基于CPS的電力設(shè)備在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

裴若辰，李敬兆，王詩兵

（1.安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南232000；2.工業(yè)節(jié)能與電能質(zhì)量控制省級協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽合肥23000；3.阜陽師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽阜陽236037）

目前，電力設(shè)備監(jiān)測還停留在人工巡檢的階段[1]。但該方法存在以下問題：電力設(shè)備的內(nèi)部情況不能實(shí)時監(jiān)測，巡檢過程中需要耗費(fèi)大量的人力物力，并且易發(fā)生安全事故。如何安全有效地對電力設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并準(zhǔn)確獲取設(shè)備的故障信息，對電力設(shè)備的生產(chǎn)建設(shè)有著重要意義。

現(xiàn)階段國內(nèi)外針對電力設(shè)備監(jiān)測的研究主要是數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理這兩方面。劉偉[2]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對于電力設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，建立了以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。該技術(shù)解決了電氣設(shè)備監(jiān)測的難題，但系統(tǒng)本身沒有對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，智能化程度不高，且不能進(jìn)行實(shí)時預(yù)警[3]。諶業(yè)剛[4]利用灰色GM（1，1）模型建立電力設(shè)備預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了故障預(yù)警的功能，極大地提高了預(yù)警容錯率，但模型只是在數(shù)據(jù)服務(wù)層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，未涉及數(shù)據(jù)采集與可視化平臺的構(gòu)建。

本系統(tǒng)針對上述研究欠缺的電力設(shè)備運(yùn)行與監(jiān)管所存在的問題，創(chuàng)新使用（cyber-physical system，CPS）構(gòu)建電力設(shè)備在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過探索信息采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)處理等CPS 技術(shù)[6]，構(gòu)建一個以感知、傳輸、分析、決策、執(zhí)行的閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物理和信息的融合，提高系統(tǒng)全局化、智能化和人性化，從而實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備實(shí)時預(yù)警的目的，這也是未來“智慧電力”發(fā)展的趨勢之一[7]。

1 電力設(shè)備在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，利用CPS 技術(shù)構(gòu)建電力設(shè)備在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[8]，并結(jié)合當(dāng)下流行的云端技術(shù)，將系統(tǒng)存儲在云端，利用“云”的大數(shù)據(jù)存儲與綜合計(jì)算能力，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的解析與處理。系統(tǒng)架構(gòu)可分為物理感知層、網(wǎng)絡(luò)通信層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和用戶應(yīng)用層。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)流動過程分為全局化的數(shù)據(jù)采集、智慧化的數(shù)據(jù)處理與評估、人性化的人機(jī)交互[9]。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1 物理感知層

物理感知層由各種傳感器組成，可以實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控[10]。物理感知層的傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器等[11]。感知節(jié)點(diǎn)工作時，傳感器采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送至本地管理單元，并對數(shù)據(jù)分配相應(yīng)的時間戳與設(shè)備號，數(shù)據(jù)經(jīng)通信模塊上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器，感知層流程圖如圖2 所示。物理感知層對電力設(shè)備信息的采集是實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)通信、計(jì)算和服務(wù)的基礎(chǔ)。

圖2 感知層流程圖

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信層

網(wǎng)絡(luò)通信層主要用于數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，其目的是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分之間的通信，同時還要保證傳輸?shù)膶?shí)時性與可靠性[12]。目前，常見的無線傳輸方式為WIFI、Lora、3G/4G、NB-IOT 等。由于電氣設(shè)備內(nèi)部較為復(fù)雜，傳輸就需要滿足可靠性高、速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。綜合考慮，系統(tǒng)采用Lora 技術(shù)進(jìn)行傳輸，Lora 傳輸技術(shù)具有長距離、低功耗的特點(diǎn)，適用于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸[13]。

