基于壓力傳感器采集數據的攜帶式短路接地線自動化監(jiān)測系統(tǒng)

劉星曄，許 潔，陳亦寒

（1.無錫廣盈集團有限公司，無錫 214000；2.國網江蘇省電力有限公司無錫供電分公司，無錫 214061）

接地線使用量較大且使用區(qū)域相對分散[1]，為了切實保障工作人員的人身安全，智能接地線的掛接檢測必須能夠精準檢測到“掛接”狀態(tài)[2]，區(qū)分是否掛在絕緣導線上，當掛在絕緣導線上時應及時報警[3]。同時，能夠檢測裝拆順序，當未按照正確的裝拆順序進行操作時，應及時報警。

針對接地線監(jiān)測問題，已經有多個研究團隊進行了相關工作。采用諧波電流監(jiān)測方法實現(xiàn)接地線短路狀態(tài)監(jiān)測[4]；以電壓與電流檢測模型為基礎設計接地線狀態(tài)監(jiān)測裝置[5]；基于磁場-電路耦合模型研究接地線故障特征，并利用人工智能方法實現(xiàn)接地線故障監(jiān)測[6]。盡管這些研究在接地線監(jiān)測的軟件部分有深入研究，但在系統(tǒng)設計的整體性和系統(tǒng)性方面仍存在明顯不足[7-9]。這意味著這些研究并沒有實際解決接地線安全監(jiān)測問題，可能存在一些缺陷或者無法有效應對各類實際應用場景中可能出現(xiàn)的情況和問題。

本文設計基于壓力傳感器采集數據的攜帶式短路接地線自動化監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了先進的傳感器技術，具備數據采集與處理、自動化控制以及實時監(jiān)測等功能，能夠實現(xiàn)對壓力參數的準確監(jiān)測和自動化控制，從而保障設備和人身安全。

1 攜帶式短路接地線自動化監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 操作棒端監(jiān)測裝置結構設計

攜帶式短路接地線自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要包括2個組成部分，分別是攜帶式短路接地線操作棒和上位機顯示器，通過攜帶式短路接地線操作棒監(jiān)測接地線掛接狀態(tài)，利用上位機顯示器向用戶呈現(xiàn)監(jiān)測結果，并進行預警，由此達到短路接地線自動化監(jiān)測目的。攜帶式短路接地線操作棒是攜帶式短路接地線自動化監(jiān)測系統(tǒng)的核心，其詳細工作過程描述如下：在接地線緊固件緊固接地線條件下，操作棒的壓感模塊受到一定壓力，其將所受壓力值傳輸到AI 芯片內，利用深度學習網絡模型判斷接地線當前是否處于掛接狀態(tài)。在此過程中，AI 芯片內的其他功能模塊通過實時定位等技術實時監(jiān)測接地線狀態(tài)，并在完成全部監(jiān)測信息處理后，利用通信模塊傳輸至上位機顯示器內，提供給用戶。攜帶式短路接地線操作棒結構如圖1 所示。

圖1 攜帶式短路接地線操作棒結構Fig.1 Structure of the portable short circuit grounding wire operating rod

1.2 壓感模塊設計

壓感模塊中采用壓力傳感器采集接地線緊固件緊固接地線條件下的壓力值。圖2 所示為壓感模塊中所使用的壓力傳感器結構圖。壓力傳感器中包含3 個主要部分[10]，分別為諧振器、敏感膜片以及信號調理電路。敏感膜片感知接地線緊固件緊固接地線條件下產生的壓力值，由此令諧振器梁的剛度發(fā)生變化，帶動固有諧振頻率也發(fā)生變化，同時通過信號調理電路采集諧振器的固有諧振頻率。圖2中，D 和A 分別表示壓力傳感器內的敏感膜片和載波施加錨點，B 和C 表示靜電差分檢測梳齒和驅動梳齒。壓力傳感器采用靜電交叉驅動，電容檢測。考慮壓力傳感器數據采集過程中不僅會采集耦合信號，還會采集到電噪聲信號，因此可采用調制解調方式提升壓力傳感器數據采集的信噪比。

