基于物聯(lián)網(wǎng)的電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)設(shè)計

李季洋，杜 勇，馬丞君，李艷萍

（1.國網(wǎng)遼寧省沈陽供電公司，沈陽 110811；2.國網(wǎng)遼寧省丹東供電公司，丹東 118000；3.國網(wǎng)遼寧省鐵嶺供電公司，鐵嶺 112000）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，電力設(shè)備逐漸與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，其智能化的故障檢測功能也為電力事業(yè)提供了較大的幫助。傳統(tǒng)的電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)存在效率較低、故障信息采集速度慢、信息采集不準確等問題，很難再適用于電力設(shè)備規(guī)模越來越大的物聯(lián)網(wǎng)時代。對于電力企業(yè)來說，傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)大大浪費了資金[1]，而硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的維護問題也很難實現(xiàn)[2]，不能高效率和快速的對故障信息進行采集，嚴重影響了電力集團的運營狀態(tài)[3]。如果出現(xiàn)信息采集不準確的問題，不但會危害工作人員的生命安全，也會給電力集團帶來重創(chuàng)，其經(jīng)濟損失也會比較嚴重。

文獻[4]中提出了基于SAN技術(shù)的故障信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用監(jiān)測功能對信息進行實時的監(jiān)測，如果出現(xiàn)設(shè)備故障信息的時候，就可以依靠該功能進行報警，雖然該系統(tǒng)的實時性較高，但是缺少了實際運作的能力，并不適用于本系統(tǒng)的設(shè)計。文獻[5]中提出了策略調(diào)度的電力設(shè)備故障信息采集的系統(tǒng)設(shè)計方法，該方法能夠在負載均衡的條件下，對故障的信息進行采集，具有速度快的特點。但是該系統(tǒng)設(shè)計容易受到外界的干擾，并且系統(tǒng)設(shè)計的成本較大，缺乏實用性。

為了達到大量電力設(shè)備故障信息采集的目的，基于物聯(lián)網(wǎng)的電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)運而生。根據(jù)故障信息采集系統(tǒng)設(shè)計的目的構(gòu)建了系統(tǒng)的總體框架，并由此對電路復(fù)位圖進行了設(shè)計；針對信息采集分布性強和范圍廣等特點構(gòu)建出了軟件函數(shù)模型，確保信息采集的準確性；設(shè)置參數(shù)并進行了對比實驗。實驗結(jié)果證明，基于物聯(lián)網(wǎng)的電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)具有高效信息采集效率與快速的信息采集速度，能夠?qū)崿F(xiàn)故障信息的大量采集與處理。

1 物聯(lián)網(wǎng)下的電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)總體設(shè)計框架

基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)設(shè)計的目的就是使故障信息采集的速度變快，提高故障診斷的效率。根據(jù)目的構(gòu)建了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

由圖1可知，故障信息采集系統(tǒng)主要包括：接收機、故障模塊1-m、接口適配器、主控計算機、轉(zhuǎn)換器、雙口器、芯片連接、控制設(shè)備。

在該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)中，故障信息的采集是基于采集裝置的基礎(chǔ)上進行設(shè)計的。故障信息采集系統(tǒng)設(shè)計的總線路[6]與模擬[7]的線路共同構(gòu)建了故障信息采集的區(qū)域，并將電力設(shè)備故障信息進行采集并傳輸?shù)街骺赜嬎銠C之中，通過接收機對故障信息預(yù)處理的模塊來實現(xiàn)電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)的設(shè)計。故障信息采集系統(tǒng)設(shè)計模擬的路線主要是：將采集系統(tǒng)中故障信息通過接口適配器的調(diào)節(jié)傳送到電力設(shè)備故障信息緩沖的區(qū)域，由此對系統(tǒng)設(shè)計進行準備工作。而故障信息采集系統(tǒng)設(shè)計的總線路為：故障信息緩沖區(qū)域的信號與接口適配器傳輸?shù)男盘栂嗳诤喜⑤斎氲焦收显\斷器之中。根據(jù)信息采集的情況與故障診斷器的分析，將此分析與信息采集情況連接起來，使信息采集的功能增多，具體的功能主要有：將故障信息采集系統(tǒng)設(shè)計的總線路應(yīng)用到外置式的系統(tǒng)采集器之中，并由此進行信息的緩沖；信息緩沖信號的芯片與外部采集器相連接，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與電力設(shè)備的智能檢查；電力設(shè)備故障信息智能采集主要是通過主控計算機將信息分配到雙口器、芯片連接、控制設(shè)備上，并使大量的信息穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，方便信息的采集[8]。

