基于多傳感融合的電力施工信息融合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 鵬，周 蜜，蘇建華，胡曉華，魯 挺

（1.寧波送變電建設(shè)有限公司永耀科技分公司，浙江寧波 315000；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州 310009）

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)已經(jīng)成為廣域大系統(tǒng)，具有高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高階非線性的模型，在足夠滿足系統(tǒng)安全性要求的前提下，新出現(xiàn)的問(wèn)題是如何進(jìn)行調(diào)度控制和決策，從而使電力系統(tǒng)能夠在穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效的條件下運(yùn)行[1]。

在電力施工信息融合監(jiān)測(cè)中，過(guò)去是采用分批估算的方法，對(duì)獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分批估算，采用批量處理方式，計(jì)算存在于某一批次中的數(shù)據(jù)平均值和方差，然后將該方法計(jì)算得到的結(jié)果添加到最終的計(jì)算公式中，得到的數(shù)據(jù)為最終數(shù)據(jù)融合值，從而保證監(jiān)測(cè)結(jié)果更精確；通過(guò)加權(quán)平均法得到的數(shù)據(jù)同時(shí)間有一定關(guān)聯(lián)，其自身的時(shí)間則是這些數(shù)據(jù)的權(quán)數(shù)，首先要得到上述所提數(shù)據(jù)的加權(quán)數(shù)據(jù)，再將得出的加權(quán)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均數(shù)計(jì)算，方便為日后進(jìn)行數(shù)據(jù)走勢(shì)的預(yù)測(cè)提供所需數(shù)據(jù)。

使用這兩種系統(tǒng)與電網(wǎng)規(guī)模增長(zhǎng)速度相比，仍然存在著一定問(wèn)題。由于信息重復(fù)采集造成數(shù)據(jù)重復(fù)投入、多層冗余，從而產(chǎn)生邊緣問(wèn)題和具有一定偏差的控制決策，進(jìn)而影響了監(jiān)測(cè)結(jié)果。提出的基于多傳感融合的電力施工信息融合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得區(qū)域施工信息融合的準(zhǔn)確性在很大程度上得到了提升。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)的框架模式采用了B/S/S 多層技術(shù)，即符合J2SE1.5 和J2EE3.0 所需的規(guī)范要求，采用MVC 模式進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)化業(yè)務(wù)處理，并控制相應(yīng)的邏輯，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)不同顯示區(qū)域的分離，數(shù)據(jù)在非層間的傳遞全部通過(guò)XML 數(shù)據(jù)格式進(jìn)行，通過(guò)基礎(chǔ)服務(wù)的應(yīng)用平臺(tái)，達(dá)到對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行、開(kāi)發(fā)、管理和集成[2-3]。圖1 為系統(tǒng)總體架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

由圖1 可知，該系統(tǒng)采用了服務(wù)組件架構(gòu)，這是一種簡(jiǎn)化面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)的新技術(shù)。借助SOA，可以更輕松地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，可以更輕松地在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中創(chuàng)建新的服務(wù)，或?qū)F(xiàn)有的IT 資產(chǎn)轉(zhuǎn)換為可再利用的服務(wù)。另外，不管使用哪種編程語(yǔ)言和運(yùn)行平臺(tái)，SOA 都為快速適應(yīng)業(yè)務(wù)需求提供了統(tǒng)一這些服務(wù)的方法，這將大大降低應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性[4-6]。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)的每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)都是數(shù)據(jù)源，是整個(gè)數(shù)據(jù)融合過(guò)程中監(jiān)測(cè)傳輸設(shè)備狀態(tài)的首要問(wèn)題，也是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)[7]。一個(gè)硬件結(jié)構(gòu)由多個(gè)監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)組成，為了實(shí)現(xiàn)后期的數(shù)據(jù)融合，監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)可以為系統(tǒng)提供大量的數(shù)據(jù)，但是這個(gè)過(guò)程必須基于底層硬件系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，硬件設(shè)計(jì)采用ARMS (S3C2440)和STC90C516RD+作為主要控制芯片，其中位于系統(tǒng)底層子節(jié)點(diǎn)的主要控制芯片是STC90C516RD+，其主要作用是收集監(jiān)控傳感器控制子節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，ARMS(S3C2440)作為父節(jié)點(diǎn)的主控芯片，其主要作用是收集和整合由多個(gè)子節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合為主；利用各個(gè)相關(guān)傳感器采集底層數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸[8-10]。

