電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測方法研究

趙海東

（濟寧市兗州區(qū)地方建材服務中心，濟寧 272100）

為了更好地采取預防措施，避免發(fā)生安全事故，需要通過應用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，及時掌握電氣設(shè)備的運行狀態(tài)。目前，已有較多學者開展關(guān)于狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究。艾精文等以輸變電設(shè)備為研究對象，探討了全景數(shù)據(jù)的輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，通過搭建全方位全景信息模型監(jiān)測輸變電設(shè)備的運行狀態(tài)[1]。郭西惠等以液壓設(shè)備為研究對象，搭建了以工控機虛擬儀器平臺為基礎(chǔ)的狀態(tài)監(jiān)測模型[2]。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的差異性，往往難以提前預知即將發(fā)生的問題。此外，分布式監(jiān)測系統(tǒng)各節(jié)點在解析狀態(tài)數(shù)據(jù)包時所需的時間不同，因此當狀態(tài)數(shù)據(jù)流傳輸?shù)綌?shù)據(jù)流解析部分時，必定會出現(xiàn)實際發(fā)送次序與數(shù)據(jù)接收次序不同的問題，即時序混亂現(xiàn)象[3]。文章提出一種以數(shù)據(jù)流檢測技術(shù)為基礎(chǔ)的電氣設(shè)備狀態(tài)檢測方法，以期獲取更加準確的電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果。

1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測預處理

1.1 數(shù)據(jù)流檢測下狀態(tài)數(shù)據(jù)分類處理

對任務A 進行解析，獲取時序性要求Q、實時性要求T、時間容錯率P及其時間參數(shù)ΔTd、ΔTf等相關(guān)參數(shù)，以及數(shù)據(jù)身份標識號碼（Identity Document，ID）的集合S。在狀態(tài)數(shù)據(jù)流ID∈S時，經(jīng)一段時間運行后，窗口即可監(jiān)測到數(shù)據(jù)的抵達頻率f。對所接收數(shù)據(jù)的接收時刻與發(fā)送時刻差值頻率進行擬合，構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸解析的時延概率密度函數(shù)P(td)[4]。求得P(td)、T、P后，可得出滑窗緩沖時間ΔT。借助數(shù)據(jù)抵達頻率計算窗口數(shù)據(jù)緩沖數(shù)量K，并根據(jù)獲得的ΔTd、ΔTf和Q，計算數(shù)據(jù)的抵達時刻，得出相應的處理方法。

以K為分配依據(jù)，在系統(tǒng)總緩沖區(qū)為監(jiān)測任務A分配滑動窗口，確保單獨的滑動窗口與各任務相互對應[5]。若總緩沖區(qū)缺少可分配的閑置區(qū)域，則根據(jù)比例重新分配和調(diào)整其他窗口。在任務相應分配到各個窗口后，滑動窗口開始執(zhí)行數(shù)據(jù)流緩存操作，并按照數(shù)據(jù)延時情況，劃分成正常數(shù)據(jù)、失效數(shù)據(jù)和延時數(shù)據(jù)3 種數(shù)據(jù)，然后按照對應順序?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈咏馕霾糠只騺G棄。

1.2 數(shù)據(jù)流時序混亂問題解決方法

時間亂序概率主要受到數(shù)據(jù)傳輸時間td和發(fā)送頻率的影響。在實際監(jiān)測過程中，為得到具體的時間亂序概率分布形式，可對各類長拖尾型概率分布函數(shù)進行擬合。

假定網(wǎng)絡(luò)延時概率密度函數(shù)為P(td)(0＜td＜∞)，狀態(tài)數(shù)據(jù)Di的發(fā)送頻率為f2，在Di有時間亂序現(xiàn)象時，其傳輸至解析部門的時間將比Di-1早。假設(shè)tdi、tdi-1分別為數(shù)據(jù)Di和Di-1的傳輸時長，兩者的關(guān)系為

tdi-1和tdi應滿足P(td)的獨立同分布形式[6]，為

狀態(tài)數(shù)據(jù)流經(jīng)窗口處理后實時性和容錯率是否滿足要求是確定滑動窗口規(guī)格大小的基本原則。任務實時性要求為

式中：E(td)為發(fā)送數(shù)據(jù)到接收數(shù)據(jù)的時間差期望。E(td)的計算公式為

時間亂序概率經(jīng)過ΔT規(guī)格的滑動窗口緩沖后應在P以下。如果滑動窗口中的原子狀態(tài)數(shù)據(jù)有K=ΔT×f的固定緩存數(shù)量，當滑動窗口接收到數(shù)據(jù)Dj時，將傳輸出最前面的數(shù)據(jù)Di。

若ΔT規(guī)格的滑窗在時間tc接收到數(shù)據(jù)Dj，結(jié)合臨界條件，滑窗將于時間tc-ΔT接收任務數(shù)據(jù)Di。若數(shù)據(jù)Dj傳輸時長為tdj，數(shù)據(jù)Di傳輸時長為tdi，則tc和tc-ΔT應滿足的關(guān)系為

