電氣設(shè)備實時敏感信息自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李海瑜

摘? 要： 為確定電氣設(shè)備運行狀態(tài)，保障電氣設(shè)備正常運行，設(shè)計一種電氣設(shè)備實時敏感信息自動化監(jiān)測系統(tǒng)。傳感器單元采集各分散電氣設(shè)備的運行溫度信息，傳輸?shù)叫畔R總模塊中完成信息匯總，并將匯總結(jié)果傳輸至整體判斷與分析模塊;整體判斷與分析模塊對電氣設(shè)備運行溫度信息實施降噪、特征提取等預(yù)處理，預(yù)處理后的信息同SQL數(shù)據(jù)庫內(nèi)歷史運行信息對比，利用敏感信息聯(lián)盟決策判斷是否電氣設(shè)備運行敏感信息后，將全部信息與結(jié)果存儲至SQL數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并通過互網(wǎng)絡(luò)反饋給顯示模塊，實現(xiàn)實時敏感信息的自動化監(jiān)測。仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計系統(tǒng)可準(zhǔn)確采集電氣設(shè)備不同節(jié)點溫度數(shù)據(jù)，從采集到的溫度數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確判斷出敏感信息，通過監(jiān)控界面監(jiān)測敏感信息。

關(guān)鍵詞： 敏感信息監(jiān)測; 自動化監(jiān)測; 電氣設(shè)備; 采集溫度信息; 信息匯總; 聯(lián)盟決策; 仿真實驗

中圖分類號： TN931+.3?34; TM711? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）04?0001?03

Design of automation monitoring system for real?time sensitive information

of electrical equipment

LI Haiyu1，2

（1. Tsinghua University， Beijing 100084， China; 2. State Power Investment Group Logistics Co.， Ltd.， Beijing 100011， China）

Abstract： An automatic monitoring system for real?time sensitive information of electrical equipment is designed to confirm the running state of electrical equipment and ensure its normal operation. The sensor unit collects the operating temperature information of the each dispersed electrical equipment， transmits them into the information summary module to complete the information aggregation， and transmits the summarized results to the overall judgment and analysis module. The overall judgment and analysis module carries out the pre?processing such as noise reduction and feature extraction for the operating temperature information of electrical equipment. The preprocessed information is compared with the historical operation information in the SQL database to judge whether the electrical equipment is running sensitive information by means of the sensitive information union decision?making， and then store all information and results in the SQL database and feedback to the display module with the mutual network， so as to realize the automatic monitoring of sensitive information in real time. The simulation results show that the designed system can accurately collect the temperature data of different nodes of electrical equipment， accurately judge the sensitive information from the collected temperature data， and monitor the sensitive information with the monitoring interface.

Keywords： sensitive information monitoring; automation monitoring; electrical equipment; collect temperature information; information summary; union decision?making; simulation experiment

0? 引? 言

當(dāng)前社會科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展、工業(yè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，電氣設(shè)備自動化程度日漸上升，以節(jié)約成本與減少設(shè)備維護(hù)費用為目的的電氣設(shè)備運行狀態(tài)管理成為電力領(lǐng)域的研究熱點[1]。電氣設(shè)備運行狀態(tài)管理即從以往按照計劃部署電氣設(shè)備修理時間的模式改為電氣設(shè)備運行狀態(tài)判斷電氣設(shè)備維護(hù)、大修的時間[2]。確定電氣設(shè)備運行狀態(tài)是管理的基礎(chǔ)，即實時監(jiān)測電氣設(shè)備運行過程中不同相關(guān)參數(shù)的變化趨勢[3]，是否存在相關(guān)參數(shù)的敏感信息。例如，電氣設(shè)備各類故障之中最為常見的就是熱故障[4]，電氣設(shè)備的運行溫度信息就是一項重要參數(shù)。

1? 電氣設(shè)備實時敏感信息自動化監(jiān)測系統(tǒng)

