基于互聯(lián)網(wǎng)通信的輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【關(guān)鍵詞】互聯(lián)網(wǎng)通信；智能監(jiān)控系統(tǒng)；輸配電

引言

如今，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度越來(lái)越快，而智能電網(wǎng)的建設(shè)不僅保障了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)促進(jìn)了社會(huì)生活的有序進(jìn)行。輸配電設(shè)備作為智能電網(wǎng)的重要部分，其運(yùn)行狀況時(shí)刻影響著供電的可靠性以及輸配電設(shè)備檢修計(jì)劃的合理性，能夠改善設(shè)備運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，避免其在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效能[1]。在建設(shè)智能電網(wǎng)的過(guò)程中，要加快互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的研發(fā)，同時(shí)滿(mǎn)足用電方和配電方的需求。

李偉等（2020）以殘差全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為架構(gòu)，對(duì)電力監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)生的異常進(jìn)行辨識(shí)。[2]為了對(duì)電力監(jiān)控系統(tǒng)中檢測(cè)到的故障進(jìn)行有效分類(lèi)，我們構(gòu)建了一個(gè)基于殘差學(xué)習(xí)的全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型結(jié)合了深度學(xué)習(xí)和半監(jiān)督學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的識(shí)別和分類(lèi)。通過(guò)組合故障數(shù)據(jù)的訓(xùn)練樣本特征，構(gòu)建具有差異性特征的分類(lèi)器，根據(jù)分類(lèi)器在應(yīng)用過(guò)程中的誤差率，對(duì)不含有標(biāo)簽的故障數(shù)據(jù)特征進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高分類(lèi)器的識(shí)別能力。結(jié)果顯示，該算法與傳統(tǒng)算法相比可以提高故障數(shù)據(jù)識(shí)別的精度，準(zhǔn)確識(shí)別出電力監(jiān)控系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)。

一、輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）協(xié)調(diào)器

在輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器可以將供電電路與監(jiān)控中心連接在一起，提高監(jiān)控的效率。設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇MSP430F153型號(hào)的單片機(jī)作為協(xié)調(diào)器的核心[3]，利用32位的處理器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸配電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送、存儲(chǔ)與顯示，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，射頻模塊主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，根據(jù)GPRS的頻率對(duì)發(fā)送機(jī)進(jìn)行設(shè)置。如果采集到的輸配電數(shù)據(jù)比設(shè)定值大，射頻模塊就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，在互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)下，將報(bào)警信號(hào)傳輸給工作人員；如果互聯(lián)網(wǎng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常大，還可以借助電力線(xiàn)對(duì)輸配電信息進(jìn)行傳輸。

（二）設(shè)計(jì)輸配電監(jiān)控器硬件電路

輸配電監(jiān)控器的工作原理是借助單片機(jī)和智能處理器對(duì)輸配電數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理，并在相同時(shí)間內(nèi)，對(duì)輸配電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理[4]。在互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的支撐下，輸配電監(jiān)控裝置的物理構(gòu)成如圖2所示，該裝置能夠搜集各類(lèi)電壓與電流的數(shù)據(jù)。

其中，電力傳輸與分配信號(hào)依次通過(guò)電壓調(diào)整裝置和電流感應(yīng)器，接著被轉(zhuǎn)化為水平方向的電信號(hào)，這些轉(zhuǎn)換后的信號(hào)能夠被模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器所接收，并進(jìn)一步被送入ADSP-2265通道進(jìn)行處理。輸配電監(jiān)控器硬件電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍵盤(pán)、顯示器、通訊接口的管理，通過(guò)啟動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信接口，加載輸配電數(shù)據(jù)，獲取監(jiān)控結(jié)果。

二、輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)將輸配電設(shè)備中的電容電流看作一個(gè)內(nèi)環(huán)的反饋?zhàn)兞?，利用互?lián)網(wǎng)通信技術(shù)將輸配電設(shè)備與電容連接在一起，根據(jù)電容電流和占空比，建立如下關(guān)系式，即：

其中，U表示輸配電設(shè)備中濾波電容的電壓值，UC表示輸配電設(shè)備中直流側(cè)的電容電壓，C0代表直流側(cè)的電容值，Sγ表示輸配電設(shè)備的電感參數(shù)，zap、zbp和zcp表示占空比系數(shù)。

假設(shè)Cb代表輸配電設(shè)備中電容的空間矢量，將輸配電設(shè)備的電流作為一個(gè)外環(huán)的反饋?zhàn)兞?，利用互?lián)網(wǎng)通信技術(shù)融合處理輸配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳遞函數(shù)與閉環(huán)傳遞函數(shù)，得到如式（2）所示的融合處理結(jié)果，即：

