王 鵬，焦 陽(yáng)，李昕鈺，張揚(yáng)華

（1.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100032；2.北京中電普華信息技術(shù)有限公司，北京 102218）

電力系統(tǒng)智能化的不斷進(jìn)步和發(fā)展，在DCS（distributed control system）的控制器中，機(jī)械電表接觸傳感器得到了比較廣泛的應(yīng)用，研究機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)[1-2]方面的內(nèi)容具有十分重要的意義。目前國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)建立了相對(duì)成熟的機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量數(shù)據(jù)庫(kù)，并且也取得了比較顯著的研究成果，可以為決策者提供相關(guān)的理論支持。

文獻(xiàn)[3]在長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)模型中加入基于因果卷積的自注意力機(jī)制，提取局部特征信息，將預(yù)測(cè)結(jié)果和測(cè)量結(jié)果展開殘差計(jì)算，同時(shí)將Shapiro-Wilk 檢驗(yàn)和閾值比較法兩者相結(jié)合的方式完成傳感器故障檢測(cè)；文獻(xiàn)[4]考慮殘差對(duì)未知干擾產(chǎn)生的影響，設(shè)定H∞/H∞性能指標(biāo)，獲取增益矩陣，通過(guò)量化誤差的隨機(jī)過(guò)程特性確定閾值誤報(bào)率的上限值，完成傳感器故障檢測(cè)；文獻(xiàn)[5]將向量自回歸模型和小波分析法有效結(jié)合對(duì)傳感器展開故障檢測(cè)。由于上述方法在實(shí)際DCS 使用過(guò)程中，存在檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確以及檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題。

因此，提出一種針對(duì)DCS 機(jī)械電表接觸傳感器的計(jì)量誤差檢測(cè)方法。

1 傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)方法

1.1 計(jì)量數(shù)據(jù)抗干擾去噪

在進(jìn)行小波去噪過(guò)程中，閾值選取[6-7]是非常重要的步驟，特別是在實(shí)時(shí)處理機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量數(shù)據(jù)的場(chǎng)景中。由于計(jì)量數(shù)據(jù)規(guī)模大且連續(xù)，將數(shù)據(jù)預(yù)處理和基于小波基擬合的數(shù)據(jù)處理方法嵌入其中。對(duì)于靜態(tài)的計(jì)量數(shù)據(jù)而言，需要全部數(shù)據(jù)到達(dá)，并且構(gòu)建對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)，對(duì)數(shù)據(jù)展開去噪處理。

計(jì)量數(shù)據(jù)抗干擾去噪[8-9]的詳細(xì)操作步驟：

（1）組建滑動(dòng)的計(jì)量數(shù)據(jù)窗口，選擇合適的小波基函數(shù)對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)抗干擾處理，對(duì)應(yīng)的計(jì)算式如下所示：

式中：bk，2n為小波系數(shù)；ej，n為尺度系數(shù)；hk，2n為信號(hào)離群采樣點(diǎn)數(shù)量；n 為常數(shù)。

（2）通過(guò)均方根誤差以及信噪比動(dòng)態(tài)選擇閾值，展開計(jì)量數(shù)據(jù)去噪[10-11]。其中，均方根誤差RMSE以及信噪比SNR 對(duì)應(yīng)的計(jì)算式如下所示：

式中：r（n）為原始計(jì)量數(shù)據(jù)；～r（n）為去噪處理后的計(jì)量數(shù)據(jù)；powersignal為原始信號(hào)功率；powernoise為噪聲功率，對(duì)應(yīng)的計(jì)算式如下所示：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定動(dòng)態(tài)閾值，進(jìn)而展開去噪處理，對(duì)應(yīng)的計(jì)算式如下所示：

式中：λ 表示去噪后的計(jì)量數(shù)據(jù)；M 為機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

（3）對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)展開多項(xiàng)式擬合處理[12-13]，并且通過(guò)均方根誤差選擇最優(yōu)擬合參數(shù)βbest，對(duì)應(yīng)的計(jì)算式如下所示：

