基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的遠(yuǎn)程直流電源負(fù)載熱失控在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

宋景慧，胡春潮

（南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣州 510600）

直流電源指的是干電池、蓄電池或者直流發(fā)電機(jī)等裝置，主要用于維持電路中電壓電流的穩(wěn)衡[1]。熱失控是直流電源負(fù)載容易導(dǎo)致的一種安全問題，受到外力機(jī)械作用或者電氣使用不當(dāng)則是導(dǎo)致熱失控的因素，例如常見的碰撞、擠壓、短路、過放電等，嚴(yán)重時可導(dǎo)致直流電源起火以致爆炸[2]。物聯(lián)網(wǎng)為一種以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的可以實現(xiàn)多種設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、物與人的泛在連接的網(wǎng)絡(luò)，利用傳感設(shè)備、識別技術(shù)、定位系統(tǒng)等多種設(shè)備和技術(shù)，完成所需信息的實時采集、監(jiān)測，通過智能化感知和識別，完成使用目的[3]。具備整體感知、智能處理以及安全傳輸是其主要特征。

為保證直流電源的使用安全性，遠(yuǎn)程負(fù)載熱失控監(jiān)測為主要手段，因此，本文設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的遠(yuǎn)程直流電源負(fù)載熱失控在線監(jiān)測系統(tǒng)，用于高效、實時、準(zhǔn)確完成遠(yuǎn)程直流電源負(fù)載熱失控監(jiān)測。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的遠(yuǎn)程直流電源負(fù)載熱失控在線監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的遠(yuǎn)程直流電源負(fù)載熱失控在線監(jiān)測系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通過3 層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)遠(yuǎn)程直流電源運行時的電壓、電流以及溫度等數(shù)據(jù)的采集，并利用無線網(wǎng)絡(luò)完成采集數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)在線監(jiān)測[4]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

感知層：該層次為系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，完成直流電源狀態(tài)實時識別以及信息采集[4]。傳感器可同時完成上行和下行的兩方面處理，完成感知和監(jiān)測以及執(zhí)行，同時實現(xiàn)系統(tǒng)的管和控。

網(wǎng)絡(luò)層：該層次為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸中間站，由無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、路由器、網(wǎng)絡(luò)管理等構(gòu)成[5-7]。傳輸過程中，感知層至應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸以TCP/IP 協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）為依據(jù)，可完成跨地域的多個直流電源的運行狀態(tài)的同時傳輸。

應(yīng)用層：該層次作為遠(yuǎn)程訪問層，通過遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件平臺完成直流電源負(fù)載熱失控的在線監(jiān)測，該層次可完成熱失控監(jiān)測的同時還能夠下發(fā)指令完成控制以及數(shù)據(jù)的存儲管理、挖掘應(yīng)用[8-10]。

1.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的遠(yuǎn)程監(jiān)測方法

為實現(xiàn)特征參量融合效果，完成數(shù)據(jù)降維，使非線性數(shù)據(jù)的處理效果提升，采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動實現(xiàn)遠(yuǎn)程直流電源負(fù)載熱失控監(jiān)測，其流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測流程Fig.2 Monitoring flow chart

設(shè)Φ（x）為非線性核函數(shù)；矩陣和特征方程兩者分別為K=［Kij］，Kij＝K（xi，xj）=〈Φ（xi），Φ（xj）〉和nλα＝K（xi，xj）α，為獲取直流電源運行狀態(tài)特征向量Vk，采用后者對前者完成求解。特征空間內(nèi)，直流電源運行狀態(tài)特征參量的第k 個主成分求解公式為

式中：核函數(shù)用K（xi，xj）表示。

式中：lin和lmj分別為直流電源i 和直流電源j 的空間特征距離值。

獲取直流電源運行狀態(tài)特征參量后，采用隱半馬爾可夫模型完成多特征融合，其融合步驟如下所述：

（1）對直流電源的運行狀態(tài)特征向量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

（2）采用核主成分分析對處理后的參量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過高斯徑向基核函數(shù)獲取n 個特征值和特征向量，分別為λ1，λ2，…，λn和h1，h2，…，hn。按照一定的累積貢獻(xiàn)率在n 個主成分中選取超過85%的l≤n 個主成分。

（3）直流電源所有的狀態(tài)的參量信息可通過選取的l 個主成分表示，對應(yīng)主成分的特征權(quán)值可通過選取的主成分描述，其為

對選取的l 個主成分進(jìn)行和其特征權(quán)值，進(jìn)行融合處理，獲取n 個通道融合后的特征向量為

根據(jù)融合后的特征向量完成識別，并將其與直流電源負(fù)載故障庫進(jìn)行比對，完成在線監(jiān)測。

2 實驗設(shè)計與分析

為測試本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果和性能，將某變電站的直流電源組作為實例測試對象，采用本文系統(tǒng)對其進(jìn)行直流電源負(fù)載熱失控遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，統(tǒng)計本文系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果。該實驗對象熱失控的發(fā)生溫度階段為140 ℃以上、850 ℃以下。系統(tǒng)分別用于層級之間數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)顯示、溫度相關(guān)的監(jiān)測結(jié)果傳輸?shù)闹兴俸偷退俚男畔鬏敽臅r分別需低于100 ms 和500 ms；視頻傳輸延時低于200 ms；監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和視頻寬帶需大于100 Mb/s 和3 Mb/s。

