【關鍵詞】互聯(lián)網(wǎng)通信；智能監(jiān)控系統(tǒng)；輸配電

引言

如今，社會經濟的發(fā)展速度越來越快，而智能電網(wǎng)的建設不僅保障了社會經濟的發(fā)展，同時促進了社會生活的有序進行。輸配電設備作為智能電網(wǎng)的重要部分，其運行狀況時刻影響著供電的可靠性以及輸配電設備檢修計劃的合理性，能夠改善設備運行時的狀態(tài)，避免其在運行過程中出現(xiàn)故障，提高電力系統(tǒng)的運行效能[1]。在建設智能電網(wǎng)的過程中，要加快互聯(lián)網(wǎng)通信技術的研發(fā)，同時滿足用電方和配電方的需求。

李偉等（2020）以殘差全連接神經網(wǎng)絡為架構，對電力監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)生的異常進行辨識。[2]為了對電力監(jiān)控系統(tǒng)中檢測到的故障進行有效分類，我們構建了一個基于殘差學習的全連接神經網(wǎng)絡模型，該模型結合了深度學習和半監(jiān)督學習網(wǎng)絡的優(yōu)勢，可以對故障數(shù)據(jù)進行精確的識別和分類。通過組合故障數(shù)據(jù)的訓練樣本特征，構建具有差異性特征的分類器，根據(jù)分類器在應用過程中的誤差率，對不含有標簽的故障數(shù)據(jù)特征進行學習，提高分類器的識別能力。結果顯示，該算法與傳統(tǒng)算法相比可以提高故障數(shù)據(jù)識別的精度，準確識別出電力監(jiān)控系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)。

一、輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

（一）協(xié)調器

在輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)中，協(xié)調器可以將供電電路與監(jiān)控中心連接在一起，提高監(jiān)控的效率。設計過程中，選擇MSP430F153型號的單片機作為協(xié)調器的核心[3]，利用32位的處理器，可以實現(xiàn)對輸配電設備運行數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送、存儲與顯示，其結構如圖1所示。

其中，射頻模塊主要負責接收來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，根據(jù)GPRS的頻率對發(fā)送機進行設置。如果采集到的輸配電數(shù)據(jù)比設定值大，射頻模塊就會發(fā)出報警信號，在互聯(lián)網(wǎng)通信技術下，將報警信號傳輸給工作人員；如果互聯(lián)網(wǎng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常大，還可以借助電力線對輸配電信息進行傳輸。

（二）設計輸配電監(jiān)控器硬件電路

輸配電監(jiān)控器的工作原理是借助單片機和智能處理器對輸配電數(shù)據(jù)進行并行處理，并在相同時間內，對輸配電數(shù)據(jù)進行采集與處理[4]。在互聯(lián)網(wǎng)通信技術的支撐下，輸配電監(jiān)控裝置的物理構成如圖2所示，該裝置能夠搜集各類電壓與電流的數(shù)據(jù)。

其中，電力傳輸與分配信號依次通過電壓調整裝置和電流感應器，接著被轉化為水平方向的電信號，這些轉換后的信號能夠被模擬/數(shù)字轉換器所接收，并進一步被送入ADSP-2265通道進行處理。輸配電監(jiān)控器硬件電路實現(xiàn)了對鍵盤、顯示器、通訊接口的管理，通過啟動互聯(lián)網(wǎng)通信接口，加載輸配電數(shù)據(jù)，獲取監(jiān)控結果。

二、輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

設計將輸配電設備中的電容電流看作一個內環(huán)的反饋變量，利用互聯(lián)網(wǎng)通信技術將輸配電設備與電容連接在一起，根據(jù)電容電流和占空比，建立如下關系式，即：

其中，U表示輸配電設備中濾波電容的電壓值，UC表示輸配電設備中直流側的電容電壓，C0代表直流側的電容值，Sγ表示輸配電設備的電感參數(shù)，zap、zbp和zcp表示占空比系數(shù)。

假設Cb代表輸配電設備中電容的空間矢量，將輸配電設備的電流作為一個外環(huán)的反饋變量，利用互聯(lián)網(wǎng)通信技術融合處理輸配電設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳遞函數(shù)與閉環(huán)傳遞函數(shù)，得到如式（2）所示的融合處理結果，即：

其中，ξ表示輸配電設備的電壓幅度調制比，Φ表示輸配電設備中電壓與電流之間存在的比例關系，δ表示電容電壓與電流之間存在的比例關系，fx表示輸配電設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳遞函數(shù)，gx表示閉環(huán)傳遞函數(shù)。

