基于B/S分層技術(shù)的智慧實驗室測試數(shù)據(jù)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

張寶全，馬雅麗，崔超，高文濤，馬捷

（國網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，河北石家莊 050000）

監(jiān)測系統(tǒng)可以對實驗室儀器數(shù)據(jù)的狀況進行有效診斷，若監(jiān)測系統(tǒng)在聯(lián)機運行中出現(xiàn)故障，會影響智慧實驗室測試裝置狀態(tài)的判斷，從而造成判斷失誤，甚至引發(fā)安全事故[1]。目前出現(xiàn)了各種先進的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，使用相空間重構(gòu)方法設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)，利用系統(tǒng)狀態(tài)變量及對時間導數(shù)分析，提高了系統(tǒng)監(jiān)測異常數(shù)據(jù)的速度；使用數(shù)據(jù)驅(qū)動傳感器作為監(jiān)測系統(tǒng)核心模塊，可通過驅(qū)動器采集特征數(shù)據(jù)，并將異常值分布、連續(xù)值分布作為判據(jù)，可對監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性進行評估[2]。但使用上述兩種系統(tǒng)，容易受到噪聲影響，導致數(shù)據(jù)頻繁失真，誤報率較高。為此，提出基于B/S 分層技術(shù)的智慧實驗室測試數(shù)據(jù)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。在B/S 分層技術(shù)支持下，只需安裝瀏覽器就能對實驗室測試數(shù)據(jù)的狀態(tài)進行監(jiān)測，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備良好的擴展性，可以從單臺服務(wù)器擴展成多臺服務(wù)器，增強系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括3 個層次，分別是表示層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，系統(tǒng)硬件采用三層結(jié)構(gòu)，核心功能集中在服務(wù)器端，簡化了系統(tǒng)開發(fā)過程。當客戶端中僅安裝瀏覽器時，服務(wù)器才安裝數(shù)據(jù)庫，瀏覽器與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫才可以進行交互[3-5]。該結(jié)構(gòu)既簡化了客戶機的工作，又支持信息分布處理，從而有效降低了資源消耗。

1.1 氣敏傳感器

氣敏傳感器按峰值順序逐個檢測油中分離出的特征氣體，并將氣體濃度信息轉(zhuǎn)換成電子信號，通過信息采集裝置采集電信號后，經(jīng)過加載處理傳遞給控制裝置，再由控制裝置對各種氣體濃度進行分析[6-7]。圖2 為氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)。

圖2 氣敏傳感器結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，大部分氣體分子的振動和旋轉(zhuǎn)光譜都是在紅外波段。在入射場中，當紅外輻射的頻率與分子的振動、旋轉(zhuǎn)等特征頻率相同時，紅外輻射被氣體分子吸收，輻射強度減弱[8-9]。用紅外線光源產(chǎn)生的紅外線光入射到測量槽時，由于氣體種類的不同，對不同波長的紅外線光具有不同的吸收特性，同一種氣體在不同濃度下的吸收量不同。通過測量該感光元件紅外光的強度，根據(jù)紅外光源的波長和感光元件輸出電信號，就可以確定待測氣體種類和濃度[10-12]。

1.2 數(shù)據(jù)采集器

選用AD_TCP-01 型號A/D 數(shù)據(jù)采集器采集原始數(shù)據(jù)，其實物示意圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集器實物示意圖

A/D 數(shù)據(jù)采集器的局域網(wǎng)采用IP 協(xié)議控制PC主機進行通信。傳送距離長，穩(wěn)定可靠，可以實現(xiàn)300 m 以內(nèi)的超遠距離控制和網(wǎng)絡(luò)傳輸[13]。每一個A/D 轉(zhuǎn)換的采集板都有一個唯一的IP 地址，數(shù)據(jù)通過該地址進行傳輸。集電控制器采用6 通道10位高速變換通道[14]。在此基礎(chǔ)上，將外部輸入進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過以太網(wǎng)將轉(zhuǎn)換結(jié)果快速輸出到主機[15]。

1.3 主控計算機

主控計算機故障診斷模塊采用智能控制方法對油色譜實驗儀器的數(shù)據(jù)進行分析、診斷，并對油色譜實驗儀器的運行狀態(tài)進行評估，對異常數(shù)據(jù)發(fā)出報警信號，以此為基礎(chǔ)，維護油色譜實驗儀器設(shè)備，實現(xiàn)油色譜實驗儀器設(shè)備的在線監(jiān)測與分析。

1.4 LCD顯示器

主控計算機分析的結(jié)果需要存儲到LCD 存儲器中，存儲器再將數(shù)據(jù)發(fā)送給LCD 驅(qū)動接口，通過接口顯示監(jiān)測結(jié)果，LCD 顯示器如圖4 所示。

