3]。目前，電力企業(yè)的運行狀態(tài)檢測方法還不夠完善，國內(nèi)外針對該問題研究多年，無論是性能或監(jiān)測工藝仍不理想，且電力設備運行的監(jiān)測關(guān)乎工作人員的安全，因此，相關(guān)學者紛紛對電廠運行設備監(jiān)測進行了研究。

孫海銘等[4]在機器視覺技術(shù)的基礎(chǔ)上監(jiān)測電廠設備的溫度異常情況；李佳等[5]基于遺傳算法實現(xiàn)電廠設備運行監(jiān)測。這2種方法在對電廠設備運行監(jiān)測過程中沒有提取電力設備運行狀態(tài)信息和聚類，無法獲取完整的數(shù)據(jù)狀態(tài)種類，在電廠設備運行監(jiān)測過程中可能出現(xiàn)重復監(jiān)測等情況，增加了監(jiān)測時間成本，存在聚類效果差、監(jiān)測效果差和監(jiān)測結(jié)果平均誤差大的問題。為了解決上述方法中存在的問題，提出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電廠設備運行監(jiān)測系統(tǒng)中的應用方法。

1 電力設備運行狀態(tài)信息提取

假設電廠設備運行數(shù)據(jù)集為X，其表達式為

(1)

m為電力數(shù)據(jù)集內(nèi)的成分數(shù)量；xj為電力數(shù)據(jù)集內(nèi)的數(shù)據(jù)成分；(xj1,xj2,…,xjx)為數(shù)據(jù)成分的監(jiān)測值。

假設電力設備的狀態(tài)為C，其表達式為

C={ci,i=1,2,…,n}

(2)

令pci為類別ci的聚類中心，其表達式為

pci=(ci1,ci2,…,cin)

(3)

cin為電力設備狀態(tài)類別數(shù)量。

為獲取電力設備數(shù)據(jù)集X內(nèi)各成分的設備狀態(tài)在ci中的程度，可通過電力設備狀態(tài)的隸屬度進行計算，則設備狀態(tài)的隸屬度矩陣[6]為

(4)

U為電廠設備狀態(tài)類別的隸屬度矩陣；uij為電廠設備狀態(tài)的隸屬度。

uij需滿足下列條件，即

(5)

對電廠設備監(jiān)測過程中，數(shù)據(jù)集X內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)狀態(tài)的數(shù)量以及量綱等均不相同，所以需要對其進行歸一化處理[7]。假設在評價電廠設備狀態(tài)優(yōu)劣度的方法中，獲取到歸一化后的數(shù)據(jù)為xnor,ji，當優(yōu)劣度較大時，數(shù)據(jù)監(jiān)測量xnor，ji為

(6)

當處于中間型優(yōu)劣度時，數(shù)據(jù)監(jiān)測量xnor,ji為

(7)

當優(yōu)劣度較小時，數(shù)據(jù)監(jiān)測量xnor,ji為

(8)

α和α1以及α2分別為優(yōu)劣度較大和中間優(yōu)劣度時監(jiān)測量的警告數(shù)值；β和β1以及β2分別為優(yōu)劣度較大時和中間優(yōu)劣度時監(jiān)測量的優(yōu)良值。

對電力設備狀態(tài)評估過程中，為展示出歐氏距離[8]，可對其進行加權(quán)處理，則元素xnor,ji以及ci的加權(quán)歐氏距離為

(9)

q為加權(quán)次數(shù)；s為電力數(shù)據(jù)集維度；w為電力設備狀態(tài)評估體系的權(quán)重向量，其表達式為

w={wp,p=1,2,…,s}

(10)

則在FCM算法[9]下的設備狀態(tài)信息目標函數(shù)為

(11)

J為FCM算法的目標函數(shù)；U為電廠設備狀態(tài)隸屬度；C為電廠設備狀態(tài)類別；X為電廠設備監(jiān)測數(shù)據(jù)集。

在聚類原理的基礎(chǔ)上建立出拉格朗日函數(shù)[10]，即

(12)