其中，ξ表示輸配電設(shè)備的電壓幅度調(diào)制比，Φ表示輸配電設(shè)備中電壓與電流之間存在的比例關(guān)系，δ表示電容電壓與電流之間存在的比例關(guān)系，fx表示輸配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳遞函數(shù)，gx表示閉環(huán)傳遞函數(shù)。

假設(shè)Z代表輸配電設(shè)備的阻尼系數(shù)，根據(jù)公式（2）的融合處理結(jié)果，設(shè)計(jì)輸配電智能監(jiān)控算法，表示為：

上式中，Tmin表示輸配電設(shè)備中最小零矢量的作用時(shí)間，λmax表示輸配電設(shè)備中直流電壓的調(diào)制系數(shù)，F(xiàn)（x）表示輸配電設(shè)備的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。

設(shè)計(jì)的時(shí)候需要確定輸配電設(shè)施的電壓和頻率，將電容電流作為內(nèi)環(huán)反饋?zhàn)兞?，建立其與占空比的關(guān)系，同時(shí)將設(shè)施電流作為外環(huán)反饋?zhàn)兞?，開(kāi)發(fā)新算法，從而實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控。

三、實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段

為對(duì)所研發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其在輸配電領(lǐng)域的智能化監(jiān)控能力，我們于某電力公司內(nèi)，擇一輸電及分配設(shè)備，作為科學(xué)研究之用。該設(shè)備之相關(guān)特性參數(shù)如下：

電源電壓：220 V。

電流參考值：10.85 A。

交流電感：3.12 mF。

電容器的額定電容：2230μF。

直流電壓參考值：800 V。

根據(jù)輸配電設(shè)備的參數(shù)設(shè)置情況，實(shí)驗(yàn)選擇10臺(tái)輸配電設(shè)備，以電源端為起點(diǎn)，依次編號(hào)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們將電源端口連接在第一個(gè)輸配電設(shè)備上，距離為10米；其余輸配電設(shè)備之間的距離也為10米，同時(shí)各個(gè)輸配電設(shè)備的參數(shù)保持一致。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)在某電力公司的輸配電設(shè)備中采集直流電流數(shù)據(jù)，其波形如圖3所示。

由圖3可知，輸配電設(shè)備的電流幅值基本上保持在-1～1 A之間，較均衡，證明了利用本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)輸配電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，能夠確保輸配電的穩(wěn)定性。

（三）輸配電智能監(jiān)控結(jié)果

實(shí)驗(yàn)在某電力公司，對(duì)10套輸配電設(shè)施在持續(xù)12小時(shí)的作業(yè)期間內(nèi)，每隔三小時(shí)進(jìn)行電流讀數(shù)，并記錄了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，本研究所設(shè)計(jì)的監(jiān)控體系能夠?qū)﹄娏鬏斉c分配設(shè)施實(shí)時(shí)監(jiān)管，從而捕獲其電流讀數(shù)，確保了電力設(shè)施運(yùn)作的安全性，并為其提供了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)保障。

（四）對(duì)比測(cè)試

本研究旨在凸顯所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)在智能輸配電監(jiān)控方面的優(yōu)勢(shì)，故對(duì)照基于殘差全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)，評(píng)估其在圖3所示輸配電設(shè)備的電流監(jiān)控能力。兩系統(tǒng)監(jiān)控輸配電電流的精度對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

由此可見(jiàn)，采用基于殘差全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，對(duì)輸配電電流的監(jiān)控精度都低于65%，說(shuō)明利用殘差全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建分類(lèi)器之后，輸配電電流的監(jiān)控精度仍然很低。然而采用本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，對(duì)輸配電電流的監(jiān)控精度要高得多，在輸配電設(shè)備運(yùn)行的10 s內(nèi)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過(guò)融合互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，顯著提升了輸配電電流的監(jiān)控精度，使監(jiān)控精度始終保持在90%以上。

四、輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸

（一）傳感器的選擇

在輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)中，傳感器是數(shù)據(jù)采集的核心組件。選擇合適的傳感，主要考慮其精度、響應(yīng)時(shí)間和耐用性。對(duì)于電壓和電流監(jiān)測(cè)，常用的傳感器包括電流互感器（Current Transformer，CT）和電壓互感器（Potential Transformer，PT），它們可以提供高精度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。此外，溫度傳感器和濕度傳感器也不可或缺，因?yàn)樗鼈冇兄诒O(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，確保設(shè)備在安全的溫度和濕度范圍內(nèi)工作。選擇時(shí)還需考慮傳感器的工作范圍和額外功能，如自診斷能力和抗干擾性能，以確保其在復(fù)雜環(huán)境中依然能提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

