一種新型電力設(shè)備環(huán)境信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

李燁桐，郭 潔，祁 霖，蔣 霖，陶新民

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引 言

電力系統(tǒng)安全是電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)概念的提出、傳感技術(shù)的不斷成熟以及智能化管理水平的不斷提高，電力設(shè)備周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)越來越受到電力企業(yè)的重視[1-3]。電力設(shè)備環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)，其目的在于及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備在不同工作或存放狀態(tài)下因易受到所處環(huán)境參數(shù)等多種因素的影響而產(chǎn)生的各種問題，從而在可能出現(xiàn)故障或突發(fā)情況時(shí)，相關(guān)管理人員能夠及時(shí)維修、更換電力設(shè)備，對(duì)突發(fā)狀況進(jìn)行快速補(bǔ)救，避免發(fā)生安全事故[4-6]。

中國(guó)對(duì)電力設(shè)備環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究的起步較晚，目前，電力設(shè)備環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)及信息管理體系構(gòu)建尚不夠完善，在電力設(shè)備環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展較西方先進(jìn)國(guó)家整體落后一個(gè)階段[7]?，F(xiàn)階段電力設(shè)備在運(yùn)輸及運(yùn)行過程中易受到周圍環(huán)境(如氣體濃度、噪聲、溫度、濕度等因素)的影響，從而引起設(shè)備的磨損和老化，且存在對(duì)電力設(shè)備監(jiān)管不完善、系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息反饋不及時(shí)等問題[8]。這些問題均會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸工作效率低下、電力設(shè)備故障率增加，并極有可能威脅整個(gè)電力系統(tǒng)的安全。因此，對(duì)電力設(shè)備運(yùn)輸及運(yùn)行過程中的環(huán)境狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并對(duì)收集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)化的管理具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為此，采用一款精度高、成本低、功耗小、性能強(qiáng)、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速且能夠?qū)崿F(xiàn)電力設(shè)備信息監(jiān)測(cè)裝置的功能控制、數(shù)據(jù)處理與整合，以及各個(gè)模塊的有序運(yùn)行的TMS320F28335浮點(diǎn)DSP控制器作為核心，開發(fā)設(shè)計(jì)出一套更科學(xué)完善的應(yīng)用于電力設(shè)備運(yùn)輸及運(yùn)行過程中的多功能環(huán)境信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)電力設(shè)備周圍環(huán)境數(shù)據(jù)信息(包括位置信息、溫度、濕度信息、噪音信息、硫化氫和氧氣濃度信息及相關(guān)狀態(tài)信息等)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回控制中心，經(jīng)計(jì)算機(jī)分析后對(duì)電力設(shè)備所處環(huán)境或相關(guān)工作人員發(fā)出相應(yīng)調(diào)整指令，使電力設(shè)備達(dá)到最適宜的運(yùn)輸或運(yùn)行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備運(yùn)輸及運(yùn)行過程中監(jiān)控的實(shí)時(shí)化、智能化、科學(xué)化管理，以便在可能出現(xiàn)故障或突發(fā)情況時(shí)相關(guān)管理人員能夠及時(shí)對(duì)突發(fā)狀況進(jìn)行快速補(bǔ)救，避免發(fā)生安全事故。從而達(dá)到降低運(yùn)輸工作成本、保障電力設(shè)備性能水平、消除潛在故障的目的。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)主要由下位機(jī)電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測(cè)裝置和上位機(jī)遠(yuǎn)程客戶端管理系統(tǒng)組成。在電力設(shè)備運(yùn)輸或運(yùn)行過程中，該系統(tǒng)通過多個(gè)傳感器收集電力設(shè)備所處環(huán)境的溫度、濕度、氣體濃度、噪音以及所處位置信息等數(shù)據(jù)，經(jīng)CAN總線將數(shù)據(jù)傳遞到司機(jī)駕駛室和公司總部的處理器，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理分析電力設(shè)備所處環(huán)境溫度、濕度、氣體、聲音數(shù)據(jù)信息，最優(yōu)路線與相應(yīng)導(dǎo)航將顯示在管理人員的上位機(jī)顯示器上。當(dāng)所處環(huán)境及設(shè)備自身溫度、濕度超過規(guī)定的范圍或氣體數(shù)據(jù)(如硫化氫濃度、氧氣濃度等)成為異常值時(shí)，處理器將發(fā)送相應(yīng)信號(hào)，從而使電力設(shè)備所處環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)至規(guī)定的溫度、濕度范圍，并打開通風(fēng)裝置使環(huán)境氣體濃度恢復(fù)正常值。電力設(shè)備定位有誤或因其他原因出現(xiàn)故障時(shí)，處理器會(huì)將全部信息反饋至總部檢測(cè)中心，以便于相關(guān)管理人員及時(shí)對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行補(bǔ)救。

