王朝陽(yáng)，張 紅

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司南宮市供電分公司，河北 南宮 055700；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司邢臺(tái)市環(huán)城供電分公司，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

電能在電力發(fā)展工程中占據(jù)重要作用，是日常生活中不可或缺的能源。為了提高電能費(fèi)用核算的精準(zhǔn)性，電能計(jì)量廣泛應(yīng)用在電力行業(yè)中。在傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)人工檢驗(yàn)過(guò)程中，關(guān)口電能計(jì)量裝置的檢驗(yàn)工作量大、對(duì)二次回路的負(fù)荷要求高，通常采用遠(yuǎn)程校驗(yàn)方法檢驗(yàn)關(guān)口電能計(jì)量裝置。對(duì)于操作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以及時(shí)預(yù)警異常問(wèn)題，防止計(jì)量事故。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)關(guān)口電能計(jì)量設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了一種基于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的同步采樣、無(wú)線通信技術(shù)，采集電壓電流數(shù)據(jù)，且將其傳輸?shù)街髡?，通過(guò)故障診斷改善關(guān)口電能計(jì)量設(shè)備的監(jiān)測(cè)效果[1]。

1 電能計(jì)量裝置概述

電能計(jì)量裝置指利用電能價(jià)格、電能指標(biāo)等要素詳細(xì)記錄用戶耗電量的裝置。結(jié)構(gòu)元器件主要包括液晶驅(qū)動(dòng)、繼電器驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存以及微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）等設(shè)備，根據(jù)其結(jié)構(gòu)要素和工作原理，可將電能計(jì)量裝置分為感應(yīng)式、機(jī)電一體式、電子式等類型。感應(yīng)式電能計(jì)量設(shè)備是通過(guò)利用電磁感應(yīng)原理，將電壓、相位、電流全部轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚床捎么帕匦D(zhuǎn)圓盤(pán)，控制計(jì)度器進(jìn)行正常工作，從而對(duì)整個(gè)電能開(kāi)展計(jì)量工作。這種計(jì)量方式具有較強(qiáng)的特殊性，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，能直觀地將計(jì)量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來(lái)。電子式電能計(jì)量裝置能實(shí)時(shí)收集用戶負(fù)載數(shù)據(jù)，如電壓、電流等，且將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，再采用模擬技術(shù)，模擬整個(gè)計(jì)量工作流程。

2 數(shù)據(jù)采集前置裝置的設(shè)計(jì)和改進(jìn)

為了保證電能計(jì)量裝置遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性能達(dá)到預(yù)期要求，工作人員要實(shí)時(shí)采樣現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，分別從電壓和電流采樣、總方案設(shè)計(jì)、脈沖同步設(shè)計(jì)等方面提高數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度。在采樣電壓和電流數(shù)據(jù)時(shí)，要分析變電站電流受負(fù)荷因素的影響程度，避免時(shí)常出現(xiàn)大幅度波動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)，要拓展電流互感器的動(dòng)態(tài)范圍，在全量程范圍中具有較好的角差和比差。該裝置采用24 位Σ－△型芯片和零磁通互感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。在脈沖同步設(shè)計(jì)方面，采用同步波形采樣，將現(xiàn)場(chǎng)電壓、電流信號(hào)相連接，精準(zhǔn)取樣高精度AD 芯片，得到高精準(zhǔn)度設(shè)備信息，再將其內(nèi)存保護(hù)單元（Memory Protection Unit，MPU）的串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）傳送至板載同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM），實(shí)時(shí)接收關(guān)口電能表的脈沖信號(hào)。另外，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行打包整理，利用通信單位傳送至上方主站，并對(duì)其溫度收集功能進(jìn)行監(jiān)控。同步波形采樣流程如圖1 所示。

圖1 同步波形采樣流程

3 智能化故障診斷技術(shù)

