基于拓撲層級關(guān)系結(jié)構(gòu)的便攜式低壓智能檢測儀設(shè)計

黃呂超，馮 笑，陳明輝，陳正華，呂東東，蔣 演

(1.國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團有限公司,北京 100000；2.國網(wǎng)信通億力科技有限責(zé)任公司,福州 350000)

0 引言

為了提升產(chǎn)品和拓展更大的市場，同時契合2020年國網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)部重點工作方向以及意向客戶的需求，開展低壓臺區(qū)便攜式智能檢測儀研發(fā)項目，達到提高設(shè)備靈敏度，增強臺區(qū)故障診斷和通信數(shù)據(jù)分析能力的目的。

經(jīng)過參考電力元器件研發(fā)機構(gòu)的發(fā)明專利，發(fā)現(xiàn)多種智能檢測儀設(shè)計方案，其中文獻[1]利用嵌入式ARM結(jié)構(gòu)設(shè)計智能檢測儀的內(nèi)部芯片，提高了智能檢測儀數(shù)據(jù)控制能力。但由于設(shè)計單片機為8位處理器，因此檢測數(shù)據(jù)靈敏度較差，從而形成數(shù)據(jù)采集誤差[1]；文獻[2]基于RATI設(shè)計理論，對智能檢測儀進行研發(fā)，設(shè)計出微型RATI檢測芯片，固化了系統(tǒng)指令，加強了儀器數(shù)據(jù)控制力度。但這種檢測只能應(yīng)用在指定場合，靈活性較差，不具有普遍適用性[2]。

綜合上述智能檢測儀研發(fā)方案技術(shù)上的不足，本文在此基礎(chǔ)上進行設(shè)計，主要創(chuàng)新點在于：

1)利用CAN控制器設(shè)計智能檢測儀集成模塊，加強檢測儀內(nèi)部控制能力。

2)采用嵌入式方式設(shè)計微處理器，利用TMS320芯片，增加檢測儀采集數(shù)據(jù)靈敏度。

3)利用多層級拓撲優(yōu)化算法對檢測數(shù)據(jù)進行歸納處理，數(shù)據(jù)輸出能夠?qū)蛹壔@示，清晰顯示出其規(guī)律變化。

本課題開展便攜式低壓智能檢測儀硬件架構(gòu)設(shè)計與研發(fā)，完成設(shè)備外觀及硬件功能設(shè)計，進行主控芯片的選型，接口元件等硬件選型，使設(shè)備具有便攜式特點；采用安卓操作系統(tǒng)，內(nèi)置計算模塊和通信監(jiān)聽模塊，完成整個儀表的設(shè)計[3]。

1 臺區(qū)拓撲層級關(guān)系結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的智能檢測儀應(yīng)用于低壓臺區(qū)設(shè)備，對整個低壓臺區(qū)結(jié)構(gòu)進行規(guī)劃，在確保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下，設(shè)計出層級拓撲關(guān)系結(jié)構(gòu)，便于檢測臺區(qū)設(shè)備異常，增加臺區(qū)安全運維，符合電力客戶的利益[4]。臺區(qū)設(shè)計層級結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拓撲層級關(guān)系結(jié)構(gòu)

圖1中低壓臺區(qū)關(guān)系設(shè)計采用星型拓撲層級結(jié)構(gòu)，以因特網(wǎng)為核心，四周擴散的數(shù)據(jù)連接方式進行設(shè)計。數(shù)據(jù)傳輸通道負責(zé)臺區(qū)用戶、控制云和數(shù)據(jù)庫的無線傳送，智能檢測儀與3種數(shù)據(jù)庫建立連接通道，完成低壓臺區(qū)設(shè)備更新，智能檢測儀負責(zé)收集設(shè)備運行數(shù)據(jù)。因特網(wǎng)將調(diào)度中心、數(shù)據(jù)分析平臺、無線信號塔和智能檢測儀聯(lián)結(jié)，組成星型關(guān)系結(jié)構(gòu)，調(diào)度計算機負責(zé)設(shè)備的運維和管理，并對現(xiàn)場設(shè)備進行合理化調(diào)度；數(shù)據(jù)分析平臺負責(zé)臺區(qū)數(shù)據(jù)整理，進行匯總，將匯總數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度中心；無線信號塔負責(zé)用戶網(wǎng)絡(luò)連接，完成整個低壓臺區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；智能檢測儀與因特網(wǎng)之間設(shè)有隔離墻，防止檢測數(shù)據(jù)泄露，為檢測儀數(shù)據(jù)安全增加了保障[5-7]。通過采集臺區(qū)關(guān)系數(shù)據(jù)信息匯總，得到檢測儀設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 檢測儀設(shè)計流程

