OS2構(gòu)架下電氣設(shè)備安全接地模式自動識別

楊俊峰,李 昊,董玉山,周鍵宇,師 超

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局，云南 保山 678000)

1 引言

電氣設(shè)備接地的主要目的是滿足電力系統(tǒng)運行安全的性能要求，保證電氣設(shè)備的正常運行，降低接地電阻，減少對周圍弱電系統(tǒng)的干擾，避免跨步電壓和接觸電壓的破壞[1-2]。因此，確定電氣設(shè)備的安全接地方式具有十分重要的意義，及時識別安全接地方式可以避免因接地網(wǎng)損壞而引起的接地故障，一系列的安全事故將危及電力系統(tǒng)的正常運行[3]。

近年來，國內(nèi)外許多專家學(xué)者著手提高安全接地模式的識別性能[4-6]，相應(yīng)的識別技術(shù)也逐漸成熟，針對電氣設(shè)備安全接地模式的識別，研究出了基于X射線[7]和時頻特征[8]的識別方法，但是這兩種識別方法由于識別過程中存在多并發(fā)任務(wù)共同工作的情況，導(dǎo)致識別方法存在一定的安全隱患。對于這一問題，提出OS2 構(gòu)架下電氣設(shè)備安全接地模式自動識別，OS2 是一個嵌入式的多任務(wù)實時內(nèi)核，其中包含多種功能，具有良好的可擴(kuò)展性和源碼開放。采用OS2構(gòu)架的目的是實現(xiàn)一個基于優(yōu)先級調(diào)度的搶占式的任務(wù)實時調(diào)度和管理，并在此構(gòu)架下為電氣設(shè)備安全接地模式識別提供最基本的系統(tǒng)服務(wù)。

2 OS2 構(gòu)架下電氣設(shè)備安全接地模式自動識別

2.1 移植OS2

在電氣設(shè)備安全接地模式自動識別過程中，需要規(guī)劃不同的任務(wù)，獲取不同參數(shù)參量，引入OS2能夠更好地管理這些任務(wù)。OS2的移植是使OS2內(nèi)核可以在微處理器上運行，移植的主要工作是修改OS2 中跟任務(wù)相關(guān)的一些代碼。OS2的源文件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 OS2源文件結(jié)構(gòu)

根據(jù)電氣設(shè)備安全接地模式自動識別任務(wù)的實際需求[9]，重新定義數(shù)據(jù)類型，在OS_CPU．H 文件中定義數(shù)據(jù)類型。

表1 OS2內(nèi)部數(shù)據(jù)類型

堆棧增長方向由常量OS_STK_GROWTH 來確定，該常量定義為1。在完成OS2移植后，將修改過的文件添加到工程中編譯，測試是否移植成功，移植成功后，建立識別任務(wù)。

2.2 OS2構(gòu)架下建立多識別任務(wù)

基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的及時性特點，將電氣設(shè)備安全接地模式識別任務(wù)分為多個獨立的子任務(wù)，如參數(shù)測量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、按鍵采集和數(shù)據(jù)通訊等多個并發(fā)任務(wù)。在OS2構(gòu)架下創(chuàng)建任務(wù)主要通過調(diào)用OS2提供的任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate 來實現(xiàn)。任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)包含指向任務(wù)入口地址的指針task；任務(wù)執(zhí)行時傳遞給該任務(wù)的參數(shù)指針pdata；任務(wù)堆棧的棧頂指針ptos；任務(wù)優(yōu)先級prio。

OS2 構(gòu)架下建立的任務(wù)主要由任務(wù)函數(shù)、任務(wù)堆棧和任務(wù)控制塊組成，其中任務(wù)函數(shù)位于只讀內(nèi)存器中，任務(wù)堆棧和任務(wù)控制塊位于隨機(jī)存儲器中。當(dāng)任務(wù)恢復(fù)運行狀態(tài)時，將存入堆棧中的內(nèi)容再寫回至相應(yīng)的寄存器中；當(dāng)任務(wù)離開運行狀態(tài)時，通過任務(wù)堆棧保存當(dāng)前任務(wù)內(nèi)容；在電氣設(shè)備安全接地模式自動識別過程中，主要通過任務(wù)控制保存任務(wù)狀態(tài)信息、任務(wù)的堆棧地址和優(yōu)先級信息。

在OS2 構(gòu)架下識別任務(wù)執(zhí)行過程中具有不同的狀態(tài)，分別為中斷服務(wù)狀態(tài)、等待狀態(tài)、運行狀態(tài)和就緒狀態(tài)；四種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。

