基于多傳感融合的電力施工信息融合監控系統設計

李 鵬，周 蜜，蘇建華，胡曉華，魯 挺

（1.寧波送變電建設有限公司永耀科技分公司，浙江寧波 315000；2.國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州 310009）

隨著電網規模的不斷擴大，電力系統已經成為廣域大系統，具有高度復雜的結構和高階非線性的模型，在足夠滿足系統安全性要求的前提下，新出現的問題是如何進行調度控制和決策，從而使電力系統能夠在穩定、經濟、高效的條件下運行[1]。

在電力施工信息融合監測中，過去是采用分批估算的方法，對獲得的監測數據進行分批估算，采用批量處理方式，計算存在于某一批次中的數據平均值和方差，然后將該方法計算得到的結果添加到最終的計算公式中，得到的數據為最終數據融合值，從而保證監測結果更精確；通過加權平均法得到的數據同時間有一定關聯，其自身的時間則是這些數據的權數，首先要得到上述所提數據的加權數據，再將得出的加權數據進行平均數計算，方便為日后進行數據走勢的預測提供所需數據。

使用這兩種系統與電網規模增長速度相比，仍然存在著一定問題。由于信息重復采集造成數據重復投入、多層冗余，從而產生邊緣問題和具有一定偏差的控制決策，進而影響了監測結果。提出的基于多傳感融合的電力施工信息融合監控系統設計，使得區域施工信息融合的準確性在很大程度上得到了提升。

1 系統總體架構

該系統的框架模式采用了B/S/S 多層技術，即符合J2SE1.5 和J2EE3.0 所需的規范要求，采用MVC 模式進行層次結構化業務處理，并控制相應的邏輯，同時可實現不同顯示區域的分離，數據在非層間的傳遞全部通過XML 數據格式進行，通過基礎服務的應用平臺，達到對業務應用系統的運行、開發、管理和集成[2-3]。圖1 為系統總體架構。

圖1 系統總體架構

由圖1 可知，該系統采用了服務組件架構，這是一種簡化面向服務架構(SOA)應用程序開發和實現的新技術。借助SOA，可以更輕松地實現轉換，可以更輕松地在系統設計中創建新的服務，或將現有的IT 資產轉換為可再利用的服務。另外，不管使用哪種編程語言和運行平臺，SOA 都為快速適應業務需求提供了統一這些服務的方法，這將大大降低應用程序開發的復雜性[4-6]。

2 系統硬件結構

硬件結構的每個監測節點都是數據源，是整個數據融合過程中監測傳輸設備狀態的首要問題，也是整個系統實現的基礎[7]。一個硬件結構由多個監控子節點和父節點組成，為了實現后期的數據融合，監控子節點可以為系統提供大量的數據，但是這個過程必須基于底層硬件系統，如圖2 所示。

圖2 硬件結構

如圖2 所示，硬件設計采用ARMS (S3C2440)和STC90C516RD+作為主要控制芯片，其中位于系統底層子節點的主要控制芯片是STC90C516RD+，其主要作用是收集監控傳感器控制子節點的參數，ARMS(S3C2440)作為父節點的主控芯片，其主要作用是收集和整合由多個子節點傳輸的數據，并對這些數據進行進一步處理，以實現數據融合為主；利用各個相關傳感器采集底層數字信號，再通過無線傳輸模塊實現數據的無線傳輸[8-10]。

2.1 主控芯片

通過對各子節點進行監控并且選擇傳感器后，考慮到硬件的配置以及實現成本等多方面綜合原因，決定將STC90C516RD+作為子節點的主控芯片[11-12]。這類芯片是宏晶科技制造的單片機，其處理速率高、功耗低，如圖3 所示。

圖3 STC90C516RD+引腳分布

2.2 嵌入式網關

該系統為嵌入式實時操作系統，電路以ARM9為核心，采用S3C2440 處理器，其具備優良的兼容和擴展性，能夠同現有的監控設備進行信息交互與融合[13]。監控子系統由多種傳感器組成，一旦采集到終端設備的信息，一般僅保留數據的接收和轉發功能，并以一個統一的嵌入式網關來完成所有數據的處理，減少了終端到主站點的信息處理環節，使系統的響應速度有所提高，從而減輕了各監控子系統的工作壓力，減少了故障發生的可能性，同時便于系統的統一維護[14]。

2.3 自激式開關穩壓電源

自激式開關穩壓電源作為開關電源，它的組成電路是間歇振蕩電路，如圖4 所示。

圖4 自激式開關穩壓電源電路

由圖4 可知，當R1接上電源時，為了使VT1 能夠導通，為開關管VT1 提供啟動電流，其集電極電流Ic在L1內呈線性變化趨勢，L2內感應出正向反饋電壓，使VT1 基極變為正極，而放電極變為負極，同時VT1能迅速飽和。在這個時候，C1被感應電壓充電，當C1充電電壓上升，VT1 基極的電位隨之降低，導致VT1退出飽和區，Ic隨之下降，在L2中感應到VT1 基極變為負壓，發射極變為正壓，使VT1 迅速斷開，此時二極管VD1 導通，向負載釋放初級繞組中的儲能[15]。

當VT1 中斷時，L2上沒有感應電壓，由DC 供電的輸入電壓由R1反向充電到C1，VT1 的基極電位逐漸增大，VT1 重新導通，再轉至飽和狀態，電路反復振蕩。就像單端反激式開關電源一樣，通過變壓器T 的二次線圈輸出傳輸給負載的電壓。

