基于多傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫成剛，張健，付慧敏，何之倬，魏欣悅

（國網(wǎng)上海青浦供電公司，上海 201799）

電力已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?，?dāng)前處于社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)期，電力安全問題時(shí)有發(fā)生。隨著消費(fèi)水平的提高，人們對電力供應(yīng)系統(tǒng)的要求越來越高。因此，提出了智慧供電保障系統(tǒng)，傳統(tǒng)供電保障系統(tǒng)的低效率性能已經(jīng)無法滿足人們的需求，人們追求更智能、更嚴(yán)格、更高效的電力保障系統(tǒng)[1-2]。

多傳感器具有強(qiáng)大的傳感能力，能夠很好地獲取研究目標(biāo)的傳感信息，并且處理獲取的傳感數(shù)據(jù)。因此，該文基于多傳感器設(shè)計(jì)了一種新的智慧供電保障系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由操作可視化模塊、配電自動化模塊以及電力數(shù)據(jù)終端監(jiān)測模塊三部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 操作可視化模塊

在基于多傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)硬件中，可視化必不可少。利用操作可視化模塊對圖表進(jìn)行處理，總結(jié)復(fù)雜的數(shù)據(jù)[3-5]。大數(shù)據(jù)的可視化操作可提供實(shí)時(shí)信息，及時(shí)解決電力風(fēng)險(xiǎn)，借助圖表完成數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)化工具的融合。操作可視化模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 操作可視化模塊結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2 可知，在可視化操作下，電力數(shù)據(jù)能夠更好地進(jìn)行分析、排序和顯示[6]。

1.2 配電自動化模塊

配電自動化模塊如圖3 所示。

圖3 配電自動化模塊

圖3 中，通過與相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的信息集成、收集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測、控制和快速隔離配電網(wǎng)故障，為配電管理系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持，提高了供電可靠性和安全性。通過快速故障處理，優(yōu)化了運(yùn)行模式，改善了供電質(zhì)量，提高了電網(wǎng)運(yùn)行效率和效益。配電自動化實(shí)際上是對電力數(shù)據(jù)的收集，并兼顧對突發(fā)電力故障的預(yù)測，優(yōu)化用電的運(yùn)營模式，做到既能省電，又能保障安全。自動化模式在很大程度上節(jié)省了人工費(fèi)用，大大提升了工作效率，省時(shí)又省力。

1.3 電力數(shù)據(jù)終端監(jiān)測模塊

電力數(shù)據(jù)終端監(jiān)測模塊如圖4 所示。

圖4 電力數(shù)據(jù)終端監(jiān)測模塊

通過無線傳輸方式，對輸電線路環(huán)境、通道、風(fēng)速、風(fēng)向、覆冰弧垂、絕緣污穢等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)時(shí)關(guān)注線路異常狀態(tài)并通過監(jiān)測線路的有效參數(shù)來實(shí)現(xiàn)預(yù)警。其中，故障監(jiān)測系統(tǒng)能對線路運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)電力線路發(fā)生短路故障、接地故障、過流和停機(jī)等故障時(shí)，將采集的特征數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂剖襕7-8]。電力數(shù)據(jù)終端監(jiān)測模塊相互協(xié)調(diào)配合，能更好地監(jiān)測到電力數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電力數(shù)據(jù)信息的采集以及分析能夠有效地對智慧供電線路進(jìn)行供電保障。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一旦采集到的電力數(shù)據(jù)不是真實(shí)數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)分析出現(xiàn)偏差，會導(dǎo)致危險(xiǎn)的供電線路不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，最終影響智慧供電保障系統(tǒng)的應(yīng)用效果[9-12]。

為了解決以上問題，調(diào)用函數(shù)完成電力數(shù)據(jù)的有效采集，利用數(shù)據(jù)?？臻g匹配的方式，分析智慧供電電力數(shù)據(jù)的運(yùn)行狀態(tài)。