假設Z代表輸配電設備的阻尼系數(shù)，根據(jù)公式（2）的融合處理結果，設計輸配電智能監(jiān)控算法，表示為：

上式中，Tmin表示輸配電設備中最小零矢量的作用時間，λmax表示輸配電設備中直流電壓的調制系數(shù)，F(xiàn)（x）表示輸配電設備的開環(huán)傳遞函數(shù)。

設計的時候需要確定輸配電設施的電壓和頻率，將電容電流作為內環(huán)反饋變量，建立其與占空比的關系，同時將設施電流作為外環(huán)反饋變量，開發(fā)新算法，從而實現(xiàn)智能監(jiān)控。

三、實驗對比分析

（一）實驗準備階段

為對所研發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)實驗驗證其在輸配電領域的智能化監(jiān)控能力，我們于某電力公司內，擇一輸電及分配設備，作為科學研究之用。該設備之相關特性參數(shù)如下：

電源電壓：220 V。

電流參考值：10.85 A。

交流電感：3.12 mF。

電容器的額定電容：2230μF。

直流電壓參考值：800 V。

根據(jù)輸配電設備的參數(shù)設置情況，實驗選擇10臺輸配電設備，以電源端為起點，依次編號。實驗時，我們將電源端口連接在第一個輸配電設備上，距離為10米；其余輸配電設備之間的距離也為10米，同時各個輸配電設備的參數(shù)保持一致。

（二）實驗數(shù)據(jù)

實驗在某電力公司的輸配電設備中采集直流電流數(shù)據(jù)，其波形如圖3所示。

由圖3可知，輸配電設備的電流幅值基本上保持在-1～1 A之間，較均衡，證明了利用本文設計的監(jiān)控系統(tǒng)對輸配電設備進行監(jiān)控，能夠確保輸配電的穩(wěn)定性。

（三）輸配電智能監(jiān)控結果

實驗在某電力公司，對10套輸配電設施在持續(xù)12小時的作業(yè)期間內，每隔三小時進行電流讀數(shù)，并記錄了監(jiān)控數(shù)據(jù)，如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，本研究所設計的監(jiān)控體系能夠對電力傳輸與分配設施實時監(jiān)管，從而捕獲其電流讀數(shù)，確保了電力設施運作的安全性，并為其提供了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)保障。

（四）對比測試

本研究旨在凸顯所設計的監(jiān)控系統(tǒng)在智能輸配電監(jiān)控方面的優(yōu)勢，故對照基于殘差全連接神經網(wǎng)絡的監(jiān)控系統(tǒng)，評估其在圖3所示輸配電設備的電流監(jiān)控能力。兩系統(tǒng)監(jiān)控輸配電電流的精度對比結果如圖4所示。

由此可見，采用基于殘差全連接神經網(wǎng)絡的監(jiān)控系統(tǒng)時，對輸配電電流的監(jiān)控精度都低于65%，說明利用殘差全連接神經網(wǎng)絡搭建分類器之后，輸配電電流的監(jiān)控精度仍然很低。然而采用本文設計的監(jiān)控系統(tǒng)時，對輸配電電流的監(jiān)控精度要高得多，在輸配電設備運行的10 s內，本文設計的系統(tǒng)通過融合互聯(lián)網(wǎng)通信技術，顯著提升了輸配電電流的監(jiān)控精度，使監(jiān)控精度始終保持在90%以上。

四、輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸

（一）傳感器的選擇

在輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)中，傳感器是數(shù)據(jù)采集的核心組件。選擇合適的傳感，主要考慮其精度、響應時間和耐用性。對于電壓和電流監(jiān)測，常用的傳感器包括電流互感器（Current Transformer，CT）和電壓互感器（Potential Transformer，PT），它們可以提供高精度的實時數(shù)據(jù)。此外，溫度傳感器和濕度傳感器也不可或缺，因為它們有助于監(jiān)測設備運行環(huán)境，確保設備在安全的溫度和濕度范圍內工作。選擇時還需考慮傳感器的工作范圍和額外功能，如自診斷能力和抗干擾性能，以確保其在復雜環(huán)境中依然能提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

