基于智慧電箱的電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

引言

當(dāng)前分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)等分布式系統(tǒng)的大量應(yīng)用,致使設(shè)備維護(hù)成本上升,偶發(fā)性故障恢復(fù)時(shí)間不及時(shí),實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)相比集中控制系統(tǒng)的成本大幅增加且時(shí)效性不強(qiáng)。因此,企業(yè)需要大量維護(hù)人員定期巡檢維護(hù)電力設(shè)備,以保障設(shè)備的正常運(yùn)行。對(duì)用電設(shè)備的周期性人工檢測(cè),在一定程度上減小了因電力系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的分布式系統(tǒng)異常的發(fā)生概率,但是需要耗費(fèi)大量的人力物力進(jìn)行電力設(shè)備的停電檢測(cè),并且在停電檢修過程中,分布式系統(tǒng)一般處于不工作狀態(tài),嚴(yán)重影響了分布式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。此外,斷電狀態(tài)下系統(tǒng)的各方面參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在較大的不一致性,很難對(duì)分布式系統(tǒng)的設(shè)備電力故障進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。有效檢測(cè)和診斷電力設(shè)備故障,提高電力設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行能力,保障電力網(wǎng)絡(luò)的暢通,研究電力設(shè)備的損傷檢測(cè)方法,對(duì)于保障電力設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。本文以智慧電箱為基礎(chǔ),運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析手段,提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)的電力設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以有效預(yù)測(cè)設(shè)備故障,提前進(jìn)行設(shè)備的檢修工作。

文獻(xiàn)提出了一種基于幅頻特性特征量的電力設(shè)備檢測(cè)方法,提高了電力設(shè)備檢測(cè)的準(zhǔn)確性,但是計(jì)算量較大,時(shí)效性不強(qiáng)。文獻(xiàn)介紹了基于改進(jìn)關(guān)聯(lián)規(guī)則特征分析方法的故障檢測(cè)方法,但是該方法在故障特征量的提取過程中,對(duì)原始數(shù)據(jù)的特征值損傷較大,誤差較高。文獻(xiàn)介紹了基于相空間重構(gòu)的電力設(shè)備損傷檢測(cè)模型,根據(jù)設(shè)備的損傷信號(hào)等形成一個(gè)信號(hào)波束,得到電力設(shè)備損傷信號(hào)的指向性特征,該方法同樣存在精度較差的問題。

1電力設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

電力設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為3層:設(shè)備端、服務(wù)器及PC端。智慧電箱作為設(shè)備端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,執(zhí)行分閘或合閘命令以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù):數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)智慧電箱上傳的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、顯示或轉(zhuǎn)發(fā)給主控室PC端:PC端用于對(duì)電箱進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和用電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。如圖1所示,本系統(tǒng)與網(wǎng)管型環(huán)網(wǎng)交換機(jī)結(jié)合后,利用光纖環(huán)形網(wǎng)絡(luò)建立比現(xiàn)在單向網(wǎng)絡(luò)更加安全的通信鏈路,不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)某一方向光纖斷連,造成設(shè)備數(shù)據(jù)丟失,且系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),如果單一方向光纖故障,設(shè)備會(huì)通過另外的數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)并報(bào)警,提示及時(shí)維護(hù)。

2智慧電箱

電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的功能基本為設(shè)備功能巡查以及監(jiān)

圖1網(wǎng)管型環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

控故障報(bào)警。根據(jù)數(shù)據(jù)分析,電弧火災(zāi)、控制器高溫死機(jī)、持續(xù)性電弧故障占電力設(shè)備故障的9成以上,其他還有線路故障、人為總閘斷電等人為故障?；诰W(wǎng)絡(luò)的電力設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以智慧電箱為基礎(chǔ),為設(shè)備提供動(dòng)力電源的同時(shí),實(shí)現(xiàn)設(shè)備用電狀態(tài)的在線監(jiān)控,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備電壓、電流、功率、溫濕度,實(shí)現(xiàn)電箱門控監(jiān)測(cè)以及遠(yuǎn)程合分閘、重啟設(shè)備等功能,大量節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。智慧電箱控制器預(yù)留接口,可以為用戶對(duì)接特定設(shè)備。在高速監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)房動(dòng)力環(huán)控系統(tǒng)、通信基站機(jī)房系統(tǒng)、森林防火系統(tǒng)等場(chǎng)景中應(yīng)用較為廣泛。