2.1 主控芯片

通過(guò)對(duì)各子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控并且選擇傳感器后，考慮到硬件的配置以及實(shí)現(xiàn)成本等多方面綜合原因，決定將STC90C516RD+作為子節(jié)點(diǎn)的主控芯片[11-12]。這類芯片是宏晶科技制造的單片機(jī)，其處理速率高、功耗低，如圖3 所示。

圖3 STC90C516RD+引腳分布

2.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

該系統(tǒng)為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，電路以ARM9為核心，采用S3C2440 處理器，其具備優(yōu)良的兼容和擴(kuò)展性，能夠同現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行信息交互與融合[13]。監(jiān)控子系統(tǒng)由多種傳感器組成，一旦采集到終端設(shè)備的信息，一般僅保留數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)功能，并以一個(gè)統(tǒng)一的嵌入式網(wǎng)關(guān)來(lái)完成所有數(shù)據(jù)的處理，減少了終端到主站點(diǎn)的信息處理環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度有所提高，從而減輕了各監(jiān)控子系統(tǒng)的工作壓力，減少了故障發(fā)生的可能性，同時(shí)便于系統(tǒng)的統(tǒng)一維護(hù)[14]。

2.3 自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源

自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源作為開(kāi)關(guān)電源，它的組成電路是間歇振蕩電路，如圖4 所示。

圖4 自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路

由圖4 可知，當(dāng)R1接上電源時(shí)，為了使VT1 能夠?qū)?，為開(kāi)關(guān)管VT1 提供啟動(dòng)電流，其集電極電流Ic在L1內(nèi)呈線性變化趨勢(shì)，L2內(nèi)感應(yīng)出正向反饋電壓，使VT1 基極變?yōu)檎龢O，而放電極變?yōu)樨?fù)極，同時(shí)VT1能迅速飽和。在這個(gè)時(shí)候，C1被感應(yīng)電壓充電，當(dāng)C1充電電壓上升，VT1 基極的電位隨之降低，導(dǎo)致VT1退出飽和區(qū)，Ic隨之下降，在L2中感應(yīng)到VT1 基極變?yōu)樨?fù)壓，發(fā)射極變?yōu)檎龎?，使VT1 迅速斷開(kāi)，此時(shí)二極管VD1 導(dǎo)通，向負(fù)載釋放初級(jí)繞組中的儲(chǔ)能[15]。

當(dāng)VT1 中斷時(shí)，L2上沒(méi)有感應(yīng)電壓，由DC 供電的輸入電壓由R1反向充電到C1，VT1 的基極電位逐漸增大，VT1 重新導(dǎo)通，再轉(zhuǎn)至飽和狀態(tài)，電路反復(fù)振蕩。就像單端反激式開(kāi)關(guān)電源一樣，通過(guò)變壓器T 的二次線圈輸出傳輸給負(fù)載的電壓。

3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

3.1 基于多傳感融合數(shù)據(jù)的層次分析

多傳感融合在數(shù)據(jù)處理層中有著不同層次，信息的融合處理在電子施工信息層上完成，使各分節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果更加精確。圖5 顯示了基于多傳感融合數(shù)據(jù)的層次。

