趙 旭

（國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司石家莊市鹿泉區(qū)供電分公司，河北 石家莊 050200）

0 引 言

利用多種互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)獲取各個(gè)電源的工作狀態(tài)和參數(shù)信息。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，能夠迅速作出響應(yīng)，并借助遠(yuǎn)程控制功能及時(shí)修復(fù)[1]。傳統(tǒng)方法通常依賴模擬信號(hào)檢測(cè)，然而這種方式容易受到外界干擾，進(jìn)而引發(fā)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題。在電力系統(tǒng)的監(jiān)控中，傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)傳輸速度相對(duì)較慢，難以實(shí)現(xiàn)電源的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控。更為關(guān)鍵的是，這些方法通常缺乏足夠的安全防護(hù)措施，容易受到外部攻擊和干擾，導(dǎo)致監(jiān)控結(jié)果難以達(dá)到預(yù)期效果[2]。因此，以變電站通信分布式直流電源遠(yuǎn)程監(jiān)控為研究對(duì)象，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)試與分析。

1 變電站通信分布式直流電源遠(yuǎn)程監(jiān)控

1.1 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取直流電源數(shù)據(jù)

針對(duì)變電站通信分布式直流電源，采用物聯(lián)網(wǎng)智能感知的方式，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)[3]。利用射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）標(biāo)簽提高數(shù)據(jù)采集速率，并通過傳感器節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，以多種報(bào)表形式展示直流屏的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)。直流電源設(shè)備通過RJ45 接口與智能無線通信設(shè)備相連，能夠?qū)闹绷鞴╇娫O(shè)備接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）數(shù)據(jù)包，經(jīng)過通用分組無線服務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）網(wǎng)絡(luò)傳遞給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心[4]。監(jiān)控中心通過分析歷史數(shù)據(jù)在特定場(chǎng)景中的特征約束，能夠求解出設(shè)備的約束節(jié)點(diǎn)。設(shè)定節(jié)點(diǎn)為P0，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換其坐標(biāo)，便可得到具體的誤差函數(shù)。通過計(jì)算前一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的偏移量，確定了轉(zhuǎn)換矩陣的中心位置。通過計(jì)算馬氏距離最小值，最小化偏移量結(jié)果。計(jì)算公式為

式中：λmin為馬氏距離最小值；e(·)為誤差函數(shù)；T(·)為轉(zhuǎn)換函數(shù)；ymin為最小偏移量。通過累積求和的方式對(duì)結(jié)果進(jìn)行近似展開，并得到多個(gè)列向量。隨后，將這些列向量進(jìn)行拼接，從而得到了具體的直流電源數(shù)據(jù)[5]。要想使用采集到的數(shù)據(jù)，必須對(duì)直流電源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗。在數(shù)據(jù)清洗過程中需要對(duì)異常值進(jìn)行處理，采用Z-score 方式，將超過一定閾值的直流電源值定義為異常值，并在數(shù)據(jù)清洗過程中去除這些超過閾值的異常值。計(jì)算公式為

式中：z為經(jīng)過超閾值去除處理后的數(shù)據(jù)；x為原始數(shù)據(jù)；μ為數(shù)據(jù)平均值；σ為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Z-score 的形式，將數(shù)據(jù)映射到標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布中進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將Z-score 轉(zhuǎn)換為原始數(shù)據(jù)量綱[6]。同時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理來消除數(shù)據(jù)中的噪聲問題，使得提取到的數(shù)據(jù)具有較高的純凈度。根據(jù)數(shù)據(jù)特性進(jìn)行分析，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行正則化處理。運(yùn)用最值的方式，將數(shù)據(jù)變換到[0,1]。消除不同量綱對(duì)數(shù)據(jù)分析的影響，使得數(shù)據(jù)之間具有可比性。最值的處理公式表示為

