基于端口模型的公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)

林巨鵬

（中鐵建設(shè)集團有限公司 北京 100040）

1 引言

作為公共建筑的重要組成部分，電氣設(shè)備直接影響公共建筑的使用效果［1］，若電氣設(shè)備出現(xiàn)故障，嚴(yán)重時將導(dǎo)致公共建筑中設(shè)備停止運行，甚至引發(fā)火災(zāi)，嚴(yán)重影響公共建筑的正常使用［2－3］。因此，對公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的研究尤為重要。

電氣設(shè)備運行時受外部環(huán)境與內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，其狀態(tài)會發(fā)生變化，且變化幅度具有顯著波動性［4－5］。端口電氣信息能夠描述電氣設(shè)備狀態(tài)變化，且能夠體現(xiàn)電氣設(shè)備運行過程中狀態(tài)變化細(xì)節(jié)［6］，對于電氣設(shè)備運行過程中微弱的狀態(tài)變化也可準(zhǔn)確描述。基于此，本研究設(shè)計了基于端口模型的公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)實驗驗證，應(yīng)用該系統(tǒng)測量的變壓器工作頻率介于50～65 Hz之間，表明該系統(tǒng)的測量結(jié)果可靠。應(yīng)用該系統(tǒng)后，電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果與實際結(jié)果一致，充分證明了該系統(tǒng)的有效性。

2 電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

公共建筑中的電氣設(shè)備類型種類較多，在監(jiān)測電氣設(shè)備狀態(tài)的過程中可收集到海量的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)信息［7］，因此對不同的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)信息分析后需采用的處理方式同樣也存在差異。在本研究基于端口模型設(shè)計的公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)中，電氣系統(tǒng)的不同電氣設(shè)備只需向端口服務(wù)器發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)和響應(yīng)處理指令即可，目的是將電氣設(shè)備故障的分析與處理均交給服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一處理，方便公共建筑電氣設(shè)備系統(tǒng)的維護(hù)。圖1為公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

2.2 系統(tǒng)模塊組成與業(yè)務(wù)流程

公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測模塊、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊、網(wǎng)絡(luò)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊、故障智能識別模塊、顯示控制模塊、故障恢復(fù)模塊和管理模塊共九個模塊。其中，電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測模塊是系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是根據(jù)定時器設(shè)定的查詢周期監(jiān)測公共建筑電氣系統(tǒng)內(nèi)不同電氣設(shè)備運行狀態(tài)信息；電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊實現(xiàn)傳輸；網(wǎng)絡(luò)處理模塊用于調(diào)度、派發(fā)系統(tǒng)相關(guān)運行狀態(tài)信息；運行狀態(tài)信息通過數(shù)據(jù)處理模塊分析與處理后存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊內(nèi)；故障智能識別模塊根據(jù)運行狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果，判斷公共建筑電氣設(shè)備運行故障［8］；顯示控制模塊實時顯示公共建筑電氣設(shè)備運行狀態(tài)信息及對電氣設(shè)備的控制；故障恢復(fù)模塊主要功能是恢復(fù)電氣設(shè)備故障，若無法自動恢復(fù)，則自動實施故障上報與示警；管理模塊中包含系統(tǒng)各模塊訪問數(shù)據(jù)庫的接口。通過上述九個模塊間的協(xié)調(diào)合作實現(xiàn)對公共建筑電氣設(shè)備的智能監(jiān)測。

2.3 端口模型的應(yīng)用

公共建筑電氣設(shè)備端口模型接口如圖3所示，其中I和U分別描述電氣設(shè)備兩端的電壓與電流，其具體數(shù)值可通過實際監(jiān)測獲取。

結(jié)合端口模型接口圖，利用伏安特性可描述公共建筑電氣設(shè)備某電氣量同其他電氣量間的相關(guān)性［9］，其過程可描述為：

式中：so與se分別為結(jié)構(gòu)參量與互異的電氣量參量；S表示電氣設(shè)備某電氣量同其他電氣量間的相關(guān)性。

在此基礎(chǔ)上，利用監(jiān)測獲取的I值與U值參考伏安特性，確定用于描述電氣信息同設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)性的數(shù)值，電氣設(shè)備的伏安特性U1如下：

利用線性組合形式描述式（2），可得到如式（3）所描述的電壓型表達(dá)式：

式中：p1、q1和m1均為電氣設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)。同理，根據(jù)電氣設(shè)備電流信息確定電氣信息同設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)性公式：