1.3 數(shù)據(jù)服務(wù)層

數(shù)據(jù)服務(wù)層包含信息存儲模塊與數(shù)據(jù)處理模塊[14]。信息存儲模塊主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的各個模塊的數(shù)據(jù)存儲[15]；數(shù)據(jù)處理模塊包含預(yù)警模型與數(shù)據(jù)管理。因系統(tǒng)本身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，并且數(shù)據(jù)需要快速地進(jìn)行處理從而得出結(jié)果反饋給用戶[16]，即使用云端技術(shù)，通過租用阿里高性能服務(wù)器，建立數(shù)據(jù)服務(wù)中心[17]，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)算速度與資源儲備，并運(yùn)用云計(jì)算[18]、數(shù)據(jù)挖掘[19]等技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，處理結(jié)果將傳輸給用戶應(yīng)用層[20]，并將結(jié)果直觀的展現(xiàn)在客戶眼前，系統(tǒng)可以使用任意聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備進(jìn)行查看，從而滿足電力設(shè)備監(jiān)測預(yù)警的需要[21]。

1.4 用戶應(yīng)用層

用戶應(yīng)用層主要是人機(jī)交互層面，包含監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及可視化界面[22]。系統(tǒng)采用B/S 模式，依托物聯(lián)網(wǎng)、百度地圖[23]、ajax、前端html+js+css 等技術(shù)，將感知層采集的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)中心，通過可視化界面以地圖、圖表形式進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，用戶可以在界面選擇不同的功能，包括歷史數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時報(bào)警、數(shù)據(jù)管理等功能。系統(tǒng)與智能化人員調(diào)度系統(tǒng)、智能化通信系統(tǒng)、智能化保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行對接[24]，從而使人機(jī)交互更加完善[25]，如圖3 所示。

圖3 應(yīng)用層系統(tǒng)流程圖

2 電力設(shè)備在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)功能與特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)全局化監(jiān)測

電力設(shè)備內(nèi)部組成復(fù)雜多樣，需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)類型也各不相同，這就需要系統(tǒng)把各個節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行集成，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記區(qū)分，包括時間、設(shè)備號、設(shè)備類型等，之后將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，最后通過有線或者無線的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱粚舆M(jìn)行處理。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與精確評估

由于電力設(shè)備在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行精確處理，系統(tǒng)將使用預(yù)警模型，模型包含兩種算法，分別是閾值監(jiān)測法與變化率監(jiān)測法，兩種算法同時對電力設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，之后對電力設(shè)備的安全水平進(jìn)行精確評估，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并及時對設(shè)備進(jìn)行排查。

2.3 系統(tǒng)的人機(jī)交互

建立人機(jī)交互平臺，通過地圖、圖表等多種可視化方式實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)服務(wù)層發(fā)來的故障數(shù)據(jù)，會自動生成故障報(bào)告，并在前臺界面中顯示，同時系統(tǒng)會自動發(fā)送短信息進(jìn)行通知。系統(tǒng)后臺包含歷史信息查詢、故障報(bào)告查詢、系統(tǒng)管理等一系列功能，從而構(gòu)建完整的人機(jī)交互系統(tǒng)。

2.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)采用CPS 結(jié)構(gòu)，提供多類型數(shù)據(jù)的自動采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行批量管理；采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通信層匯集到數(shù)據(jù)庫，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，保證數(shù)據(jù)的完整性、正確性與標(biāo)準(zhǔn)型；用戶應(yīng)用層所包含的功能貼近用戶所想，并采用先進(jìn)的系統(tǒng)架構(gòu)，界面清晰直觀，功能豐富多樣，運(yùn)行穩(wěn)定流暢，維護(hù)方便快捷；系統(tǒng)利用云端技術(shù)，并使用預(yù)警模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理，為巡檢人員提供全天24 h 的電力設(shè)備預(yù)警服務(wù)；并提供了多種發(fā)布手段，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警、人機(jī)交互的零死角、全覆蓋。

3 電力設(shè)備在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

電力設(shè)備在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通過開發(fā)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與可視化界面，建立完整的軟件系統(tǒng)體系，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時的監(jiān)測預(yù)警的實(shí)時化、設(shè)備監(jiān)控的可視化。