F為拉格朗日函數(shù)；λ為拉格朗日參數(shù)。

將F內(nèi)的全部參數(shù)進行求導，生成電廠監(jiān)測數(shù)據(jù)成分隸屬度，其表達式為

(13)

uij為電廠設備監(jiān)測數(shù)據(jù)聚類的隸屬度。

經(jīng)求導得出類別ci聚類中心的求解公式為

(14)

pci為ci的聚類中心。

通過式(13)和式(14)不斷更新pci和uij，生成聚類[11]中心集，其表達式為

(15)

為獲取目前設備的狀態(tài)，可對監(jiān)測數(shù)據(jù)類別ci的狀態(tài)進行評價，其評價表達式為

Vi=wciq

(16)

在隸屬度最大原則的基礎(chǔ)上得出監(jiān)測數(shù)據(jù)集X中各成分的狀態(tài)類別，進而得到狀態(tài)信息集，即可實現(xiàn)電廠設備運行監(jiān)測數(shù)據(jù)的狀態(tài)信息提取，其表達式為

(17)

SX為狀態(tài)信息集。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電廠設備運行監(jiān)測

在進行電廠設備運行監(jiān)測時，可通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將設備與設備之間進行連接完成通信，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸與控制，由于電廠通常利用中央節(jié)點進行電流量的控制，因此當交換機的數(shù)量是N，此時的電力傳輸?shù)钠骄訒r公式為

(18)

ti為電力傳輸交換機之間的延時；N-1為鏈路條的個數(shù)。

通過計算電力傳輸時延以及節(jié)點構(gòu)建出電廠設備的拓撲結(jié)構(gòu)，從而達到電廠設備的通信要求。

由于電廠設備在監(jiān)測途中會受到電磁干擾導致數(shù)據(jù)不完整，為將時延和電廠監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失的影響降至最低，可將電力流量進行劃分，根據(jù)式(16)的評估狀態(tài)融合電廠設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進而生成電網(wǎng)生存周期的表達式為

Li=Q×fij+Ei/ei

(19)

Ei為電網(wǎng)節(jié)點i的原始能量；ei為數(shù)據(jù)傳輸過程中所需要的單位能量；fij為電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中節(jié)點i到節(jié)點j的平均流量和最大流量之間的比值。

節(jié)點距離因子的計算公式為

(20)

距離因子可平衡電網(wǎng)能耗，減少節(jié)點出現(xiàn)不合理現(xiàn)象，延長電網(wǎng)設備的壽命。

在優(yōu)化電力設備的基礎(chǔ)上對監(jiān)測數(shù)據(jù)的狀態(tài)信息進一步辨識，利用橫向近似的方法分析電力情況，即通過鄰近樣本的負荷變化對電力數(shù)據(jù)狀態(tài)進行辨識。通常情況下，鄰近時間的正常負荷電力數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)突變，且其變化率均在某一固定波動范圍內(nèi)，若超出該范圍，則將該點視為異常數(shù)據(jù)點。

在電力狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上得出其負荷的變化率θ(i)，當θ(i)為最小時將其標記為θmin，同理最大變化率為θmax，從而得出負荷變化率允許波動的范圍為[θmin,θmax]，當電廠設備狀態(tài)信息在該范圍內(nèi)，說明該監(jiān)測數(shù)據(jù)點為正常，否則視為異常數(shù)據(jù)。

當數(shù)據(jù)點為異常數(shù)據(jù)時，可根據(jù)此數(shù)據(jù)點鄰近2點數(shù)據(jù)的變化率的均值對該異常點進行改正，數(shù)據(jù)點改正表達式為

(21)

Y1(i)為經(jīng)過改正后的電廠設備異常值；Yd(i-1)為電力負荷值；Y1(i-1)為電廠設備數(shù)據(jù)特征值。

經(jīng)過對電力設備異常數(shù)據(jù)點的修正進一步確認該點為異常點。

經(jīng)過以上對異常電廠設備數(shù)據(jù)狀態(tài)的辨識以及修正，即可實現(xiàn)電廠設備運行監(jiān)測[12]。

3 實驗與結(jié)果

為了驗證物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電廠設備運行監(jiān)測系統(tǒng)中的應用方法的整體有效性，分別采用本文方法、文獻[4]方法和文獻[5]方法進行監(jiān)測運行時間、聚類效果、監(jiān)測效果和監(jiān)測結(jié)果平均誤差的測試。