2 電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)設(shè)計

2.1 故障信息采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于總體構(gòu)架的故障信息采集硬件設(shè)計的模塊主要有：信息同步、電路復(fù)位、設(shè)備內(nèi)部故障觸發(fā)裝置、采集器程序加載、故障信息接口。電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)中信息的同步應(yīng)選擇8個采集信息的模塊，并將調(diào)節(jié)電路的運行狀態(tài)進行反饋采樣，其線性動態(tài)可在-10～40db的范圍內(nèi)波動[9]?；谖锫?lián)網(wǎng)環(huán)境下建立智能信息采集功能模塊，并對采集的模塊進行設(shè)計。

基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的故障信息采集離不開電路模塊，電路復(fù)位圖如圖2所示。

在電力設(shè)備故障信息采集電路的端口放置電源低通濾波，確保輸出的電壓具有穩(wěn)定性能。通過電路復(fù)位端口故障信息自定義的緩沖模塊，使故障信息能夠?qū)崟r的向主控計算機通信?；谖锫?lián)網(wǎng)環(huán)境下的故障信息采集電路復(fù)位模塊可以設(shè)計出與外部電力設(shè)備接口能夠直接相連的信息轉(zhuǎn)換器。將8個信息接收通道改為16個信息通道，并且使用±30V的雙極性[10]電源。針對系統(tǒng)設(shè)計中信息儲存容量的擴展，需要使用轉(zhuǎn)換序列代碼來實現(xiàn)；針對設(shè)備外部接口電路的控制，需要采用智能增益的雙向通道，并與采集器相連接，將外部設(shè)備電源與內(nèi)置電源相連通，使大量采集的信息全部存儲，從而使采集的信息具有一定的自適應(yīng)能力。

圖2 故障信息采集電路圖

2.2 故障信息采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于總體構(gòu)架的故障信息采集系統(tǒng)軟件設(shè)計的目的就是使采集到的信息具有準確性。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下軟件部分的信息采集具有分布性強和范圍廣等特點，因此，軟件部分的設(shè)計需要分成不同的層次分別是：儲存層、訪問層。儲存層：能夠儲存一定的電力設(shè)備故障信息，進行信息采集后，對采集器下達命令，并將采集的信息與邏輯思維相結(jié)合，準確的判斷出電力設(shè)備故障的位置，通過位置信息的確定，將指令下達到訪問層，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的故障信息的采集；訪問層：訪問層的功能主要對信息采集、讀取、更新、確認與刪除。

故障信息采集系統(tǒng)軟件設(shè)計中算法也扮演著重要的角色。解決正常情況下信息問題可以用式(1)來表示：

而故障信息采集的函數(shù)可以用式(2)來表示：

式(2)中：k1,L,km∈ 2m為m 個信息的向量；為信息的損失數(shù)量；y表示的是函數(shù)的系數(shù)；δ表示的是共軛函數(shù)；a表示的是原始信息變量；b表示的是故障信息函數(shù)的變量；t≥0為函數(shù)參數(shù)。

每一個信息變量ci對應(yīng)著一個儲存變量的Di，當(dāng)：

由式(3)可以得到約束性的軟件函數(shù)模型：

其中：F屬于n項故障信息的矩陣；t＞0是信息約束的參數(shù)。

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證基于物聯(lián)網(wǎng)的電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)設(shè)計的合理性，進行了實驗。

