物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

王健寧

(中國(guó)電建集團(tuán)河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

0 引言

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(duì)該技術(shù)我國(guó)已經(jīng)開展全國(guó)性以及戰(zhàn)略性的研究部署，利用先進(jìn)的傳感技術(shù)、識(shí)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(cè)方法還不夠完善，國(guó)內(nèi)外針對(duì)該問題研究多年，無論是性能或監(jiān)測(cè)工藝仍不理想，且電力設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)測(cè)關(guān)乎工作人員的安全，因此，相關(guān)學(xué)者紛紛對(duì)電廠運(yùn)行設(shè)備監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)。這2種方法在對(duì)電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)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(cè)過程中可能出現(xiàn)重復(fù)監(jiān)測(cè)等情況，增加了監(jiān)測(cè)時(shí)間成本，存在聚類效果差、監(jiān)測(cè)效果差和監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。

1 電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息提取

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(cè)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(duì)電廠設(shè)備監(jiān)測(cè)過程中，數(shù)據(jù)集X內(nèi)的監(jiān)測(cè)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(duì)其進(jìn)行歸一化處理[7]。假設(shè)在評(píng)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(cè)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(cè)量xnor,ji為

(7)

當(dāng)優(yōu)劣度較小時(shí)，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)量的優(yōu)良值。

對(duì)電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)估過程中，為展示出歐氏距離[8]，可對(duì)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(píng)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類別ci的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)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(cè)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(cè)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。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)

在進(jìn)行電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)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(cè)途中會(huì)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(cè)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(píng)估狀態(tài)融合電廠設(shè)備的監(jiān)測(cè)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(zhǎng)電網(wǎng)設(shè)備的壽命。

在優(yōu)化電力設(shè)備的基礎(chǔ)上對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的狀態(tài)信息進(jìn)一步辨識(shí)，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(duì)電力數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行辨識(shí)。通常情況下，鄰近時(shí)間的正常負(fù)荷電力數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)突變，且其變化率均在某一固定波動(dòng)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(dòng)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)異常電廠設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)的辨識(shí)以及修正，即可實(shí)現(xiàn)電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)[12]。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

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(cè)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(cè)運(yùn)行時(shí)間、聚類效果、監(jiān)測(cè)效果和監(jiān)測(cè)結(jié)果平均誤差的測(cè)試。

3.1 監(jiān)測(cè)運(yùn)行時(shí)間

在監(jiān)測(cè)電廠設(shè)備運(yùn)行過程時(shí)必須保證監(jiān)測(cè)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(cè)方法對(duì)同一電廠設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(cè)時(shí)間，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 3種方法的監(jiān)測(cè)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(cè)時(shí)間均不同程度的增加，經(jīng)對(duì)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(cè)用時(shí)都是最低的。這是因?yàn)楸疚姆椒ㄔ趯?duì)電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)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(cè)運(yùn)行時(shí)間，保證監(jiān)測(cè)的高效性。

3.2 聚類效果

電廠設(shè)備在運(yùn)行監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)性能。

3.3 監(jiān)測(cè)效果

為進(jìn)一步證明本文方法的監(jiān)測(cè)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(cè)。通常情況下，設(shè)備通道內(nèi)的距離會(huì)在允許范圍內(nèi)波動(dòng)，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(cè)。

該設(shè)備實(shí)際的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 真實(shí)電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果與其進(jìn)行對(duì)比，對(duì)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(cè)結(jié)果

經(jīng)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，本文方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本重合，文獻(xiàn)[4]方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果偏差較小，但文獻(xiàn)[5]方法監(jiān)測(cè)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(cè)為。

3.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果平均誤差

在對(duì)運(yùn)行電廠設(shè)備監(jiān)測(cè)過程中，會(huì)由于外界的各種因素導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差，僅僅比較幾次監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果分為1組并取其平均絕對(duì)誤差，共隨機(jī)選取100次監(jiān)測(cè)結(jié)果，共分為5組實(shí)驗(yàn)，判斷誤差最小的監(jiān)測(cè)方法。所得實(shí)驗(yàn)對(duì)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(duì)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(cè)電廠設(shè)備運(yùn)行的最優(yōu)方法。

圖5 不同方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果平均誤差

4 結(jié)束語

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(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。該方法首先對(duì)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(duì)信息狀態(tài)進(jìn)行辨識(shí)和改正，實(shí)現(xiàn)電廠設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)。解決了監(jiān)測(cè)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、聚類效果差、監(jiān)測(cè)效果差和監(jiān)測(cè)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(zhǎng)電廠設(shè)備壽命。