利用線性組合形式描述式（4），則可得到如式（5）所描述的電流型表達(dá)式：

式中：p2、q2和m2同樣為電氣設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)。

通過上述分析可知，參數(shù)p、q和m是描述公共建筑電氣設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，能夠體現(xiàn)電氣設(shè)備狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，選取偏最小二乘回歸算法識別公共建筑電氣設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)［10］。這一過程中，用V描述因變量數(shù)量，設(shè)定其值為1，用Z、D分別描述自變量與因變量，依照式（6）標(biāo)準(zhǔn)化處理Z與D，獲取 Z0與 D0。

式中：Z0j和D0分別為自變量Z預(yù)測矩陣Z0的第j列分量和因變量d1的響應(yīng)矩陣，服從獨立同分布的正態(tài)分布；Vzj和G（zj）分別描述zj的標(biāo)準(zhǔn)差和均值；Vd1和G（d1）分別描述d1的標(biāo)準(zhǔn)差和協(xié)方差。

用t1描述Z0第一成分，其提取過程如下：

式中：h1和 k（zj，d1）分別為 Z0第一個軸和 zj、d1的相關(guān)函數(shù)，h1的模值為1。

用l1描述D0第一成分，其提取過程如下：

式中：y1為D0第一個軸，其模值為1。

由于t1內(nèi)包含矩陣Z0的大量變化信息，同理l1內(nèi)也包含矩陣D0的大量變化信息，并且t1具有最大限度上表征l1的功能［11］。根據(jù)t1確定Z0與D0對其回歸方程殘差矩陣Z1、D1用λ1和γ1描述回歸系數(shù)向量，可得：

利用Z1和D1替代Z0和D0，不斷循環(huán)以上各成分提取過程，直到滿足交叉有效性檢驗為止。由此能夠獲取k個互異的成分，可用t1，…，tk描述；計算 D0關(guān)于 t1，…，tk的回歸方程，依照 t1，…，tk同 Z0間的相關(guān)性確定D0同Z0的回歸方程，反推獲取D同Z的回歸方程，方程系數(shù)即為電氣設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)。

公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變將直接導(dǎo)致接口模型中設(shè)備參數(shù)均值改變［12］，從而造成其概率密度分布曲線偏移。因此，結(jié)合上述計算得到的電氣設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，對比同一區(qū)間內(nèi)不同時間條件下結(jié)構(gòu)參數(shù)的累積概率，即可完成公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。以電氣設(shè)備電壓信息為例，公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測過程如下：

Step 1：利用偏最小二乘回歸算法采集公共建筑電氣設(shè)備電壓信息，并區(qū)分其實部和虛部。

Step 2：分別用A和a描述監(jiān)測時間窗口內(nèi)數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)量初值，劃分監(jiān)測時間窗口寬度，讀取不同窗口內(nèi)多組電壓電流數(shù)據(jù)；利用所得數(shù)據(jù)構(gòu)建自變量與因變量矩陣，識別電壓信息位置參數(shù)中的一個樣本，獲取監(jiān)測時間窗口內(nèi)模型參數(shù)的a個樣本；計算樣本方差系數(shù)，當(dāng)方差系數(shù)滿足收斂精度時，確定該樣本數(shù)與數(shù)據(jù)量A一致。

Step 3：將監(jiān)測時間窗口寬度分為A段，利用偏最小二乘回歸算法確定未知參數(shù)的A個樣本；計算監(jiān)測時間窗口內(nèi)模型參數(shù)的概率密度函數(shù)，同時計算置信度對應(yīng)區(qū)間。

Step 4：等間隔時間移動時間窗，確定新時間窗口內(nèi)模型參數(shù)的概率密度函數(shù)，計算參數(shù)下限值與上限值區(qū)間內(nèi)累計概率和新時間窗口設(shè)備狀態(tài)變化的概率。

Step 5：根據(jù)設(shè)定的閾值確定設(shè)備狀態(tài)變化情況，當(dāng)新時間窗口內(nèi)設(shè)備狀態(tài)變化概率大于設(shè)定閾值時，系統(tǒng)發(fā)出電氣設(shè)備狀態(tài)變化警示。

不斷重復(fù)以上過程監(jiān)測新時間窗口內(nèi)電氣設(shè)備狀態(tài)，實現(xiàn)對公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測。

