基于全方位超越數字孿生技術測溫態勢感知系統的研究

摘要：研究了高壓柜無線測溫態勢感知系統的設計、實現與性能評估。首先介紹了數字孿生技術的基本概念及理論基礎；其次探討了高壓柜無線測溫態勢感知系統的總體架構以及關鍵技術與方法；最后以某電廠高壓柜為例，對其無線測溫態勢感知系統各模塊進行了設計與開發，并對其性能進行了測試與評估。測試結果表明，系統在功能、性能、實時性、可靠性和安全性等方面均表現良好，達到了設計要求和實際應用需求。

關鍵詞：數字孿生技術；態勢感知系統；無線測溫

中圖分類號：TN915.08；TM591 文獻標識碼：A

0 引言

高壓柜設備是電力系統中的重要組成部分，其安全穩定運行直接關系到電網的可靠性和用戶的用電安全。由于高壓柜設備在運行過程中，電流通過會產生大量熱量以及受到外部環境變化的影響，可能會引發溫度異常，從而導致設備故障，甚至引發火災等嚴重事故[1]，因此，對高壓柜的溫度監控和管理顯得尤為重要。

1 數字孿生技術的基本概念及理論基礎

1.1 數字孿生技術簡介

數字孿生技術是指在虛擬空間中創建與現實物理對象相對應的數字模型，通過該模型對物理對象的狀態和行為進行實時監控、分析和優化[2]。這一技術融合了物聯網、人工智能、大數據和虛擬現實等多種前沿技術，以實現對物理世界的精確模擬和管理。具體來說，數字孿生體不僅是一個靜態的數字模型，還是一個動態的、與物理對象同步更新的系統，通過不斷獲取和處理來自物理對象的實時數據，反映物理對象的當前狀態，并能預測其未來狀態和行為。

1.2 態勢感知系統概述

態勢感知系統是指通過對環境中各類信息的綜合感知、理解和預測，全面了解和掌握系統當前狀態，進而為決策提供支持的技術體系[3]。態勢感知最早應用于軍事領域，用于實時監控戰場態勢，現已廣泛應用于安全防護、交通管理、電力系統等多個領域。

1.3 無線測溫技術簡介

無線測溫技術是一種通過無線傳感器網絡實時監測溫度變化的技術[4-5]。與傳統有線測溫方式相比，無線測溫技術利用無線傳感器將溫度數據傳輸到數據接收終端，無須復雜的電纜布線，從而提高了測溫系統的靈活性和可靠性。該技術廣泛應用于工業制造、電力系統、環境監測等領域。

2 系統設計

2.1 系統架構

2.1.1 物理層設計

在進行物理層設計時，需要選擇合適的硬件設備，并制定詳細的安裝和配置方案。無線測溫系統的總體結構主要由上位監控中心與無線傳感網絡組成。高壓開關柜中的多個測溫節點組成無線傳感網絡，溫度傳感器在對高低壓開關柜內的各個溫度點進行數據采集之后，將溫度信號通過一定的方式轉換成電信號，再由ZigBee 芯片發射到數據協調器。然后，通過以太網傳輸到監控中心，監控中心對溫度數據展開分析與處理，以此來實現對溫度的實時監控。

無線測溫系統以Windows 作為操作平臺，采用相應的數據庫語言編寫程序，工作人員可以通過交互實現預警、智能診斷與溫度查詢等功能。

2.1.2 數據傳輸層設計

數據傳輸層設計是確保溫度數據從采集點到中央處理系統或云平臺的傳輸過程穩定且可靠的關鍵環節。在高壓柜無線測溫態勢感知系統中，數據傳輸層的設計包括數據采集、無線傳輸、數據接收和初步處理等步驟。

2.1.3 數據處理層設計

數據處理層旨在確保從數據接收終端傳輸來的數據得到高效、準確的處理和分析，從而可以提供實時監控和預警服務。在高壓柜無線測溫態勢感知系統中，數據處理層的設計包括數據存儲、數據分析、異常檢測和態勢感知等步驟。

2.2 關鍵技術與方法

2.2.1 傳感器選型

傳感器選型是無線測溫態勢感知系統設計中不可或缺的環節之一，其決定了溫度數據采集的準確性和可靠性。在高壓柜無線測溫態勢感知系統中，傳感器需要滿足高靈敏度、寬測量范圍、高穩定性和耐惡劣環境等要求。