圖2 壓力傳感器結構圖Fig.2 Structure diagram of pressure sensor

1.3 AI 芯片設計

依照差頻類型的差異化，可將AI 芯片集成形式劃分成2 種，分別是硬件集成和軟件集成。硬件集成所描述的是將核心處理器以及存儲器等不同功能的芯片集成在相同印制電路板內，軟件集成所描述的是依照不同集成要求，在SoC（系統(tǒng)級芯片）上集成各種軟件與固件。板上系統(tǒng)是硬件集成所得的最初產物，其主要目的是將若干個芯片集成至某單一芯片內，由此獲取片上系統(tǒng)。圖3 所示為板上系統(tǒng)與片上系統(tǒng)的結構圖。

圖3 板上系統(tǒng)與片上系統(tǒng)結構圖Fig.3 Structure diagram of system on board and system on chip

考慮攜帶式短路接地線自動化監(jiān)測系統(tǒng)實際需求，系統(tǒng)設計過程中采用軟件集成模式。該芯片中集成深度神經網絡對接地線緊固件緊固接地線條件下的壓力值數據進行學習與訓練，得到接地線掛接狀態(tài)，具體過程描述如下：

（1）對深度神經網絡實施初始化處理，設定相關參數。

（2）D=｛（x1，y1），（x2，y2），…，（xm，ym）｝表示壓力傳感器所采集接地線緊固件緊固接地線條件下的壓力值數據，其中x、y 表示壓力傳感器坐標信息，將D 作為訓練數據，以w 表示權值，通過式（3）描述深度神經網絡內隱含層與輸出層的輸出：

式中：zl和qL分別表示第L 個隱含層輸出和輸出層輸出結果；g 和ψ 分別表示閾值和激活函數。

（3）確定qL后，通過損失函數J（w，g，x，y）確定qL同實際輸出間的損失E[11]：

（4）分析迭代次數與E 值是否達到相關標準，如果沒有達到標準就需要開展反向傳播運算，由此得到J（w，g，x，y）對第L 層隱含層的輸出誤差，公式描述如下：

式中：?表示Hadamard 積。

（5）依照J（w，g，x，y），利用式（4）、式（5）確定優(yōu)化權值與閾值的偏導：

（6）以β 表示學習率，通過式（6）、式（7）對權值與閾值參數進行優(yōu)化：

（7）在迭代次數達到上限或誤差符合標準后，即可終止訓練過程，生成接地線緊固件緊固接地線條件下的壓力值數據檢測模型；若不符合相關標準，返回至（2）持續(xù)迭代過程。

利用上述過程所得的檢測模型，具有更強的建模能力，提升接地線緊固件緊固接地線條件下的壓力值數據檢測的準確度，令接地線掛接狀態(tài)監(jiān)測結果準確性提升。

1.4 基于LoRa 的通信模塊設計

施工過程中需要長時間掛接智能接地線，智能接地線采用電池供電，為保障智能接地線的長期穩(wěn)定工作需要研究智能接地線的低功耗遠程通信與控制技術。通過選用低功耗的元器件、通信芯片，結合軟件低功耗策略設計通信模塊，實現(xiàn)智能接地線功耗的最低設計。攜帶式短路接地線操作棒通信模塊采用LoRa（低功耗廣域網）進行設計。通信模塊的處理器芯片選用意法半導體的STM 系列芯片，其內核型號為Cortex-M3，工作頻率上限可達76 MHz，并具有32 位處理性能和充足的外部接口，強悍的數據分析與處理能力可滿足攜帶式短路接地線操作棒節(jié)點模塊、中繼模塊和基站模塊的構建。并且STM系列芯片的主要優(yōu)勢為高性能、低電壓和低價格，高度適用于中小型設備的運行，處理器芯片可滿足睡眠模式、待機模式和終止模式3 種不同工作模式的需求，由此可顯著降低通信模塊的運行功耗。圖4所示為攜帶式短路接地線操作棒通信模塊節(jié)點設備結構圖。

