基于便攜式智能傳感技術(shù)的配電設(shè)備監(jiān)測(cè)及預(yù)警研究

楊 帆，柯政亭，翁 蔚，江云輝，方 毅，張聰偉

(1.國(guó)網(wǎng)福建應(yīng)急中心，福建 福州 350003；2.國(guó)網(wǎng)信產(chǎn)集團(tuán)廈門億力吉奧信息科技有限公司，福建 廈門 361015)

通過(guò)對(duì)配電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可以了解每條輸電線路的具體情況，因此，配電設(shè)備的監(jiān)測(cè)和預(yù)警可以隨時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除此類安全隱患。目前，無(wú)線通信方式得到了廣泛的應(yīng)用，配電設(shè)備的無(wú)線接入機(jī)制具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如無(wú)須重新建立網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等，但也存在一些不足，如無(wú)法完全覆蓋偏遠(yuǎn)地區(qū)，后期網(wǎng)絡(luò)維護(hù)困難，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)預(yù)警效果較差等。

光纖傳感技術(shù)是便攜式智能傳感技術(shù)之一，該技術(shù)主要利用光纖材料的光敏性，使光纖在傳輸過(guò)程中在光纖管內(nèi)形成一條明亮的光柵路徑，即在光纖內(nèi)部形成一條狹長(zhǎng)的帶狀交錯(cuò)光波或反射光波。光纖布拉格光柵的光柵原理是利用兩個(gè)紫外光，在某些區(qū)域形成干涉條紋，在整個(gè)光纖中形成獨(dú)特的光柵路徑。它可以有效地監(jiān)測(cè)輸電線路的振動(dòng)頻率和覆蓋范圍，消除無(wú)線通信的缺點(diǎn)，對(duì)此，提出了基于便攜式智能傳感技術(shù)的配電設(shè)備監(jiān)測(cè)及預(yù)警方法。

1 基于光纖傳感技術(shù)的配電設(shè)備監(jiān)測(cè)

1.1 光纖光柵傳感原理

當(dāng)一束激光經(jīng)內(nèi)聚器射入單管模型光纖時(shí)，通過(guò)光纖光柵之后，就會(huì)返回一個(gè)固定的波長(zhǎng)，只有綠色波會(huì)有返回波長(zhǎng)，其余顏色的光都會(huì)出去。利用光譜調(diào)節(jié)儀對(duì)接收到的所有固定波長(zhǎng)進(jìn)行分析并總結(jié)規(guī)律，設(shè)經(jīng)過(guò)光纖光柵返回的固定波長(zhǎng)滿足式子=2。當(dāng)光纖所在環(huán)境的溫度和變光率發(fā)生改變時(shí)，光纖光柵周期和纖管內(nèi)部的折射率隨之發(fā)生變化，同時(shí)，反射波長(zhǎng)因?yàn)橥饨缫蛩氐母淖兌l(fā)生變化，即：

Δ=2Δ+2Δ

(1)

式(1)中，Δ表示溫度和變光率存在改變時(shí)，光柵周期的變化程度，Δ表示溫度和變光率存在改變時(shí)有效折射率的變化程度。導(dǎo)入光纖光柵周期，可以得到：

(2)

當(dāng)光纖光柵處于特定的溫度環(huán)境中，只受軸向心力的影響，對(duì)于最常見(jiàn)的石英石光纖來(lái)說(shuō)，光纖光柵的波長(zhǎng)變化量和軸向心力之間的關(guān)系為：

(3)

式(3)中，表示光纖光柵軸向心力變化量。

當(dāng)光纖光柵處在不受任何其他外力的非自然環(huán)境中，如果溫度Δ發(fā)生變化，那么光纖光柵的波長(zhǎng)變化量與溫度變化量之間關(guān)系可以用下式進(jìn)行描述：

(4)

式(4)中，表示光纖遇熱時(shí)的熱脹比例系數(shù)，表示光纖的光敏系數(shù)，光纖光柵的波長(zhǎng)隨著溫度的變化而變化，呈線性相關(guān)關(guān)系。

綜合上述可知，當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度和變光率都發(fā)生改變時(shí)，會(huì)對(duì)光柵周期造成影響，它們之間存在一些關(guān)聯(lián)，有效折射率也會(huì)發(fā)生一定程度的改變，不過(guò)它的變化率微乎其微，可以忽略。光柵周期和有效折射率的變化關(guān)系可以直接反映出反射波長(zhǎng)的變化。光纖光柵反射波長(zhǎng)與溫度和變光率之間的關(guān)系可以總結(jié)為：

