基于CAN總線的無人值守變電所過程層設備運行狀態(tài)智能監(jiān)控方法

郭東明

(神華包頭煤化工有限責任公司 生產(chǎn)運營部，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

隨著電子產(chǎn)品生產(chǎn)需求的增加，工廠數(shù)量持續(xù)增加，造成用電需求不斷增大，這促使電力系統(tǒng)朝著智能化以及大容量等方向發(fā)展[1]。一般情況下，根據(jù)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將其劃分為站控層、間隔層以及過程層，但是只有智能化程度較高的變電站才具備過程層，可以實現(xiàn)變電站電氣量、設備運行狀態(tài)的檢測等[2]。無人值守變電所主要負責變換變電站電能的電壓和電流，對電壓與電流分布情況進行實時調(diào)整[3]。由此可見，過程層是無人值守變電所重要組成部分，關(guān)系著無人值守變電所運行安全，所以智能監(jiān)控無人值守變電所過程層設備運行狀態(tài)是當前領域研究的熱點問題。

當變電站走向智能化，國外眾多公司就開始研究電力設備運行狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品，通過不斷更新設備以及豐富監(jiān)測設備功能，以期提高監(jiān)測性能。在國外研究的基礎上，國內(nèi)將互聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)測裝置相連接，以期實現(xiàn)變電站設備的智能監(jiān)控[4-5]。例如文獻[6]通過分析變電站過程層可能出現(xiàn)的故障定位存在的問題，選擇變電站過程層交換機，并將其作為變電站過程層設備運行狀態(tài)監(jiān)控單元，在這個單元的基礎上，設置監(jiān)控網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，以此實現(xiàn)網(wǎng)絡監(jiān)控變電站過程層設備運行狀態(tài)監(jiān)控。文獻[7]根據(jù)變電站過程層智能終端著手，引入IEC61850技術(shù)，設計監(jiān)測信息傳輸方案，以此實現(xiàn)變電站過程層二次設備、操作回路狀態(tài)、在線診斷情況的監(jiān)測。

本文在前人研究的基礎上，提出基于CAN總線的無人值守變電所過程層設備運行狀態(tài)智能監(jiān)控方法，主要是通過引入CAN總線，以此提高設備狀態(tài)監(jiān)測的可靠性和實時性。

1 過程層設備運行狀態(tài)智能監(jiān)控

1.1 過程層設備運行數(shù)據(jù)采集

此次研究無人值守變電所過程層設備運行狀態(tài)智能監(jiān)控方法，將CAN信息采集卡放置在過程層設備外壁上，以此采集過程層設備運行數(shù)據(jù)。其采集原理如圖1所示。

從圖1中可以看出，采集過程層設備運行數(shù)據(jù)過程中，CAN信息采集卡需要一定的緩沖區(qū)間，每次緩沖結(jié)束后，即完成當前階段的過程層設備運行數(shù)據(jù)采集，并通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心。此時，CAN信息采集卡會空出一定的緩沖空間，進行下一次過程層設備運行數(shù)據(jù)采集[8-9]。

采用CAN信息采集卡采集過程層設備運行數(shù)據(jù)的具體流程如下：①初始化CAN信息采集卡；②開始采集過程層設備運行數(shù)據(jù)；③判斷過程層設備運行數(shù)據(jù)采樣是否結(jié)束；④當過程層設備運行數(shù)據(jù)采樣未曾結(jié)束時，返回步驟①，繼續(xù)采集過程層設備運行數(shù)據(jù)；當過程層設備運行數(shù)據(jù)采樣結(jié)束時，處理過程層設備運行數(shù)據(jù)，通過CAN總線，將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心。

