王健寧
(中國電建集團(tuán)河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,河北 石家莊 050031)
目前,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]被廣泛應(yīng)用到互聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)中,已經(jīng)成為炙手可熱的研究重點(diǎn),針對該技術(shù)我國已經(jīng)開展全國性以及戰(zhàn)略性的研究部署,利用先進(jìn)的傳感技術(shù)、識別技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信等,結(jié)合特殊的協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)不同種類的連接,因此該技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通和電網(wǎng)等[2-3]。目前,電力企業(yè)的運(yùn)行狀態(tài)檢測方法還不夠完善,國內(nèi)外針對該問題研究多年,無論是性能或監(jiān)測工藝仍不理想,且電力設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)測關(guān)乎工作人員的安全,因此,相關(guān)學(xué)者紛紛對電廠運(yùn)行設(shè)備監(jiān)測進(jìn)行了研究。
孫海銘等[4]在機(jī)器視覺技術(shù)的基礎(chǔ)上監(jiān)測電廠設(shè)備的溫度異常情況;李佳等[5]基于遺傳算法實(shí)現(xiàn)電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測。這2種方法在對電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測過程中沒有提取電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息和聚類,無法獲取完整的數(shù)據(jù)狀態(tài)種類,在電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測過程中可能出現(xiàn)重復(fù)監(jiān)測等情況,增加了監(jiān)測時(shí)間成本,存在聚類效果差、監(jiān)測效果差和監(jiān)測結(jié)果平均誤差大的問題。為了解決上述方法中存在的問題,提出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。
假設(shè)電廠設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)集為X,其表達(dá)式為
(1)
m為電力數(shù)據(jù)集內(nèi)的成分?jǐn)?shù)量;xj為電力數(shù)據(jù)集內(nèi)的數(shù)據(jù)成分;(xj1,xj2,…,xjx)為數(shù)據(jù)成分的監(jiān)測值。
假設(shè)電力設(shè)備的狀態(tài)為C,其表達(dá)式為
C={ci,i=1,2,…,n}
(2)
令pci為類別ci的聚類中心,其表達(dá)式為
pci=(ci1,ci2,…,cin)
(3)
cin為電力設(shè)備狀態(tài)類別數(shù)量。
為獲取電力設(shè)備數(shù)據(jù)集X內(nèi)各成分的設(shè)備狀態(tài)在ci中的程度,可通過電力設(shè)備狀態(tài)的隸屬度進(jìn)行計(jì)算,則設(shè)備狀態(tài)的隸屬度矩陣[6]為
(4)
U為電廠設(shè)備狀態(tài)類別的隸屬度矩陣;uij為電廠設(shè)備狀態(tài)的隸屬度。
uij需滿足下列條件,即
(5)
對電廠設(shè)備監(jiān)測過程中,數(shù)據(jù)集X內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)狀態(tài)的數(shù)量以及量綱等均不相同,所以需要對其進(jìn)行歸一化處理[7]。假設(shè)在評價(jià)電廠設(shè)備狀態(tài)優(yōu)劣度的方法中,獲取到歸一化后的數(shù)據(jù)為xnor,ji,當(dāng)優(yōu)劣度較大時(shí),數(shù)據(jù)監(jiān)測量xnor,ji為
(6)
當(dāng)處于中間型優(yōu)劣度時(shí),數(shù)據(jù)監(jiān)測量xnor,ji為
(7)
當(dāng)優(yōu)劣度較小時(shí),數(shù)據(jù)監(jiān)測量xnor,ji為
(8)
α和α1以及α2分別為優(yōu)劣度較大和中間優(yōu)劣度時(shí)監(jiān)測量的警告數(shù)值;β和β1以及β2分別為優(yōu)劣度較大時(shí)和中間優(yōu)劣度時(shí)監(jiān)測量的優(yōu)良值。
對電力設(shè)備狀態(tài)評估過程中,為展示出歐氏距離[8],可對其進(jìn)行加權(quán)處理,則元素xnor,ji以及ci的加權(quán)歐氏距離為
(9)
q為加權(quán)次數(shù);s為電力數(shù)據(jù)集維度;w為電力設(shè)備狀態(tài)評估體系的權(quán)重向量,其表達(dá)式為
w={wp,p=1,2,…,s}
(10)
則在FCM算法[9]下的設(shè)備狀態(tài)信息目標(biāo)函數(shù)為
(11)
J為FCM算法的目標(biāo)函數(shù);U為電廠設(shè)備狀態(tài)隸屬度;C為電廠設(shè)備狀態(tài)類別;X為電廠設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)集。
在聚類原理的基礎(chǔ)上建立出拉格朗日函數(shù)[10],即
(12)
F為拉格朗日函數(shù);λ為拉格朗日參數(shù)。
將F內(nèi)的全部參數(shù)進(jìn)行求導(dǎo),生成電廠監(jiān)測數(shù)據(jù)成分隸屬度,其表達(dá)式為
(13)
uij為電廠設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)聚類的隸屬度。