（二）數(shù)據(jù)采集方式

數(shù)據(jù)采集方式直接影響系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性，一般采用集中式或分布式數(shù)據(jù)采集方法。集中式方法通過一個中心節(jié)點收集來自各個傳感器的數(shù)據(jù)，適合小規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)；分布式方法則在每個監(jiān)測點部署獨立的數(shù)據(jù)采集單元，適合大規(guī)模的輸配電網(wǎng)絡。實際應用通常采用邊緣計算的方式，通過在現(xiàn)場安裝數(shù)據(jù)采集模塊，實時處理并篩選數(shù)據(jù)，只將關鍵信息傳輸?shù)街醒敕掌鳎瑥亩鴾p少網(wǎng)絡帶寬壓力，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎晚憫俣取?/p>

（三）數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設計

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是確保傳感器與監(jiān)控系統(tǒng)之間高效、可靠通信的關鍵。常用的傳輸協(xié)議包括Modbus、CAN和MQTT等。Modbus是一種簡單易用的協(xié)議，適合在局域網(wǎng)環(huán)境下傳輸數(shù)據(jù)；CAN能在工業(yè)環(huán)境中廣泛應用，具有高抗干擾能力，適合實時監(jiān)控；MQTT則適合互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，支持低帶寬和高延遲場景，能夠實現(xiàn)輕量級的數(shù)據(jù)傳輸。設計時需綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒀舆t、帶寬及安全性等因素，確保在各種網(wǎng)絡環(huán)境下都能實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)交換；此外，為了提升系統(tǒng)的安全性，建議在傳輸層添加加密機制，以防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改。

五、系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性分析

（一）網(wǎng)絡安全設計

網(wǎng)絡安全是確保輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵，因此，系統(tǒng)應該采取多層防護措施，包括防火墻、入侵檢測系統(tǒng)（Intrusion Detection Systems，IDS）和虛擬專用網(wǎng)絡（Virtual Private Network，VPN），這些技術可以有效阻止未授權訪問和惡意攻擊。同時，用戶身份驗證機制也至關重要，通過強密碼、雙因素認證等方式，可以進一步提升系統(tǒng)的安全性；定期實行系統(tǒng)安全檢測與侵入實驗，可以及時識別并修正可能存在的安全缺陷。此外，針對數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性，系統(tǒng)可采用加密技術，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被竊取或篡改。

（二）數(shù)據(jù)完整性保障

為確保數(shù)據(jù)在采集、傳輸和存儲過程中不被損壞或篡改，系統(tǒng)應實施嚴格的數(shù)據(jù)校驗機制：在數(shù)據(jù)采集階段，采用冗余采集和校驗核算法，確保傳感器數(shù)據(jù)的準確性；在數(shù)據(jù)傳輸過程中，使用消息摘要和數(shù)字簽名技術，確保數(shù)據(jù)的完整性和真實性；在數(shù)據(jù)存儲方面，建議使用區(qū)塊鏈技術或數(shù)據(jù)庫的事務管理功能，以確保數(shù)據(jù)記錄的不可篡改性；定期進行數(shù)據(jù)完整性檢查和備份，以能夠在出現(xiàn)異常時及時發(fā)現(xiàn)問題并進行修復，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

（三）故障恢復策略

故障恢復是確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的重要策略。設計冗余機制是關鍵，尤其是在核心組件和數(shù)據(jù)存儲上，通過配置熱備份和冷備份，可以在主系統(tǒng)發(fā)生故障時，快速切換到備用系統(tǒng)，最大限度地減少停機時間；定期執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的拷貝和恢復流程的練習，以便當系統(tǒng)真正出現(xiàn)故障時，團隊能敏捷地作出反應，并迅速恢復正常的運作；采用微服務架構將系統(tǒng)拆分為獨立模塊，降低故障風險；同時，通過實時監(jiān)控和機器學習算法，提前識別潛在故障并預警，實現(xiàn)高效的故障管理與恢復。

結語

輸配電設備的運行狀況直接關系到整個電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，因此，提升其監(jiān)控能力至關重要。本文通過將互聯(lián)網(wǎng)通信技術應用于輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計，采用硬件與軟件相結合的創(chuàng)新設計方式，實現(xiàn)了對輸配電設備的智能監(jiān)控。這種集成方案不僅提高了數(shù)據(jù)采集的實時性，還增強了系統(tǒng)的整體可靠性。實驗結果表明，該系統(tǒng)在輸配電設備監(jiān)控中展現(xiàn)出較高的精度，能夠及時響應設備狀態(tài)變化，減少潛在的故障風險。此外，系統(tǒng)的靈活性和可擴展性使其能夠適應不同規(guī)模的電力網(wǎng)絡需求，為未來電力系統(tǒng)的智能化管理提供了有力支持。