整個檢測儀流程的設(shè)計使本論文思路更加清晰，保證臺區(qū)設(shè)備數(shù)據(jù)互通，使智能檢測儀采集數(shù)據(jù)更加簡潔，加快了數(shù)據(jù)采集速度，采用星型拓撲結(jié)構(gòu)加強了系統(tǒng)控制能力，便于掌握整個臺區(qū)的運行過程[8]。

2 智能檢測儀集成模塊設(shè)計

為保證檢測儀適用于低壓環(huán)境，并加強檢測儀對數(shù)據(jù)的控制能力，本文對傳統(tǒng)智能檢測儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行集成化處理，使檢測儀小型化，便于攜帶[9]。檢測儀集成模塊如圖3所示。

圖3 檢測儀集成模塊

智能檢測儀集成模塊以集成單片機為核心，數(shù)據(jù)總線為傳輸手段，搭配外聯(lián)硬件設(shè)備鍵盤和顯示器等。集成單片機主要功能通過模數(shù)轉(zhuǎn)換、指令調(diào)度和集成控制器來實現(xiàn)，采集器得到的設(shè)備信息轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號調(diào)理分批次輸入到集成芯片中，經(jīng)過芯片中各項功能的處理分析最終傳達出切合實際的指令數(shù)據(jù)；集成器負責(zé)傳達芯片各功能塊的數(shù)據(jù)指令；集成單片機發(fā)出模擬信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸出，最終被臺區(qū)現(xiàn)場設(shè)備捕獲[10]。

檢測儀信號調(diào)理模塊負責(zé)聯(lián)通數(shù)據(jù)采集模塊和信號傳輸通道，調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 信號調(diào)理電路圖

信號調(diào)理過程主要由運算放大器來完成，通關(guān)對信號的放大使后續(xù)電路的識別更加準(zhǔn)確，根據(jù)輸入的電壓Ui經(jīng)過兩級電阻和電容的加工處理，將電壓輸入到放大器的正極，最終輸出較為明顯的放大信號，更容易進行識別。

檢測儀的驅(qū)動電路決定了設(shè)備工作的起始狀態(tài)，設(shè)備的驅(qū)動能力能夠直接反映出其性能，本文設(shè)計的驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 驅(qū)動電路簡圖

驅(qū)動電路設(shè)計有LED顯示燈，負責(zé)監(jiān)視驅(qū)動狀態(tài)，有電容和電阻并聯(lián)完成信號輸入，通過三極管的導(dǎo)通狀態(tài)決定設(shè)備的開關(guān)，并聯(lián)的電阻R2對三極管進行保護，整個驅(qū)動電路的設(shè)計保證了檢測儀的正常運行狀態(tài)，是集成模塊的重要組成部分。

檢測儀集成模塊的設(shè)計能夠識別采集器轉(zhuǎn)換的模擬信號，并進行處理，將指令輸送到控制器和指令調(diào)度中心，完成一個信號處理周期[11]。

3 嵌入式微處理器

對于智能檢測儀的數(shù)據(jù)處理中心，本文采用嵌入式微處理器，利用TMS320芯片多個引腳完成檢測儀的數(shù)據(jù)對接，對低壓臺區(qū)多種數(shù)據(jù)類型進行分類處理，增加檢測儀內(nèi)部數(shù)據(jù)處理速度[12]。微處理器集成芯片如圖6所示。

圖6 微處理器集成芯片圖

微處理器芯片采用TI公司研發(fā)的TMS320處理芯片，整體設(shè)計符合ISO研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，在輸出PC機上建立無線通訊線路，利用片外RAM負責(zé)數(shù)據(jù)儲存，ROM與芯片輸出完成對接，負載輸出為MAX232傳輸機和PC機輸出信號。采用鋰離子電池供電，保證接入系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，TXD和A/D引腳與信號調(diào)理轉(zhuǎn)換功能塊連接，中間設(shè)有繼電保護電路，主要利用多開路繼電器進行電路安全防護，通過I/O控制開關(guān)與ET引腳相連，通過LED顯示屏輸出，EA引腳與外圈電路相連，使芯片作用范圍能夠根據(jù)配網(wǎng)電壓等級調(diào)整，使智能檢測儀符合低壓臺區(qū)設(shè)備使用條件[13]。

TMS320芯片通過32位引腳進行控制，增加了無線數(shù)據(jù)錄入和輸出位置，加快了集成模塊數(shù)據(jù)初始化速度，能夠完成低壓臺區(qū)檢測數(shù)據(jù)篩選，芯片處理數(shù)據(jù)采用微秒級計算方式，提高了檢測儀的靈敏度[14]。