經(jīng)求導(dǎo)得出類別ci聚類中心的求解公式為
(14)
pci為ci的聚類中心。
通過式(13)和式(14)不斷更新pci和uij,生成聚類[11]中心集,其表達(dá)式為
(15)
為獲取目前設(shè)備的狀態(tài),可對監(jiān)測數(shù)據(jù)類別ci的狀態(tài)進(jìn)行評價(jià),其評價(jià)表達(dá)式為
Vi=wciq
(16)
在隸屬度最大原則的基礎(chǔ)上得出監(jiān)測數(shù)據(jù)集X中各成分的狀態(tài)類別,進(jìn)而得到狀態(tài)信息集,即可實(shí)現(xiàn)電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的狀態(tài)信息提取,其表達(dá)式為
(17)
SX為狀態(tài)信息集。
在進(jìn)行電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測時(shí),可通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將設(shè)備與設(shè)備之間進(jìn)行連接完成通信,即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸與控制,由于電廠通常利用中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電流量的控制,因此當(dāng)交換機(jī)的數(shù)量是N,此時(shí)的電力傳輸?shù)钠骄訒r(shí)公式為
(18)
ti為電力傳輸交換機(jī)之間的延時(shí);N-1為鏈路條的個(gè)數(shù)。
通過計(jì)算電力傳輸時(shí)延以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)建出電廠設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從而達(dá)到電廠設(shè)備的通信要求。
由于電廠設(shè)備在監(jiān)測途中會受到電磁干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整,為將時(shí)延和電廠監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失的影響降至最低,可將電力流量進(jìn)行劃分,根據(jù)式(16)的評估狀態(tài)融合電廠設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù),進(jìn)而生成電網(wǎng)生存周期的表達(dá)式為
Li=Q×fij+Ei/ei
(19)
Ei為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i的原始能量;ei為數(shù)據(jù)傳輸過程中所需要的單位能量;fij為電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的平均流量和最大流量之間的比值。
節(jié)點(diǎn)距離因子的計(jì)算公式為
(20)
距離因子可平衡電網(wǎng)能耗,減少節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)不合理現(xiàn)象,延長電網(wǎng)設(shè)備的壽命。
在優(yōu)化電力設(shè)備的基礎(chǔ)上對監(jiān)測數(shù)據(jù)的狀態(tài)信息進(jìn)一步辨識,利用橫向近似的方法分析電力情況,即通過鄰近樣本的負(fù)荷變化對電力數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行辨識。通常情況下,鄰近時(shí)間的正常負(fù)荷電力數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)突變,且其變化率均在某一固定波動范圍內(nèi),若超出該范圍,則將該點(diǎn)視為異常數(shù)據(jù)點(diǎn)。
在電力狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上得出其負(fù)荷的變化率θ(i),當(dāng)θ(i)為最小時(shí)將其標(biāo)記為θmin,同理最大變化率為θmax,從而得出負(fù)荷變化率允許波動的范圍為[θmin,θmax],當(dāng)電廠設(shè)備狀態(tài)信息在該范圍內(nèi),說明該監(jiān)測數(shù)據(jù)點(diǎn)為正常,否則視為異常數(shù)據(jù)。
當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)為異常數(shù)據(jù)時(shí),可根據(jù)此數(shù)據(jù)點(diǎn)鄰近2點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化率的均值對該異常點(diǎn)進(jìn)行改正,數(shù)據(jù)點(diǎn)改正表達(dá)式為
(21)
Y1(i)為經(jīng)過改正后的電廠設(shè)備異常值;Yd(i-1)為電力負(fù)荷值;Y1(i-1)為電廠設(shè)備數(shù)據(jù)特征值。
經(jīng)過對電力設(shè)備異常數(shù)據(jù)點(diǎn)的修正進(jìn)一步確認(rèn)該點(diǎn)為異常點(diǎn)。
經(jīng)過以上對異常電廠設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)的辨識以及修正,即可實(shí)現(xiàn)電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測[12]。
為了驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用方法的整體有效性,分別采用本文方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行監(jiān)測運(yùn)行時(shí)間、聚類效果、監(jiān)測效果和監(jiān)測結(jié)果平均誤差的測試。