2.1 參數(shù)選取

不同核參數(shù)情況下，高斯徑向基核函數(shù)的累積貢獻(xiàn)率會受到影響，因此需獲取核參數(shù)取值不同時，核主成分和第一核主成分的貢獻(xiàn)率結(jié)果，如圖3所示。

圖3 貢獻(xiàn)率測試結(jié)果Fig.3 Contribution rate test results

根據(jù)圖3測試結(jié)果可知：核參數(shù)的取值增加第一主成分的貢獻(xiàn)率呈上升趨勢，累計貢獻(xiàn)率超過85%的核主成分?jǐn)?shù)量則減少；當(dāng)其取值為28 時，第一主成分貢獻(xiàn)率呈穩(wěn)定狀態(tài)，累計貢獻(xiàn)率超過85%的核主成分?jǐn)?shù)量也呈穩(wěn)定狀態(tài)。因此，核參數(shù)取值為28。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸性能測試

系統(tǒng)在監(jiān)測過程中，網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的優(yōu)劣決定監(jiān)測的實時性，并且系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)包含有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，因此，為保證直流電源負(fù)載熱失效的監(jiān)測實時性，有線網(wǎng)絡(luò)的延時抖動以及兩種網(wǎng)絡(luò)的組合網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時需保證最低。結(jié)合該實驗對象實際使用需求，測試本文系統(tǒng)在不同的通信網(wǎng)絡(luò)寬帶下有線網(wǎng)絡(luò)的多種傳輸時延結(jié)果、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為4 Mb/s時傳輸抖動時延測試結(jié)果分別如表1和表2所示。同時獲取相同條件下組合網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延和抖動時延測試結(jié)果，分別如表3和表4所示。

根據(jù)表1和表2測試結(jié)果可知：本文系統(tǒng)的有線在不同的通信網(wǎng)絡(luò)寬帶下有線網(wǎng)絡(luò)的多種傳輸時延均在0.7 ms 以內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為4 Mb/s 時傳輸抖動時延0.3 ms 以內(nèi)。根據(jù)表3和表4的測試結(jié)果可知：本文系統(tǒng)在兩種網(wǎng)絡(luò)組合的情況下，多種傳輸時延均在21 ms 以內(nèi)；組合網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為4 Mb/s 時傳輸抖動時延均在1.9 ms 以內(nèi)。并且抖動時延波動較小。該時延結(jié)果符合實際使用標(biāo)準(zhǔn)，因此說明本文系統(tǒng)在有線網(wǎng)絡(luò)以及組合網(wǎng)絡(luò)兩種情況下，均可保證數(shù)據(jù)通信的實時性，可高效完成。

表1 有線網(wǎng)絡(luò)傳輸時延結(jié)果Tab.1 Transmission delay results of wired network

表2 有線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為4 Mb/s 時傳輸抖動時延測試結(jié)果Tab.2 Test results of transmission jitter delay when wired network load is 4 Mb/s

表3 組合網(wǎng)絡(luò)傳輸時延結(jié)果Tab.3 Transmission delay results of combined network

表4 組合網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為4 Mb/s 時傳輸抖動時延測試結(jié)果Tab.4 Test results of transmission jitter delay when the combined network load is 4 Mb/s

2.3 監(jiān)測效果測試

為測試本文系統(tǒng)對直流電源負(fù)載熱失控的在線監(jiān)測效果，實驗對象進(jìn)行不同次數(shù)的恒流恒壓充放電循環(huán)而導(dǎo)致溫度升高過程中，測試本文系統(tǒng)在溫度變化過程中的識別監(jiān)測結(jié)果，如圖4所示。

圖4 熱失控監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Monitoring results of thermal runaway

根據(jù)圖4測試結(jié)果可知：本文系統(tǒng)可實時監(jiān)測直流電源溫度變化，循環(huán)次數(shù)越多，負(fù)載越嚴(yán)重，則溫度增加的越快，達(dá)到熱失控的時間越短。該結(jié)果說明本文系統(tǒng)可有效監(jiān)測直流電源的溫度變化，完成熱失控的實時監(jiān)測。

為進(jìn)一步測試本文系統(tǒng)的監(jiān)測效果，保證直流電源的安全運行，避免電力事故形成。以圖5中3種負(fù)載循環(huán)次數(shù)為例，在不同循環(huán)次數(shù)時，溫度分別在150 ℃，250 ℃和350 ℃時直流電源分別發(fā)生電芯SEI 膜全部分解、大規(guī)模短路、電芯著火3 種故障，測試本文系統(tǒng)對于熱失控引起的上述電力故障識別結(jié)果，如圖5所示。

圖5 故障識別結(jié)果Fig.5 Fault identification results

根據(jù)圖5的測試結(jié)果可知：3 種循環(huán)次數(shù)負(fù)載條件下，產(chǎn)生的熱失控故障，本文系統(tǒng)均可準(zhǔn)確、高效地完成識別。說明本文方法具備良好的監(jiān)測效果，可100%完成熱失控引起的故障識別和監(jiān)測。

3 結(jié)語

直流電源是變電站的主要電力設(shè)備，熱失控是其在使用過程常見的一種安全隱患極大的故障，為對其進(jìn)行實時監(jiān)測，本文設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的遠(yuǎn)程直流電源負(fù)載熱失控在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)直流電源負(fù)載熱失控遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信傳輸時延極低，可保證數(shù)據(jù)的實時傳輸，并且可準(zhǔn)確完成直流電源熱失控溫度監(jiān)測以及引起的故障識別，可為直流電源的安全運行提供保證。