4 多層級拓撲優(yōu)化算法

本文采用多層級拓撲優(yōu)化算法對智能檢測儀數(shù)據(jù)進行歸納處理，將處理結(jié)果傳達至指令控制中心，從而完成數(shù)據(jù)收錄，便于低壓臺區(qū)用戶檢索。多層級拓撲優(yōu)化算法主要根據(jù)智能檢測儀采集數(shù)據(jù)樣本，對低壓臺區(qū)設(shè)備進行調(diào)度控制，具有自適應(yīng)性[15]。

忽略低壓臺區(qū)設(shè)備運行中產(chǎn)生的不可控因素，將臺區(qū)采集數(shù)據(jù)參數(shù)化，對數(shù)據(jù)參數(shù)微分計算即構(gòu)建出多層級模型：

(1)

式中,J(ΦMA,ΦME)表示智能檢測儀數(shù)據(jù)目標(biāo)函數(shù)，ΦMA表示宏觀約束條件下的儀表數(shù)據(jù)，ΦME表示約束坐標(biāo)系縱坐標(biāo)，uMA表示檢測設(shè)備數(shù)據(jù)偏差，kMA表示拓撲模型層級數(shù)，ΩMA表示拓撲模型輸入自變量，即檢測儀電阻參數(shù)。

將圖4中微處理器輸出的拓撲數(shù)據(jù)作為算法輸入量，拓撲模型數(shù)據(jù)量取決于采集數(shù)據(jù)在約束條件下的縱坐標(biāo)數(shù)值[16]，因此得到關(guān)系式：

(2)

將模型層級關(guān)系式進行線性處理[17]，經(jīng)過宏平衡條件得到拓撲模型的雙線性方程：

(3)

式中,uMA表示雙線性拓撲層檢測電壓，即檢測儀電壓參數(shù)，vMA表示雙線性拓撲層檢測誤差。

對式(1)的模型結(jié)構(gòu)進行細化分析，對其載荷進行形式化分析[18]，得到層級模型載荷線性函數(shù)為：

(4)

為計算組建層級模型消耗時間與檢測結(jié)果之間的關(guān)系[19]，對宏觀建設(shè)模型時間周期進行求導(dǎo)：

(5)

式中,tMA表示宏觀建模時間周期，γMA表示層級建模受影響程度，為模型構(gòu)建約束條件，δ(ΦMA)表示檢測儀采集的數(shù)據(jù)樣本函數(shù)，vn表示層級建模速度，即檢測儀速度參數(shù)。

對式(5)時間導(dǎo)數(shù)函數(shù)與層級建設(shè)模型函數(shù)對比，得到層級拓撲模型導(dǎo)數(shù)函數(shù)式：

(6)

結(jié)合式(5)、(6)的時間周期導(dǎo)數(shù)函數(shù)，采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)將兩式按周期變化結(jié)合得到：

(7)

式(7)中,?J(ΦMA)為拓撲關(guān)系層級結(jié)構(gòu)邊界。

為了解層級拓展向量變化規(guī)律，對其進行求導(dǎo)：

(8)

由此得到宏觀函數(shù)與時間周期的關(guān)系：

(9)

式(9)中,GMA表示表示宏觀層級函數(shù)式。根據(jù)兩者的關(guān)系推導(dǎo)出時間周期是影響宏觀層級結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。

對兩者關(guān)系進行驗證，將時間周期導(dǎo)數(shù)代入到宏觀層級函數(shù)中，然后進行求導(dǎo)：

(10)

通過計算兩者關(guān)系，將檢測儀表數(shù)據(jù)輸入到層級模型，使輸出的宏觀數(shù)據(jù)具有普遍適用性。

根據(jù)輸入的檢測儀表運行規(guī)律，將宏觀層級表達式求導(dǎo)：

(11)

經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，最終輸出的宏觀函數(shù)能夠引起單個微觀層級模型的變化。

為解釋這種變化產(chǎn)生的原因，將宏觀層級求導(dǎo)函數(shù)進行微觀化處理，得到數(shù)據(jù)輸入后的層級微觀結(jié)構(gòu)[20]，其表達式為：

(12)

式(12)中,uME表示微觀化層級結(jié)構(gòu)輸入電壓，ΩME表示微觀函數(shù)層級變量。

對其微觀函數(shù)進行求導(dǎo)，得到層級關(guān)系拓撲模型與微觀層級系數(shù)關(guān)系式：

(13)

多層級拓撲優(yōu)化算法對智能檢測儀采集的樣本數(shù)據(jù)進行分層次處理，通過計算宏觀層次模型和微觀層次模型與時間周期函數(shù)關(guān)系進行分類，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)邊界完成數(shù)據(jù)劃分，使儀表顯示更加具有條理化[21]。