在監(jiān)測電廠設(shè)備運(yùn)行過程時(shí)必須保證監(jiān)測的高效性,為驗(yàn)證本文方法的優(yōu)劣,在同一條件下,利用3種監(jiān)測方法對同一電廠設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。在實(shí)驗(yàn)過程中共設(shè)置了5組不同數(shù)據(jù)量,觀察每組數(shù)據(jù)量中3種方法所需的檢測時(shí)間,其結(jié)果如圖1所示。
圖1 3種方法的監(jiān)測運(yùn)行時(shí)間
分析圖1可知,由于數(shù)據(jù)量的增多,3種方法所需的檢測時(shí)間均不同程度的增加,經(jīng)對比發(fā)現(xiàn),本文方法是3種方法中最高效的,不論數(shù)據(jù)量多少,其監(jiān)測用時(shí)都是最低的。這是因?yàn)楸疚姆椒ㄔ趯﹄姀S設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測前提取了電力狀態(tài)信息,分類出電力狀態(tài)種類,保證數(shù)據(jù)的完整且不雜亂,因此降低計(jì)算復(fù)雜度,從而減少監(jiān)測運(yùn)行時(shí)間,保證監(jiān)測的高效性。
電廠設(shè)備在運(yùn)行監(jiān)測過程中,電力數(shù)據(jù)狀態(tài)的聚類效果十分重要,聚類結(jié)果是否全面關(guān)乎電力數(shù)據(jù)類別是否全面。在某一設(shè)備數(shù)據(jù)下利用本文方法進(jìn)行聚類,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
圖2 本文方法監(jiān)測電廠設(shè)備數(shù)據(jù)聚類結(jié)果
根據(jù)圖2可知,本文方法的聚類結(jié)果不僅準(zhǔn)確且無遺漏,同時(shí)設(shè)備數(shù)據(jù)類別之間界限分明,證明本文方法聚類效果好,計(jì)算量少,可加強(qiáng)電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測性能。
為進(jìn)一步證明本文方法的監(jiān)測效果,在同一環(huán)境下任意選取正在運(yùn)行的電廠設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。通常情況下,設(shè)備通道內(nèi)的距離會在允許范圍內(nèi)波動,若超出這一范圍,說明該時(shí)間的設(shè)備出現(xiàn)異常,即實(shí)現(xiàn)設(shè)備的異常監(jiān)測。
該設(shè)備實(shí)際的監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。
圖3 真實(shí)電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測結(jié)果
將本文方法、文獻(xiàn)[4]方法以及文獻(xiàn)[5]方法的監(jiān)測結(jié)果與其進(jìn)行對比,對比結(jié)果如圖4所示。
圖4 不同方法的電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測結(jié)果
經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn),本文方法的監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本重合,文獻(xiàn)[4]方法的監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果偏差較小,但文獻(xiàn)[5]方法監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果完全不一致,將正常運(yùn)行時(shí)間的設(shè)備監(jiān)測為。
在對運(yùn)行電廠設(shè)備監(jiān)測過程中,會由于外界的各種因素導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)偏差,僅僅比較幾次監(jiān)測結(jié)果的偏差不足以證明其準(zhǔn)確性,因此,將每20次監(jiān)測結(jié)果分為1組并取其平均絕對誤差,共隨機(jī)選取100次監(jiān)測結(jié)果,共分為5組實(shí)驗(yàn),判斷誤差最小的監(jiān)測方法。所得實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果如圖5所示。
根據(jù)圖5可知,本文方法在每組實(shí)驗(yàn)中的偏差都是最小的,幾乎可忽略不計(jì),其余2種方法的平均絕對誤差均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本文方法,因此證明本文方法的性能最優(yōu),是監(jiān)測電廠設(shè)備運(yùn)行的最優(yōu)方法。
圖5 不同方法的監(jiān)測結(jié)果平均誤差
電力設(shè)備在運(yùn)行過程中,最擔(dān)心的問題是無法第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)的故障,導(dǎo)致出現(xiàn)安全問題,造成財(cái)產(chǎn)的損失,為此本文提出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。該方法首先對電廠設(shè)備信息狀態(tài)進(jìn)行提取,其次在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上對信息狀態(tài)進(jìn)行辨識和改正,實(shí)現(xiàn)電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測。解決了監(jiān)測運(yùn)行時(shí)間長、聚類效果差、監(jiān)測效果差和監(jiān)測結(jié)果平均誤差大的問題,保證電廠工作效率,確保工作人員安全,延長電廠設(shè)備壽命。