1.2 基于CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸

此次過程層設備運行數(shù)據(jù)采集過程中所選擇的CAN信息采集卡具有獨立發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。CAN信息采集卡通過CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，電源頻率會占用CAN總線32位字節(jié)，發(fā)送數(shù)據(jù)的指令會占用CAN總線16位字節(jié)[10]，因此需要設置數(shù)據(jù)收發(fā)的波特率。CAN總線中含有若干個時鐘周期，但是周期變化是由定時寄存器0和總線定時1編制[11-12]。假設CAN總線傳輸數(shù)據(jù)周期為T；信息同步跳轉(zhuǎn)寬度為H；數(shù)據(jù)傳輸時，產(chǎn)生的延遲時間為t，則CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)，設置數(shù)據(jù)收發(fā)的波特率需要遵守的條件如式(1)：

t1≥T，t2≥H，t1≥2t2;t2≥H+t，t1≥H+t+2T，t2≥3T

(1)

式中，t1為時間段1；t2為時間段2。

按照公式，即可計算適合過程層數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈蔏，其計算公式如下：

(2)

式中，M1為每一位數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笮13]。

CAN總線選擇適宜的波特率進行傳輸數(shù)據(jù)后，可以將CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?zhí)行時間間隔設置為0.05 ms，以達到實時監(jiān)控過程層設備運行數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)哪康?，并將CAN總線傳輸監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，其原理如圖2所示。

根據(jù)圖2所示的CAN總線數(shù)據(jù)傳輸原理，即可傳輸CAN信息采集卡采集到的過程層設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時傳輸。

1.3 過程層設備運行數(shù)據(jù)深入挖掘

依據(jù)CAN總線傳輸?shù)倪^程層設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)中存在的變化，并對數(shù)據(jù)進行記錄，根據(jù)數(shù)據(jù)變化查看設備短時期走勢，并判斷設備運行狀態(tài)。為此引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，深入挖掘過程層設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，其挖掘過程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)挖掘過程Fig.3 Data mining process

從圖3中可以看出，該模型的輸入為上述采集到的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡訓練，輸出挖掘出的過程層設備運行過程中的有用信息。

神經(jīng)網(wǎng)絡模型由模型層數(shù)和神經(jīng)元數(shù)目決定模型結(jié)構(gòu)。模型的計算復雜程度與模型的層數(shù)呈正相關(guān)[14]。但是根據(jù)圖3所示的數(shù)據(jù)挖掘過程，將模型的層數(shù)設置為3層。模型的神經(jīng)元數(shù)目可以映射模型的泛化能力，因此需要根據(jù)模型的學習速率、權(quán)值和閾值設置模型神經(jīng)元數(shù)目[15]。由于學習速率可以減少局部誤差，且權(quán)值和閾值與模型訓練的飽和程度有關(guān)，因此將學習速率控制在0.01～0.8，權(quán)值和閾值控制在-0.05～+0.05。

此時，將上述確定的模型結(jié)構(gòu)、權(quán)值、閾值和學習速率等參數(shù)代入BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型中，即可完成過程層設備運行數(shù)據(jù)的深入挖掘。

1.4 智能監(jiān)控過程層設備運行狀態(tài)

無人值守變電所過程層設備，多為變電所的一次設備和少量的二次設備，屬于變電所中的主要元件。根據(jù)此次設計的數(shù)據(jù)采集、信息傳輸和數(shù)據(jù)深入挖掘方式，設置過程層設備運行狀態(tài)監(jiān)控模式，如圖4所示。

圖4 過程層設備運行狀態(tài)監(jiān)控模式Fig.4 Process layer equipment operating status monitoring mode

從圖4中可以看出，此次設計的過程層設備運行狀態(tài)監(jiān)控模式，采用總線的方式將過程層設備分為多個單元，每一個單元都設置了相應的數(shù)據(jù)采集卡，以此采集過程層設備運行數(shù)據(jù)，也是此次研究的無人值守變電所過程層設備運行狀態(tài)智能監(jiān)控方法的基礎層，可以決定智能監(jiān)控效果。

在實際運行中，將CAN信息采集卡與CAN總線對接，CAN總線在數(shù)據(jù)通信服務器上運行，完成過程層設備運行數(shù)據(jù)傳輸，作為此次研究的無人值守變電所過程層設備運行狀態(tài)智能監(jiān)控方法的通信層，以此實時監(jiān)控變電所過程層設備運行數(shù)據(jù)。