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與精確評估

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與精確評估主要是通過構(gòu)建預(yù)警模型進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。預(yù)警模型使用兩種算法進(jìn)行預(yù)警，一種是閾值監(jiān)測法，主要是利用正態(tài)分布的方法實(shí)現(xiàn)預(yù)警的功能；另一種是變化率監(jiān)測法，主要是構(gòu)造加權(quán)擬合直線方程，之后通過數(shù)據(jù)的變化率實(shí)現(xiàn)預(yù)警的功能。

閾值監(jiān)測法通過概率分布擬合得出電力設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)近似服從正態(tài)分布，利用此數(shù)據(jù)，從而可以構(gòu)造電力設(shè)備預(yù)警閾值范圍的計(jì)算式，本文主要從溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)造，系統(tǒng)提取最近5 min 內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時更新，其計(jì)算公式為：

其中：x1，x2，…，xn為溫度節(jié)點(diǎn)x的n個歷史數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)作為樣本；為樣本數(shù)據(jù)的平均值；k為概率密度，默認(rèn)值為3；m為數(shù)據(jù)樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，反映的是數(shù)據(jù)的離散程度。計(jì)算所得出的預(yù)警溫度范圍[Tmin，Tmax]，實(shí)時更新到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心根據(jù)溫度節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)與預(yù)警溫度范圍進(jìn)行比較，其公式為

之后將實(shí)際溫度數(shù)據(jù)與預(yù)警范圍相比較，得出判定結(jié)果。

變化率監(jiān)測法通過構(gòu)造加權(quán)擬合直線方程，之后對方程進(jìn)行變換，最終得到的結(jié)果使用變化率算法進(jìn)行預(yù)警的判斷。ti時溫度數(shù)據(jù)Ti表示為(ti,Ti)(i=1，2，...，n)。假設(shè)加權(quán)擬合直線方程為

加權(quán)離差平方和為

要使Q最小，聯(lián)立(4)(5)并對求偏導(dǎo)數(shù)，并令兩個偏導(dǎo)數(shù)均為0，即

y(t)為加權(quán)擬合直線方程的斜率，S為斜率的閾值。將y(t)的值與S相比較，得出結(jié)果。

系統(tǒng)使用預(yù)警模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，閾值監(jiān)測法與變化率監(jiān)測法同步進(jìn)行，數(shù)據(jù)中心根據(jù)預(yù)警范圍、閾值（加權(quán)擬合方程斜率）和設(shè)備數(shù)據(jù)長期變化情況進(jìn)行分析，精確評估電力設(shè)備的安全水平，最終結(jié)果將傳達(dá)到用戶應(yīng)用層，通過用戶界面、短消息等多種途徑通知巡檢人員。

3.2 系統(tǒng)可視化界面

系統(tǒng)可視化界面包含系統(tǒng)前臺與系統(tǒng)后臺，界面如圖4。系統(tǒng)前臺使用地圖形式展現(xiàn)電力設(shè)備運(yùn)行情況，并使用圖表對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與展示；系統(tǒng)后臺將電力設(shè)備故障信息及時傳遞給相關(guān)人員，做到及時發(fā)現(xiàn)及時處理，并對歷史運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與記錄。可視化界面為巡檢人員提供實(shí)時報(bào)警、故障監(jiān)測等信息，便于及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，及時對故障進(jìn)行分析與處理。設(shè)備故障信息將根據(jù)緊急程度的判定結(jié)果通過可視化界面推送給巡檢人員，并通過設(shè)備的故障情況自動發(fā)送信息通知巡檢人員，當(dāng)巡檢人員長時間沒有應(yīng)答時，系統(tǒng)會把信息反饋給人員調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度系統(tǒng)會根據(jù)實(shí)際情況，通過智能化通信系統(tǒng)對其他工作人員進(jìn)行通知，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備故障信息的及時發(fā)現(xiàn)及時處理，故障信息將存入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存，領(lǐng)導(dǎo)可以對信息進(jìn)行查看，并針對故障排查所得到的問題及時進(jìn)行整改。

