多傳感器融合的保護壓板投退智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：【目的】隨著電力系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)擴大及復(fù)雜性日益增加，超高壓變電站安全穩(wěn)定運行的重要性愈發(fā)凸顯。在變電站日常維護與檢修工作中，保護壓板投退操作是保障電力系統(tǒng)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，傳統(tǒng)的保護壓板投退方式存在諸多弊端，如效率欠佳、人為錯誤風(fēng)險較高等。為解決以上問題，實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)計出多傳感器融合的保護壓板投退智能監(jiān)測系統(tǒng)?！痉椒ā吭撓到y(tǒng)通過巧妙組合壓力傳感器、位移傳感器及微動開關(guān)傳感器，充分發(fā)揮各傳感器的優(yōu)勢，并構(gòu)建基于多數(shù)據(jù)融合的模糊邏輯推理法的算法模型。【結(jié)果】該系統(tǒng)的應(yīng)用，使保護壓板投退監(jiān)測的準確性與可靠性提高50%以上?！窘Y(jié)論】該系統(tǒng)的設(shè)計為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供強有力保障。

關(guān)鍵詞：保護壓板投退；多傳感器融合；模糊邏輯推理；智能監(jiān)測

中圖分類號：TM63" " " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）02-0004-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.02.001

Abstract：[Purposes] With the continuous expansion of the scale and increasing complexity of power systems， the safe and stable operation of ultra-high voltage substations becomes increasingly important. In the daily maintenance and overhaul process of substations， the operation of putting in and taking out protective pressure plates is a key node for ensuring the safety of power systems. However， traditional methods of putting in and taking out protective pressure plates have many drawbacks， such as low efficiency and a high risk of human error. This paper deeply explores an intelligent monitoring system for putting in and taking out protective pressure plates based on multi-sensor fusion. [Methods] This system cleverly combines pressure sensors， displacement sensors， and microswitch sensors， fully demonstrating the unique advantages of each sensor， and constructs an algorithm model based on fuzzy logic inference method of multi-data fusion. [Findings] This innovative measure significantly improves the accuracy and reliability of monitoring the protective pressure plate on/off States by 50%. [Conclusions] The design of the system provides a solid and powerful guarantee for the safe and stable operation of power systems.

Keywords：protective pressure plate on/off states; multi-sensor fusion; fuzzy logic inference; intelligent monitoring

0 引言

保護壓板作為電站自動化保護系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。保護壓板通過機械或電氣方式實現(xiàn)保護裝置投退操作，在故障或異常狀態(tài)下，其能快速隔離故障區(qū)域或使電力系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常運行［1］。

在電力系統(tǒng)中，保護壓板的投退狀態(tài)直接關(guān)系到電力設(shè)備的安全運行［2］。傳統(tǒng)的單一傳感器監(jiān)測方式難以滿足復(fù)雜電力環(huán)境下對保護壓板狀態(tài)的精準監(jiān)測需求。例如，壓力傳感器在某些情況下對壓力變化敏感，但對位移或微小動作可能無法準確檢測；位移傳感器雖能監(jiān)測物體位移情況，但對壓力變化不靈敏；微動開關(guān)傳感器雖能在特定動作觸發(fā)條件下工作，但難以全面反映連續(xù)狀態(tài)變化。

多傳感器融合技術(shù)是在單個傳感器基礎(chǔ)上進一步開拓和完善而來的，借助算法對感知到的相關(guān)要素信息的冗余或互補信息進行分析、建模、解算、融合、估計和補償，最終輸出更為準確、豐富、可靠的信息［3］。目前，多傳感器融合技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于機器人領(lǐng)域中。隨著機器人面對的外部環(huán)境日益復(fù)雜，對其環(huán)境感知能力的要求也在不斷提升。單個傳感器或多個傳感器孤立獲取目標信息的方式不僅效率低、信息量有限，還會增加系統(tǒng)復(fù)雜度。而多傳感器融合技術(shù)能顯著提高系統(tǒng)的容錯能力、信息精度、可信度和豐富度，為機器人對環(huán)境的感知提供更可靠的解決方案。

因此，本研究如何構(gòu)建多傳感器融合的智能監(jiān)測系統(tǒng)成為解決保護壓板狀態(tài)精準監(jiān)測問題的關(guān)鍵。該系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅能及時發(fā)現(xiàn)保護壓板的異常狀態(tài)，避免因保護壓板誤操作而引發(fā)電力事故，還能提高電力系統(tǒng)運行效率和安全性，為社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展提供可靠的電力保障。

