基于網(wǎng)絡(luò)載波模塊的插針修整器設(shè)計(jì)

邢樹利，陸文嬌，史雪琪，張雪瑩

(國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司供電服務(wù)監(jiān)管與支持中心，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

隨著電力配網(wǎng)二次系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的持續(xù)升級，智能電網(wǎng)系統(tǒng)使用了大量的220 V交流、110 V交流、36 V直流、24 V直流、12 V直流控制模塊，這些模塊多采用插針連接方式，如果插針出現(xiàn)彎折、松動等情況，會嚴(yán)重影響系統(tǒng)可靠性，甚至導(dǎo)致安全事故。網(wǎng)絡(luò)載波模塊屬于電力監(jiān)控模塊，可以采集電壓、電流波形圖并實(shí)時上報(bào)。在智能電網(wǎng)模塊插針修整器中引入網(wǎng)絡(luò)載波模塊對插針修整過程進(jìn)行全程監(jiān)控，可以有效避免插針修整過程中的插針-基座損傷。網(wǎng)絡(luò)載波模塊主要用于電表、集中器、采集器、網(wǎng)關(guān)等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)在電力介質(zhì)上的數(shù)據(jù)抄讀、數(shù)據(jù)傳輸、信道管理、系統(tǒng)管理、停電上報(bào)等，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)調(diào)度機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對信道的有序管理，規(guī)避通信載波相互干擾，保證事件的可靠實(shí)時上報(bào)。

目前學(xué)術(shù)界將網(wǎng)絡(luò)載波模塊用于其他技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)研究成果比較豐富，如戴成濤等[1]充分研究了網(wǎng)絡(luò)載波模塊在電力物聯(lián)網(wǎng)中的技術(shù)價值，對其中低壓錄波圖的數(shù)據(jù)采集性能與回傳方式進(jìn)行了深入研究；李波等[2]研究了網(wǎng)絡(luò)載波模塊和微功率無限通信雙工模塊的數(shù)據(jù)配合性能，通過海量實(shí)測實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)研究了網(wǎng)絡(luò)載波模塊的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性保障措施，對其數(shù)據(jù)價值進(jìn)行了正面評價。在網(wǎng)絡(luò)載波模塊數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，宋紹華等[3]研究了網(wǎng)絡(luò)載波模塊在電力二次設(shè)備故障診斷方面的數(shù)據(jù)應(yīng)用，重點(diǎn)研究了電流錄波圖和電壓錄波圖的數(shù)據(jù)應(yīng)用方案。在高精密控制方面，何雅芹[4]研究了六軸機(jī)器人及六軸加工中心機(jī)器手的高精密驅(qū)動算法，對步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給力度與進(jìn)給速度的轉(zhuǎn)化函數(shù)進(jìn)行了量化分析。在借鑒以往技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文提出一種基于網(wǎng)絡(luò)載波模塊的插針修整器設(shè)計(jì)思路，提高了修整器控制系統(tǒng)的安全可靠性，保證了電力配網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和時效性[5]。

1 插針修整器中的網(wǎng)絡(luò)載波模塊介入模式

插針修整器的工作原理：使用步進(jìn)電機(jī)控制雙曲線型插針矯正夾具加持插針，并在Z軸推入，完成基本矯正過程，之后根據(jù)實(shí)際應(yīng)力情況，利用X軸和Y軸插針矯正工具進(jìn)行精度矯正。本文設(shè)計(jì)的插針修正器中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)載波模塊介入模式，可以對通入的交流電進(jìn)行波形監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)問題就可以向控制器發(fā)出反饋信號，從而提高插針修整器的可靠性與穩(wěn)定性。而在當(dāng)前技術(shù)體系下，插針扶正后，還可以利用熱風(fēng)加熱裝置對插針基座重新進(jìn)行熔接，并完成風(fēng)冷成型。修整器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，可調(diào)壓交流電源可以通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器提供110～220 V的50 Hz電源；L是火線，火線接電源正極；N是零線，零線接電源負(fù)極；HPLC為網(wǎng)絡(luò)載波模塊系統(tǒng)；控制器有控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、控制波形、控制限流等功能；矯正夾具矯正網(wǎng)絡(luò)載波模塊的插針修正器；步進(jìn)電機(jī)組是一組將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相對位移或線位移的電動機(jī)。插針修整器的直觀圖如圖2所示。

