基于CAN總線的無(wú)人值守變電所過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控方法

郭東明

(神華包頭煤化工有限責(zé)任公司 生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)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(guò)程層，但是只有智能化程度較高的變電站才具備過(guò)程層，可以實(shí)現(xiàn)變電站電氣量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)等[2]。無(wú)人值守變電所主要負(fù)責(zé)變換變電站電能的電壓和電流，對(duì)電壓與電流分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整[3]。由此可見(jiàn)，過(guò)程層是無(wú)人值守變電所重要組成部分，關(guān)系著無(wú)人值守變電所運(yùn)行安全，所以智能監(jiān)控?zé)o人值守變電所過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是當(dāng)前領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

當(dāng)變電站走向智能化，國(guó)外眾多公司就開(kāi)始研究電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，通過(guò)不斷更新設(shè)備以及豐富監(jiān)測(cè)設(shè)備功能，以期提高監(jiān)測(cè)性能。在國(guó)外研究的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)將互聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)裝置相連接，以期實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備的智能監(jiān)控[4-5]。例如文獻(xiàn)[6]通過(guò)分析變電站過(guò)程層可能出現(xiàn)的故障定位存在的問(wèn)題，選擇變電站過(guò)程層交換機(jī)，并將其作為變電站過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控單元，在這個(gè)單元的基礎(chǔ)上，設(shè)置監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控變電站過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。文獻(xiàn)[7]根據(jù)變電站過(guò)程層智能終端著手，引入IEC61850技術(shù)，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)信息傳輸方案，以此實(shí)現(xiàn)變電站過(guò)程層二次設(shè)備、操作回路狀態(tài)、在線診斷情況的監(jiān)測(cè)。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出基于CAN總線的無(wú)人值守變電所過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控方法，主要是通過(guò)引入CAN總線，以此提高設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可靠性和實(shí)時(shí)性。

1 過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控

1.1 過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

此次研究無(wú)人值守變電所過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控方法，將CAN信息采集卡放置在過(guò)程層設(shè)備外壁上，以此采集過(guò)程層設(shè)備運(yùn)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(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)過(guò)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(dāng)前階段的過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心。此時(shí)，CAN信息采集卡會(huì)空出一定的緩沖空間，進(jìn)行下一次過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集[8-9]。

采用CAN信息采集卡采集過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的具體流程如下：①初始化CAN信息采集卡；②開(kāi)始采集過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)；③判斷過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采樣是否結(jié)束；④當(dāng)過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采樣未曾結(jié)束時(shí)，返回步驟①，繼續(xù)采集過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)；當(dāng)過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采樣結(jié)束時(shí)，處理過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)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(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集過(guò)程中所選擇的CAN信息采集卡具有獨(dú)立發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。CAN信息采集卡通過(guò)CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中，電源頻率會(huì)占用CAN總線32位字節(jié)，發(fā)送數(shù)據(jù)的指令會(huì)占用CAN總線16位字節(jié)[10]，因此需要設(shè)置數(shù)據(jù)收發(fā)的波特率。CAN總線中含有若干個(gè)時(shí)鐘周期，但是周期變化是由定時(shí)寄存器0和總線定時(shí)1編制[11-12]。假設(shè)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(shí)，產(chǎn)生的延遲時(shí)間為t，則CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)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(shí)間段1；t2為時(shí)間段2。

按照公式，即可計(jì)算適合過(guò)程層數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈蔏，其計(jì)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(jìn)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(shí)間間隔設(shè)置為0.05 ms，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪康?，并將CAN總線傳輸監(jiān)控?cái)?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(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

1.3 過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)深入挖掘

依據(jù)CAN總線傳輸?shù)倪^(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)中存在的變化，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，根據(jù)數(shù)據(jù)變化查看設(shè)備短時(shí)期走勢(shì)，并判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。為此引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，深入挖掘過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，其挖掘過(guò)程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)挖掘過(guò)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(guò)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，輸出挖掘出的過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的有用信息。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jì)算復(fù)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(guò)程，將模型的層數(shù)設(shè)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(xué)習(xí)速率、權(quán)值和閾值設(shè)置模型神經(jīng)元數(shù)目[15]。由于學(xué)習(xí)速率可以減少局部誤差，且權(quán)值和閾值與模型訓(xùn)練的飽和程度有關(guān)，因此將學(xué)習(xí)速率控制在0.01～0.8，權(quán)值和閾值控制在-0.05～+0.05。

此時(shí)，將上述確定的模型結(jié)構(gòu)、權(quán)值、閾值和學(xué)習(xí)速率等參數(shù)代入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，即可完成過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的深入挖掘。

1.4 智能監(jiān)控過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

無(wú)人值守變電所過(guò)程層設(shè)備，多為變電所的一次設(shè)備和少量的二次設(shè)備，屬于變電所中的主要元件。根據(jù)此次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集、信息傳輸和數(shù)據(jù)深入挖掘方式，設(shè)置過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模式，如圖4所示。

圖4 過(guò)程層設(shè)備運(yùn)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(shè)計(jì)的過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模式，采用總線的方式將過(guò)程層設(shè)備分為多個(gè)單元，每一個(gè)單元都設(shè)置了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡，以此采集過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，也是此次研究的無(wú)人值守變電所過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控方法的基礎(chǔ)層，可以決定智能監(jiān)控效果。

在實(shí)際運(yùn)行中，將CAN信息采集卡與CAN總線對(duì)接，CAN總線在數(shù)據(jù)通信服務(wù)器上運(yùn)行，完成過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸，作為此次研究的無(wú)人值守變電所過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控方法的通信層，以此實(shí)時(shí)監(jiān)控變電所過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。