監(jiān)控主機主要用于保護CAN信息采集卡采集設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、CAN總線通信和數(shù)據(jù)挖掘等過程，然后將監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳至用戶中心，與變電所設備正常運行數(shù)據(jù)進行對比，從而判斷過程層設備運行狀態(tài)，以此完成過程層設備運行狀態(tài)智能監(jiān)控。

2 實驗論證分析

選擇2組當前設備運行狀態(tài)智能監(jiān)控方法，作為此次實驗的對比組，以對比實驗的方式驗證此次研究的無人值守變電所過程層設備運行狀態(tài)智能監(jiān)控方法的有效性，并選擇某區(qū)域的無人值守變電所過程層設備，作為此次實驗研究對象，從數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡節(jié)點供電電壓變化、通信延時和通信靈敏度3個方面，比較3組監(jiān)控方法的實際應用效果。

2.1 實驗準備

此次實驗選擇的無人值守變電所過程層設備，共有數(shù)條通信電纜、數(shù)條通信轉(zhuǎn)換器、5個配電箱、3個端子箱、1個總控制器、1臺變電站主機以及安裝在集控中心的集控站主機1臺，屬于110 kV無人值守變電所。根據(jù)上述內(nèi)容，選擇8個數(shù)據(jù)采集器，采集無人值守變電所過程層設備運行數(shù)據(jù)。由于3種監(jiān)控方法所使用數(shù)據(jù)采集器不同，所以在此次實驗中，僅設置數(shù)據(jù)采集器數(shù)量。

選擇可以測試過程層設備運行狀態(tài)的TestCenter測試儀，測試無人值守變電所過程層設備運行狀態(tài)；選擇PSS01模擬斷路器，模擬過程層設備變化及調(diào)整過程層設備狀態(tài)；選擇FLUKE726校準器，測量過程層設備輸出電氣參數(shù)；選擇DSD-601智能終端，控制變電所過程層設備；選擇具有體積小、方便集成、協(xié)議多樣化等特點的SICOM3024PT交換機，串聯(lián)此次實驗選擇的硬件設備。

根據(jù)上述選擇的硬件設備，搭建3組監(jiān)控方法測試環(huán)境，如圖5所示。

圖5 監(jiān)控方法測試環(huán)境硬件連接圖Fig.5 Monitoring method test environment hardware connection diagram

圖5中，監(jiān)控顯示器主要為臺式電腦或筆記本電腦，可以實時查看3組方法的監(jiān)控結(jié)果。

2.2 實驗結(jié)果

2.2.1 第1組實驗結(jié)果

采用3組監(jiān)控方法，分別采集此次實驗選擇的無人值守變電所過程層設備運行數(shù)據(jù)，并將網(wǎng)絡節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的周期設置為1 s，即每1 s傳輸一次采集到的樣本數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的活動時間為300 ms。此時，將3組監(jiān)控方法傳輸過程層設備運行數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡節(jié)點產(chǎn)生的供電電壓變化與設置網(wǎng)絡傳輸節(jié)點供電電壓的變化進行對比，其實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 節(jié)點電壓變化Fig.6 Node voltage change

從圖6中可以看出，當前方法1的傳輸網(wǎng)絡節(jié)點供電電壓變化曲線波動較大，隨著節(jié)點供電電壓采樣周期變化，最大差值為1.4 V；當前方法2傳輸網(wǎng)絡節(jié)點供電電壓變化曲線波動較小，隨著節(jié)點供電電壓采樣周期變化，最大差值為0.7 V；研究方法傳輸網(wǎng)絡節(jié)點供電電壓變化曲線波動，與設置網(wǎng)絡傳輸節(jié)點供電電壓的變化基本一致，最大差值為1 V。由此可見，研究方法傳輸過程層設備運行數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡節(jié)點產(chǎn)生的供電電壓變化既不會偏大，造成耗費大量網(wǎng)絡節(jié)點能量，降低網(wǎng)絡節(jié)點工作時長的問題，同時也不會偏小，過分節(jié)約網(wǎng)絡節(jié)點能量，造成傳輸數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。