圖4 LCD顯示器

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于B/S 分層技術(shù)監(jiān)測系統(tǒng)解決了油體層析間隔時間長的問題，通過分析在線油色譜監(jiān)測數(shù)據(jù)，將其變化分為4 種類型：慢速、快速漸變、輕度和嚴重躍變[16]。通過建立狀態(tài)預(yù)警模型，提出了相應(yīng)狀態(tài)檢修策略，實現(xiàn)了對智慧實驗室測試設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的故障，提高了實驗室測試設(shè)備運行的可靠性?；贐/S 分層技術(shù)系統(tǒng)的實驗室油色譜實驗儀器設(shè)備運維數(shù)據(jù)狀態(tài)監(jiān)測流程如圖5 所示。

圖5 運維數(shù)據(jù)狀態(tài)監(jiān)測流程

由圖5 可知詳細的監(jiān)測流程：

層1：通過ETL 處理線對在線油層析監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)在線油層析監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測；

層2：如油色譜已被發(fā)現(xiàn)為逐步變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)提取處理)，則油色譜的逐步變化現(xiàn)象包括慢速、快速漸變。詳細內(nèi)容為：

通過對實驗室測試設(shè)備中氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)的斜率進行分析，發(fā)現(xiàn)有拐點時，氣體從拐點處產(chǎn)生；無拐點時，氣體從開始計算，由此得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)平均斜率為：

式（1）中，λ表示監(jiān)測數(shù)據(jù)平均斜率；C1表示初始油色譜內(nèi)監(jiān)測氣體濃度數(shù)據(jù)；C2表示當前油色譜內(nèi)監(jiān)測氣體濃度數(shù)據(jù)；t表示監(jiān)測天數(shù)。

參考油色譜內(nèi)氣體監(jiān)測3 個月的平均斜率數(shù)據(jù)，如果超過了設(shè)定的平均斜率閾值，實驗室測試設(shè)備失效率迅速上升后呈漸變趨勢，按斜率的平均值可區(qū)分快速漸變和慢速漸變。

油色譜實驗時產(chǎn)生氣體的快速和慢速漸變平均斜率臨界值，如表1 所示。

表1 氣體快速和慢速漸變平均斜率臨界值

根據(jù)實驗室測試設(shè)備內(nèi)氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)的漸變拐點建立指數(shù)函數(shù)模型，計算氣體濃度達到注意值需要的天數(shù)t，構(gòu)建的指數(shù)函數(shù)模型，如下式所示：

式（2）中，a表示油色譜氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)漸變值。

層3：如果發(fā)現(xiàn)油色譜監(jiān)測數(shù)據(jù)存在躍變現(xiàn)象，即輕度躍變和嚴重躍變，則排除油色譜中的假躍變，根據(jù)氣體濃度的躍變程度可區(qū)分輕度躍變和嚴重躍變：

上述公式中，Cn表示n測量點的油色譜監(jiān)測氣體濃度數(shù)據(jù)；Cn-1表示n-1 測量點的油色譜監(jiān)測氣體濃度數(shù)據(jù)；Cn+1表示n+1 測量點的油色譜監(jiān)測氣體濃度數(shù)據(jù)；g表示躍變設(shè)定閾值。

假躍變出現(xiàn)的情況是公式（3）成立，公式（4）不成立，此時可將該公式作為依據(jù)，剔除假躍變；躍變出現(xiàn)的情況是公式（3）成立，公式（4）也成立。如果Cn大于規(guī)定的濃度值，那么說明實驗油色譜產(chǎn)生了嚴重躍變；如果Cn小于規(guī)定的濃度值，那么說明實驗油色譜產(chǎn)生了輕度躍變。

層4：根據(jù)上述步驟可確定系統(tǒng)在線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)狀態(tài)種類，確定裝置運行情況，從而提出運維措施。

3 實 驗

以某學院的智慧實驗室油色譜測試裝置為例，截至2019 年底共安裝了30 臺監(jiān)測裝置，油色譜在使用過程中出現(xiàn)的監(jiān)測系統(tǒng)維護情況如表2 所示。

表2 油色譜監(jiān)測系統(tǒng)維護情況

分別使用相空間重構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)驅(qū)動傳感器監(jiān)測系統(tǒng)和基于B/S 分層技術(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)慢速變化、快速變化、輕度躍變、嚴重躍變4 種情況下，對監(jiān)測故障次數(shù)與實際故障次數(shù)進行對比分析，結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 可知，在4 種情況下使用基于B/S 分層技術(shù)監(jiān)測的故障次數(shù)與實際故障次數(shù)一致，基本不受到影響；而使用其余兩種系統(tǒng)受到影響較大，監(jiān)測故障次數(shù)與實際故障次數(shù)存在較大誤差。

圖6 4種情況下不同系統(tǒng)故障次數(shù)監(jiān)測結(jié)果對比分析

4 結(jié)束語

基于B/S 分層技術(shù)的智慧實驗室測試數(shù)據(jù)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過分析在線油色譜監(jiān)測數(shù)據(jù)，將油色譜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化分為慢速變化、快速變化、輕度和嚴重躍變4 種類型，通過建立狀態(tài)預(yù)警模型，制定維修策略及相應(yīng)條件，對實驗室測試設(shè)備狀態(tài)進行實時監(jiān)測，可發(fā)現(xiàn)潛在的故障時機，提高變壓器運行可靠性，具有很好的應(yīng)用前景。