2 下位機(jī)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)裝置

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測(cè)裝置由傳感器數(shù)據(jù)采集裝置、信息處理和通信裝置三部分構(gòu)成，其硬件部分主要由電源供電模塊、控制核心模塊TMS320F28335、高精度溫濕度傳感器模塊SHT20、GPRS/GSM遠(yuǎn)程通信模塊、硫化氫濃度監(jiān)測(cè)傳感器模塊JXM-H2S、氧氣濃度監(jiān)測(cè)傳感器模塊JXM-02、聲音監(jiān)控模塊HD-18C，以及高精度GPS模塊NEO-M8N-0-10組成。其中電源供電模塊為裝置提供穩(wěn)定的工作電壓，使得其它電路模塊能夠正常工作；控制核心模塊TMS320F28335用來實(shí)現(xiàn)裝置的功能控制、數(shù)據(jù)處理與整合，以及各個(gè)模塊的有序運(yùn)行；高精度溫濕度傳感器模塊SHT20用來實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備運(yùn)輸及運(yùn)行過程中溫度和濕度信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；GPRS/GSM遠(yuǎn)程通信模塊E16V能夠在電力設(shè)備運(yùn)輸及運(yùn)行過程中對(duì)同行相關(guān)人員發(fā)出調(diào)整指令，使電力設(shè)備達(dá)到適宜的狀態(tài)；硫化氫濃度監(jiān)測(cè)傳感器模塊JXM-H2S和氧氣濃度監(jiān)測(cè)傳感器模塊JXM-02用來實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸運(yùn)行過程中環(huán)境硫化氫及氧氣濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和周期上傳；聲音監(jiān)控模塊HD-18C能夠?qū)\(yùn)輸和運(yùn)行過程中電力設(shè)備所處環(huán)境及自身的噪音進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集；高精度GPS模塊NEO-M8N-0-10用來實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備位置的確定，以便于相關(guān)管理人員及時(shí)對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行快速補(bǔ)救。裝置組成如圖1所示。

圖1 電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測(cè)裝置

2.2 程序設(shè)計(jì)

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測(cè)裝置是電力設(shè)備環(huán)境信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中的下位機(jī)系統(tǒng)。下位機(jī)程序通過串口通信、SCI通信等通信方式將各項(xiàng)參數(shù)獲取模塊、GPS信息獲取模塊和GPRS/GSM數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的功能共同結(jié)合，并與TMS320F28335控制核心模塊連接，使得整個(gè)系統(tǒng)持續(xù)有效發(fā)揮作用。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖

3 上位機(jī)遠(yuǎn)程客戶端管理系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程客戶端管理系統(tǒng)由管理系統(tǒng)、服務(wù)器數(shù)據(jù)庫及客戶端上位機(jī)軟件組成。其功能在于運(yùn)用軟件系統(tǒng)對(duì)電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)發(fā)送的位置、溫度、濕度、噪音、氣體濃度及運(yùn)輸運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行研究處理，以便在運(yùn)輸和運(yùn)行過程中更加準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電力設(shè)備的周圍環(huán)境狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控，并給出電力設(shè)備運(yùn)輸及運(yùn)行過程中的指令信息，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備在運(yùn)輸及運(yùn)行過程中的智能化決策，便于處理突發(fā)狀況，從而使成本最小化、效率最大化。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2 上位機(jī)算法設(shè)計(jì)