1.1? 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

電氣設(shè)備實時敏感信息自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計目的是構(gòu)建一個開放的集散系統(tǒng)，集成管理分散的不同電氣設(shè)備，完成單個系統(tǒng)不能實現(xiàn)的功能。敏感信息自動化監(jiān)測作為電氣設(shè)備故障預(yù)測的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括選取監(jiān)測參數(shù)、構(gòu)建數(shù)據(jù)庫、確定測量點、采集監(jiān)測數(shù)據(jù)及敏感信息判斷等工作[5]。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計中含三個主要功能：數(shù)據(jù)集成、系統(tǒng)整體判斷與分析和人機交互[6]。數(shù)據(jù)集成用于采集不同分散電氣設(shè)備信息;系統(tǒng)整體判斷與分析功能負(fù)責(zé)對集成后的信息進(jìn)行處理，為敏感信息實時判斷提供依據(jù)，再通過敏感信息聯(lián)盟決策判斷電氣設(shè)備運行過程中的實時敏感信息;人機交互功能用于顯示實時運行信息、敏感信息判斷結(jié)果與敏感信息處理方法的處理結(jié)果等[7]，綜合實現(xiàn)敏感信息自動化監(jiān)測。

1.2? 傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點包括四個主要部分，如圖2所示，分別是MSP430G2553單片機、nRF24L01無線子模塊、DS18B20溫度傳感器和供電單元。傳感器單元通過溫度傳感器采集電氣設(shè)備的運行溫度信息[8]，通過單片機控制溫度信息采集過程，通過無線子模塊將溫度信息傳輸?shù)叫畔R總模塊完成信息匯總。

傳感器節(jié)點的控制芯片選取低功耗MSP430G2553單片機，該單片機包括16 KB FLASH，512 KB RAM隨機存取存儲器等高性能子模塊，含8路10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器、16位定時器、看門狗定時器、UART接口、SPI接口和I2C接口等，其運行模式與休眠模式下功耗分別為220 ?A和0.5 ?A;溫度傳感器DS18B20則具備1?Wire總線技術(shù)，通過一個I/O連接與單片機雙向通信[9]，可采集電氣設(shè)備-60～130 ℃的運行溫度信息;無線子模塊則主要選取工作在ISM頻段2.5 GHz左右的單片無線收發(fā)器芯片nRF24L01，其利用SPI接口同控制芯片相連。

1.3? 信息匯總模塊

信息匯總模塊匯總傳感器節(jié)點采集電氣設(shè)備運行溫度信息，并傳輸至整體判斷與分析模塊。該模塊內(nèi)主要包括：MSP430G2553單片機、nRF24L01無線子模塊、時鐘子模塊、GSM（Global System for Mobile Communicat?ions，全球移動通信系統(tǒng)）子模塊與供電單元。整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

單片機與無線子模塊功能等同于傳感器節(jié)點，匯總不同傳感器節(jié)點采集的溫度信息[10]。以DS1302時鐘芯片為主的時鐘子模塊功耗低，計時單位由年精細(xì)至秒，具備閏年補償?shù)裙δ埽ㄟ^三線接口同控制芯片同步通信。GSM模塊利用商業(yè)網(wǎng)絡(luò)實時遠(yuǎn)距離通信，利用UART接口同單片機連接。

1.4? 整體判斷與分析模塊

敏感信息判斷技術(shù)由單節(jié)點判斷逐步發(fā)展為分布式敏感信息判斷。電氣設(shè)備逐漸增多，分布愈加廣泛，以往的單節(jié)點判斷技術(shù)已經(jīng)無法滿足當(dāng)下分布式電氣設(shè)備敏感信息判斷的需求。新敏感信息判斷模式：基于網(wǎng)絡(luò)的敏感信息判斷模式將Interest網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)局域網(wǎng)同敏感信息判斷技術(shù)相結(jié)合，其基于三層B/S架構(gòu)，對電氣設(shè)備實時敏感信息的判斷能力更強、精度更高，可擴(kuò)展性能且維護(hù)費用較低。該模塊結(jié)構(gòu)見圖4。

整體判斷與分析模塊將信息匯總模塊匯總的運行溫度信息進(jìn)行降噪與特征提取等處理，再同SQL數(shù)據(jù)庫內(nèi)的歷史運行溫度信息相對比，利用任務(wù)分解子模塊將整體信息判斷任務(wù)依照功能與結(jié)構(gòu)的差異劃分成局部判斷子任務(wù)，構(gòu)建電氣設(shè)備運行敏感信息判斷任務(wù)集;利用敏感信息聯(lián)盟決策判斷電氣設(shè)備運行敏感信息。