式中：Tt為時間戳。

從發(fā)送時間來看，當Dj早于Di發(fā)送時，將導致Dj時間亂序，因此將Dj排列到滑窗前邊，確保只有在解析部分接收到Di時才接收Dj，盡量避免出現(xiàn)時序錯誤。整理后可得tdj和tdi應滿足P(td)的獨立同分布，為

為滿足容錯率P的要求，ΔT下限應滿足的要求為

因此，為確保監(jiān)測時的時序性和容錯率滿足要求，滑窗規(guī)格ΔT應滿足的要求為

如果式（11）在計算時無解，說明容錯率和實時性不滿足要求，此時需調(diào)整對應的參數(shù)，以確保其有解后，執(zhí)行后續(xù)操作。

2 數(shù)據(jù)流下電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

當采用數(shù)據(jù)流檢測技術(shù)監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)時，對處理時間和內(nèi)存空間有較高要求，因此需采取核密度估計方法進行處理[6]。已知一組數(shù)據(jù){x1,x2,…,xn}，其中xn為電氣設(shè)備任意狀態(tài)參數(shù)信息，其核密度估計為

式中：K(·)為核函數(shù)；h為數(shù)據(jù)傳輸速率；n為核函數(shù)需求量；Xi為核函數(shù)中心點。密度函數(shù)在寬帶增加時將逐漸平滑，且密度函數(shù)越小代表密度曲線與樣本的擬合程度越高。

多數(shù)情況下，簡單核與M核分別代表一個數(shù)據(jù)信息的核函數(shù)與多數(shù)據(jù)信息的核函數(shù)[7]。M核的核函數(shù)為

式中：ρ為權(quán)值。

如果核函數(shù)為滿足正態(tài)分布的高斯核函數(shù)，則可以描述為

若任意數(shù)據(jù)流有1 s 區(qū)間和1 ms 時間步進，則可以得到每100 ms 流量數(shù)據(jù)信息的階躍為100 kb·s-1，其數(shù)據(jù)流統(tǒng)計分布曲線如圖1 所示。

圖1 正態(tài)分布模擬數(shù)據(jù)流

將圖1 中的數(shù)據(jù)流帶入式（11），結(jié)果即核密度估計曲線。按照各數(shù)據(jù)流曲線變化情況，計算誤差即可獲取數(shù)據(jù)流流量。

擬合中心不同的2 個核函數(shù)即可建立非標準核函數(shù)，分析數(shù)據(jù)流密度。非標準核函數(shù)為

式中：Khi與Khj為附帶權(quán)值不同的核函數(shù)；Xi與Xj均為核函數(shù)對應的中心點；Xm*為中心點位；(ρi+ρj)Kh*m(x-Xm*)為ρi+ρj權(quán)值的核函數(shù)。

借助擬合時的誤差值ε即可判斷設(shè)備狀態(tài)。借助擬合核函數(shù)替代寬帶、權(quán)值均不同的2 個中心點鄰近的核函數(shù)總和時，計算公式為

當核函數(shù)是高斯函數(shù)時，核函數(shù)參數(shù)應滿足如下要求，即

式中：σ1、σ2均為誤差值；X1、X2為2 個中心點鄰近核函數(shù)的中心點；ρ1、ρ2為2 個中心點鄰近核函數(shù)的權(quán)值。

擬合后誤差E的計算公式為

根據(jù)式（18）所得的誤差值可以推算設(shè)備狀態(tài)。若誤差值滿足要求，則說明設(shè)備處于正常狀態(tài)，反之則說明設(shè)備處于非正常狀態(tài)。

3 仿真案例分析

在某數(shù)據(jù)集中隨機抽取數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)1 000 Mb，采用本文方法、文獻[1]方法以及文獻[2]方法監(jiān)測某電氣設(shè)備狀態(tài)。根據(jù)所得數(shù)據(jù)流情況，判斷試驗結(jié)果。

3.1 仿真監(jiān)測時域

各方法下的設(shè)備監(jiān)測時域情況見圖2。從圖2 可以看出，借助數(shù)據(jù)流對設(shè)備狀態(tài)做出判斷時，本文方法的判斷結(jié)果接近于真實狀態(tài)，而文獻[1]方法和文獻[2]方法波動較大，且與真實狀態(tài)差距較大。

圖2 設(shè)備異常狀態(tài)監(jiān)測時域圖

3.2 監(jiān)測效果對比

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果如表1 所示。從表1 可以看出，本文方法在數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)類型劃分上比文獻[1]方法和文獻[2]方法更準確，且異常數(shù)據(jù)監(jiān)測量更多，監(jiān)測率約96.70%，表明本文方法的有效性更高。

表1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果對比表

4 結(jié)論

（1）從電氣設(shè)備運行頻率監(jiān)測曲線可以看出，本文方法的監(jiān)測結(jié)果接近于真實狀態(tài)，即本文方法在電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果上有較高的準確率。

（2）從設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果看，本文方法可監(jiān)測更多異常數(shù)據(jù)，監(jiān)測率達96.70%，說明查全率較高，可有效監(jiān)測設(shè)備異常狀態(tài)。