（4）當(dāng)滑動(dòng)窗口移動(dòng)到下一個(gè)時(shí)間段，重復(fù)上述操作步驟，直至各個(gè)時(shí)間段的計(jì)量數(shù)據(jù)完成去噪。

1.2 計(jì)量數(shù)據(jù)誤差檢測(cè)

通過(guò)抗干擾去噪處理計(jì)量數(shù)據(jù)，可消除數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾信號(hào)，從而提高計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，并為后續(xù)的計(jì)量誤差檢測(cè)提供基礎(chǔ)。在進(jìn)行計(jì)量過(guò)程時(shí)，需要對(duì)各個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)展開計(jì)量誤差檢測(cè)。分簇通過(guò)LEACH 協(xié)議實(shí)現(xiàn)，相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)形態(tài)簇中隨機(jī)選定簇頭。在簇頭通過(guò)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)對(duì)去噪后的數(shù)據(jù)展開融合處理，利用閾值分析方法獲取計(jì)量指標(biāo)，判斷各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的計(jì)量結(jié)果是否存在誤差。

引入變量pm表示加權(quán)中值屬于計(jì)量誤差的范圍，對(duì)應(yīng)的計(jì)算式如下所示：

式中：u 為鄰居節(jié)點(diǎn)；λk為第k 個(gè)閾值；m 為常數(shù)。

為了有效避免能量消耗過(guò)快，將節(jié)點(diǎn)傳感器功能設(shè)定為休眠狀態(tài)，當(dāng)再次被選為簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)被喚醒。簇頭共有5 個(gè)成員節(jié)點(diǎn)，在設(shè)定的LEACH 周期內(nèi)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至簇頭節(jié)點(diǎn)的計(jì)量數(shù)據(jù)X，具體表達(dá)式為

對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)序列展開排序，序列中各個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的權(quán)值初始值表示為τi，計(jì)算每個(gè)計(jì)量數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)的權(quán)重，每重復(fù)一次將權(quán)值的取值加1。計(jì)算計(jì)量數(shù)據(jù)的加權(quán)中值xmed：

引入容量ψij，優(yōu)先設(shè)定閾值，主要用來(lái)確定計(jì)量值的容錯(cuò)率。為了防止有效數(shù)據(jù)被忽略，在得到計(jì)量數(shù)據(jù)序列中值時(shí)，需要選擇其相鄰左右數(shù)據(jù)展開比較，對(duì)應(yīng)的計(jì)算式如下所示：

在設(shè)定閾值范圍內(nèi)，將其作為有效計(jì)量數(shù)據(jù)，通過(guò)加權(quán)均值方法展開平均值計(jì)算，如公式（12）所示：

式中：ψmed為容量均值。

（1）將原始計(jì)量數(shù)據(jù)展開排序，表示為｛x1′，x2′，x3′，x4′，x5′｝；

（2）計(jì)算計(jì)量數(shù)據(jù)的權(quán)值；

（3）通過(guò)公式（10）計(jì)算計(jì)量數(shù)據(jù)的加權(quán)中值；

（4）將全部計(jì)量數(shù)據(jù)展開融合[14-15]處理θ，對(duì)應(yīng)的計(jì)算式如下所示：

計(jì)量誤差檢測(cè)詳細(xì)的操作步驟如下：

（1）在展開檢測(cè)前期，基站將全部檢測(cè)環(huán)境參數(shù)直接轉(zhuǎn)發(fā)給工作節(jié)點(diǎn)；

（2）在每個(gè)分簇的過(guò)程中，簇頭節(jié)點(diǎn)的融合值θ作為本地計(jì)量值，同時(shí)評(píng)估加權(quán)中值算法的準(zhǔn)確率，選擇合適的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)作為計(jì)量值，通過(guò)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的計(jì)量值估計(jì)下一時(shí)間段的節(jié)點(diǎn)計(jì)量值；