圖2 任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

任務(wù)運行狀態(tài)的優(yōu)先級高于所有處于就緒狀態(tài)的任務(wù)。當(dāng)識別任務(wù)處于運行狀態(tài)時，若出現(xiàn)另一個優(yōu)先級更高的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，則識別任務(wù)的控制權(quán)將被任務(wù)調(diào)度函數(shù)剝奪，進(jìn)入就緒狀態(tài)，執(zhí)行優(yōu)先級更高的任務(wù)，此時優(yōu)先級更高的任務(wù)的狀態(tài)變換為運行狀態(tài)。對于正在運行的狀態(tài)，等另一個任務(wù)事件再發(fā)生時，該任務(wù)將會把CPU的使用權(quán)讓給別的任務(wù)，該任務(wù)狀態(tài)變換為等待狀態(tài)，直到等待事件發(fā)生或等待超時，將任務(wù)狀態(tài)從等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)。通過上述任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程合理安排執(zhí)行識別任務(wù)。

2.3 針對接地狀態(tài)優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

電氣設(shè)備接地體在地網(wǎng)中的土壤環(huán)境比較復(fù)雜，除了需要考慮影響接地網(wǎng)的關(guān)鍵特征，還需要考慮土壤因素對接地狀態(tài)的影響，優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)：

公式中，k(s)表示單個的連接權(quán)系數(shù)，σ表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)效率，G(s)表示s時刻的負(fù)梯度，G(s-1)表示s-1時刻的負(fù)梯度，ε表示動量項因子，取值范圍在0 到1 之間。優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的是引入動量項，抑制網(wǎng)絡(luò)振蕩現(xiàn)象。

利用Levenberg-Marquart(LM)找到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最佳權(quán)值。LM的一般模型為：

公式中，m表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩層之間的權(quán)值個數(shù)，n表示訓(xùn)練樣本。假設(shè)：

則目標(biāo)函數(shù)為：

函數(shù)L(x)對應(yīng)的梯度為：

公式中A表示雅克比矩陣，表示為A=(lnm)n×m，將其引入公式(5)中，最終得到的權(quán)值更新規(guī)則為：

以上過程主要目的就是在權(quán)值調(diào)整規(guī)則中引入?yún)?shù)ω，提高算法收斂的穩(wěn)定性。至此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化完成，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別電氣設(shè)備安全接地模式。

2.4 識別安全接地模式

基于優(yōu)化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將接地狀態(tài)參數(shù)作為輸入，識別電氣設(shè)備安全接地模式，識別過程如圖3所示。

圖3 接地狀態(tài)識別流程圖

圖3中，數(shù)據(jù)樣本為接地電氣參數(shù)精確化處理后的數(shù)據(jù)，分別是接地電阻值、土壤電阻率、接觸電壓值、土壤溫濕度、跨步電壓值、和土壤酸堿度，利用這些參數(shù)數(shù)據(jù)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，識別接地狀態(tài)。由上述6個參量作為輸入，輸出識別結(jié)果。在識別過程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸出層到隱層的連接權(quán)值、隱層輸出閾值、隱層到輸出層的連接權(quán)值和輸出層輸出閾值，取值范圍均在-1到1之間。

在上述識別過程中，接地狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集主要通過傳感器和無線通信技術(shù)實現(xiàn)，接地線與接地樁進(jìn)行連接時，壓力傳感器采集連接處的壓力值，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理后，將參數(shù)數(shù)據(jù)傳遞給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為輸入，識別出接地狀態(tài)。數(shù)據(jù)的安全傳輸主要依靠低功耗藍(lán)牙收發(fā)器，該藍(lán)牙收發(fā)器在BLE-CC254x-1．4．0協(xié)議棧下工作，在有事件任務(wù)發(fā)生時，協(xié)議棧就會喚醒OS2處理任務(wù)事件，大大減少功耗的消耗，從而延長使用壽命。

OS2構(gòu)架下電氣設(shè)備安全接地模式自動識別方法設(shè)計完成。

3 實驗研究

為了對OS2構(gòu)架下電氣設(shè)備安全接地模式自動識別方法進(jìn)行驗證，在實驗室搭建了實驗平臺，應(yīng)用傳統(tǒng)的基因X 射線和基于時頻特征的電氣設(shè)備安全接地模式自動識別方法，在相同的實驗環(huán)境下，采用不同的識別方法分別進(jìn)行多組實驗，根據(jù)實驗結(jié)果分析不同識別方法實際性能。