3.1 實驗步驟

1）首先基于總體構(gòu)架的故障信息采集系統(tǒng)設(shè)計框架設(shè)置實驗參數(shù)，為實驗提供數(shù)據(jù)；

2）選擇某公司，并讓公司員工同時將電力設(shè)備故障信息上傳，及時記錄該系統(tǒng)中信息采集速度，由此進行數(shù)據(jù)分析；

3）將傳統(tǒng)電力設(shè)備故障信息采集設(shè)計與本文系統(tǒng)進行對比，并得出實驗結(jié)果；

4）根據(jù)上述實驗內(nèi)容與實驗結(jié)果得出實驗結(jié)論。基于總體構(gòu)架的故障信息采集系統(tǒng)設(shè)計框架，其系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置

3.2 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

選擇某公司，并讓公司員工同時將電力設(shè)備故障信息上傳，及時記錄該系統(tǒng)中信息采集速度的變化，如表2所示。

表2 信息采集速度速度變化數(shù)據(jù)

由表2可知，兩個員工的將電力設(shè)備故障信息上傳，其系統(tǒng)采集的速度與5個、10個、50個、100個員工的上傳信息，并采集的速度相差不大。

根據(jù)表2中的對信息采集的速度來檢測電力設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計中采集故障信息量的大小如圖3所示。

圖3 電力設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計中采集故障信息量的折線圖

電力設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計中采集故障信息量時，其信息量的大小并不影響信息采集的速度，隨著時間的流逝，信息采集量的漲幅稍微將低。

傳統(tǒng)的電力設(shè)備故障信息采集效率較低，對故障信息的采集量較少，速度也相對較慢，目前隨著電力設(shè)備故障現(xiàn)象出現(xiàn)的越來越頻繁，傳統(tǒng)的系統(tǒng)已經(jīng)很難再適用，為此，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠快速的融入到現(xiàn)代社會發(fā)展之中。將傳統(tǒng)的故障信息采集系統(tǒng)與基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的故障信息采集系統(tǒng)的效率進行對比，其對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩種采集系統(tǒng)效率對比

由圖4可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)具有較好的故障信息判斷性能，能夠提高故障信息采集效率，隨著時間的增加，其故障信息采集效率可接近99%，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)的設(shè)計更具有合理性與價值性。

而傳統(tǒng)的故障信息采集系統(tǒng)與基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的故障信息采集系統(tǒng)的采集的速度大小對比如圖5所示。

圖5 兩種故障信息采集系統(tǒng)的速度對比

由圖5可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)具有較快的采集速度，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，能夠更快的對故障信息進行采集，從而保障信息采集的準確性?；谖锫?lián)網(wǎng)的電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)具有高效信息采集效率與快速的信息采集速度，能夠?qū)崿F(xiàn)故障信息的大量采集與處理，為日后的信息采集系統(tǒng)設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨使電力設(shè)備逐漸與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，其智能化的故障檢測功能也為電力事業(yè)提供了較大的幫助。傳統(tǒng)的電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)存在效率較低、故障信息采集速度慢、信息采集不準確等問題，很難再適用于電力設(shè)備規(guī)模越來越大的物聯(lián)網(wǎng)時代。對于電力企業(yè)來說，傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)不僅大大浪費了資金對于硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的維護問題也很難實現(xiàn)，而本文設(shè)計的方法不但能夠提高采集效率、速度，并且對故障信息采集的也比較準確，提高了電力集團整體的運營狀態(tài)。

總之，基于物聯(lián)網(wǎng)的電力設(shè)備故障信息采集系統(tǒng)的設(shè)計提高了采集的速度，增強了采集的效率，從而確保了信息采集的準確性。通過電路復(fù)位模塊對硬件系統(tǒng)進行設(shè)計可以調(diào)節(jié)采集系統(tǒng)的控制力度，保證信息采集的有效性，通過對比傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計可以分析出，本文設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的故障信息采集能力，并且采集的效率較高，為我國電力事業(yè)的擴展提供了有力的幫助。

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