3 實驗與結(jié)果分析

為驗證本研究設(shè)計的基于端口模型的公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)實際應(yīng)用性能，以某省內(nèi)一公共建筑電氣系統(tǒng)中的變壓器為研究對象，將本文系統(tǒng)應(yīng)用于變壓器狀態(tài)監(jiān)測中。由于變壓器運行過程中會受到短路沖擊和熱及力的綜合影響，變壓器繞組將出現(xiàn)局部放電、高溫過熱、匝間短路等問題，嚴(yán)重影響變壓器工作的穩(wěn)定性與安全性。因此，監(jiān)測變壓器狀態(tài)對于維護(hù)公共建筑電氣系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定運行具有重要意義。

該公共建筑電氣系統(tǒng)中的變壓器為單相芯式變壓器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中，變壓器高低壓繞組采用連續(xù)式繞制方式。低壓繞組和高壓繞組分別包含10個線餅和12個線餅，各線餅中分別包含8匝和28匝。測試過程中，低壓繞組和高壓繞組分別由 WL2、WL3和WH2、WH3、WH5、WH6、WH7、WH9構(gòu)成；單相變壓器額定壓電、容量、采樣頻率分別為220／95 V、2 kVA和5 kHz。在采集獲取到的信息內(nèi)添加白噪聲，設(shè)定監(jiān)測時間窗口寬度為5 min。設(shè)定兩種不同實驗環(huán)境，分別監(jiān)測電壓器狀態(tài)變化情況。

第一種實驗環(huán)境：高壓繞組WH6短接，仿真繞組為匝間短路狀態(tài)；第二種實驗環(huán)境：高壓繞組WH3被WH4取代，仿真繞組軸向為向下位移狀態(tài)。

在變壓器狀態(tài)監(jiān)測方面，變壓器工作頻率能夠較好地反映變壓器狀態(tài)。現(xiàn)已知實驗對象的工作頻率穩(wěn)定在50～65 Hz之間，分別利用本文系統(tǒng)、基于大數(shù)據(jù)平臺的電力設(shè)備運作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、基于Harris角點檢測的電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對變壓器的工作頻率進(jìn)行統(tǒng)計測量。變壓器狀態(tài)變化前后共存在800個模型端口，其工作頻率變化情況如圖5所示。

分析圖5中不同系統(tǒng)對應(yīng)的三條折線可知，只有本文系統(tǒng)對應(yīng)的折線，其代表的工作頻率數(shù)值介于50～65 Hz之間，而兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)對應(yīng)的折線所代表的工作頻率數(shù)值均存在超過實際數(shù)值的情況。由此可知，本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測定實驗對象中變壓器的工作頻率，具有較高的可靠性。

為進(jìn)一步驗證本文系統(tǒng)監(jiān)測變壓器狀態(tài)的準(zhǔn)確性，收集3 208條變壓器運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，其中有效數(shù)據(jù)量為3 004條，有效數(shù)據(jù)中正常狀態(tài)數(shù)據(jù)與異常狀態(tài)數(shù)據(jù)分別為652條和2 352條。從有效數(shù)據(jù)中隨機抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為本文系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)，將其與應(yīng)用本文系統(tǒng)得到的變壓器狀態(tài)信息進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 變壓器狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果對比

由表1可知，當(dāng)變壓器的實際運行狀態(tài)為正常時，本文系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果顯示變壓器狀態(tài)未發(fā)生變化；當(dāng)變壓器出現(xiàn)異常運行狀態(tài)時，本文系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果顯示變壓器狀態(tài)發(fā)生變化，且能夠根據(jù)運行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確判斷變壓器出現(xiàn)異常狀態(tài)的原因。由此可以說明，本文系統(tǒng)對電力設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測精準(zhǔn)度較高，能夠有效滿足實際應(yīng)用需求。

產(chǎn)生上述結(jié)果的原因在于本文系統(tǒng)在利用偏最小二乘回歸算法確定端口模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合監(jiān)測時間窗口得到端口模型的概率密度，然后確定電氣設(shè)備狀態(tài)變化概率，從根本上提高了監(jiān)測結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

本研究利用端口模型設(shè)計了一種公共建筑電氣設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)，仿真實驗結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠有效、精準(zhǔn)地監(jiān)測公共建筑電氣設(shè)備運行狀態(tài)，且監(jiān)測性能能夠滿足實際應(yīng)用需求。在后續(xù)研究中可對該系統(tǒng)的可擴展性進(jìn)行研究，以期擴大該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，實現(xiàn)對更多場景下電力設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測。