3.1 搭建實驗平臺

實驗中主要設(shè)備包括搭建的接地土壤模型槽、高精度直流多值電阻箱、扁鋼、高精度電位差計儀表等。其中搭建的接地土壤模型槽如圖4所示。

圖4 土壤模型槽

圖4中顯示的土壤模型槽完全仿照電氣設(shè)備接地體在大地土壤中的真實情況搭建，土壤土質(zhì)為黃土型，將土壤模型槽中的各個接線與對應(yīng)的實驗設(shè)備相連，為后續(xù)實驗測試做好準(zhǔn)備，確定接線無誤后，進(jìn)行下一步測試。

3.2 接地電阻值測量實驗

接地電阻值測量實驗?zāi)康氖球炞C不同識別方法對接地電阻的測量精度是否滿足實際項目中的需求。使用高精度電阻箱模擬接地體，在實驗前校正電阻箱的參數(shù)。校正完成后，以搭建的土壤模型槽為平臺，采用扁鋼為接地體，使用高精度接地電阻測量儀測試，接地電阻值測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 接地電阻對比測量數(shù)據(jù)圖

圖5中顯示的測量值1 為所提的OS2 構(gòu)架下電氣設(shè)備安全接地模式自動識別方法測量結(jié)果，測量值2為基于X射線的識別方法測量結(jié)果，測量值3為基于時頻特征的自動識別方法測量結(jié)果。將以上三組結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值比較，計算的偏差分別為0．28Ω、0．82Ω和1．32Ω，綜上所述，所提的自動識別方法滿足了電氣設(shè)備安全接地模式自動識別中對接地電阻測量的精度要求。在完成上述實驗后，進(jìn)行下一步接觸電壓/跨步電壓實驗。

3.3 接觸電壓/跨步電壓測量實驗

利用搭建的實驗平臺，采用不同識別方法測量接地電壓/跨步電壓。在土壤槽內(nèi)接地體附近取5 個不同的位置測量，其中測量接觸電壓時，兩電極處位置間距為1．8米，與接地體保持0．8米；測量跨步電壓時，兩電極之間相距1 米。實驗按照此參數(shù)條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。測試結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 接觸電壓測量結(jié)果

圖7 跨步電壓測量結(jié)果

觀察接觸電壓和跨步電壓測量結(jié)果，計算標(biāo)準(zhǔn)值與測量值之間的誤差，接觸電壓測量偏差分別為2．47V、4．21V 和6．74V，跨步電壓偏差分別為3．25V、5．78V 和7．64V。通過計算誤差可知跨步電壓測量值偏差更大，這是因為測量跨步電壓時，電壓極與距離接地體的距離較小，距離越小測得的電壓值越大。通過計算結(jié)果可知，提出的電氣設(shè)備安全接地模式自動識別方法測量更接近標(biāo)準(zhǔn)值，偏差更小。

3.4 短路/開路故障保護(hù)實驗

由于電氣設(shè)備安全接地模式識別環(huán)境較為復(fù)雜，針對電氣設(shè)備識別過程中電氣設(shè)備出現(xiàn)的短路/開路故障，考慮短路和開路兩種情況，分別將短路時被測電阻的電壓信號和開路時相同電阻的電流信號作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，判斷接地模式識別是否安全。通過多次實驗，測試出了有效的保護(hù)電壓和電流值。不同識別方法的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 短路/開路保護(hù)實驗數(shù)據(jù)表

由上述實驗結(jié)果可以看出，在給定值為保護(hù)定值臨界值的情況下，提出的識別方法能夠?qū)嵤┯行ПＷo(hù)，未出現(xiàn)錯誤動作，其它兩種方法卻并沒有安全保護(hù)電氣設(shè)備。綜上所述，提出的OS2 構(gòu)架下電氣設(shè)備安全接地模式自動識別方法能夠滿足實際識別過程中的精度需求，且能夠滿足系統(tǒng)的保護(hù)要求，該識別方法能夠有效識別出電氣設(shè)備安全接地模式。

4 結(jié)束語

本文通過研究一種OS2構(gòu)架下電氣設(shè)備安全接地模式自動識別方法，來解決傳統(tǒng)的自動識別方法中存在的并行任務(wù)多，計算量大的問題。其利用OS2 構(gòu)架將識別任務(wù)分為多個子任務(wù)，盡可能避免并行任務(wù)堆積。在接地電阻值測量和接觸電壓/跨步電壓測量實驗中，所提的自動識別方法的接地電阻值、接觸電壓和跨步電壓的計算偏差分別為0．28V、2．47V、3．25V，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的識別方法的計算偏差，并且在短路/開路故障保護(hù)實驗中，OS2 構(gòu)架下的自動識別方法也能更好地保護(hù)電氣設(shè)備。但是受到研究時間和技術(shù)水平的限制，在研究過程中依然存在一些待解決的問題，如更為方便的人機(jī)交互功能，在后續(xù)的研究中可對這一方面進(jìn)行研究和改進(jìn)。