式中：xmin、xmax為數(shù)據(jù)中的最小值與最大值。

1.2 計(jì)算直流電源內(nèi)阻值

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集到的直流電源電壓和電流數(shù)據(jù)，可以用于計(jì)算電源的輸出電阻[7]。在監(jiān)測(cè)過程中，可通過分析蓄電池的內(nèi)阻值數(shù)據(jù)來評(píng)估其監(jiān)測(cè)效果。在理想情況下，設(shè)定蓄電池的內(nèi)阻為R，當(dāng)蓄電池的電池容量和內(nèi)阻呈線性關(guān)系時(shí)，可使用蓄電池內(nèi)阻的大小來判斷蓄電池正常運(yùn)行的狀態(tài)。在電池進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的過程中，由于離子濃度差所產(chǎn)生的內(nèi)阻相對(duì)較小，并且這種內(nèi)阻并不會(huì)隨著電流大小的變化而發(fā)生改變。在穩(wěn)壓電源的應(yīng)用中，可采用直流分組放電法計(jì)算蓄電池的內(nèi)阻值。為了消除充電器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，將整個(gè)電池組分成若干段，采用分時(shí)分段測(cè)量，通過比較各段內(nèi)的阻值來確定電池的電量變化趨勢(shì)。設(shè)定在放電過程中每個(gè)單體電池的電壓相等，根據(jù)歐姆定律，蓄電池內(nèi)阻的計(jì)算公式為

式中：ΔU為每個(gè)單體電池的電壓；I為放電電流。在實(shí)際應(yīng)用中，為了減小測(cè)量誤差，通常需要進(jìn)行多次測(cè)量并取平均值。在放電過程中，同時(shí)記錄每節(jié)電池的放電曲線，并確定其電壓降，每隔5 s 測(cè)量一次電池的內(nèi)阻。為了保持放電電流的恒定，采用恒流負(fù)載作為放電設(shè)備，確保即使電壓發(fā)生變化，放電電流也能保持穩(wěn)定。在某些特定情況下，負(fù)載能夠根據(jù)電池的電壓調(diào)整放電電流，從而有效利用電池能量。此外，通過精確控制溫度來防止電池在放電過程中出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，同時(shí)根據(jù)實(shí)際放電電流來進(jìn)行放電操作，避免電池?fù)p壞。

1.3 分布式直流電源遠(yuǎn)程監(jiān)控

結(jié)合蓄電池內(nèi)阻值的變化過程，對(duì)分布在各地的直流電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在蓄電池的整個(gè)生命周期中，內(nèi)阻值會(huì)隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸增加。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的內(nèi)阻值，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池性能的異常變化。當(dāng)內(nèi)阻值突然大幅度增加時(shí)，意味著電池內(nèi)部存在故障。因此，需要對(duì)分布式直流電源的故障問題進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。假設(shè)充電電流為Ia，由于蓄電池采用串聯(lián)連接方式，蓄電池單體自放電會(huì)產(chǎn)生一定的阻抗(R1+R2)，連接回路中的電壓值為

式中：R1為蓄電池自身的電阻；R2為單體阻抗。由于(R1+R2)能夠引起蓄電池單體電壓變化，將其作為放電阻抗的理論模型。在實(shí)際運(yùn)行中，變電站蓄電池組長(zhǎng)期運(yùn)行在浮充狀態(tài)，所以需要遠(yuǎn)程監(jiān)控單體電池的電壓不均衡問題。設(shè)定蓄電池的額定電壓為Uk，當(dāng)蓄電池出現(xiàn)過充現(xiàn)象時(shí)，其在浮充電狀態(tài)下會(huì)持續(xù)累積電荷，導(dǎo)致原本電壓較高的蓄電池電壓進(jìn)一步升高，而電壓較低的蓄電池電壓則不斷下降，從而形成一個(gè)惡性循環(huán)。為了有效管理這種情況，需要計(jì)算蓄電池的過充電壓。單體電壓值的計(jì)算公式為

式中：UT為參考電壓；Ra、Rb、Rc為充電電路的參數(shù)。計(jì)算電池的單體電壓值，并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)Ut＞Up時(shí)，表示分布式直流電源處于正常充電狀態(tài)；當(dāng)Ut≤Up時(shí)，表示分布式直流電源處于過充電狀態(tài)，需要立即斷開開關(guān)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境