(5)

從上述公式可以看出，光柵可以直接反映溫度和屈光度的變化，但當(dāng)溫度和屈光度同時(shí)變化并引起反射波長(zhǎng)的變化時(shí)，無(wú)法確定哪部分變化是由溫度變化引起的，哪部分變化是由屈光度變化引起的，因此，存在溫度應(yīng)力的交叉敏感性問(wèn)題。

1.2 解決光纖光柵傳感器溫度應(yīng)力交叉敏感問(wèn)題

在自然環(huán)境中，為了將光纖布拉格光柵傳感器應(yīng)用到實(shí)際生活中，必須解決交叉靈敏度問(wèn)題。本文采用了以下方法。雙波矩形陣列是最常用的方法，操作簡(jiǎn)單，由雙光柵、溫度(變光速)參考光柵等方法組成。雙光柵法的原理是使用兩個(gè)參數(shù)不一致的光纖光柵傳感器工作，公式如下所示：

(6)

通過(guò)上述計(jì)算得到兩個(gè)互相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，然后通過(guò)解聯(lián)立方程組的方法得到溫度和變光率的大小。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征提取

光纖傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地、連續(xù)不斷地采集數(shù)據(jù)，如果直接提取出整體數(shù)據(jù)，會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，所以要先應(yīng)用樣本關(guān)聯(lián)系數(shù)對(duì)最初的振動(dòng)時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行粗略提取，隨后把得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)節(jié)提取，這樣就可以完整、準(zhǔn)確地提出所需要的振動(dòng)信號(hào)，以分層提取的方式加快提取效率。

自相關(guān)系數(shù)的公式如下所示：

(7)

上述公式中，表示樣本關(guān)聯(lián)系數(shù)；表示在同一時(shí)間整個(gè)序列中的最大點(diǎn)的值；為該序列中總點(diǎn)數(shù)；表示在同一時(shí)間整個(gè)序列中各個(gè)點(diǎn)的平均值。

樣本關(guān)聯(lián)系數(shù)絕對(duì)值的大小表示信號(hào)在各個(gè)時(shí)期的關(guān)聯(lián)程度大小，根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)程度是最大的，信號(hào)與噪聲之間、噪聲與噪聲之間的關(guān)聯(lián)程度可小到可以忽略不計(jì)，因此，可以利用信號(hào)的樣本關(guān)聯(lián)關(guān)系數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行粗略的提取，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行細(xì)節(jié)提取。

支持向量機(jī)可以在高度空間中不斷學(xué)習(xí)尋找到一個(gè)最合理的超平面分類，其分類決策函數(shù)為:

()=sgn{∑(×)+}

(8)

式(8)中，()表示分類決定性函數(shù)；sgn表示；表示總樣本個(gè)數(shù)；表示相關(guān)函數(shù)種類；表示決定性系數(shù)；表示偏光度數(shù)。

基于上述過(guò)程能夠提取到詳細(xì)的信號(hào)，利用得到的信號(hào)進(jìn)行故障定位，過(guò)程如圖1所示。

圖1 配電設(shè)備故障定位過(guò)程

基于上述過(guò)程完成對(duì)配電設(shè)備的監(jiān)測(cè)，為了及時(shí)對(duì)配電設(shè)備檢測(cè)，將在下一步提出配電設(shè)備預(yù)警技術(shù)。

3 配電設(shè)備異常預(yù)警

利用上述過(guò)程獲得連續(xù)振動(dòng)信號(hào)片段，判定事件類型，依據(jù)判定結(jié)果對(duì)異常情況進(jìn)行預(yù)警。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)警，設(shè)定閾值，但是配電設(shè)備的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，容易受到外界因素變化影響，如果設(shè)定恒定閾值檢測(cè)設(shè)備故障，容易出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象。基于這個(gè)問(wèn)題，利用移動(dòng)加權(quán)平均算法設(shè)定自適應(yīng)閾值，出于對(duì)歷史數(shù)據(jù)的考慮，將當(dāng)前時(shí)刻統(tǒng)計(jì)量表示為：

=+(1-)-1

(9)

式(9)中，表示歷史故障預(yù)警參數(shù)對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響值，表示時(shí)段為止各個(gè)指標(biāo)對(duì)預(yù)警指標(biāo)的影響參數(shù)，表示加權(quán)平均參數(shù)。