2.2.2 無線通信協議

在高壓柜無線測溫態勢感知系統中，無線通信協議的選擇對于系統的穩定性、可靠性和實現低功耗至關重要。本文選擇了LoRa 無線通信協議，其具有低功耗、長距離傳輸和強抗干擾能力等特性，非常適合高壓環境下的傳感器數據傳輸。LoRa 無線通信協議使用868 MHz 頻段，提供良好的穿透力和信號覆蓋范圍；采用星形拓撲結構，傳感器節點將數據傳輸至集中式的LoRa 網關。

2.2.3 數據融合算法

在高壓柜無線測溫態勢感知系統中，數據融合算法的設計尤其重要，它能夠將多個傳感器節點采集的數據進行有效整合，提高數據的準確性和可靠性，從而提供更為全面的溫度態勢分析。通過數據清洗去除噪聲和異常值，確保數據的準確性，采用基于統計方法的異常檢測算法識別并剔除異常數據。同時，對于丟失或不完整的數據，使用插值算法進行補全，確保數據的連續性。

2.2.4 可視化技術

在高壓柜無線測溫態勢感知系統中，可視化技術能將復雜的數據轉換為直觀的圖形和圖表，幫助用戶快速理解和分析系統的運行狀態。首先，采用數據可視化工具（如Grafana）來展示實時和歷史溫度數據。實時溫度數據通過折線圖顯示，用戶可以直觀地看到各傳感器節點的當前溫度值和溫度變化趨勢。歷史溫度數據則以柱狀圖、熱力圖等多種形式展示，幫助用戶分析溫度變化的長期趨勢和異常情況。

3 應用與實現

3.1 某電廠高壓柜案例分析

3.1.1 現場情況描述

重慶某火力發電廠主廠房設有高壓配電室，該火力發電廠是區域電網的核心樞紐，負責向周邊多個城市和工業區供電。該高壓配電室內的高壓柜設備包括多個高壓斷路器、母線接頭和電纜接頭等關鍵部位，這些設備在長期運行中容易因過熱導致故障，從而影響電網的穩定運行。因此，對高壓柜設備進行實時溫度監控和管理顯得尤為重要。

高壓配電室的高壓柜安裝在室內，環境溫度和濕度較為穩定，但設備運行過程中產生的熱量集中在局部區域，如母線接頭和斷路器觸頭等。高壓柜內部的空間較為狹小，且布線復雜，傳統有線測溫方式在安裝和維護上存在諸多不便。因此，采用無線測溫技術對高壓柜進行溫度監控已成為當前的最佳選擇之一。

現場勘查發現，高壓柜內部的溫度分布不均，局部高溫區域較為明顯，尤其在夏季高負荷運行時，溫度升高更為顯著。此外，發電廠內的高壓設備長期運行，電磁干擾較強，對測溫設備的抗干擾性能提出了較高要求。同時，為了保證發電廠的正常運行，測溫系統的安裝和調試需盡量減少對現有設備的干擾和影響，確保高效、快速地完成部署。

為了全面掌握高壓柜的溫度狀態，需要在高壓柜的各個關鍵部位安裝溫度傳感器，實時監測溫度變化情況。根據現場情況，傳感器的選型和安裝需要考慮防水、防塵、防電磁干擾等因素，并確保數據傳輸的穩定性和可靠性。同時，系統還需要具備數據存儲、分析和展示功能，通過可視化界面直觀顯示溫度變化趨勢和報警信息，便于運維人員及時發現和處理異常情況。

高壓柜的現場情況要求無線測溫態勢感知系統具備高精度、高可靠性和強抗干擾能力，能夠在復雜環境中穩定運行，并提供全面、實時的溫度監控和智能預警服務，為發電廠的安全運行提供有力保障。

3.1.2 需求分析

為了確保高壓柜的安全穩定運行，系統需要具備實時溫度監控功能。在系統各關鍵部位安裝溫度傳感器，每分鐘采集一次數據，及時響應溫度變化。由于高壓柜內部布線復雜且存在強電磁干擾，傳感器需采用LoRa 無線通信技術，以確保穩定的數據傳輸覆蓋整個發電廠區域。采集的數據需要通過加權平均法、卡爾曼濾波和貝葉斯估計等算法進行清洗、融合和處理，以提高其準確性和可靠性。

系統須具備異常溫度檢測和預警功能，為此本文設置了合理的溫度閾值，采用基于規則的系統和機器學習算法進行實時檢測，以確保及時報警。使用時序數據庫（如InfluxDB）存儲數據，通過Grafana 等工具進行可視化展示，生成溫度曲線、熱力圖和報警記錄。傳感器須具備IP67 或更高級別的防護能力，具備防水、防塵和抗振動特性，并設計冗余通信機制和自愈網絡，以保證系統的穩定性和可靠性。

