物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息監(jiān)測技術(shù)

湯婕

（福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 福州 350003）

0 引言

伴隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會的進步，國家的電網(wǎng)建設(shè)范圍在持續(xù)擴大，電力傳輸線路變得更加錯綜復(fù)雜，這就給電力系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性帶來了更大挑戰(zhàn)［1］。變電站是聯(lián)系各級電網(wǎng)和調(diào)節(jié)電量傳送的橋梁，各項功能都是靠著變電站的電氣設(shè)備來完成，所以變電站中電氣設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀況對電能品質(zhì)有著直接的影響［2］。電力生產(chǎn)過程中，從電能生產(chǎn)、傳輸?shù)阶罱K的應(yīng)用，是一個持續(xù)的、動態(tài)變化的過程。如果電力生產(chǎn)的某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，就會導(dǎo)致整個地區(qū)的電壓出現(xiàn)突變，從而給這個地區(qū)帶來了巨大的經(jīng)濟損失，還會給相關(guān)的工作人員帶來嚴重的人身損害［3］，所以，對一些關(guān)鍵的電氣設(shè)備進行及時、精確的狀況監(jiān)測，顯得尤為關(guān)鍵。

王英永［4］提出一種新型的光纖光柵傳感器，可對電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備狀態(tài)進行實時監(jiān)控。采用PEEK 包裹光纖光柵，利用其內(nèi)圓錐型凹槽的設(shè)計，使光纖光柵在靈敏部位具有較高的軸向應(yīng)力。采用數(shù)值模擬方法，分析了該傳感器在各種加載條件下的應(yīng)力分布和變形傾向。林海藝等［5］研究了一種基于高穩(wěn)定的高功率激光驅(qū)動新型光源，以保證其可以長時間穩(wěn)定運行。其中，主控制器單元、脈沖信號產(chǎn)生單元、電壓控制單元、恒流源單元以及各種保護單元構(gòu)成了一個完整的激光供電發(fā)生系統(tǒng)，為電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備的安全可靠工作奠定了基礎(chǔ)。

基于以上研究，本文在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下開發(fā)了一種電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息監(jiān)測技術(shù)，以期保證電氣設(shè)備的穩(wěn)定運行。

1 電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息監(jiān)測技術(shù)設(shè)計

1.1 測量電氣設(shè)備運行參數(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，通常會引入有效值指標測量電氣設(shè)備的電壓和電流，通過電壓與電流的乘積作為電能的評價指標，根據(jù)有效值指標的定義［6］，計算出電氣設(shè)備在運行過程中的電壓有效值和電流有效值，公式為：

上式中，Uy和Iy分別表示電氣設(shè)備的電壓有效值和電流有效值，T表示電氣設(shè)備運行時交流信號的產(chǎn)生周期，U(t)表示電氣設(shè)備運行電壓的瞬時值，I(t)表示電流瞬時值。

以物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境為依托，在電氣設(shè)備運行的一個周期內(nèi)，對電氣設(shè)備運行的電壓信號和電流信號進行運算，可以計算出電氣設(shè)備的功率有效值。電氣設(shè)備運行參數(shù)在實際測量時，無法保證電壓諧振值和電流諧振值是連續(xù)的，在引入采樣定理的基礎(chǔ)上［7］，采集電氣設(shè)備的電壓信號樣本和電流信號樣本，通過離散化處理［8］得到電氣設(shè)備的電壓序列U(n)和電流序列I(n)，基于此，對電壓諧振信號和電流諧振信號進行動態(tài)化測量，即：

N為交流信號生成周期內(nèi)的采樣次數(shù)。

式中，ω表示電氣設(shè)備的轉(zhuǎn)速，j表示常數(shù)。

在實際測量中，電氣設(shè)備交流信號的生成周期是根據(jù)變頻電源的頻率確定的，這種方法不會產(chǎn)生誤差累積［10］。電氣設(shè)備在運行過程中的其他參數(shù)也可以在一個周期T內(nèi)得到，即：

上式中，PS表示電氣設(shè)備的視在功率，Q*表示電氣設(shè)備運行的無功功率，cosβ表示功率因數(shù)，P表示有功功率。

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，根據(jù)有效值指標的定義，計算出電氣設(shè)備的電壓有效值和電流有效值，結(jié)合視在功率、無功功率和功率因數(shù)的計算，測量電氣設(shè)備運行參數(shù)。