5 試驗結(jié)果與分析

本實驗低于380 V低壓臺區(qū)測試網(wǎng)點進行，根據(jù)現(xiàn)場實驗測試記錄，對傳感器采集的臺區(qū)數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)具體結(jié)果數(shù)據(jù)驗證其性能[22]。現(xiàn)場實驗環(huán)境設(shè)置，臺區(qū)變壓設(shè)備額定功率為450 V，傳感器數(shù)據(jù)采集精度為94%，微機計算誤差小于5%，無線傳輸速度為4.5 MB/s[23]。測試網(wǎng)點配置參數(shù)如表1所示。

表1 實驗環(huán)境參數(shù)

實驗室計算機在安卓操作系統(tǒng)下，對2 240 V電壓等級臺區(qū)設(shè)備進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，根據(jù)實驗記錄報表，經(jīng)過后續(xù)分類匯總，將采集數(shù)據(jù)和誤差進行列舉，根據(jù)實驗記錄和式(1)、(5)計算數(shù)據(jù)，從而得到智能檢測儀數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 檢測儀數(shù)據(jù)采集表

分析表2測試結(jié)果，儀表電壓最高為6.5 V，此時標(biāo)稱電阻為47 Ω，測量電阻與標(biāo)稱電阻阻值接近，最大測量誤差為0.9%，最小測量誤差為0.2%，驗證了本設(shè)計檢測儀具有較高精度。

為驗證本文設(shè)計的檢測儀對設(shè)備數(shù)據(jù)的靈敏度，通過計算3種方法的超調(diào)量，然后利用Matlab仿真軟件對3種設(shè)計方法進行對比，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 檢測數(shù)據(jù)靈敏度對比

圖7中仿真本研究檢測儀靈敏度，并與文獻[1]設(shè)計的ARM檢測儀和文獻[2]設(shè)計的RATI檢測儀進行對比，分析可知，本研究總體靈敏度高于另外兩種設(shè)計方法，其中本研究在200 MB就達到最大靈敏度，并穩(wěn)定在96%；而文獻[1]在300 MB達到最大靈敏度，穩(wěn)定在95%；文獻[3]在300 MB達到最大靈敏度，穩(wěn)定在94%，但在600 MB時靈敏度極具下降。分析可知,存在這種明顯差異的原因在于微處理器的選擇，也表明了集成模塊對數(shù)據(jù)處理能力的強弱對比，可見本研究靈敏度較高。

為驗證本設(shè)計模型的控制能力，與傳統(tǒng)BP神經(jīng)模型進行對比，通過微機顯示式(13)的計算結(jié)果，將多組數(shù)據(jù)結(jié)果曲線化，得到兩種方法控制能力對比曲線如圖8所示。

圖8 模型控制能力對比

分析圖8中曲線，可以看出傳統(tǒng)BP模型強控比率最大為0.77，控制時間周期為20 s；本研究多層次拓撲模型強控比率最大為0.8，控制時間周期為30 s。明顯本文設(shè)計模型強控力度更大，控制時間更長。

綜合上述實驗分析，本文設(shè)計的低壓智能檢測儀采集精度更高，對于臺區(qū)設(shè)備檢測更加靈敏，控制能力更強，整體性能較為優(yōu)越，解決了低壓臺區(qū)檢測靈敏度差，檢測儀靈活性不足的問題，同時加強了臺區(qū)設(shè)備監(jiān)管力度[24]。

6 結(jié)束語

本文主要研究應(yīng)用于低壓臺區(qū)的智能檢測儀設(shè)計，通過參考多項發(fā)明專利，對低壓臺區(qū)拓撲關(guān)系進行改造，設(shè)計出星型拓撲關(guān)系結(jié)構(gòu)；同時對智能檢測儀進行設(shè)計，通過更新其集成模塊提高儀表對數(shù)據(jù)控制能力，采用TMS320芯片更新儀表的信號調(diào)理線路，加強了儀表檢測數(shù)據(jù)的分析能力；利用多層級拓撲優(yōu)化算法對低壓臺區(qū)數(shù)據(jù)進行建模，使檢測儀表數(shù)據(jù)顯示具有條理化。最后通過實驗測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)結(jié)果驗證了本設(shè)計儀表的可行性，對儀表檢測靈敏度和模型控制能力進行對比，驗證了本設(shè)計方案的優(yōu)越性。

但是本研究在實驗測試中仍存在一些不足，由于進行了便攜式改造，因此儀表檢測覆蓋面較窄；對于較大型電力設(shè)備檢測較為困難等問題亟待解決。希望后續(xù)能夠針對這些問題加以完善。