在大型智能供電系統(tǒng)內(nèi)部，由于運(yùn)行資源的堵塞或者閑置，會導(dǎo)致智慧供電線路在工作過程中，完整的電力數(shù)據(jù)中某個(gè)字節(jié)段出現(xiàn)無效重疊冗余，或數(shù)據(jù)字節(jié)段的丟失，以上問題不會影響智能供電系統(tǒng)的供電工作，但是會影響其穩(wěn)定性。為了解決以上問題，該文在采集數(shù)據(jù)過程中調(diào)用OSInit（）函數(shù)對智能供電電力數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)修補(bǔ)，使采集到的智慧供電電力數(shù)據(jù)具有真實(shí)性，降低供電保障系統(tǒng)工作的計(jì)算量。保證OSInit（）函數(shù)的有效性，將基于多傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)軟件區(qū)域的數(shù)據(jù)采集區(qū)域分為數(shù)據(jù)處理區(qū)和數(shù)據(jù)傳送區(qū)，在數(shù)據(jù)處理區(qū)調(diào)用OSInit（）函數(shù)，處理后的電力數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳送區(qū)，等待數(shù)據(jù)的分析調(diào)用。

智慧供電線路內(nèi)的電力數(shù)據(jù)也按照一定順序產(chǎn)生，根據(jù)電力數(shù)據(jù)這一特性，利用電力數(shù)據(jù)產(chǎn)生的優(yōu)先級進(jìn)行電力數(shù)據(jù)棧空間的檢索匹配，有效分析智慧供電電力數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)。智慧供電線路內(nèi)電力數(shù)據(jù)產(chǎn)生的同時(shí)攜帶數(shù)據(jù)的?？臻g序列號，并且電力數(shù)據(jù)有效字節(jié)長度存在差異。不同電力數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)棧空間大小和字節(jié)長度不可能完全相同，但是有可能存在任意一個(gè)屬性量相同。因此，該文采用供電電力線路的兩個(gè)屬性共同驗(yàn)證，保證電力數(shù)據(jù)匹配的精度[13-14]。

通過電力線路的過零中斷模式控制處于異常狀態(tài)的電力數(shù)據(jù)。過零中斷處理方式的原理：當(dāng)供電線路有效運(yùn)行時(shí)，電壓波動達(dá)到50 Hz 時(shí)，便對智慧供電線路內(nèi)異常電壓進(jìn)行診斷。對供電線路過高或過低的電壓進(jìn)行多次過零中斷刺激后，電壓會逐步恢復(fù)，并且達(dá)到正常電壓值，實(shí)現(xiàn)智慧供電異常電力數(shù)據(jù)的控制[15-16]。

集成系統(tǒng)硬件區(qū)域的模塊以及軟件區(qū)域，基于多傳感器的智慧供電保證系統(tǒng)的工作流程如圖5 所示。

圖5 基于多傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)工作流程

首先，采集智慧供電線路中的電力數(shù)據(jù)，在傳遞智慧供電線路電力信息的同時(shí)，對電力信息進(jìn)行有效篩選，將無效的電力數(shù)據(jù)格式化處理。并調(diào)用基于多傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)終端監(jiān)測模塊，對智慧供電電力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；然后，調(diào)用系統(tǒng)硬件區(qū)域的多傳感器設(shè)備對采集的智慧供電線路有效電力數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)分析，一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)立即對供電源進(jìn)行控制；最后，調(diào)用基于多傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)硬件功能和軟件功能，完成智慧供電線路的保障處理。

3 實(shí)驗(yàn)分析

通過以上分析論證，完成了基于多傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。只有系統(tǒng)的性能達(dá)到了應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，才是真正地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。為此，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，完成系統(tǒng)性能的檢驗(yàn)。為了提高對比實(shí)驗(yàn)的可靠性，選擇基于電路控制的智慧供電保障系統(tǒng)和基于靈敏傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)作為測試的對照系統(tǒng)，共同完成實(shí)驗(yàn)。