統(tǒng)計(jì)量的期望值以及方差表示為：

(10)

將隨著設(shè)備故障變化的檢測(cè)閾值計(jì)算公式表示為：

=+

(11)

式(11)中，為監(jiān)測(cè)的正常數(shù)據(jù)值，為數(shù)據(jù)判斷參數(shù)，為第個(gè)信號(hào)的信號(hào)閾值。

觀察閾值的變化趨勢(shì)，如果得到的結(jié)果超過(guò)閾值，則認(rèn)為出現(xiàn)故障并作出預(yù)警，如果沒(méi)有超過(guò)，則認(rèn)為設(shè)備正常工作，將其表達(dá)式表示為：

(12)

式(12)中，表示正常，表示故障。

最后，設(shè)定警報(bào)級(jí)別，將各事件類型的原始分?jǐn)?shù)都設(shè)為0，采用上述過(guò)程識(shí)別異常情況，根據(jù)識(shí)別結(jié)果更改警報(bào)級(jí)別。即在一個(gè)特定的時(shí)間段內(nèi)發(fā)生故障事件，則增加這個(gè)事件分?jǐn)?shù)，為其賦予新的警報(bào)級(jí)別。

基于閾值的監(jiān)測(cè)預(yù)警過(guò)程如圖2所示。

圖2 配電設(shè)備預(yù)警過(guò)程

整個(gè)配電設(shè)備預(yù)警過(guò)程如上述內(nèi)容所示，在發(fā)生配電設(shè)備異常情況時(shí)，能夠觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，提醒工作人員及時(shí)查看，以此完成配電設(shè)備監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

4 實(shí)例分析

上述過(guò)程完成配電設(shè)備檢測(cè)及預(yù)警技術(shù)理論方法設(shè)計(jì)，在此過(guò)程中，將該方法應(yīng)用到實(shí)際的場(chǎng)景中，驗(yàn)證其在實(shí)際監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果。

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)以某單位380V配電系統(tǒng)埋地電纜為例，采用所設(shè)計(jì)的設(shè)備監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)該實(shí)驗(yàn)單位配電設(shè)備的電壓與電流。

為增加實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性，結(jié)合混合信號(hào)示波器采集線路出線端變電箱數(shù)據(jù)，獲得實(shí)際電壓與電流值，采集現(xiàn)場(chǎng)圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)圖

圖3中，測(cè)試裝置設(shè)定的采樣頻率為20 MHz，為保證采集數(shù)據(jù)精度，在2.5個(gè)工頻周期內(nèi)采集數(shù)據(jù)，總采樣點(diǎn)是100萬(wàn)個(gè)，且兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的間隔是50 ms。

4.2 配電設(shè)備監(jiān)測(cè)效果分析

采用此次研究的基于便攜式智能傳感技術(shù)的配電設(shè)備監(jiān)測(cè)及預(yù)警方法對(duì)測(cè)試裝置饋線電壓與電流波形監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)的結(jié)果與實(shí)際的監(jiān)測(cè)值對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 饋線電壓波形監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 饋線電流波形監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5中，本文所采用的監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)的電壓和電流波形與實(shí)際饋線電流波形相差較小，證明本文研究的方法能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)配電設(shè)備的電壓與電流狀態(tài)。

4.3 干擾狀態(tài)下配電設(shè)備監(jiān)測(cè)效果分析

由于配電設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中難免出現(xiàn)故障，為此設(shè)定在50s時(shí)出現(xiàn)故障，分析此次研究方法在出現(xiàn)故障后電壓與電流的監(jiān)測(cè)情況。分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 干擾狀態(tài)下電壓波形監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖7可以看出，在故障點(diǎn)附近，電壓和電流波形都會(huì)出現(xiàn)一定的震蕩，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的振蕩后，振蕩恢復(fù)正常，表明所研究方法可以監(jiān)測(cè)異常情況，而且在受到異常情況影響后，仍能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電壓與電流，由此證明所研究方法具備較好的監(jiān)測(cè)效果。

圖7 干擾狀態(tài)下電流波形監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于便攜式智能傳感技術(shù)的配電設(shè)備監(jiān)測(cè)及預(yù)警方法，驗(yàn)證了所研究的監(jiān)控和預(yù)警方法的有效性，可以在很大程度上減少故障的發(fā)生，保證電力安全，期望本文所研究的方法能在配電設(shè)備監(jiān)控與預(yù)警方面得到更多的應(yīng)用，為相關(guān)領(lǐng)域提供一些參考。