圖5 基于多傳感融合數(shù)據(jù)的層次

由圖5 可知，每個(gè)局部融合中心在融合層根據(jù)不同的任務(wù)啟動(dòng)自定義融合方式，任務(wù)協(xié)調(diào)子系統(tǒng)對(duì)融合過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行控制；在不同的區(qū)域相關(guān)工作中，任務(wù)協(xié)調(diào)子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)共享所需數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)相應(yīng)的通信，同時(shí)解決出現(xiàn)的沖突問(wèn)題；全局融合中心的工作則是局部融合中心推理和決策的結(jié)果，并給出最終結(jié)果和決策方案[16]。其結(jié)果表現(xiàn)層為該信息發(fā)布子層，以不同的表現(xiàn)形式和友好的界面方式提供給用戶，實(shí)際操作管理工作和決策的控制都由供電網(wǎng)絡(luò)管理者來(lái)完成。

3.2 電力施工信息誤差剔除

在基于多傳感融合數(shù)據(jù)的層次分析結(jié)果下，使用狄克松準(zhǔn)則剔除誤差，具體步驟為：

設(shè)電子施工信息序列x(1),x(2),…x(n)順序統(tǒng)計(jì)量服從正態(tài)分布，由此得到的最大值統(tǒng)計(jì)量為：

根據(jù)式（1）可得到統(tǒng)計(jì)量臨界值，當(dāng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果rij大于統(tǒng)計(jì)量臨界值時(shí)，則說(shuō)明電子施工信息序列中含有誤差。

最小值統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式為：

根據(jù)式（2）可得到統(tǒng)計(jì)量臨界值，當(dāng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果rij小于統(tǒng)計(jì)量臨界值時(shí)，則說(shuō)明電子施工信息序列中含有誤差。

為了剔除誤差，需遵循以下原則：當(dāng)電子施工信息小于7條時(shí)，使用r10統(tǒng)計(jì)結(jié)果，則沒(méi)有誤差；當(dāng)電子施工信息不小于7 條且不大于10 條時(shí)，使用r11統(tǒng)計(jì)結(jié)果，則沒(méi)有誤差；當(dāng)電子施工信息不小于11條且不大于13條時(shí)，使用r21統(tǒng)計(jì)結(jié)果，則沒(méi)有誤差；當(dāng)電子施工信息不小于14條時(shí)，使用r22統(tǒng)計(jì)結(jié)果，則沒(méi)有誤差。

經(jīng)過(guò)誤差剔除后，電力施工信息組中信息總體變動(dòng)并不會(huì)影響全部電力施工信息屬性，有利于進(jìn)行信息融合，避免誤差干擾。

3.3 電力施工信息融合監(jiān)控流程

面向電力施工企業(yè)業(yè)務(wù)需求，保證硬件結(jié)構(gòu)獨(dú)立運(yùn)行的同時(shí)又相互聯(lián)系，使系統(tǒng)具備基本監(jiān)控功能。系統(tǒng)監(jiān)控流程采用模塊化設(shè)計(jì)，建成一個(gè)符合電力施工信息融合的平臺(tái)，提供人機(jī)界面和應(yīng)用程序。

在監(jiān)控流程支持下，電力施工信息融合步驟如下：

step1：將剔除誤差后的電力施工信息分成兩組處理，分別為x11,x12,…,x1m和x21,x22,…,x2k,m≤4,k≤4；

step2：計(jì)算兩組的平均值-X1和-X2；

step4：結(jié)合兩組的平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差進(jìn)行計(jì)算，得到的融合結(jié)果為：

由式（5）可得到最終的融合結(jié)果，至此電力施工信息融合監(jiān)控的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作基本完成。

4 實(shí) 驗(yàn)

在基于多傳感融合的電力施工信息融合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，調(diào)試工作是非常重要的，為此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

4.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

以深圳市某區(qū)為期兩個(gè)月的施工項(xiàng)目為例，該施工是以電力路燈照明為主，結(jié)合深圳市不同道路斷面形式特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)布燈方式。

現(xiàn)場(chǎng)施工平面布置方案，如圖6 所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)施工平面布置方案