圖1 插針修整器中網(wǎng)絡(luò)載波模塊硬件邏輯圖

圖2 插針修整器直觀圖

圖2中，在插針基座與矯正夾具的雙曲線金屬夾片之間通入110～220 V的50 Hz交流電，使用網(wǎng)絡(luò)載波模塊監(jiān)控波形，并向控制器發(fā)送控制輔助信號。網(wǎng)絡(luò)載波模塊通過采集波形圖，在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(fuzzy neural networks，F(xiàn)NN)進(jìn)行模糊卷積，由外部指令或程序指令控制步進(jìn)電機(jī)動作方向，即使用網(wǎng)絡(luò)載波模塊+FNN控制動作力度、方向、步進(jìn)長度等性能參數(shù)[6-7]。插針彎折修整過程中，產(chǎn)生的插針內(nèi)部應(yīng)力會導(dǎo)致插針的局部電阻率變化，引發(fā)網(wǎng)絡(luò)載波模塊可以感知的雜波干擾。本文設(shè)計(jì)思路是使用網(wǎng)絡(luò)載波模塊捕捉雜波之后，使用FNN分析模塊分析雜波數(shù)據(jù)，經(jīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將電壓及電流錄波，在傅里葉轉(zhuǎn)換后形成特征矩陣，并對數(shù)據(jù)結(jié)果做二值化處理，在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時同步反饋給步進(jìn)電機(jī)控制模塊生成執(zhí)行指令。網(wǎng)絡(luò)載波模塊結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流處理邏輯架構(gòu)如圖3所示。

圖3中，網(wǎng)絡(luò)載波模塊的電壓錄波指調(diào)諧電壓濾波功能，電流錄波指調(diào)諧電流濾波功能；步進(jìn)電機(jī)控制器控制轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)脈沖信號；傅里葉變換為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的一種變換方式；特征矩陣為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)矩陣模塊；X軸二值化、Y軸二值化、Z軸二值化指的是FNN的二值化；控制指令指的是模塊控制指令系統(tǒng)。圖中網(wǎng)絡(luò)載波模塊內(nèi)電壓錄波圖、電流錄波圖離散數(shù)據(jù)經(jīng)傅里葉轉(zhuǎn)換，構(gòu)成特征矩陣反饋至控制中心，經(jīng)FNN得出需要的X軸二值化、Y軸二值化、Z軸二值化關(guān)鍵神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息，由步進(jìn)電機(jī)控制器輸出結(jié)果。配網(wǎng)系統(tǒng)中也可以由控制指令直接經(jīng)過FNN，得出二值化值后，由步進(jìn)電機(jī)控制器輸出結(jié)果[8-9]。

圖3 插針修整器中網(wǎng)絡(luò)載波模塊與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合模式

傅里葉變換的任務(wù)是將時序函數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率函數(shù)，從而可以直接統(tǒng)計(jì)每個頻率上的振幅值積分結(jié)果。傅里葉變換的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義是將網(wǎng)絡(luò)載波模塊采集的電壓錄波圖和電流錄波圖中的工頻信息和雜波信息提取成特征矩陣。傅里葉變換的基函數(shù)如式(1)所示：

(1)

式中：f(ω)為以頻率ω為自變量的分析結(jié)果輸出函數(shù)；A為狀態(tài)調(diào)整變量；f(t)為以時間軸變量t為自變量的原始函數(shù)；i為虛數(shù)單位；-e·2π為傅里葉常量。

二值化函數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義是在不改變數(shù)列順序的前提下，使所有結(jié)果在[0.000,1.000]區(qū)間內(nèi)向兩端充分位移，從而獲得具有二值化且可以充分邏輯化的結(jié)果。實(shí)際數(shù)據(jù)訓(xùn)練中，設(shè)定[0.900,1.000]區(qū)間為接近1.000的有效區(qū)間，設(shè)定[0.000,0.100]區(qū)間為接近0.000的有效區(qū)間，設(shè)定中間的(0.100,0.900)區(qū)間為無效區(qū)間。實(shí)際數(shù)據(jù)訓(xùn)練中如果有數(shù)據(jù)落點(diǎn)在無效區(qū)間內(nèi)，就可以認(rèn)為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒有充分收斂，根據(jù)式(1)中的二值化數(shù)值，可以判斷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練收斂度。二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基函數(shù)如式(2)所示：

(2)

式中：y為步進(jìn)參數(shù)；B為二值區(qū)間；n為上一層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；xi為常量。

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義是將網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)源壓縮到一個雙精度變量中，運(yùn)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的待回歸系數(shù)保存系統(tǒng)數(shù)據(jù)的相互關(guān)聯(lián)信息，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)在卷積過程中相關(guān)信息損失量最小[10-11]。因此，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在復(fù)雜隱藏層節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，使用多項(xiàng)式深度迭代模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)提供足夠的待回歸系數(shù)，提高數(shù)據(jù)算法的卷積能力。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基函數(shù)如式(3)所示：

(3)

根據(jù)式(1)、(2)、(3)，綜合使用前置傅里葉變換、核心模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以及二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，成功構(gòu)建多列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，向步進(jìn)電機(jī)控制器直接發(fā)出控制信號。該信號主要用于控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和力度，而外部控制信號則主要用于控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向[12-14]，最終實(shí)現(xiàn)插針修整器的智能化改造。

