基于物聯網的電力設備故障信息采集系統設計

李季洋，杜 勇，馬丞君，李艷萍

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

0 引言

隨著物聯網時代的來臨，電力設備逐漸與網絡聯系起來，其智能化的故障檢測功能也為電力事業提供了較大的幫助。傳統的電力設備故障信息采集系統存在效率較低、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備規模越來越大的物聯網時代。對于電力企業來說，傳統的采集系統大大浪費了資金[1]，而硬件系統與軟件系統的維護問題也很難實現[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[3]。如果出現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，其經濟損失也會比較嚴重。

文獻[4]中提出了基于SAN技術的故障信息采集系統，該系統利用監測功能對信息進行實時的監測，如果出現設備故障信息的時候，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，并不適用于本系統的設計。文獻[5]中提出了策略調度的電力設備故障信息采集的系統設計方法，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。但是該系統設計容易受到外界的干擾，并且系統設計的成本較大，缺乏實用性。

為了達到大量電力設備故障信息采集的目的，基于物聯網的電力設備故障信息采集系統設計應運而生。根據故障信息采集系統設計的目的構建了系統的總體框架，并由此對電路復位圖進行了設計；針對信息采集分布性強和范圍廣等特點構建出了軟件函數模型，確保信息采集的準確性；設置參數并進行了對比實驗。實驗結果證明，基于物聯網的電力設備故障信息采集系統具有高效信息采集效率與快速的信息采集速度，能夠實現故障信息的大量采集與處理。

1 物聯網下的電力設備故障信息采集系統總體設計框架

基于物聯網環境下的電力設備故障信息采集系統設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。根據目的構建了系統的總體結構如圖1所示。

圖1 系統的總體結構

由圖1可知，故障信息采集系統主要包括：接收機、故障模塊1-m、接口適配器、主控計算機、轉換器、雙口器、芯片連接、控制設備。

在該系統的總體結構中，故障信息的采集是基于采集裝置的基礎上進行設計的。故障信息采集系統設計的總線路[6]與模擬[7]的線路共同構建了故障信息采集的區域，并將電力設備故障信息進行采集并傳輸到主控計算機之中，通過接收機對故障信息預處理的模塊來實現電力設備故障信息采集系統的設計。故障信息采集系統設計模擬的路線主要是：將采集系統中故障信息通過接口適配器的調節傳送到電力設備故障信息緩沖的區域，由此對系統設計進行準備工作。而故障信息采集系統設計的總線路為：故障信息緩沖區域的信號與接口適配器傳輸的信號相融合并輸入到故障診斷器之中。根據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設計的總線路應用到外置式的系統采集器之中，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，實現物聯網與電力設備的智能檢查；電力設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、控制設備上，并使大量的信息穩定在一定的范圍內，方便信息的采集[8]。

2 電力設備故障信息采集系統設計

2.1 故障信息采集系統硬件設計

基于總體構架的故障信息采集硬件設計的模塊主要有：信息同步、電路復位、設備內部故障觸發裝置、采集器程序加載、故障信息接口。電力設備故障信息采集系統中信息的同步應選擇8個采集信息的模塊，并將調節電路的運行狀態進行反饋采樣，其線性動態可在-10～40db的范圍內波動[9]。基于物聯網環境下建立智能信息采集功能模塊，并對采集的模塊進行設計。

基于物聯網環境下的故障信息采集離不開電路模塊，電路復位圖如圖2所示。

在電力設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定性能。通過電路復位端口故障信息自定義的緩沖模塊，使故障信息能夠實時的向主控計算機通信。基于物聯網環境下的故障信息采集電路復位模塊可以設計出與外部電力設備接口能夠直接相連的信息轉換器。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。針對系統設計中信息儲存容量的擴展，需要使用轉換序列代碼來實現；針對設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，將外部設備電源與內置電源相連通，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能力。

圖2 故障信息采集電路圖

2.2 故障信息采集系統軟件設計

基于總體構架的故障信息采集系統軟件設計的目的就是使采集到的信息具有準確性。在物聯網環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合，準確的判斷出電力設備故障的位置，通過位置信息的確定，將指令下達到訪問層，從而實現物聯網環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。

故障信息采集系統軟件設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；為信息的損失數量；y表示的是函數的系數；δ表示的是共軛函數；a表示的是原始信息變量；b表示的是故障信息函數的變量；t≥0為函數參數。

每一個信息變量ci對應著一個儲存變量的Di，當：

由式(3)可以得到約束性的軟件函數模型：

其中：F屬于n項故障信息的矩陣；t＞0是信息約束的參數。

3 實驗結果與分析

為了驗證基于物聯網的電力設備故障信息采集系統設計的合理性，進行了實驗。

3.1 實驗步驟

1）首先基于總體構架的故障信息采集系統設計框架設置實驗參數，為實驗提供數據；

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

3）將傳統電力設備故障信息采集設計與本文系統進行對比，并得出實驗結果；

4）根據上述實驗內容與實驗結果得出實驗結論。基于總體構架的故障信息采集系統設計框架，其系統的參數設置如表1所示。

表1 參數設置

3.2 數據分析與結果

選擇某公司，并讓公司員工同時將電力設備故障信息上傳，及時記錄該系統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據

由表2可知，兩個員工的將電力設備故障信息上傳，其系統采集的速度與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。

根據表2中的對信息采集的速度來檢測電力設備系統設計中采集故障信息量的大小如圖3所示。

圖3 電力設備系統設計中采集故障信息量的折線圖

電力設備系統設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。

傳統的電力設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，目前隨著電力設備故障現象出現的越來越頻繁，傳統的系統已經很難再適用，為此，設計了基于物聯網環境下的電力設備故障信息采集系統，該系統能夠快速的融入到現代社會發展之中。將傳統的故障信息采集系統與基于物聯網環境下的故障信息采集系統的效率進行對比，其對比結果如圖4所示。

圖4 兩種采集系統效率對比

由圖4可知，基于物聯網的電力設備故障信息采集系統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%，與傳統的系統相比，本文系統的設計更具有合理性與價值性。

而傳統的故障信息采集系統與基于物聯網環境下的故障信息采集系統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的速度對比

由圖5可知，基于物聯網的電力設備故障信息采集系統具有較快的采集速度，與傳統的系統相比，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。基于物聯網的電力設備故障信息采集系統具有高效信息采集效率與快速的信息采集速度，能夠實現故障信息的大量采集與處理，為日后的信息采集系統設計奠定了堅實的基礎。

4 結束語

物聯網時代的來臨使電力設備逐漸與網絡聯系起來，其智能化的故障檢測功能也為電力事業提供了較大的幫助。傳統的電力設備故障信息采集系統存在效率較低、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備規模越來越大的物聯網時代。對于電力企業來說，傳統的采集系統不僅大大浪費了資金對于硬件系統與軟件系統的維護問題也很難實現，而本文設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。

總之，基于物聯網的電力設備故障信息采集系統的設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。通過電路復位模塊對硬件系統進行設計可以調節采集系統的控制力度，保證信息采集的有效性，通過對比傳統的系統設計可以分析出，本文設計的系統具有良好的故障信息采集能力，并且采集的效率較高，為我國電力事業的擴展提供了有力的幫助。

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