（3）簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)利用滑動(dòng)窗口記錄n 個(gè)時(shí)刻的計(jì)量值；

（4）根據(jù)服務(wù)器存儲(chǔ)的計(jì)量歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)閾值分析方法，確定計(jì)量指標(biāo)Gp，如公式（14）所示：

（5）將計(jì)量指標(biāo)作為判定依據(jù)，判定公式為

式中：yij為機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量。

通過(guò)公式（15）作為判定依據(jù)，檢測(cè)機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量數(shù)據(jù)是否存在誤差。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

為了驗(yàn)證DCS 中機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)方法的有效性，采集B 城市2021 年～2022 年的某大型電站DCS（和利時(shí)公司）控制器中，機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)，使用Daubechies小波函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)去噪處理，設(shè)置窗口長(zhǎng)度為10～100，閾值設(shè)置為2，并通過(guò)軟件輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1 所示。

圖1 DCS 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖Fig.1 Experimental diagram of DCS control system

2.2 測(cè)試指標(biāo)

（1）誤差檢測(cè)率

所提方法的機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)率，如圖2 所示。分析圖2 可知，所提方法獲取的電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)率保持在90%以上，說(shuō)明所提方法可以為機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)提供有利的理論支撐。

圖2 誤差檢測(cè)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Experimental results of error detection rate

（2）誤檢率

機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)過(guò)程中誤檢率結(jié)果如表1 所示。

表1 誤檢率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results of false detection rate

分析表1 可知，所提方法在機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量過(guò)程中最高和最低誤檢率分別為0.11%和0.02%，說(shuō)明所提方法更加適用于機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)。

（3）誤判率

在機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)過(guò)程中的誤判率如圖3 所示。

圖3 誤判率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results of misjudgment rate

分析圖3 可知，所提方法在機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量過(guò)程中的誤判率取值明顯較低，未超過(guò)1%，充分驗(yàn)證了所提方法在機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)過(guò)程中的優(yōu)越性。

（4）誤差檢測(cè)時(shí)間

在設(shè)定樣本數(shù)量下對(duì)方法的機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)時(shí)間展開實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 誤差檢測(cè)時(shí)間結(jié)果Fig.4 Error detection time result

通過(guò)圖4 可知，采用所提方法展開機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)時(shí)間最高僅為125 s，說(shuō)明所提方法具有比較高的檢測(cè)效率。

利用接觸傳感器，記錄機(jī)械電表1 年內(nèi)的讀數(shù)數(shù)據(jù)作為對(duì)照組，將實(shí)際讀數(shù)和機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，所提方法的機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差Tab.2 Mechanical meter contact sensor measurement error

根據(jù)表2 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，該方法在計(jì)量誤差檢測(cè)方面表現(xiàn)良好。相對(duì)誤差方面，對(duì)于大多數(shù)月份中的相對(duì)誤差較小且波動(dòng)較小，具有更好的計(jì)量精度。同時(shí)，在絕對(duì)誤差方面，所提方法的計(jì)量結(jié)果普遍較接近實(shí)際值，因此，所提方法在計(jì)量誤差檢測(cè)方面效果較好。

3 結(jié)語(yǔ)

為了得到精準(zhǔn)的傳感器計(jì)量故障檢測(cè)結(jié)果，提出一種機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)方法。采用合適的小波基函數(shù)和動(dòng)態(tài)閾值選取的方法對(duì)機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量數(shù)據(jù)去噪，并利用LEACH協(xié)議進(jìn)行簇內(nèi)監(jiān)測(cè)和閾值分析，實(shí)現(xiàn)機(jī)械電表接觸傳感器的計(jì)量誤差檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法可以有效降低機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)過(guò)程中的誤判率和誤檢率，提升機(jī)械電表接觸傳感器計(jì)量誤差檢測(cè)率和檢測(cè)效率。