上位機(jī)算法設(shè)計(jì)部分，在電力設(shè)備環(huán)境溫度、濕度檢測(cè)方面，采用一種基于數(shù)據(jù)級(jí)融合的改進(jìn)自適應(yīng)加權(quán)融合算法模型，并與傳統(tǒng)自適應(yīng)加權(quán)算法和算術(shù)平均值方法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。結(jié)果表明，該模型在溫度、濕度數(shù)據(jù)采集及處理分析的精度上優(yōu)于其他算法，能夠更精確地對(duì)電力設(shè)備運(yùn)輸和運(yùn)行過程中所處環(huán)境及設(shè)備自身的溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2.1 多傳感器自適應(yīng)加權(quán)融合算法

數(shù)據(jù)融合是20世紀(jì)80年代形成并迅速發(fā)展的一門信息綜合處理技術(shù)[9]，其是一種初始級(jí)別的融合方法，能夠從大量來自于同一傳感器的組合數(shù)據(jù)信息中提取出1個(gè)特征矢量，并根據(jù)此特征矢量對(duì)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別并做出準(zhǔn)確合理的描述[10-11]。

根據(jù)李戰(zhàn)明等[12]的研究，自適應(yīng)加權(quán)融合估計(jì)算法對(duì)多個(gè)傳感器收集數(shù)據(jù)的估計(jì)結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)的平均值估計(jì)算法的結(jié)果。數(shù)據(jù)級(jí)融合的最大優(yōu)勢(shì)是能做到信息的無損，充分利用多元數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性來提高信息的質(zhì)量，減少被測(cè)對(duì)象的不確定性，從而提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度和可靠度。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)圖

(1)

由于X1,X2…Xn彼此獨(dú)立且為X無偏估計(jì)值，故總均方差為

(2)

代入式中可得

(3)

由于X1,X2…Xn彼此獨(dú)立且均為X無偏估計(jì)值，則

(4)

由于總均方差σ2的值與加權(quán)因子Pi有關(guān)，σ2的值越小，對(duì)應(yīng)的Pi值性能越好，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)多元函數(shù)求極值的方法，可得到當(dāng)總均方差σ2取最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的加權(quán)因子Pi為系統(tǒng)的最佳權(quán)值。

(5)

(6)

再根據(jù)實(shí)際測(cè)量值，可計(jì)算數(shù)據(jù)融合的最優(yōu)值，即

(7)

3.2.2 改進(jìn)自適應(yīng)加權(quán)融合算法

在傳統(tǒng)自適應(yīng)加權(quán)融合算法模型中，系統(tǒng)待估計(jì)的真實(shí)值X可由一組測(cè)量值的平均值經(jīng)過處理而得到。然而由于考慮到在監(jiān)測(cè)電力設(shè)備環(huán)境溫、濕度過程中，其數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)確程度易受到外界因素的影響，且因傳感器數(shù)量有限，因此取平均值的方法會(huì)導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。為解決上述問題，王浩等[13]提出通過數(shù)值迭代的思想，對(duì)算法中系統(tǒng)待估計(jì)真實(shí)值的選取進(jìn)行了改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)加權(quán)融合算法模型。該模型充分考慮在傳感器實(shí)際監(jiān)測(cè)采集的過程中環(huán)境噪聲對(duì)于真實(shí)值的影響，從而提高了模型數(shù)據(jù)信息監(jiān)測(cè)采集的精度和準(zhǔn)確程度，融合性能高，符合對(duì)電力設(shè)備運(yùn)輸及運(yùn)行過程中溫度、濕度數(shù)據(jù)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的要求。因此，在電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中，采用改進(jìn)的自適應(yīng)加權(quán)融合算法，對(duì)監(jiān)測(cè)裝置所收集的多個(gè)溫、濕度檢測(cè)值進(jìn)行融合，使處理器能夠根據(jù)融合后的溫、濕度值自動(dòng)判斷電力設(shè)備自身及其所處環(huán)境的溫、濕度是否處于規(guī)定的范圍內(nèi)，有無異常狀態(tài)產(chǎn)生。

考慮到傳感器在實(shí)際采集的過程中，會(huì)受到環(huán)境噪聲ei的影響，導(dǎo)致測(cè)量值Xi與真實(shí)值Zi產(chǎn)生偏差，其數(shù)學(xué)關(guān)系為

Xi=Zi+ei,i=1,2,3,…,n

(8)

取n個(gè)傳感器測(cè)量值最大值和最小值的平均值

(9)

以平均值A(chǔ)0為標(biāo)準(zhǔn)分別與n個(gè)傳感器采集到的監(jiān)測(cè)值X(n)對(duì)比，可得

(10)