1.2 提取電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息

假設(shè)(ɑ1,b1),(ɑ2,b2),…,(ɑm,bm)表示電氣設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的分布位置，Z(ɑ)表示電氣設(shè)備實時狀態(tài)的信號特征，將電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息的提取問題轉(zhuǎn)換為物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下狀態(tài)信息特征空間的求解問題［11］，可以用公式（9）描述：

其中，S表示狀態(tài)信息特征的采集頻率，ɑT表示狀態(tài)信號的轉(zhuǎn)置矩陣，?表示電氣設(shè)備實時狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性，可以通過下式計算：

式中，q表示電氣設(shè)備狀態(tài)信息的總數(shù)，r表示關(guān)聯(lián)性較強的狀態(tài)信息數(shù)量，Yq×u表示電氣設(shè)備實時狀態(tài)的采集矩陣，Wu×u表示電氣設(shè)備實時狀態(tài)的關(guān)聯(lián)矩陣，Zu×r表示電氣設(shè)備狀態(tài)矩陣。

根據(jù)電氣設(shè)備狀態(tài)信息的相關(guān)性［12］，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，給出了電氣設(shè)備狀態(tài)信息的求解條件，表示為：

上式中，?m表示電氣設(shè)備狀態(tài)信息采集的懲罰因子，ɑX表示狀態(tài)信息經(jīng)過區(qū)域劃分后的模塊數(shù)量，f表示電氣設(shè)備狀態(tài)信息的計算誤差，φ(bm)表示狀態(tài)信息子模塊的劃分結(jié)果，Im表示電氣設(shè)備的電流狀態(tài)信息。

根據(jù)以上過程，提取出電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息［13-15］，表示為：

其中，ɑ表示電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息所占的比重，γ(b)表示電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息的相似度。

根據(jù)電氣設(shè)備狀態(tài)信息的相關(guān)性，給出電氣設(shè)備狀態(tài)信息的求解條件，提取出電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息。

1.3 設(shè)計電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息監(jiān)測算法

以提取出的電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息為依據(jù)，假設(shè)存在一組電氣設(shè)備實時狀態(tài)數(shù)據(jù){x1,x2,…,xn}，xn表示電氣設(shè)備在任意時刻的實時狀態(tài)信息，利用公式（13）給出實時狀態(tài)信息的核密度估計：

式中，Kh表示實時狀態(tài)信息的核函數(shù)［16］，h表示帶寬，Oi表示實時狀態(tài)信息核的中心。

本文考慮到電氣設(shè)備在運行過程中的實時狀態(tài)信息是動態(tài)的［17］，因此采用M-核函數(shù)獲取電氣設(shè)備的實時狀態(tài)信息，即：

上式中，?表示狀態(tài)信息的權(quán)值。

如果電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息的核密度估計函數(shù)符合正態(tài)分布［18-19］，那么電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)流分布也符合正態(tài)分析，如圖1所示。

圖1 電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)流分布

將圖1 中的數(shù)據(jù)代入到公式（13）中，可以檢測出電氣設(shè)備實時狀態(tài)的變化規(guī)律。對電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)流進行密度估計［20］，可以監(jiān)測電氣設(shè)備的實時狀態(tài)信息，即：

其中，Khi表示附帶hi權(quán)值的核函數(shù)，Khj表示附帶hj權(quán)值的核函數(shù)，Oi和Oj表示Khi和Khj對應(yīng)的中心，表示核函數(shù)的中心。

綜上所述，依據(jù)實時狀態(tài)信息的核密度估計，采用M-核函數(shù)獲取電氣設(shè)備的實時狀態(tài)信息，通過對電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)流進行密度估計，實現(xiàn)電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息的監(jiān)測。

2 實驗分析

2.1 搭建實驗平臺

為了驗證本文技術(shù)在電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息監(jiān)測中的性能，以Hadoop 平臺為基礎(chǔ)，搭建電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的實驗平臺。實驗平臺的搭建可以利用VM的方式在電氣設(shè)備上安裝一個Linux系統(tǒng)，還可以利用Cygwin模擬Linux環(huán)境?？紤]到后者的過程相對比較簡單，因此選擇后者，具體步驟如下。