2 插針修整器的實(shí)測驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)對象選擇

實(shí)驗(yàn)時選擇常用插針1 500根，應(yīng)用場景分別為220 V交流、110 V交流、36 V直流、24 V直流、12 V直流共5個分類，插針直徑分別為2.5，3.5，6.5 mm。所有應(yīng)用場景和插針直徑相互交叉，得到15個分組，每組準(zhǔn)備100根試驗(yàn)用插針。

1 500根插針人工設(shè)置彎折偏移比例，等概率隨機(jī)產(chǎn)生中部彎折、根部彎折、基座內(nèi)彎折等。彎折率按頂端偏移距離與插針外露長度的比值計(jì)算，分為4組，分別為<1%分組、1%～3%分組、3%～7%分組、>7%分組，4組插針每組375根，每個直徑各125根。經(jīng)過SPSS分析可知，所有故障類型的分布情況在12個分組中存在t值為20.167和P值為0.001的可置信統(tǒng)計(jì)學(xué)一致性。

所有進(jìn)行測試的瑕疵插針，在彎折仿真建模過程中充分釋放彈性應(yīng)力，保證彎折建模結(jié)果的全塑性，以評價插針修整過程對插針造成的損傷。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法實(shí)錄

所有實(shí)驗(yàn)用插針隨機(jī)平分為2組，一組使用不含網(wǎng)絡(luò)載波模塊和FNN的一般程序控制插針修整器，一組使用本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)載波模塊+FNN的插針修整器，φ2.5 mm、φ3.5 mm、φ6.5 mm型插針各250根，比較其修復(fù)過程的插針損毀情況和插針修整效率。

實(shí)驗(yàn)中用于檢測插針應(yīng)力及損毀程度的是110 V工頻電源，為了減小被修復(fù)插針實(shí)際運(yùn)行中電壓等級和電能形式方面的差異，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)載波模塊采集高精度數(shù)據(jù)，使用SPSS軟件中的雙變量t校驗(yàn)進(jìn)行比較分析，當(dāng)t值小于10.000時認(rèn)為存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，且t值越小，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異越大，當(dāng)P值小于0.05時認(rèn)為比較結(jié)果在可置信區(qū)間內(nèi)，當(dāng)P值小于0.01時認(rèn)為比較結(jié)果具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.3 插針損毀率驗(yàn)證

采用隨機(jī)分組法，將上述1 500根插針分為2組，每組750根，分別采用一般程序控制與本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)載波模塊+FNN控制，獲得插針折斷、基座損毀、插針損傷、非典型損毀的幾種損毀情況下的損毀率。經(jīng)過SPSS分析可知，2組插針的分布情況存在t值大于10.000和P值小于0.05的可置信統(tǒng)計(jì)學(xué)一致性。兩組修復(fù)過程的插針損毀率比較結(jié)果見表1。

表1 插針損毀率驗(yàn)證結(jié)果比較表

由表可知，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)載波模塊+FNN控制方式，與使用一般程序的插針損毀率相比明顯更低，插針損毀造成的損失也就更小，可以看出網(wǎng)絡(luò)載波模塊用于插針修整器技術(shù)改造的優(yōu)勢。

比較兩組插針的修整效率，結(jié)果見表2。

表2 插針修復(fù)效率對照表

由表可知，網(wǎng)絡(luò)載波模塊+FNN的插針修整成功率大大高于一般程序，證明基于網(wǎng)絡(luò)載波模塊的插針修整器設(shè)計(jì)在配網(wǎng)中應(yīng)用十分可行。

3 結(jié)束語

本文以現(xiàn)有的低壓電力作業(yè)網(wǎng)作為信道，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)載波模塊的主要性能特征、基本結(jié)構(gòu)原理以及實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行仿真建模，分析了低壓網(wǎng)絡(luò)載波模塊的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電力配網(wǎng)中信息數(shù)據(jù)的實(shí)時傳遞與共享。分析表明，基于網(wǎng)絡(luò)載波模塊的插針修整器設(shè)計(jì)技術(shù)，很大程度提升了用電信息采集和遠(yuǎn)程控制停表的工作穩(wěn)定率和時效性，降低了插針損毀率，減少了損耗成本。實(shí)驗(yàn)表明，將網(wǎng)絡(luò)載波模塊+FNN用于插針修整器設(shè)計(jì)，與使用一般程序的插針損毀率相比明顯更低，而插針修復(fù)效率明顯優(yōu)于一般程序，這一結(jié)果為基于網(wǎng)絡(luò)載波模塊的插針修整器的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐，未來有望成為優(yōu)化電力配網(wǎng)的一項(xiàng)長期舉措。