圖4 應(yīng)用層系統(tǒng)可視化界面

4 電力設(shè)備在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

電力設(shè)備在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行過程中，首先在物理感知層由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)獲取電力設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括外部環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等，并由本地管理單元將數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與對應(yīng)的設(shè)備號、時間戳等進(jìn)行匹配，數(shù)據(jù)存入本地?cái)?shù)據(jù)存儲器，再由本地管理單元通過Lora 模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)層，系統(tǒng)會對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，從而將數(shù)據(jù)取出，最終存入數(shù)據(jù)庫，整個流程如圖5。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程

4.2 預(yù)警模型監(jiān)測

預(yù)警模型監(jiān)測主要是數(shù)據(jù)處理的過程。監(jiān)測過程在云端進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存入云數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)時間、設(shè)備號、設(shè)備類型對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，檢索出的數(shù)據(jù)放入預(yù)警模型，閾值監(jiān)測法與變化率監(jiān)測法兩種算法同步進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)將實(shí)時進(jìn)行更新，保證電力設(shè)備預(yù)警的實(shí)時性、準(zhǔn)確性。之后對預(yù)警模型所得到的結(jié)果進(jìn)行精確評估，從而發(fā)現(xiàn)隱患，實(shí)現(xiàn)對故障的預(yù)測與趨勢分析，對于電氣設(shè)備發(fā)生故障較頻繁的位置，及時建立故障報(bào)告并向上級反映情況，最終結(jié)果發(fā)送給系統(tǒng)可視化界面進(jìn)行顯示。

4.3 系統(tǒng)可視化界面

系統(tǒng)可視化界面主要是人機(jī)交互的過程。系統(tǒng)前臺首先使用地圖對設(shè)備節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行標(biāo)記，地圖中的信息框用來顯示節(jié)點(diǎn)的具體信息，并用顏色來標(biāo)識設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)；之后使用柱狀圖將正常設(shè)備與故障設(shè)備的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與顯示；最后使用表格將報(bào)警信息與節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行羅列。系統(tǒng)界面使用JavaScript 進(jìn)行實(shí)時刷新，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性。系統(tǒng)后臺包含用戶信息管理、歷史數(shù)據(jù)管理、故障報(bào)修信息管理等功能，當(dāng)系統(tǒng)用戶應(yīng)用層接收到數(shù)據(jù)服務(wù)層發(fā)送的報(bào)警評估信息，前臺界面會自動跳出窗口進(jìn)行提醒，地圖中的節(jié)點(diǎn)也會隨之改變顏色，并且報(bào)警評估信息會在系統(tǒng)后臺進(jìn)行解析，從而自動發(fā)送信息給巡檢人員，從而做到及時通知及時處理。

5 小結(jié)

基于CPS 的電力設(shè)備在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中，物理感知層位于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)底層，使用多類型傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將獲取的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通信層發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)層，數(shù)據(jù)服務(wù)層將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與精確評估，評估結(jié)果將推送給用戶應(yīng)用層，用戶應(yīng)用層針對用戶需求，使用地圖、圖表等形式展示設(shè)備信息，最后根據(jù)服務(wù)層評估結(jié)果在主界面進(jìn)行顯示并發(fā)送信息給巡檢人員。利用CPS 技術(shù)構(gòu)建完整的電力設(shè)備在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

系統(tǒng)集成CPS、云端技術(shù)、可視化等技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)信息采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布O(shè)備，編輯數(shù)據(jù)處理與可視化界面的軟件系統(tǒng)，通過軟硬件結(jié)合從而形成完整的體系結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)是CPS 技術(shù)與電力設(shè)備監(jiān)測的有機(jī)融合，構(gòu)建的監(jiān)測系統(tǒng)具有設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時上傳、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時查看、故障信息自動發(fā)送等功能。系統(tǒng)投入使用后將對電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控，為構(gòu)建“智慧電網(wǎng)”提供重要技術(shù)支撐，也將推動電力事業(yè)的飛速發(fā)展。