高昇宇，劉海峰，朱孟周，宋思齊

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，南京210005；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司，長(zhǎng)沙410007；3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，南京211103；4.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京210000）

隨著智能配電網(wǎng)建設(shè)的不斷加速，智能化設(shè)備需求的不斷增大，傳統(tǒng)意義上的一二次設(shè)備已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)前電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的需求，一二次融合配電開(kāi)關(guān)逐漸躍入了人們的視野。兩者加速融合打破了電力設(shè)備市場(chǎng)現(xiàn)有格局，對(duì)二次設(shè)備運(yùn)行可靠性提出更高要求[1]。目前的配電網(wǎng)一二次設(shè)備融合是近年來(lái)配電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、集成化發(fā)展的趨勢(shì)。配電網(wǎng)一二次融合設(shè)備采取從一次和二次設(shè)備進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、整體招標(biāo)的方式來(lái)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，和傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜與終端結(jié)合方式相比，解決了一二次設(shè)備之間的配合問(wèn)題以及減少了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員的協(xié)調(diào)工作量[2]。

由于一二次融合配電開(kāi)關(guān)采用了傳感器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量、保護(hù)、計(jì)量功能。其具有體積小、可消除鐵磁諧振、采樣線性度好、采樣范圍大、節(jié)省資源等優(yōu)點(diǎn)。但是一二次融合配電開(kāi)關(guān)在復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)行情況難以衡量[3]。尤其是在配電開(kāi)關(guān)一二次設(shè)備融合之后，在諸如強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、電磁波、高溫、高熱、風(fēng)暴等各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況下，二次設(shè)備的可靠運(yùn)行情況就很難把握，這對(duì)于配電網(wǎng)能否正常運(yùn)行具有重要的意義[4]。

1 測(cè)試系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本研究將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPRS 通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)融合在一起，設(shè)計(jì)出新型的一二次融合配電開(kāi)關(guān)運(yùn)行檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)變電站內(nèi)高壓開(kāi)關(guān)、變壓器等主要設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)控。測(cè)試系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)Fig.1 Overall scheme design of the test system

該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)分析層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層。在應(yīng)用時(shí)，數(shù)據(jù)感知層通過(guò)設(shè)置檢測(cè)裝置或者傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息采集，信息采集部分采用傳感器電路/設(shè)備對(duì)一二次融合配電開(kāi)關(guān)的運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)其運(yùn)行的環(huán)境情況以及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)[5]。也可以采用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或者RFID 視頻識(shí)別裝置、GPS 定位裝置、紅外線感應(yīng)裝置等，通過(guò)底層設(shè)備感知，獲取底層設(shè)備信息。通過(guò)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠廣泛地感知各種一二次配電開(kāi)關(guān)的信息。通過(guò)在一二次配電開(kāi)關(guān)設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備以及多種傳感器，使得每個(gè)傳感器都能從不同角度捕獲一二次配電開(kāi)關(guān)的信息，由于傳感器感知到的數(shù)據(jù)信息具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，通過(guò)其感知的一二次配電開(kāi)關(guān)能夠按照一定的頻率循環(huán)不斷地采集一二次配電開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)采集[6]。

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取數(shù)據(jù)信息之后，然后在數(shù)據(jù)傳輸層采用基于ZigBee 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建配電網(wǎng)設(shè)備中的環(huán)境內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，使得各個(gè)不同的一二次融合配電開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)能夠通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)[7]。數(shù)據(jù)檢測(cè)類(lèi)型為檢測(cè)一二次融合后配電開(kāi)關(guān)的電壓、電流、磁場(chǎng)、溫度等參數(shù)，通過(guò)感知這些數(shù)據(jù)信息，獲取配電開(kāi)關(guān)的運(yùn)行情況。然后在數(shù)據(jù)傳輸層中將獲取的一二次融合后配電開(kāi)關(guān)信息傳遞到上層結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理[8]。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 一二次融合配電開(kāi)關(guān)采樣原理

下面通過(guò)設(shè)計(jì)傳感器電路對(duì)運(yùn)行中的一二次融合配電開(kāi)關(guān)進(jìn)行采樣。采樣電路包括電壓傳感器、電流傳感器、饋線終端（FTU）、線損采集模塊等，通過(guò)該電路實(shí)現(xiàn)電流和電壓的感知[9]。其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 一二次融合配電開(kāi)關(guān)采樣原理圖Fig.2 Sampling schematic diagram of primary and secondary fusion distribution switch