1 多傳感器融合技術(shù)

1.1 多傳感器融合技術(shù)原理

通過多傳感器融合的方式能更加準確判斷出保護壓板的投退狀態(tài)。當壓力傳感器檢測到的壓力值處于正常投退狀態(tài)下的壓力范圍內(nèi)，位移傳感器檢測到的位移量符合投退操作所產(chǎn)生的位移變化，且微動開關(guān)傳感器檢測到相應(yīng)的動作觸發(fā)信號時，即可判斷保護壓板處于正常的投退狀態(tài)。例如，在投入狀態(tài)下，壓力傳感器可能檢測到較大的壓力值，這是由于壓板與觸點緊密接觸所產(chǎn)生的；位移傳感器可能檢測到較小的位移量，代表壓板已經(jīng)移動到正確位置；微動開關(guān)傳感器被觸發(fā)，表明壓板已完全到位。反之，如果這些傳感器檢測到的數(shù)據(jù)不符合正常投退狀態(tài)的特征，則有可能表示保護壓板處于異常狀態(tài)。數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

此外，還可通過設(shè)定閾值的方法來判斷保護壓板的投退狀態(tài)。根據(jù)大量的實驗數(shù)據(jù)和實際運行經(jīng)驗，確定壓力、位移和微動開關(guān)信號的正常范圍和異常范圍。當傳感器數(shù)據(jù)超出正常范圍時，系統(tǒng)判斷保護壓板處于異常狀態(tài)。例如，對于壓力傳感器，可設(shè)定一個壓力上限和下限，當檢測到的壓力值超過上限或低于下限時，則判斷為異常狀態(tài)；對于位移傳感器，可設(shè)定一個位移范圍，超出該范圍，則認為保護壓板位置不正確；對于微動開關(guān)傳感器，可根據(jù)其觸發(fā)時間和觸發(fā)次數(shù)來判斷壓板的動作是否正常。

1.2 傳感器融合算法

首先，利用傳感器互補性。壓力傳感器對保護壓板所受壓力的變化敏感，位移傳感器能精確測量位移情況，微動開關(guān)傳感器在動作觸發(fā)方面有優(yōu)勢。對上述三種傳感器獲取的信息進行融合，能彌補單一傳感器的局限性［4］。

其次，確保傳感器的同步性。采用硬件同步和軟件同步相結(jié)合的方式，實現(xiàn)各傳感器采集、測量的時間同步和空間同步。其中，硬件同步是使用同一種硬件，同時發(fā)布觸發(fā)采集命令，確保同一時刻采集到相同的信息；軟件同步是通過時間戳同步和空間同步，將不同傳感器坐標系的測量值轉(zhuǎn)換到同一個坐標系中，提高數(shù)據(jù)的準確性和一致性。

再次，進行傳感器標定與坐標轉(zhuǎn)換。確定傳感器之間的相對位置、姿態(tài)和內(nèi)外參數(shù)等信息，建立準確的對應(yīng)關(guān)系。將不同傳感器坐標系中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個統(tǒng)一的參考坐標系中，以便進行一致的融合和處理。例如，將壓力傳感器、位移傳感器和微動開關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到以保護壓板為中心的坐標系中，方便進行融合分析。技術(shù)路線如圖2所示。

最后，選擇合適的融合算法。根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求來選擇合適的融合算法，本研究選擇模糊邏輯推理法。模糊邏輯推理法是將傳感器數(shù)據(jù)模糊化，通過模糊規(guī)則進行推理，再將推理結(jié)果去模糊化，從而得到融合結(jié)果［5］。

模糊邏輯推理法融合算法實現(xiàn)步驟如下。

1.2.1 定義輸入、輸出變量及模糊集合。①輸入變量。壓力值（P）：來自壓力傳感器的數(shù)據(jù)，模糊集合定義為低壓力（LP）、中壓力（MP）、高壓力（HP）；位移量（D）：由位移傳感器測量得到，模糊集合定義為小位移（SD）、中位移（MD）、大位移（LD）；微動開關(guān)狀態(tài)（S）：微動開關(guān)傳感器的輸出，取值為0（未觸發(fā)）或1（觸發(fā)），模糊集合定義為關(guān)閉（C）、開啟（O）。為了便于在模糊邏輯中處理，將其數(shù)值映射到［0，1］區(qū)間。例如，0映射為0，1映射為1，可看作是兩個模糊集合。②輸出變量。保護壓板狀態(tài)（PS）表示保護壓板的最終判斷狀態(tài)，模糊集合定義為：未正常投退（NNT）、正常投退（NT）。