（二）數(shù)據(jù)采集方式

數(shù)據(jù)采集方式直接影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，一般采用集中式或分布式數(shù)據(jù)采集方法。集中式方法通過(guò)一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)收集來(lái)自各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，適合小規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)；分布式方法則在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)部署獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集單元，適合大規(guī)模的輸配電網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際應(yīng)用通常采用邊緣計(jì)算的方式，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)安裝數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)時(shí)處理并篩選數(shù)據(jù)，只將關(guān)鍵信息傳輸?shù)街醒敕?wù)器，從而減少網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎晚憫?yīng)速度。

（三）數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是確保傳感器與監(jiān)控系統(tǒng)之間高效、可靠通信的關(guān)鍵。常用的傳輸協(xié)議包括Modbus、CAN和MQTT等。Modbus是一種簡(jiǎn)單易用的協(xié)議，適合在局域網(wǎng)環(huán)境下傳輸數(shù)據(jù)；CAN能在工業(yè)環(huán)境中廣泛應(yīng)用，具有高抗干擾能力，適合實(shí)時(shí)監(jiān)控；MQTT則適合互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，支持低帶寬和高延遲場(chǎng)景，能夠?qū)崿F(xiàn)輕量級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、延遲、帶寬及安全性等因素，確保在各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下都能實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)交換；此外，為了提升系統(tǒng)的安全性，建議在傳輸層添加加密機(jī)制，以防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改。

五、系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性分析

（一）網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)安全是確保輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，因此，系統(tǒng)應(yīng)該采取多層防護(hù)措施，包括防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)（Intrusion Detection Systems，IDS）和虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network，VPN），這些技術(shù)可以有效阻止未授權(quán)訪問(wèn)和惡意攻擊。同時(shí)，用戶(hù)身份驗(yàn)證機(jī)制也至關(guān)重要，通過(guò)強(qiáng)密碼、雙因素認(rèn)證等方式，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的安全性；定期實(shí)行系統(tǒng)安全檢測(cè)與侵入實(shí)驗(yàn)，可以及時(shí)識(shí)別并修正可能存在的安全缺陷。此外，針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的安全性，系統(tǒng)可采用加密技術(shù)，確保數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不被竊取或篡改。

（二）數(shù)據(jù)完整性保障

為確保數(shù)據(jù)在采集、傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程中不被損壞或篡改，系統(tǒng)應(yīng)實(shí)施嚴(yán)格的數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制：在數(shù)據(jù)采集階段，采用冗余采集和校驗(yàn)核算法，確保傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，使用消息摘要和數(shù)字簽名技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性；在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，建議使用區(qū)塊鏈技術(shù)或數(shù)據(jù)庫(kù)的事務(wù)管理功能，以確保數(shù)據(jù)記錄的不可篡改性；定期進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性檢查和備份，以能夠在出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行修復(fù)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

（三）故障恢復(fù)策略

故障恢復(fù)是確保系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要策略。設(shè)計(jì)冗余機(jī)制是關(guān)鍵，尤其是在核心組件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上，通過(guò)配置熱備份和冷備份，可以在主系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，快速切換到備用系統(tǒng)，最大限度地減少停機(jī)時(shí)間；定期執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的拷貝和恢復(fù)流程的練習(xí)，以便當(dāng)系統(tǒng)真正出現(xiàn)故障時(shí)，團(tuán)隊(duì)能敏捷地作出反應(yīng)，并迅速恢復(fù)正常的運(yùn)作；采用微服務(wù)架構(gòu)將系統(tǒng)拆分為獨(dú)立模塊，降低故障風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，提前識(shí)別潛在故障并預(yù)警，實(shí)現(xiàn)高效的故障管理與恢復(fù)。

結(jié)語(yǔ)

輸配電設(shè)備的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，因此，提升其監(jiān)控能力至關(guān)重要。本文通過(guò)將互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)用于輸配電智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用硬件與軟件相結(jié)合的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸配電設(shè)備的智能監(jiān)控。這種集成方案不僅提高了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在輸配電設(shè)備監(jiān)控中展現(xiàn)出較高的精度，能夠及時(shí)響應(yīng)設(shè)備狀態(tài)變化，減少潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)。此外，系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性使其能夠適應(yīng)不同規(guī)模的電力網(wǎng)絡(luò)需求，為未來(lái)電力系統(tǒng)的智能化管理提供了有力支持。