設(shè)計(jì)變電站直流電源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用Microsoft Visual C++ 2008 軟件系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，實(shí)時(shí)顯示直流電源系統(tǒng)的主要參數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)獲得開關(guān)工作狀態(tài)。主處理器采用Cortex-M3 內(nèi)核，內(nèi)部擴(kuò)展總線采用高可靠性的現(xiàn)場(chǎng)總線，使得通信速率為1 Mb/s。將現(xiàn)場(chǎng)采集到的信息通過局部網(wǎng)（Local Area Network，LAN）接口傳輸?shù)椒?wù)器，可直接連接到光纖局域網(wǎng)。采用光耦發(fā)射器作為遠(yuǎn)程控制信號(hào)輸出，安置內(nèi)阻放電設(shè)備，通過采樣技術(shù)確保電流調(diào)節(jié)更加穩(wěn)定。具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置

在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上打開直流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，建立物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，將路由器和網(wǎng)關(guān)連接至互聯(lián)網(wǎng)，并配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，將分布式直流電源安裝在變電站內(nèi)的指定位置，并連接好電源線和數(shù)據(jù)線。通過RE414 接口將監(jiān)控模塊與分布式直流電源連接起來，確保電池處于正常工作狀態(tài)。

2.2 結(jié)果與分析

設(shè)置5 個(gè)電池組，并命名為A ～E。在開始實(shí)驗(yàn)之前，需要對(duì)電池進(jìn)行充電或放電預(yù)處理，使其能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。測(cè)試并記錄遠(yuǎn)程監(jiān)控過程中各個(gè)電池組的當(dāng)前內(nèi)阻值，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 內(nèi)阻值監(jiān)控結(jié)果

由圖1 可知，針對(duì)這5 個(gè)電池組，計(jì)算了監(jiān)測(cè)到的當(dāng)前內(nèi)阻值與出廠內(nèi)阻值之間的誤差，發(fā)現(xiàn)各個(gè)小組的內(nèi)阻值誤差均小于0.1%，這表明監(jiān)測(cè)達(dá)到了較高水平。說明運(yùn)用本文監(jiān)測(cè)方法能夠精確測(cè)量和監(jiān)控直流電源的內(nèi)阻值，實(shí)時(shí)反映內(nèi)阻值的變化情況。

為驗(yàn)證監(jiān)測(cè)方法的實(shí)用性，監(jiān)測(cè)分布式直流電源的放電容量。接入預(yù)定負(fù)載設(shè)備，啟動(dòng)放電；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流、電壓等關(guān)鍵參數(shù)，數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心；記錄電源狀態(tài)變化，放電至設(shè)定容量時(shí)結(jié)束，記錄電流、電壓值。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到電池組的電壓電流情況如表2 所示。

表2 電池組的電壓電流情況

由表2 可知，對(duì)5 個(gè)電池組的放電容量進(jìn)行計(jì)算，得到5 個(gè)小組的放電容量均在1.2 Ah，其結(jié)果與初始設(shè)定的放電容量結(jié)果一致。說明運(yùn)用本文監(jiān)測(cè)方法能夠達(dá)到較高的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。

綜上所述，本文運(yùn)用變電站通信分布式直流電源遠(yuǎn)程監(jiān)控方法，通過實(shí)時(shí)在線測(cè)量?jī)?nèi)阻以及實(shí)現(xiàn)電池電壓的遠(yuǎn)程均衡控制，使得各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足監(jiān)測(cè)要求。通過監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)用能夠預(yù)防分布式直流電源的過充，使得電源的電壓和容量值能夠處于均衡狀態(tài)。

3 結(jié) 論

本次研究從變電站通信分布式直流電源遠(yuǎn)程監(jiān)控入手，對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站通信分布式直流電源遠(yuǎn)程監(jiān)控進(jìn)行研究。通過應(yīng)用該監(jiān)控方法能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電源的工作狀態(tài)，對(duì)異常情況做出快速響應(yīng)，并通過遠(yuǎn)程控制進(jìn)行修復(fù)，有效減少了因設(shè)備故障導(dǎo)致的電力中斷事故。但是文章方法還存在不足，今后應(yīng)更加完善計(jì)算。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)獲取各個(gè)電源的工作狀態(tài)和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能管理。