該電路在工作時(shí)，通過(guò)電壓傳感器采集一二次融合配電開(kāi)關(guān)的電壓信息，通過(guò)電流傳感器采集一二次融合配電開(kāi)關(guān)的電流信息，一二次融合配電開(kāi)關(guān)將或者的電阻分壓式電壓傳感器和600 A/1 V 的低功耗電流傳感器集成在其本體上，這些信息通過(guò)航插線的方式傳遞到FTU設(shè)備[10]，F(xiàn)TU 設(shè)備能夠?qū)⒉杉揭欢稳诤吓潆婇_(kāi)關(guān)運(yùn)行電壓信息計(jì)算電壓值，再采集電流值，以同樣的方式進(jìn)行。在評(píng)價(jià)磁波、溫度、熱量等參數(shù)時(shí)，可以在電路中接入磁場(chǎng)傳感器、溫度傳感器、熱量傳感器等不同的傳感器類(lèi)型，通過(guò)各種不同的傳感器類(lèi)型傳遞不同的數(shù)據(jù)，進(jìn)而全面地評(píng)價(jià)一二次融合配電開(kāi)關(guān)的運(yùn)行狀況[11]。在工作過(guò)程中，還采用了運(yùn)維App，其具有獨(dú)立的物理端口，能夠有效地保障維護(hù)功能，并且與核心業(yè)務(wù)進(jìn)行安全隔離。該采集系統(tǒng)還支持運(yùn)維端口工作，能夠在HTTPS-443、TFTP-69 等端口在運(yùn)行時(shí)，在默認(rèn)情況下是關(guān)閉狀態(tài)。該采集終端僅僅在運(yùn)維特定條件下，能夠開(kāi)放地兼容國(guó)網(wǎng)/南網(wǎng)數(shù)字證書(shū)的雙向身份認(rèn)證以及芯片加密功能[12]。

2.2 數(shù)據(jù)融合方法

由于一二次融合配電開(kāi)關(guān)運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，如果考察其運(yùn)行狀態(tài)的多個(gè)參數(shù)，則需要設(shè)置不同種類(lèi)的傳感器，在多個(gè)傳感器并行工作的情況下，難以精確獲取其數(shù)據(jù)。本研究引用一種自適應(yīng)加權(quán)融合算法，即在各種不同數(shù)據(jù)總均方差最小的情況下，按照各個(gè)傳感器感知的數(shù)據(jù)測(cè)量值，通過(guò)自適應(yīng)的方式搜索出不同傳感器所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)加權(quán)算子，使數(shù)據(jù)搜索結(jié)果達(dá)到最優(yōu)解[13]，數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、各種不同的傳感器組件、信號(hào)調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、微處理器及電源模塊。通過(guò)各種傳感器感測(cè)的不同數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取均方值誤差期望值比較小的數(shù)據(jù)融合值。傳感器通過(guò)RS485 總線接口與SEEDVPM642 開(kāi)發(fā)平臺(tái)中的RS485 串口連接[14]。

在數(shù)據(jù)融合計(jì)算時(shí)，首先建立自適應(yīng)加權(quán)融合算法模型，該算法模型如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the system structure of data fusion

圖4 自適應(yīng)加權(quán)融合算法模型Fig.4 Adaptive weighted fusion algorithm model

基于上述數(shù)據(jù)模型，可以對(duì)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析。在上述數(shù)據(jù)模型中，假設(shè)第i 個(gè)傳感器傳感的數(shù)據(jù)方差記作σi，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后的輸出數(shù)據(jù)記作Xi，加權(quán)算子記作Wi，其中i 的值為1-n，設(shè)置好數(shù)據(jù)后，則融合后的X 數(shù)值與加權(quán)算子之間的計(jì)算關(guān)系[15]，能夠滿(mǎn)足：

則在計(jì)算總方差時(shí)，則有：

式中：?表示總方差；E 表示方差。由于X1、X2，Xn之間互相獨(dú)立，并且該數(shù)據(jù)是X 的無(wú)偏估計(jì)，所以通過(guò)方差計(jì)算，能夠減少數(shù)據(jù)融合計(jì)算的誤差[16]。則有：

式中：（p≠q，p=1，2，3，……，n；q=1，2，3，……，n）；

每種不同的傳感器的加權(quán)算子可以表示為

利用式（5）能夠計(jì)算輸出各個(gè)傳感器的最優(yōu)加權(quán)算子，然后結(jié)合具體工作的實(shí)際測(cè)量值，通過(guò)式（1）可以計(jì)算出數(shù)據(jù)融合后的最優(yōu)值[17]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在試驗(yàn)時(shí)采用SEED-VPM642 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，與感測(cè)傳感器之間通過(guò)Modbus 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中每480 ms 內(nèi)獲取一組傳感器數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)圖像傳感器感測(cè)一二次融合配電開(kāi)關(guān)的運(yùn)行信息[18]。在圖像傳感器中，還設(shè)置了視頻解碼器TVP5150 芯片，視頻解碼器TVP5150 芯片與DM642 連接，通過(guò)DM642 能夠每隔160 ms 通過(guò)TVP5150 芯片來(lái)采集一幀又一幀的圖像，然后再完成圖像參數(shù)的計(jì)算，利用磁場(chǎng)傳感器、溫度傳感器實(shí)現(xiàn)電路設(shè)備中磁場(chǎng)和溫度的檢測(cè)，多角度地反映一二次融合配電開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)信息[19]。