由圖6 可知，電力路燈照明項(xiàng)目所包含的項(xiàng)目信息為配電信息、電氣照明信息、繼電保護(hù)信息、電氣控制信息，從中隨機(jī)選擇各個(gè)信息數(shù)量為50 條、100 條、50 條、200 條。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)這些信息，分別使用基于分批估計(jì)法監(jiān)控系統(tǒng)、基于加權(quán)平均法監(jiān)控系統(tǒng)和基于多傳感融合系統(tǒng)對(duì)電力施工信息融合過(guò)程中的傳感信號(hào)波動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7 所示。

圖7 3種系統(tǒng)傳感信號(hào)波動(dòng)情況對(duì)比分析

圖7（a）配電信息：使用基于分批估計(jì)法監(jiān)控系統(tǒng)、基于加權(quán)平均法監(jiān)控系統(tǒng)在信息數(shù)量超過(guò)15 條后，受到干擾數(shù)據(jù)影響較大，傳感信號(hào)波動(dòng)幅度較大，不具有規(guī)律性，而使用基于多傳感融合系統(tǒng)沒(méi)有受到干擾數(shù)據(jù)影響，傳感信號(hào)波動(dòng)幅度具有規(guī)律性。

圖7（b）電氣照明信息：使用基于分批估計(jì)法監(jiān)控系統(tǒng)、基于加權(quán)平均法監(jiān)控系統(tǒng)一開(kāi)始就受到干擾數(shù)據(jù)影響，傳感信號(hào)波動(dòng)幅度較大，而使用基于多傳感融合系統(tǒng)沒(méi)有受到干擾數(shù)據(jù)影響，傳感信號(hào)波動(dòng)幅度具有規(guī)律性。

圖7（c）繼電保護(hù)信息：使用兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)在信息數(shù)量少于35 條時(shí)，受到干擾數(shù)據(jù)影響不大，在信息數(shù)量超過(guò)35 條后，受到干擾數(shù)據(jù)影響較大，而使用基于多傳感融合系統(tǒng)沒(méi)有受到干擾數(shù)據(jù)影響。

圖7（d）電氣控制信息：使用兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)受到干擾數(shù)據(jù)影響小，而使用基于多傳感融合系統(tǒng)沒(méi)有受到干擾數(shù)據(jù)影響。

基于此，對(duì)比3 種系統(tǒng)信息融合監(jiān)控的精準(zhǔn)度，結(jié)果如表1 所示。

表1 3種系統(tǒng)信息融合監(jiān)控精準(zhǔn)度

由表1 可知，使用基于分批估計(jì)法監(jiān)控系統(tǒng)、基于加權(quán)平均法監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控精準(zhǔn)度最高為0.76，最低為0.61，而使用基于多傳感融合系統(tǒng)監(jiān)控精準(zhǔn)度最高為0.99，最低為0.98，具有精準(zhǔn)的監(jiān)控效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)重復(fù)投入、多層冗余的問(wèn)題，提出了基于多層電力通用信息融合技術(shù)的不同融合層次的電力施工信息融合方法。在信息融合平臺(tái)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種適用于地區(qū)電網(wǎng)的全局電壓無(wú)功優(yōu)化系統(tǒng)，通過(guò)初步應(yīng)用，證明了該系統(tǒng)的實(shí)用性。

盡管目前已進(jìn)行了一定的專研，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，仍有一些問(wèn)題有待深入研究：

1）要進(jìn)一步提升系統(tǒng)自動(dòng)化水平，增強(qiáng)實(shí)時(shí)采集和分析數(shù)據(jù)，識(shí)別和排除干擾信號(hào)的能力；

2）為提高故障診斷的準(zhǔn)確率，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，制定一套國(guó)內(nèi)統(tǒng)一的故障診斷標(biāo)準(zhǔn)；

3）系統(tǒng)會(huì)接收到大量同時(shí)到達(dá)的信號(hào)，由于阻塞會(huì)損失部分?jǐn)?shù)據(jù)，所以需要建立可靠的模型，按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化。