3.1 監(jiān)測運行時間

在監(jiān)測電廠設備運行過程時必須保證監(jiān)測的高效性，為驗證本文方法的優(yōu)劣，在同一條件下，利用3種監(jiān)測方法對同一電廠設備進行監(jiān)測。在實驗過程中共設置了5組不同數(shù)據(jù)量，觀察每組數(shù)據(jù)量中3種方法所需的檢測時間，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 3種方法的監(jiān)測運行時間

分析圖1可知，由于數(shù)據(jù)量的增多，3種方法所需的檢測時間均不同程度的增加，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，本文方法是3種方法中最高效的，不論數(shù)據(jù)量多少，其監(jiān)測用時都是最低的。這是因為本文方法在對電廠設備運行監(jiān)測前提取了電力狀態(tài)信息，分類出電力狀態(tài)種類，保證數(shù)據(jù)的完整且不雜亂，因此降低計算復雜度，從而減少監(jiān)測運行時間，保證監(jiān)測的高效性。

3.2 聚類效果

電廠設備在運行監(jiān)測過程中，電力數(shù)據(jù)狀態(tài)的聚類效果十分重要，聚類結(jié)果是否全面關(guān)乎電力數(shù)據(jù)類別是否全面。在某一設備數(shù)據(jù)下利用本文方法進行聚類，實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 本文方法監(jiān)測電廠設備數(shù)據(jù)聚類結(jié)果

根據(jù)圖2可知，本文方法的聚類結(jié)果不僅準確且無遺漏，同時設備數(shù)據(jù)類別之間界限分明，證明本文方法聚類效果好，計算量少，可加強電廠設備運行監(jiān)測性能。

3.3 監(jiān)測效果

為進一步證明本文方法的監(jiān)測效果，在同一環(huán)境下任意選取正在運行的電廠設備進行監(jiān)測。通常情況下，設備通道內(nèi)的距離會在允許范圍內(nèi)波動，若超出這一范圍，說明該時間的設備出現(xiàn)異常，即實現(xiàn)設備的異常監(jiān)測。

該設備實際的監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 真實電廠設備運行監(jiān)測結(jié)果

將本文方法、文獻[4]方法以及文獻[5]方法的監(jiān)測結(jié)果與其進行對比，對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法的電廠設備運行監(jiān)測結(jié)果

經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn)，本文方法的監(jiān)測結(jié)果與實際結(jié)果基本重合，文獻[4]方法的監(jiān)測結(jié)果與實際結(jié)果偏差較小，但文獻[5]方法監(jiān)測結(jié)果與實際結(jié)果完全不一致，將正常運行時間的設備監(jiān)測為。

3.4 監(jiān)測結(jié)果平均誤差

在對運行電廠設備監(jiān)測過程中，會由于外界的各種因素導致監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)偏差，僅僅比較幾次監(jiān)測結(jié)果的偏差不足以證明其準確性，因此，將每20次監(jiān)測結(jié)果分為1組并取其平均絕對誤差，共隨機選取100次監(jiān)測結(jié)果，共分為5組實驗，判斷誤差最小的監(jiān)測方法。所得實驗對比結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，本文方法在每組實驗中的偏差都是最小的，幾乎可忽略不計，其余2種方法的平均絕對誤差均遠遠大于本文方法，因此證明本文方法的性能最優(yōu)，是監(jiān)測電廠設備運行的最優(yōu)方法。

圖5 不同方法的監(jiān)測結(jié)果平均誤差

4 結(jié)束語

電力設備在運行過程中，最擔心的問題是無法第一時間發(fā)現(xiàn)設備出現(xiàn)的故障，導致出現(xiàn)安全問題，造成財產(chǎn)的損失，為此本文提出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電廠設備運行監(jiān)測系統(tǒng)中的應用。該方法首先對電廠設備信息狀態(tài)進行提取，其次在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上對信息狀態(tài)進行辨識和改正，實現(xiàn)電廠設備運行監(jiān)測。解決了監(jiān)測運行時間長、聚類效果差、監(jiān)測效果差和監(jiān)測結(jié)果平均誤差大的問題，保證電廠工作效率，確保工作人員安全，延長電廠設備壽命。