Step1：在電氣設(shè)備上安裝并配置Cygwin模擬軟件。

Step2：由于1.2.2版本的Hadoop更穩(wěn)定，在電氣設(shè)備上安裝并配置Hadoop以及相關(guān)軟件。

Step3：安裝HDFS文件存儲系統(tǒng)。

根據(jù)以上步驟，搭建電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息監(jiān)測的實驗平臺，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 實驗平臺結(jié)構(gòu)

圖2 的實驗平臺由于安裝了HDFS 文件存儲系統(tǒng)，可以將每一次監(jiān)測結(jié)果都儲存起來，為電氣設(shè)備的運行狀態(tài)分析提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 監(jiān)測電氣設(shè)備的正常狀態(tài)

在電氣設(shè)備的正常運行狀態(tài)監(jiān)測中，將正常運行的電氣設(shè)備的額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為968 r/min，在正常運行過程中，可以產(chǎn)生11.87 Hz 的基頻。將電氣設(shè)備正常運行的實時狀態(tài)信息導(dǎo)入到圖2的實驗平臺中，利用文中技術(shù)監(jiān)測其電機軸承的振動頻域信號，結(jié)果如圖3所示。

圖3 電機軸承的振動頻域信號

根據(jù)圖3的結(jié)果可知，采用本文監(jiān)測技術(shù)時，電氣設(shè)備振幅較大的主要特征頻率為12 Hz，其他振幅較小的微弱頻率可以忽略不計，由此可以證明該電氣設(shè)備的運行是正常的，符合實際情況。

2.3 監(jiān)測電氣設(shè)備的故障狀態(tài)

選擇一個存在故障的電氣設(shè)備為實驗對象，該電氣設(shè)備的額定轉(zhuǎn)速為2325 r/min，在正常運行過程中，可以產(chǎn)生26 Hz 的基頻。將電氣設(shè)備正常運行的實時狀態(tài)信息導(dǎo)入到圖2 的實驗平臺中，利用文中技術(shù)監(jiān)測故障電氣設(shè)備中電機軸承的振動頻域信號，結(jié)果如圖4所示。

圖4 電機軸承的徑向振動頻域信號

圖4顯示，采用本文監(jiān)測技術(shù)時，電氣設(shè)備振幅較大的主要特征頻率為26 Hz、30 Hz和36 Hz，可見電氣設(shè)備電機軸承的徑向振動頻域信號特征明顯，可以判斷電氣設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)了故障，需要及時報告操作人員。

2.4 對比分析

為了突出本文技術(shù)的優(yōu)越性，引入基于新式FBG 傳感器的監(jiān)測技術(shù)與基于激光發(fā)生器的監(jiān)測技術(shù)作對比，測試電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息的傳輸延時，結(jié)果如圖5所示。

圖5 電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息的傳輸延時

從圖5 的結(jié)果可以看出，采用基于新式FBG 傳感器的監(jiān)測技術(shù)時，電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息的傳輸延時在0.035 s～0.065 s 之間，信息傳輸?shù)牟▌訁^(qū)間較大，會導(dǎo)致電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息的監(jiān)測出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。采用基于激光發(fā)生器的監(jiān)測技術(shù)時，信息傳輸延時小于基于新式FBG 傳感器的監(jiān)測技術(shù)，但是仍然超過了0.03 s。采用本文監(jiān)測技術(shù)時，傳輸電氣設(shè)備實時狀態(tài)信息的延時最小，原因是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，保證了電氣設(shè)備狀態(tài)信息傳輸?shù)牧鲿承裕瑢鬏斞訒r控制在0.01 s以內(nèi)。

3 結(jié)語

經(jīng)過實驗測試發(fā)現(xiàn)，本文技術(shù)能夠?qū)﹄姎庠O(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，并提高監(jiān)測效率。本研究雖然取得一定成果，但是在監(jiān)測電氣設(shè)備的狀態(tài)時，采集的實時狀態(tài)信息會呈爆炸式增長，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法很難應(yīng)對，在今后的研究中，有待研發(fā)一套電氣設(shè)備故障診斷程序，將其與遠程監(jiān)測結(jié)合，實現(xiàn)電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的智能化。