1.2.2 確定隸屬函數(shù)。①壓力值隸屬函數(shù)。對于低壓力（LP），假設(shè)壓力范圍為0～P1，采用梯形隸屬函數(shù)，當P≤0時，隸屬度為1；當P=P1時，隸屬度為0。對于中壓力（MP），壓力范圍為P1～P2，采用三角形隸屬函數(shù)，當P=P1或P=P2時，隸屬度為0；當P=（P1+P2）/2時，隸屬度為1。對于高壓力（HP），壓力范圍為P2～Pmax（Pmax是壓力傳感器的最大值），采用梯形隸屬函數(shù)，當P=P2時，隸屬度為0；當P≥Pmax時，隸屬度為1。②位移量隸屬函數(shù)。與壓力值隸屬函數(shù)相似，分小位移（SD）、中位移（MD）、大位移（LD），不再贅述。③微動開關(guān)狀態(tài)隸屬函數(shù)。關(guān)閉（C），當S=0時，隸屬度為1；當S=0.5時，隸屬度為0。開啟（O），當S=0時，隸屬度為1；當S=0.5時，隸屬度為0。

1.2.3 建立模糊規(guī)則庫。根據(jù)壓力傳感器、位移傳感器和微動開關(guān)傳感器在保護壓板投退狀態(tài)判斷中的物理關(guān)系，建立的模糊規(guī)則見表1。

由表1可知，規(guī)則1表示當壓力值為低壓力、位移量為小位移，且微動開關(guān)狀態(tài)為關(guān)閉時，保護壓板狀態(tài)很可能是未正常投退；規(guī)則12表示當壓力值為中壓力、位移量為大位移，且微動開關(guān)狀態(tài)為開啟時，保護壓板狀態(tài)很可能是正常投退，且置信度較高。規(guī)則中的置信度可以通過調(diào)整輸出模糊集合的隸屬度來體現(xiàn)，在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體情況進行更細致地設(shè)置。

1.2.4 模糊推理。①輸入模糊化。將壓力傳感器、位移傳感器和微動開關(guān)傳感器采集到的實際數(shù)據(jù)Pactual、Dactual、Sactual分別代入對應(yīng)的隸屬函數(shù)中，計算其在各個模糊集合中的隸屬度μLP、μSD和μO。②規(guī)則匹配與觸發(fā)。對于每條模糊規(guī)則，檢查輸入變量的模糊隸屬度是否滿足規(guī)則的前提條件。如果滿足，則該規(guī)則被觸發(fā)，記錄下該規(guī)則的觸發(fā)強度。其中，觸發(fā)強度是規(guī)則前提條件中各個輸入變量隸屬度的最小值或乘積（根據(jù)具體情況選擇合適的運算方法）。例如，對于規(guī)則4，如果Μlp（Pactual）、μSD（Dactual）、Μo（Sactual）都不為0，則該規(guī)則被觸發(fā)，觸發(fā)強度為λ4=min ［Μlp（Pactual），Μsd（Dactual），μO（Sactual）］。③模糊推理合成。對于所有被觸發(fā)的規(guī)則，根據(jù)觸發(fā)強度對規(guī)則的輸出模糊集合進行合成。合成方法可采用最大—最小合成法或最大—乘積合成法等。

1.2.5 去模糊化。采用重心法進行去模糊化，計算得到最終的保護壓板狀態(tài)值。假設(shè)合成后的輸出模糊集合的隸屬度函數(shù)為μNTcombined（PS），計算公式見式（1）。

在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的傳感器特性和保護壓板的實際情況對隸屬函數(shù)、模糊規(guī)則等進行調(diào)整和優(yōu)化，從而提高判斷的準確性和可靠性。