對(duì)H1和H2兩部分求均值得E(H1)和E(H2)，并計(jì)算E(H1)和E(H2)的平均值作為新中值A(chǔ)1。重復(fù)以上步驟，不斷對(duì)中值A(chǔ)k進(jìn)行迭代。

(k=1,2,3,…,n)

(11)

直至Ak=Ak+1時(shí)，完成迭代。此時(shí)Ak為改進(jìn)的自適應(yīng)加權(quán)融合算法模型的系統(tǒng)待估計(jì)的真實(shí)值。

4 改進(jìn)自適應(yīng)加權(quán)融合監(jiān)測(cè)模型

4.1 建立與測(cè)試

將各溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)放置在適當(dāng)位置，并同時(shí)啟動(dòng)電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，通過上位機(jī)控制發(fā)送電力設(shè)備相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)采集指令，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間間隔內(nèi)采集數(shù)據(jù)并反饋回上位控制中心，從而對(duì)上位機(jī)算法模型進(jìn)行測(cè)試。選取5個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)電力設(shè)備運(yùn)輸及運(yùn)行過程中的溫、濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)采集，要求終端節(jié)點(diǎn)每隔60 min采集1次數(shù)據(jù)信息，從下午13：00至17：00溫度和濕度各采集5組，共計(jì)10組采樣數(shù)據(jù)，見表1。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，通過計(jì)算分析得到總均方差σ2，其數(shù)值見表2。考慮傳感器數(shù)量有限，采用改進(jìn)的自適應(yīng)加權(quán)融合算法模型所得真實(shí)的溫度、濕度數(shù)值見表3。

表1 溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)

表2 數(shù)據(jù)融合結(jié)果

表3 真實(shí)溫度、濕度數(shù)值表

4.2 結(jié)果與分析

由表2可以看出，應(yīng)用算數(shù)平均值法及傳統(tǒng)自適應(yīng)加權(quán)融合算法處理傳感器采集的數(shù)據(jù)所得總均方差數(shù)值偏大，融合效果不夠理想，誤差較大。在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)的自適應(yīng)加權(quán)融合算法處理數(shù)據(jù)計(jì)算得到的系統(tǒng)總均方差進(jìn)一步減少，與改進(jìn)前相比，融合精度顯著提升，融合性能更高，能夠有效提高電力設(shè)備運(yùn)輸及運(yùn)行時(shí)溫度、濕度數(shù)據(jù)信息監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度和可靠度，從而保障電力設(shè)備性能水平,消除潛在故障。

5 結(jié) 語

提出一種新型電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，主要包括下位機(jī)電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測(cè)裝置及上位機(jī)遠(yuǎn)程客戶端管理系統(tǒng)兩部分。電力設(shè)備多功能環(huán)境信息監(jiān)測(cè)裝置以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備運(yùn)輸及運(yùn)行過程中的環(huán)境參數(shù)信息進(jìn)行采集，并傳輸至遠(yuǎn)程客戶端管理系統(tǒng)，便于確定電力設(shè)備所處環(huán)境的狀態(tài)；遠(yuǎn)程客戶端管理系統(tǒng)，在溫濕度監(jiān)測(cè)方面的算法部分采用一種基于數(shù)據(jù)級(jí)融合的改進(jìn)自適應(yīng)加權(quán)融合算法模型，通過對(duì)比測(cè)試，表明該模型在溫濕度數(shù)據(jù)采集及處理分析的精度上均優(yōu)于傳統(tǒng)自適應(yīng)加權(quán)算法和算術(shù)平均值方法，能夠更精確地對(duì)電力設(shè)備所處環(huán)境及設(shè)備自身的溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備運(yùn)輸和運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控及信息管理提供了一種可靠的技術(shù)方案，并同時(shí)達(dá)到了保障電力設(shè)備安全、消除潛在故障的效果，具有一定的推廣意義。需要說明的是，目前該系統(tǒng)所能監(jiān)測(cè)的環(huán)境情況有限，對(duì)于磁場(chǎng)情況、灰塵情況等在運(yùn)輸和運(yùn)行過程中對(duì)電力設(shè)備周圍環(huán)境影響較大情況的監(jiān)測(cè)，將是下一階段研究的重點(diǎn)。