3 系統軟件功能設計

3.1 基于多傳感融合數據的層次分析

多傳感融合在數據處理層中有著不同層次，信息的融合處理在電子施工信息層上完成，使各分節點的監測結果更加精確。圖5 顯示了基于多傳感融合數據的層次。

圖5 基于多傳感融合數據的層次

由圖5 可知，每個局部融合中心在融合層根據不同的任務啟動自定義融合方式，任務協調子系統對融合過程和結果進行控制；在不同的區域相關工作中，任務協調子系統主要負責共享所需數據，協調相應的通信，同時解決出現的沖突問題；全局融合中心的工作則是局部融合中心推理和決策的結果，并給出最終結果和決策方案[16]。其結果表現層為該信息發布子層，以不同的表現形式和友好的界面方式提供給用戶，實際操作管理工作和決策的控制都由供電網絡管理者來完成。

3.2 電力施工信息誤差剔除

在基于多傳感融合數據的層次分析結果下，使用狄克松準則剔除誤差，具體步驟為：

設電子施工信息序列x(1),x(2),…x(n)順序統計量服從正態分布，由此得到的最大值統計量為：

根據式（1）可得到統計量臨界值，當統計結果rij大于統計量臨界值時，則說明電子施工信息序列中含有誤差。

最小值統計量計算公式為：

根據式（2）可得到統計量臨界值，當統計結果rij小于統計量臨界值時，則說明電子施工信息序列中含有誤差。

為了剔除誤差，需遵循以下原則：當電子施工信息小于7條時，使用r10統計結果，則沒有誤差；當電子施工信息不小于7 條且不大于10 條時，使用r11統計結果，則沒有誤差；當電子施工信息不小于11條且不大于13條時，使用r21統計結果，則沒有誤差；當電子施工信息不小于14條時，使用r22統計結果，則沒有誤差。

經過誤差剔除后，電力施工信息組中信息總體變動并不會影響全部電力施工信息屬性，有利于進行信息融合，避免誤差干擾。

3.3 電力施工信息融合監控流程

面向電力施工企業業務需求，保證硬件結構獨立運行的同時又相互聯系，使系統具備基本監控功能。系統監控流程采用模塊化設計，建成一個符合電力施工信息融合的平臺，提供人機界面和應用程序。

在監控流程支持下，電力施工信息融合步驟如下：

step1：將剔除誤差后的電力施工信息分成兩組處理，分別為x11,x12,…,x1m和x21,x22,…,x2k,m≤4,k≤4；

step2：計算兩組的平均值-X1和-X2；

step4：結合兩組的平均值和標準方差進行計算，得到的融合結果為：

由式（5）可得到最終的融合結果，至此電力施工信息融合監控的設計與實現工作基本完成。

4 實 驗

在基于多傳感融合的電力施工信息融合監控系統設計過程中，調試工作是非常重要的，為此進行實驗驗證分析。

4.1 實驗項目

以深圳市某區為期兩個月的施工項目為例，該施工是以電力路燈照明為主，結合深圳市不同道路斷面形式特點，設計相應布燈方式。

現場施工平面布置方案，如圖6 所示。

圖6 現場施工平面布置方案

由圖6 可知，電力路燈照明項目所包含的項目信息為配電信息、電氣照明信息、繼電保護信息、電氣控制信息，從中隨機選擇各個信息數量為50 條、100 條、50 條、200 條。

4.2 實驗結果與分析

針對這些信息，分別使用基于分批估計法監控系統、基于加權平均法監控系統和基于多傳感融合系統對電力施工信息融合過程中的傳感信號波動情況進行對比分析，如圖7 所示。

圖7 3種系統傳感信號波動情況對比分析

圖7（a）配電信息：使用基于分批估計法監控系統、基于加權平均法監控系統在信息數量超過15 條后，受到干擾數據影響較大，傳感信號波動幅度較大，不具有規律性，而使用基于多傳感融合系統沒有受到干擾數據影響，傳感信號波動幅度具有規律性。

圖7（b）電氣照明信息：使用基于分批估計法監控系統、基于加權平均法監控系統一開始就受到干擾數據影響，傳感信號波動幅度較大，而使用基于多傳感融合系統沒有受到干擾數據影響，傳感信號波動幅度具有規律性。

圖7（c）繼電保護信息：使用兩種傳統系統在信息數量少于35 條時，受到干擾數據影響不大，在信息數量超過35 條后，受到干擾數據影響較大，而使用基于多傳感融合系統沒有受到干擾數據影響。

圖7（d）電氣控制信息：使用兩種傳統系統受到干擾數據影響小，而使用基于多傳感融合系統沒有受到干擾數據影響。

基于此，對比3 種系統信息融合監控的精準度，結果如表1 所示。

表1 3種系統信息融合監控精準度

由表1 可知，使用基于分批估計法監控系統、基于加權平均法監控系統監控精準度最高為0.76，最低為0.61，而使用基于多傳感融合系統監控精準度最高為0.99，最低為0.98，具有精準的監控效果。

5 結束語

針對目前電力系統數據重復投入、多層冗余的問題，提出了基于多層電力通用信息融合技術的不同融合層次的電力施工信息融合方法。在信息融合平臺的基礎上，設計了一種適用于地區電網的全局電壓無功優化系統，通過初步應用，證明了該系統的實用性。

盡管目前已進行了一定的專研，但在實際應用時，仍有一些問題有待深入研究：

1）要進一步提升系統自動化水平，增強實時采集和分析數據，識別和排除干擾信號的能力；

2）為提高故障診斷的準確率，應結合現有的行業經驗，制定一套國內統一的故障診斷標準；

3）系統會接收到大量同時到達的信號，由于阻塞會損失部分數據，所以需要建立可靠的模型，按優先級進行調度優化。