1.5? 敏感信息聯(lián)盟決策

采用多種自動化判斷方法如專家系統(tǒng)、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊推理等是電氣設(shè)備實時敏感信息判斷的一種有效方式，不同敏感信息自動化判斷判斷方法可依照電氣設(shè)備實時運行信息從不同方向?qū)嵤┡袛啵诤细髯詣踊袛喾椒ㄅ袛喑鼋Y(jié)果。在電氣設(shè)備實時敏感信息自動化監(jiān)測系統(tǒng)中，采用敏感信息聯(lián)盟決策。該決策內(nèi)，不同自動化判斷方法對聯(lián)盟判斷的貢獻(xiàn)由其能力指標(biāo)描述，表示該方法在決策過程中決策權(quán)的高低。敏感信息判斷能力、敏感信息判斷時間以及通信傳輸消耗可作為一種自動化判斷方法綜合判斷能力衡量指標(biāo)，以自動化判斷方法能力指標(biāo)描述其對解決敏感信息判斷工作中的貢獻(xiàn)，以此確定適當(dāng)?shù)淖詣踊袛喾椒Q策權(quán)。用[dii=1，2，3]表示某種自動化判斷方法，基于加權(quán)平均思想，其能力指標(biāo)[Wi]為：

[Wi=d1Si+d2Ti+d3Pi] （1）

式中：[Si]，[Ti]和[Pi]分別表示自動化判斷方法[Ai]對敏感信息的判斷能力、判斷所需時間以及判斷過程中通信傳輸消耗;[d1]表示[Si]的權(quán)重;[d2]表示[Ti]的權(quán)重;[d3]表示[Pi]的權(quán)重，且[d1+d2+d3=1]。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與通信媒介決定[Ai]判斷過程中所需時間與通信傳輸消耗。用[A=A1，A2，…，AN]表示自動化判斷方法集合，其中[AK]表示此集合內(nèi)第[K]種自動化判斷方法，第[N]個判斷任務(wù)域中自動化判斷方法[Ai]判斷能力的求解模塊用[ZN]表示，第[i]個判斷任務(wù)中第[j]種自動化判斷方法的判斷能力系數(shù)用[eij]表示，第[i]個判斷任務(wù)中不同自動化判斷方法的能力矢量[e1i，e2i，…，eKi]的長度用[pi]表示，基于此獲取自動化判斷方法能力矩陣[S]：

[S=S11 ... S1N?? ? ? ? ? ? ? ? ?SK1 ... SKN] （2）

式中，[Sij=eijpi]，表示第[i]個判斷任務(wù)中第[j]種自動化判斷方法的判斷能力。

采用基于模糊積分的融合方法能夠獲取敏感信息聯(lián)盟決策判斷能力的測度矩陣：

[B=fW1，W2，…，Wi] （3）

式中，[f?]表示不同自動化判斷方法敏感信息判斷結(jié)果的融合函數(shù)。

根據(jù)敏感信息判斷能力的測度矩陣B能夠得到最優(yōu)的敏感信息判斷方案，同時向該方案分配合適的判斷子任務(wù)。

2? 仿真分析

為了驗證本文系統(tǒng)的監(jiān)測性能，以我國某市變電站電氣設(shè)備為仿真對象進(jìn)行實驗，監(jiān)測其2018年6月12日和6月13日運行過程中的敏感信息。設(shè)置各節(jié)點溫度閾值后，超出該閾值即可標(biāo)注為敏感信息。結(jié)果見圖5。

由圖5可知，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測的實驗對象2018年6月12日運行時，1號節(jié)點、2號節(jié)點和6號節(jié)點產(chǎn)生敏感信息;13日運行時，3號節(jié)點和9號節(jié)點產(chǎn)生敏感信息。仿真結(jié)果顯示，本文系統(tǒng)可實現(xiàn)電氣設(shè)備不同節(jié)點溫度數(shù)據(jù)的采集，并且從采集到的數(shù)據(jù)中判斷敏感信息，通過監(jiān)控界面顯示。

3? 結(jié)? 論

無論基于供電穩(wěn)定性還是經(jīng)濟(jì)效益考慮，實時自動化監(jiān)測都是電氣設(shè)備監(jiān)測未來發(fā)展的必然趨勢。本文設(shè)計電氣設(shè)備實時敏感信息自動化監(jiān)測系統(tǒng)，以解決現(xiàn)代電氣設(shè)備監(jiān)測日益呈現(xiàn)出的分布化趨勢問題，同時通過自動化判斷方法聯(lián)盟決策共同實現(xiàn)電氣設(shè)備實時敏感信息自動化監(jiān)測。

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