2.2.2 第2組實驗結(jié)果

根據(jù)第一組實驗結(jié)果，讓三組監(jiān)控方法分別將采集到的過程層設備運行數(shù)據(jù)傳輸至無人值守變電所監(jiān)控中心。在該組實驗中，過程層設備運行數(shù)據(jù)總數(shù)據(jù)量大小為25 GB，每次傳輸數(shù)據(jù)量增加5 GB，隨著數(shù)據(jù)量的增加，檢測3組監(jiān)控方法傳輸數(shù)據(jù)產(chǎn)生的延遲時間，每次測試均進行40次。其中，數(shù)據(jù)傳輸延遲是指通過計算3組監(jiān)控方法服務器傳輸數(shù)據(jù)至客戶端完全接收數(shù)據(jù)時所產(chǎn)生的通信延時。實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 3組監(jiān)控方法傳輸數(shù)據(jù)延遲時間對比Fig.7 Comparison of transmission data delay time of three groups of monitoring methods

從圖7中可以看出，隨著數(shù)據(jù)量增加，3組監(jiān)控方法將數(shù)據(jù)傳輸至無人值守變電所監(jiān)控中心時，產(chǎn)生的通信延時隨之增加。其中，當前方法2的數(shù)據(jù)延時曲線呈直線增長，其最大時間差值為1 150 ms，通信延時平均值為851.7 ms；當前方法1的通信延時平均值為695.8 ms；研究方法傳輸過程層設備運行數(shù)據(jù)，通信延時曲線波動較小，其最大差值為320 ms，數(shù)據(jù)延時平均值為248.3 ms。由此可見，研究方法傳輸過程層設備運行數(shù)據(jù)過程中，其通信延時較低。

2.2.3 第3組實驗結(jié)果

在第一組和第二組實驗的基礎上，改變3組監(jiān)控方法傳輸過程層設備運行數(shù)據(jù)距離，驗證3組監(jiān)控方法傳輸數(shù)據(jù)的靈敏度。采集過程層設備運行數(shù)據(jù)時，會受到噪聲干擾，產(chǎn)生信噪比，且信噪比隨著距離的增加不斷增大，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`敏度。信噪比越高，靈敏度越高。分別計算3組監(jiān)控方法的靈敏度，其計算結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出，隨著數(shù)據(jù)傳輸距離的增加，信噪比持續(xù)下降，使得3種方法的靈敏度不斷下降。其中，當前方法2的靈敏度曲線呈直線下降，其信噪比最大值和最小值之間產(chǎn)生的時間差值為39 dBm；當前方法1的靈敏度曲線波動較大，其信噪比最大值和最小值之間產(chǎn)生的時間差值為58 dBm；研究方法傳輸過程層設備運行數(shù)據(jù)，隨著數(shù)據(jù)傳輸距離的增加，數(shù)據(jù)接收靈敏度曲線波動較為平穩(wěn)，其信噪比最大值和最小值之間產(chǎn)生的時間差值為18 dBm。由此可見，研究方法的信噪比較高，所以其靈敏度較高。

圖8 3組監(jiān)控方法的靈敏度對比Fig.8 Sensitivity comparison of three groups of monitoring methods

3 結(jié)語

綜上所述，此次研究無人值守變電所過程層設備運行狀態(tài)智能監(jiān)控方法，充分利用CAN總線串行通信協(xié)議，以此提高監(jiān)控方法數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，以此實現(xiàn)無人值守變電所過程層設備運行狀態(tài)智能監(jiān)控，并通過實驗驗證了該方法的有效性。但是此次研究，仍然存在一定的不足。在今后的研究中，還需要建立過程層設備運行數(shù)據(jù)庫，進一步完善過程層設備運行狀態(tài)智能監(jiān)控方法。