監(jiān)控主機(jī)主要用于保護(hù)CAN信息采集卡采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、CAN總線通信和數(shù)據(jù)挖掘等過(guò)程，然后將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳至用戶中心，與變電所設(shè)備正常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而判斷過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以此完成過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

選擇2組當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控方法，作為此次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比組，以對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證此次研究的無(wú)人值守變電所過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控方法的有效性，并選擇某區(qū)域的無(wú)人值守變電所過(guò)程層設(shè)備，作為此次實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，從數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電電壓變化、通信延時(shí)和通信靈敏度3個(gè)方面，比較3組監(jiān)控方法的實(shí)際應(yīng)用效果。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

此次實(shí)驗(yàn)選擇的無(wú)人值守變電所過(guò)程層設(shè)備，共有數(shù)條通信電纜、數(shù)條通信轉(zhuǎn)換器、5個(gè)配電箱、3個(gè)端子箱、1個(gè)總控制器、1臺(tái)變電站主機(jī)以及安裝在集控中心的集控站主機(jī)1臺(tái)，屬于110 kV無(wú)人值守變電所。根據(jù)上述內(nèi)容，選擇8個(gè)數(shù)據(jù)采集器，采集無(wú)人值守變電所過(guò)程層設(shè)備運(yùn)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(shí)驗(yàn)中，僅設(shè)置數(shù)據(jù)采集器數(shù)量。

選擇可以測(cè)試過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的TestCenter測(cè)試儀，測(cè)試無(wú)人值守變電所過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；選擇PSS01模擬斷路器，模擬過(guò)程層設(shè)備變化及調(diào)整過(guò)程層設(shè)備狀態(tài)；選擇FLUKE726校準(zhǔn)器，測(cè)量過(guò)程層設(shè)備輸出電氣參數(shù)；選擇DSD-601智能終端，控制變電所過(guò)程層設(shè)備；選擇具有體積小、方便集成、協(xié)議多樣化等特點(diǎn)的SICOM3024PT交換機(jī)，串聯(lián)此次實(shí)驗(yàn)選擇的硬件設(shè)備。

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

圖5 監(jiān)控方法測(cè)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(tái)式電腦或筆記本電腦，可以實(shí)時(shí)查看3組方法的監(jiān)控結(jié)果。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 第1組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用3組監(jiān)控方法，分別采集此次實(shí)驗(yàn)選擇的無(wú)人值守變電所過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的周期設(shè)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(luò)的活動(dòng)時(shí)間為300 ms。此時(shí)，將3組監(jiān)控方法傳輸過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的供電電壓變化與設(shè)置網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)供電電壓的變化進(jìn)行對(duì)比，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

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

從圖6中可以看出，當(dāng)前方法1的傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電電壓變化曲線波動(dòng)較大，隨著節(jié)點(diǎn)供電電壓采樣周期變化，最大差值為1.4 V；當(dāng)前方法2傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電電壓變化曲線波動(dòng)較小，隨著節(jié)點(diǎn)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(luò)節(jié)點(diǎn)供電電壓變化曲線波動(dòng)，與設(shè)置網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)供電電壓的變化基本一致，最大差值為1 V。由此可見(jiàn)，研究方法傳輸過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的供電電壓變化既不會(huì)偏大，造成耗費(fèi)大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量，降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，同時(shí)也不會(huì)偏小，過(guò)分節(jié)約網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量，造成傳輸數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。

2.2.2 第2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓三組監(jiān)控方法分別將采集到的過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸至無(wú)人值守變電所監(jiān)控中心。在該組實(shí)驗(yàn)中，過(guò)程層設(shè)備運(yùn)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(cè)3組監(jiān)控方法傳輸數(shù)據(jù)產(chǎn)生的延遲時(shí)間，每次測(cè)試均進(jìn)行40次。其中，數(shù)據(jù)傳輸延遲是指通過(guò)計(jì)算3組監(jiān)控方法服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)至客戶端完全接收數(shù)據(jù)時(shí)所產(chǎn)生的通信延時(shí)。實(shí)驗(yàn)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(shí)間對(duì)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(wú)人值守變電所監(jiān)控中心時(shí)，產(chǎn)生的通信延時(shí)隨之增加。其中，當(dāng)前方法2的數(shù)據(jù)延時(shí)曲線呈直線增長(zhǎng)，其最大時(shí)間差值為1 150 ms，通信延時(shí)平均值為851.7 ms；當(dāng)前方法1的通信延時(shí)平均值為695.8 ms；研究方法傳輸過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，通信延時(shí)曲線波動(dòng)較小，其最大差值為320 ms，數(shù)據(jù)延時(shí)平均值為248.3 ms。由此可見(jiàn)，研究方法傳輸過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)過(guò)程中，其通信延時(shí)較低。

2.2.3 第3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在第一組和第二組實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，改變3組監(jiān)控方法傳輸過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)距離，驗(yàn)證3組監(jiān)控方法傳輸數(shù)據(jù)的靈敏度。采集過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)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(jì)算3組監(jiān)控方法的靈敏度，其計(jì)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(dāng)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(shí)間差值為39 dBm；當(dāng)前方法1的靈敏度曲線波動(dòng)較大，其信噪比最大值和最小值之間產(chǎn)生的時(shí)間差值為58 dBm；研究方法傳輸過(guò)程層設(shè)備運(yùn)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(dòng)較為平穩(wěn)，其信噪比最大值和最小值之間產(chǎn)生的時(shí)間差值為18 dBm。由此可見(jiàn)，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(duì)比Fig.8 Sensitivity comparison of three groups of monitoring methods

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，此次研究無(wú)人值守變電所過(guò)程層設(shè)備運(yùn)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(shí)現(xiàn)無(wú)人值守變電所過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(guò)程層設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步完善過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控方法。