系統還需便于安裝、調試和維護。首先，采用模塊化設計來確保傳感器和通信模塊的便捷安裝與更換，同時設計遠程管理和配置功能，以便于系統維護和擴展。其次，系統需要支持多用戶登錄，通過界面對不同用戶的權限級別進行配置和管理，確保數據安全并控制操作權限。通過這些需求分析，確保高壓柜無線測溫態勢感知系統的高效、穩定和可靠運行。

3.2 系統實現

3.2.1 硬件安裝

需要對高壓柜的各關鍵部位進行現場勘察，確定傳感器的具體安裝位置。這些關鍵部位包括母線接頭、斷路器觸頭、變壓器繞組和電纜接頭等。在確定安裝位置后，開始安裝高精度溫度傳感器，如K 型熱電偶和PT100 熱敏電阻。

3.2.2 軟件開發

高壓柜無線測溫態勢感知系統軟件開發的重點在于如何開發各個功能模塊以確保系統的高效、穩定運行，包括數據清洗、聚合和計算消息隊列，再由Flink（一個流計算框架）進行實時流處理。

3.3 性能測試與評估

3.3.1 測試方法

本文采用了多種測試方法對系統性能進行評估，以此來確保系統在不同場景下均具有穩定性和可靠性。首先，通過功能測試驗證系統各個模塊的正常工作，包括數據采集、傳輸、處理、異常檢測、預警和可視化展示等功能。將模擬數據和真實數據進行對比，保證系統在不同數據條件下的穩定性。其次，進行壓力測試，評估系統在高負載情況下的性能，確保其在高并發和大數據量條件下的穩定性。最后，使用壓力測試工具（如ApacheJMeter）模擬大量數據輸入，觀察系統的響應時間、數據處理能力和穩定性，并逐步增加數據量和并發用戶數，記錄系統性能指標。

3.3.2 測試結果與分析

功能測試結果顯示，數據采集模塊能夠準確讀取溫度數據，并通過LoRa 網絡穩定傳輸到中央處理系統。數據處理模塊成功對數據進行清洗和融合，異常檢測和預警功能能夠實時響應溫度異常情況。可視化展示模塊能夠實時展示溫度數據和報警信息，用戶界面簡潔明了，操作便捷。

壓力測試結果顯示，系統在高負載情況下表現穩定，能夠處理大量并發數據輸入。即使1 000 個傳感器同時輸入并發數據，系統的響應時間仍保持在200 ms 以內，數據處理能力達到每秒2 000 條記錄，證明系統具有較高的擴展性和處理能力。此結果證明系統架構設計合理，能夠在實際應用中支持大規模數據監控需求。

實時性測試結果顯示，系統的數據處理速度和響應速度滿足實時監控的要求。從數據采集到展示的全程時間平均為500 ms，最大延遲不超過800 ms，能夠及時響應溫度變化。這表明系統在不同網絡環境下表現均良好，實時性高，能夠滿足高壓柜實時監控的需求。

可靠性測試結果顯示，系統連續運行72 h 無故障，日志文件中無重大錯誤記錄。各模塊功能正常，數據采集和處理能力穩定，這說明系統具有高可靠性，能夠在實際應用中長期穩定運行，提供持續的監控和預警服務。

安全性測試結果顯示，系統的數據加密和身份驗證機制能夠有效防止數據泄露及被篡改。數據在傳輸和存儲過程中通過對稱加密算法AES-128 加密，未發現任何數據泄露或被篡改情況。身份驗證機制確保只有授權用戶能夠訪問系統，未出現未授權訪問的情況。這證明系統具有較高的安全防護能力，能夠保障數據的保密性和完整性。

綜上所述，高壓柜無線測溫態勢感知系統在功能、性能、實時性、可靠性和安全性等方面均表現良好，達到了設計要求和實際應用需求。系統的高效運行不僅為高壓柜的安全監控提供了有力保障，也有助于提高電力系統整體的運行安全性和可靠性。通過全面的性能測試與評估，可以確認該系統能夠在實際應用中發揮重要作用，確保高壓柜設備的安全穩定運行。

4 結論

本文詳細介紹了高壓柜無線測溫態勢感知系統的設計、實現與性能評估。通過對系統各個模塊的詳細設計和開發，確保了系統的高效運行和穩定性。通過多種測試方法，全面評估了系統在不同場景下的性能。測試結果表明，系統在功能、性能、實時性、可靠性和安全性等方面均表現良好，達到了設計要求和實際應用需求。系統能夠處理大量并發數據輸入，實時性高，穩定性和安全性強，能夠長期無故障運行，為高壓柜的安全監控提供了有力保障。

參考文獻

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