3.1 大數(shù)據(jù)挖掘中并行計(jì)算

該方法基于并行編程環(huán)境消息傳遞接口（Message Passing Interface，MPI），構(gòu)建電能計(jì)量設(shè)備的故障診斷并行平臺(tái)。其中，MPI是利用多種會(huì)議的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，從而建立起一套完整的信息傳輸編程模型，可以支持C 語(yǔ)言、Fortran 語(yǔ)言，保證各種操作系統(tǒng)順利運(yùn)行。使MPI 庫(kù)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸計(jì)算，具有兼容性和方便性高等特點(diǎn)。與串行計(jì)算相比，并行計(jì)算注重計(jì)算多個(gè)處理器并發(fā)的執(zhí)行情況，將順序執(zhí)行的計(jì)算任務(wù)作為同步執(zhí)行子任務(wù)，保障全部子任務(wù)能順利進(jìn)行，從而達(dá)到預(yù)期要求。通常并行計(jì)算最常用在計(jì)算復(fù)雜問(wèn)題方面，按照程序和算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，將其分為數(shù)據(jù)并行和任務(wù)并行。數(shù)據(jù)并行是將一個(gè)主要任務(wù)分解為幾個(gè)子任務(wù)；任務(wù)并行是同步執(zhí)行這個(gè)主要任務(wù)，防止發(fā)生數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，提高了數(shù)據(jù)的處理效率[2]。

3.2 支持向量機(jī)

在結(jié)構(gòu)性風(fēng)險(xiǎn)最小原理和VC 維理論的基礎(chǔ)上，提出了一種新的分類器。與常規(guī)反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，支持向量機(jī)（Support Vector Machines，SVM）一般會(huì)對(duì)非線性問(wèn)題進(jìn)行處理，從而解決BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本數(shù)目過(guò)大的問(wèn)題。需要指出的是，因?yàn)镾VM 是一種分類模型，所以在模式識(shí)別中應(yīng)使用有必要的分類模型，以確定SVM 數(shù)量[3]。

3.3 基于并行算法和SVM 的智能化故障診斷模型

通過(guò)對(duì)電能計(jì)量裝置的故障進(jìn)行診斷，得到了1個(gè)主節(jié)點(diǎn)和4 個(gè)子節(jié)點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)并行和任務(wù)并行方式，通過(guò)向量機(jī)對(duì)電能計(jì)量裝置的運(yùn)行情況進(jìn)行診斷。目前，電力系統(tǒng)本體故障的種類有電力表本體故障、互感器本體故障等。針對(duì)這種情況，工作人員要利用反極性檢查、異常檢查等方法取得真實(shí)的電流、電壓數(shù)據(jù)，構(gòu)建健全的故障診斷模型[4]。

3.3.1 建立數(shù)據(jù)并行化智能故障診斷模型

（1）建立數(shù)據(jù)并行化故障診斷模型。通過(guò)分析以往數(shù)據(jù)資源，對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，從而有效利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源，獲得不同類型故障的電流、電壓等數(shù)據(jù)。將樣本數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥髦?，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的支撐向量機(jī)均具備多樣化性能，且各子節(jié)點(diǎn)之間相互結(jié)合。各子節(jié)點(diǎn)是基于支持向量機(jī)的訓(xùn)練，對(duì)各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的權(quán)重進(jìn)行合理的統(tǒng)計(jì)，建立了完善的并行化故障診斷模型。

（2）采用并行算法進(jìn)行分析，完善數(shù)據(jù)并行化智能故障診斷模型，對(duì)電能計(jì)量設(shè)備的操作狀態(tài)進(jìn)行診斷。利用數(shù)據(jù)采集裝置采集現(xiàn)場(chǎng)樣本，提取出電流、電壓樣本等信息，反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，將其作為故障診斷模塊的輸入信息。同時(shí)，采用故障診斷模塊中數(shù)據(jù)并行處理方法，通過(guò)支持向量機(jī)診斷電能計(jì)量設(shè)備的操作狀態(tài)，輸出各子節(jié)點(diǎn)的故障診斷結(jié)果。此外，利用數(shù)據(jù)并行化故障診斷模型，對(duì)各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的權(quán)重進(jìn)行分析，集中各節(jié)點(diǎn)的診斷結(jié)果，輸出權(quán)重較高的裝置運(yùn)行狀態(tài)作為總節(jié)點(diǎn)[5]。