圖4 節(jié)點設備結構圖Fig.4 Device structure of nodes

2 仿真實驗

2.1 實驗條件

為驗證本文系統(tǒng)在實際短路接地線監(jiān)測過程中的應用效果，在國網某供電公司主要節(jié)點相關作業(yè)應用場景內進行系統(tǒng)功能測試。實驗過程中所使用的壓力傳感器相關參數如表1 所示。

表1 壓力傳感器相關參數Tab.1 Related parameters of pressure sensor

2.2 壓力傳感器性能測試

本文系統(tǒng)測試過程中，設定壓力傳感器工作環(huán)境常溫與常壓分別為22℃和99.7 kPa。在此條件下，對所選壓力傳感器進行調制域測試，結果如圖5 所示。分析圖5 得到，本文系統(tǒng)中所使用的壓力傳感器在熱平衡后，零偏穩(wěn)定性高于0.03%，由此說明本文系統(tǒng)所使用傳感器具有較好的工作穩(wěn)定性。

圖5 壓力傳感器調制域測試結果Fig.5 Test results of pressure sensor modulation domain

2.3 監(jiān)測結果

本文系統(tǒng)監(jiān)測結果最終呈現(xiàn)方式為顯示器展示界面與APP 應用界面2 種。在所選場景內采用本文系統(tǒng)進行接地線自動化監(jiān)測，所得結果如圖6 所示。本文系統(tǒng)可在包含GIS 地理信息系統(tǒng)的平臺上直觀呈現(xiàn)應用場景內當前使用接地線的分布信息、設備信息、掛接狀態(tài)信息以及告警信息等，由此可為相關管理部門人員對于當前區(qū)域范圍內的接地線情況提供形象、直觀的顯示，便于其制定相關決策。采用本文系統(tǒng)對應用場景內當前使用接地線狀態(tài)進行監(jiān)測，通過APP 形式呈現(xiàn)監(jiān)測結果能夠獲取更細節(jié)的接地線狀態(tài)信息，便于應用場景現(xiàn)場管理人員與維修人員進行相關的安全管理，能夠有效提升接地線管理與維修人員的人身安全與設備安全。

圖6 監(jiān)測結果Fig.6 Monitoring results

2.4 接地線故障時間對比

本文系統(tǒng)設計的主要目的是監(jiān)測接電線的故障情況，在其產生短路等故障的條件下，及時預警，確保維修人員能夠在短時間內發(fā)現(xiàn)故障并維修故障。對比采用本文系統(tǒng)前后不同電壓等級的接地線年內故障時間對比情況（表2），由此驗證本文系統(tǒng)的可應用性。由表2 可知，利用本文系統(tǒng)監(jiān)測地接線狀態(tài)后，不同電壓等級的接地線故障時間相較于采用本文系統(tǒng)前均呈現(xiàn)出顯著下降趨勢。10 kW 接地線故障時間下降4.3～7.3 min；120 kW 接地線故障時間下降5.7～9.1 min；240 kW 接地線故障時間下降10.4～13.0 min。以上數據表明利用本文系統(tǒng)監(jiān)測接地線狀態(tài)能夠顯著降低接地線故障時間，保障接地線穩(wěn)定性。

表2 接地線故障時間對比結果Tab.2 Comparison results of ground cable fault time

3 結語

本研究旨在開發(fā)一種基于壓力傳感器采集數據的攜帶式短路接地線自動化監(jiān)測系統(tǒng)，以滿足對各種工業(yè)設備和系統(tǒng)的壓力參數進行實時監(jiān)測的需求。該系統(tǒng)的設計旨在提高監(jiān)測的準確性和及時性，降低人工操作的成本和誤差，從而提高生產過程的安全性和穩(wěn)定性。同時，通過自動化控制和智能化分析，該系統(tǒng)還可以為企業(yè)提供更加高效、智能的監(jiān)測解決方案，為生產過程中的壓力參數監(jiān)測提供更加可靠的技術支持。