在試驗(yàn)時(shí)，分別采用3 組互不相關(guān)的零的均值白噪聲數(shù)據(jù)來(lái)模擬上述3 個(gè)傳感器感測(cè)出的數(shù)據(jù)誤差數(shù)據(jù)。取真值為X=1，先取3 組白噪聲的方差分別為0.06、0.11、0.40，將真值X 與白噪聲數(shù)據(jù)一次相加，即可模擬出3 組傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。然后按照上述的自適應(yīng)加權(quán)融合估計(jì)算法對(duì)3 個(gè)不同的傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算[20]。輸出自適應(yīng)加權(quán)估計(jì)的輸出曲線如圖5所示。

圖5 自適應(yīng)加權(quán)估計(jì)的輸出曲線Fig.5 Output curve of adaptive weighted estimation

然后再直接對(duì)3 個(gè)傳感器進(jìn)行平均值估計(jì)，再繪出這3 個(gè)傳感器分別對(duì)應(yīng)的權(quán)值分布曲線，如圖6所示。

圖6 不同傳感器的權(quán)值分布圖Fig.6 Weight distribution of different sensors

當(dāng)傳感器發(fā)生故障時(shí)，此時(shí)，如果利用傳統(tǒng)的均值計(jì)算方法則很難得出的結(jié)論。因?yàn)楣收系拇嬖?，?huì)在輸出信號(hào)中出現(xiàn)很大的震蕩現(xiàn)象，這對(duì)于估計(jì)測(cè)量值造成很大的困難[21]。本文提出的融合算法就發(fā)揮出重要的作用，該算法具有較強(qiáng)的容錯(cuò)特性，其輸出值能夠很好地收斂于真值，故障發(fā)生時(shí)的融合曲線如圖7所示，傳感器發(fā)生故障時(shí)的權(quán)值分布曲線如圖8所示。

圖7 傳感器發(fā)生故障時(shí)的融合曲線Fig.7 Fusion curve when the sensor fails

圖8 傳感器發(fā)生故障時(shí)的權(quán)值分布曲線Fig.8 Weight distribution curve when the sensor fails

通過(guò)上述曲線可以看出，方差為0.11 的故障傳感器的測(cè)量值權(quán)值比較小，基本接近于0 值，這說(shuō)明，采用該權(quán)值估計(jì)，算法比較準(zhǔn)確，在傳感器應(yīng)用中，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)正確性和容錯(cuò)性能。通過(guò)上述測(cè)試，本研究在未知傳感器感測(cè)數(shù)據(jù)先驗(yàn)信息的條件下，能夠從包括有觀測(cè)噪聲的數(shù)量測(cè)量信息中獲取估計(jì)量的最小均方誤差值[22]。本研究的方法將傳感器的均方誤差、測(cè)量精度等信息進(jìn)行了融合處理，能夠使用戶(hù)快速、精確地獲取信息真值，大大提高了信息檢測(cè)的精度，進(jìn)而擴(kuò)展了數(shù)據(jù)觀測(cè)的范圍，提高了一二次融合配電開(kāi)關(guān)的工作測(cè)試性能。

4 結(jié)語(yǔ)

一二次融合的智能集成開(kāi)關(guān)對(duì)于配電網(wǎng)的正常運(yùn)行具有重要的意義，通過(guò)對(duì)一二次融合智能集成開(kāi)關(guān)運(yùn)行情況的測(cè)試，能夠快速提高智能開(kāi)關(guān)對(duì)配電網(wǎng)的故障的感知能力、精準(zhǔn)定位和自動(dòng)隔離的能力，其可靠性測(cè)試也是至關(guān)重要的一環(huán)[23-24]。本研究設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)能夠增加一二次融合配電開(kāi)關(guān)運(yùn)行的可靠性監(jiān)測(cè)，用戶(hù)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控一二次融合配電開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)融合算法實(shí)現(xiàn)多種傳感器數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析與處理，為保證配電網(wǎng)的正常運(yùn)行提供有力的技術(shù)保障，也為配電網(wǎng)技術(shù)的下一步研究給出重要技術(shù)支撐。