選用某小區(qū)同一號樓不同的3 個(gè)單元供電任務(wù)作為測試樣本，在相同背景下，每個(gè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)前，隨機(jī)選擇系統(tǒng)對應(yīng)供電的單元樓，每個(gè)單元樓的層數(shù)和用戶量相同，保證測試的公平性。實(shí)驗(yàn)測試的時(shí)間為24 小時(shí)。在實(shí)驗(yàn)前，將3 個(gè)智慧供電保障系統(tǒng)的一端接入不同單元智慧供電線路內(nèi)，另一端連接計(jì)算機(jī)和供電效率測試儀，實(shí)時(shí)記錄測試過程中每個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，為實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)預(yù)處理操作完成后，同一時(shí)間觸發(fā)3 個(gè)智慧供電保障系統(tǒng)。24 小時(shí)后終止實(shí)驗(yàn)，停止數(shù)據(jù)記錄，將3 個(gè)保障系統(tǒng)在小區(qū)供電中心進(jìn)行安全撤銷，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 智慧供電保障系統(tǒng)運(yùn)行速率結(jié)果

按照以上流程完成實(shí)驗(yàn)后，得到以下結(jié)論：

1）在有效實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，該文設(shè)計(jì)的基于多傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)無論在用電繁忙時(shí)間段、用電閑置時(shí)間段還是深夜時(shí)間段，運(yùn)行速率最低達(dá)到了490 bit/s，最高則達(dá)到了512 bit/s。然而基于電路控制的智慧供電保障系統(tǒng)在以上3 個(gè)時(shí)間段的運(yùn)行速率方差極大，運(yùn)行速率最低為210 bit/s，最高為370 bit/s，供電不穩(wěn)定；基于靈敏傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)在以上3 個(gè)時(shí)間段中，深夜時(shí)間段和用電空閑時(shí)間段運(yùn)行速率可以勉強(qiáng)達(dá)到運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，但是在用電繁忙時(shí)間段，系統(tǒng)的運(yùn)行速率降低到410 bit/s，影響系統(tǒng)應(yīng)用效果，降低了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

該文設(shè)計(jì)的基于多傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)的硬件區(qū)域集成了靈敏傳感器、溫度傳感器以及電壓傳感器的優(yōu)點(diǎn)，使智慧供電保障系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行速率。所以，基于多傳感器的智能供電保障系統(tǒng)的運(yùn)行效率比基于靈敏傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)的運(yùn)行效率高。智慧供電保障效率結(jié)果圖如圖7所示。

2）分析圖7 可以看出，在實(shí)驗(yàn)測試的24 小時(shí)內(nèi)，基于多傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)應(yīng)用單元樓的供電效率波動狀態(tài)較為穩(wěn)定，平均供電效率可以達(dá)到98.4%；基于電路控制的智慧供電保障系統(tǒng)的供電效率波動較大，平均供電效率為78.4%；基于靈敏傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)的供電效率波動幅度雖然小于基于電路控制的智慧供電保障系統(tǒng)，但是波動幅度也大于該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，平均供電效率為87.4%。

基于多傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)在對智能供電線路進(jìn)行保障的過程中，通過軟件對供電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，時(shí)刻監(jiān)控供電線路中的電力數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會調(diào)用可視化模塊和配電自動化模塊進(jìn)行電力數(shù)據(jù)的控制，快速恢復(fù)智慧供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)證明了該文設(shè)計(jì)的基于多傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)可以有效地提高智慧供電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和運(yùn)行穩(wěn)定性，具有一定可行性。

4 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)用電安全，該文提出了基于多傳感器的智慧供電保障系統(tǒng)，在智慧供電保障系統(tǒng)硬件區(qū)域和軟件區(qū)域中分別突破傳統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。縱觀智慧供電線路的發(fā)展趨勢，對于供電線路的保障問題，不僅要關(guān)注智慧供電保障系統(tǒng)，還要注意對供電線路的日常維護(hù)和線路使用有效周期，從多個(gè)角度出發(fā)，才可以保證智慧供電系統(tǒng)運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性，保證安全供電。