相較于傳統(tǒng)電箱,智慧電箱設(shè)計(jì)增加了主控器、操縱器、充電器和蓄電池4個(gè)功能模塊,以實(shí)現(xiàn)在斷電、跳閘等特殊情況下的遠(yuǎn)程監(jiān)控,如圖2所示。

圖2智慧電箱結(jié)構(gòu)

以智慧電箱作為網(wǎng)絡(luò)終端,實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的健康狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),不必為每個(gè)用電設(shè)備安裝電力故障監(jiān)測(cè)模塊,節(jié)約成本的同時(shí),模塊化的智慧電箱集成系統(tǒng)簡(jiǎn)化了安裝步驟,便于管理維護(hù)。如圖3所示,智慧電箱直接與分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)、分布式用電設(shè)備、設(shè)備信息采集終端連接,為設(shè)備提供電能的同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3電力設(shè)備故障的大數(shù)據(jù)分析

傳統(tǒng)方法中,對(duì)電力設(shè)備損傷的檢測(cè)方法主要有基于圖像處理技術(shù)的電力設(shè)備損傷檢測(cè)法、基于信號(hào)處理技術(shù)的電力設(shè)備損傷檢測(cè)法,以及基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的電力設(shè)備損傷檢測(cè)法等。上述兒種檢測(cè)故障方法主要是對(duì)電力設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的圖像信息、電磁干擾信號(hào)信息、電力載波信號(hào)等信息的綜合分析,最終確定用電設(shè)備的故障發(fā)生點(diǎn)、故障現(xiàn)象及原因。但是以上方法都存在誤判或錯(cuò)判現(xiàn)象,例如繼電器開合閘時(shí)產(chǎn)生的接觸電弧與設(shè)備故障時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào)特征量相似?；谏鲜鰡栴},對(duì)智慧電箱采集的設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理,根據(jù)設(shè)備用電特性來實(shí)時(shí)分析預(yù)測(cè)電力設(shè)備的健康狀態(tài)。

首先,對(duì)故障設(shè)備的電壓電流信號(hào)進(jìn)行采集,運(yùn)用小波分解技術(shù)對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行特征量提取,運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理。離散小波分解算法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行單層分解,提取高頻特征分量公式為:

式中,x(t）為原始采樣信號(hào),w(t）為小波母函數(shù)。

離散小波就是將小波母函數(shù)在時(shí)間尺度和縮放尺度上進(jìn)行二進(jìn)制處理,是一種可變頻率形狀的局部信號(hào)處理方法。小波分解過程如圖4所示。

圖4小波分解過程

然后,對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行n層分解,本文中主要采用db10小波對(duì)波形進(jìn)行單層分解,進(jìn)而提取出高頻分量。圖4中CAn為近似信號(hào),CDn為細(xì)節(jié)信號(hào),也就是高頻噪聲信號(hào)。對(duì)電力設(shè)備發(fā)生電弧故障時(shí)的電壓特征波形進(jìn)行單層分解后提取其高頻分量CD1,如圖5(b）所示,可以發(fā)現(xiàn)其頻率較高。對(duì)高頻分量幅值進(jìn)行絕對(duì)值積分:

最后,根據(jù)以上處理方法對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,形成數(shù)據(jù)組,運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘的方法進(jìn)行閾值整定。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理過程中不斷迭代更新。如圖5(c）所示,經(jīng)過20次數(shù)據(jù)迭代處理后,形成了正常數(shù)據(jù)集群和故障數(shù)據(jù)集群,兩個(gè)集群分界明顯,可以整定清晰的判斷閾值。

4結(jié)語

根據(jù)實(shí)驗(yàn)和仿真,以智慧電箱為基礎(chǔ)的電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)抗干擾強(qiáng)、環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)故障自動(dòng)檢測(cè)等特點(diǎn)。在數(shù)據(jù)服務(wù)器端,采用小波變換算法和大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行閾值整定,在電力設(shè)備故障檢測(cè)過程中具有準(zhǔn)確率高、檢測(cè)性能較好的特點(diǎn)。該方法在電力設(shè)備檢測(cè)過程中具有重要意義。