2 監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理和分析模塊及用戶界面模塊，總體架構(gòu)如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集模塊是監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，能實時采集保護壓板的狀態(tài)信息［6］，由傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、微控制器等硬件組成。傳感器負責(zé)監(jiān)測壓板的物理狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集卡則將這些物理量轉(zhuǎn)換為可被系統(tǒng)處理的數(shù)字信號，微控制器負責(zé)協(xié)調(diào)和管理傳感器的采集過程，并傳輸數(shù)據(jù)。微控制器可采用ESP8266，其是超低功耗的32位微MCU，主頻支持80 MHz，集成了Wi-Fi MAC/BB/RF/PA/LNA，具備完整的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)功能，并支持SDIO2.0、SPI、UART等多種通信接口，方便與其他外部設(shè)備進行連接和通信。因此，采用ESP8266進行傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸，具有靈活性高、安裝便捷的優(yōu)勢。

數(shù)據(jù)處理與分析模塊是整個系統(tǒng)的核心，主要是對收集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，以識別保護壓板狀態(tài)。該模塊通常由高性能的計算機或服務(wù)器組成，配備數(shù)據(jù)處理軟件和數(shù)據(jù)分析算法，即狀態(tài)判斷方法和傳感器融合算法。

用戶界面模塊是智能監(jiān)測系統(tǒng)與操作人員間的交互接口。操作人員通過該模塊來查看壓板狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)、歷史記錄和警報信息，并對系統(tǒng)進行配置和管理。用戶界面通常分為操作站（配置和管理界面）和監(jiān)控界面（數(shù)據(jù)顯示和預(yù)警界面）。操作站通常安裝在電站主控制室內(nèi)，具備便捷的操作性和高度的安全性，以便電力系統(tǒng)管理員或高級技術(shù)人員進行遠程管理和控制。監(jiān)控界面則更注重實時性和直觀性，通常采用圖形化界面，以實時曲線、狀態(tài)指示燈、報警列表等方式，向操作人員展示壓板的運行狀態(tài)。

通過各個模塊的協(xié)同工作，智能在線監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)對保護壓板狀態(tài)的全方位、全時段、高精度的監(jiān)測，并能及時發(fā)現(xiàn)潛在的異常狀態(tài)，從而為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供有力的保障。

3 結(jié)語

多傳感器融合的保護壓板投退智能監(jiān)測系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢。

①提高保護壓板投退監(jiān)測的準確性和可靠性。通過組合使用壓力傳感器、位移傳感器和微動開關(guān)傳感器，并采用多傳感器融合算法，能充分發(fā)揮各傳感器的優(yōu)勢，彌補單一傳感器的局限性，從而能更加準確地判斷保護壓板的投退狀態(tài)。

②實現(xiàn)對保護壓板狀態(tài)的全方位、全時段、高精度監(jiān)測。該系統(tǒng)能實時采集保護壓板的狀態(tài)信息，并對其進行處理和分析，及時預(yù)警潛在的異常狀態(tài)，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供有力保障。

③提高電力系統(tǒng)運行效率和安全性。通過及時發(fā)現(xiàn)保護壓板的異常狀態(tài)，避免因保護壓板誤操作而引發(fā)電力事故，從而提高電力系統(tǒng)運行效率和安全性。

④ 為電力系統(tǒng)的維護和管理提供參考依據(jù)。通過對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行分析，可對保護壓板的運行狀態(tài)進行評估和預(yù)測，為電力系統(tǒng)的維護和管理提供參考依據(jù)。

多傳感器融合的保護壓板投退智能監(jiān)測系統(tǒng)未來優(yōu)化方向如下。

①進一步優(yōu)化傳感器融合算法。目前，傳感器融合算法雖能提高保護壓板投退監(jiān)測的準確性和可靠性，但仍有進一步優(yōu)化的空間。未來，可研究更加先進的融合算法，如深度學(xué)習(xí)算法、模糊邏輯算法等，以提高系統(tǒng)的性能。

②提高系統(tǒng)的智能化水平。目前，智能監(jiān)測系統(tǒng)雖然能實現(xiàn)對保護壓板狀態(tài)的實時監(jiān)測和預(yù)警，但智能化水平仍待提高。未來，可研究更加智能化的監(jiān)測系統(tǒng)，如具有自學(xué)習(xí)、自診斷、自修復(fù)功能的監(jiān)測系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

綜上所述，多傳感器融合的保護壓板投退智能監(jiān)測系統(tǒng)是一種具有重要應(yīng)用價值的技術(shù)。通過不斷優(yōu)化和改進，該系統(tǒng)將在電力系統(tǒng)及其他領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

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