3.3.2 建立任務(wù)并行化智能故障診斷模型

建立任務(wù)并行故障診斷模型。利用以前數(shù)據(jù)，得出不同類型故障和正常運(yùn)行時(shí)電流、電壓數(shù)據(jù)，橫向分割支持向量機(jī)處理單元，將各層核函數(shù)按照處理器數(shù)量進(jìn)行科學(xué)分割，然后將各層核函數(shù)分布到相應(yīng)的處理器上，從而使各處理器中的核函數(shù)具有輸出、輸入功能，并在處理器中進(jìn)行權(quán)值相連。該方法利用大數(shù)據(jù)任務(wù)并行化方法實(shí)現(xiàn)，選取了支持向量機(jī)輸入量，將此類輸出值作為輸出值，對(duì)以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并構(gòu)建了并行故障診斷模型。

利用任務(wù)并行化智能故障診斷模型，獲得現(xiàn)場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)，提取能反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，將相關(guān)信息輸入故障診斷模塊，支持向量機(jī)每層單獨(dú)診斷電能計(jì)量設(shè)備的工作狀態(tài)，科學(xué)診斷電能計(jì)量設(shè)備的實(shí)際情況。同時(shí)，利用數(shù)據(jù)并行化故障診斷模式中的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)權(quán)重，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的診斷結(jié)果進(jìn)行集中，輸出權(quán)重更高的設(shè)備運(yùn)作狀態(tài)，以此來(lái)作為總節(jié)點(diǎn)。在總節(jié)點(diǎn)輸出電能計(jì)量裝置運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)發(fā)生故障問(wèn)題時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生故障類型。

采用檔、打包壓縮等方式傳送海量的波形數(shù)據(jù)過(guò)程中，由于數(shù)據(jù)量較大，診斷流程過(guò)于復(fù)雜，工作人員要全面診斷，才能保證數(shù)據(jù)診斷的準(zhǔn)確性。因此，文章提出大數(shù)據(jù)并行計(jì)算方法，解決了數(shù)據(jù)量大、診斷分析困難的問(wèn)題，結(jié)合支持向量機(jī)SVM 智能診斷算法，進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)并行化智能故障診斷模型和任務(wù)并行化智能故障診斷模型[6-7]。

4 實(shí)例應(yīng)用

針對(duì)所提出的關(guān)口電能計(jì)量設(shè)備的智能故障診斷和預(yù)警技術(shù)，利用電流、電壓等取樣資料，采用并行化構(gòu)建智能故障診斷模型，診斷故障設(shè)備的關(guān)口電能計(jì)量裝置狀態(tài)，記錄故障設(shè)備數(shù)據(jù)，并以多種預(yù)警方法及時(shí)通知有關(guān)人員，避免計(jì)量故障。在線自動(dòng)化管理系統(tǒng)的可視化界面如圖2 所示。

圖2 在線自動(dòng)化管理系統(tǒng)的可視化界面

5 結(jié) 論

從目前的關(guān)口電能計(jì)量設(shè)備應(yīng)用情況來(lái)看，關(guān)口電能計(jì)量設(shè)備嚴(yán)重缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控故障診斷技術(shù)，存在取樣數(shù)據(jù)量大、診斷效果差、效率低等問(wèn)題。針對(duì)該種情況，提出全新的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。利用大數(shù)據(jù)并行算法和支持向量機(jī)，構(gòu)建數(shù)據(jù)并行化、任務(wù)并行化智能故障診斷模型，全面診斷電能計(jì)量設(shè)備運(yùn)行故障狀態(tài)，自動(dòng)記錄存在故障的設(shè)備，避免出現(xiàn)嚴(yán)重計(jì)量故障。