基于多传感融合的电力施工信息融合监控系统设计

李 鹏，周 蜜，苏建华，胡晓华，鲁 挺

（1.宁波送变电建设有限公司永耀科技分公司，浙江宁波 315000；2.国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，浙江 杭州 310009）

随着电网规模的不断扩大，电力系统已经成为广域大系统，具有高度复杂的结构和高阶非线性的模型，在足够满足系统安全性要求的前提下，新出现的问题是如何进行调度控制和决策，从而使电力系统能够在稳定、经济、高效的条件下运行[1]。

在电力施工信息融合监测中，过去是采用分批估算的方法，对获得的监测数据进行分批估算，采用批量处理方式，计算存在于某一批次中的数据平均值和方差，然后将该方法计算得到的结果添加到最终的计算公式中，得到的数据为最终数据融合值，从而保证监测结果更精确；通过加权平均法得到的数据同时间有一定关联，其自身的时间则是这些数据的权数，首先要得到上述所提数据的加权数据，再将得出的加权数据进行平均数计算，方便为日后进行数据走势的预测提供所需数据。

使用这两种系统与电网规模增长速度相比，仍然存在着一定问题。由于信息重复采集造成数据重复投入、多层冗余，从而产生边缘问题和具有一定偏差的控制决策，进而影响了监测结果。提出的基于多传感融合的电力施工信息融合监控系统设计，使得区域施工信息融合的准确性在很大程度上得到了提升。

1 系统总体架构

该系统的框架模式采用了B/S/S 多层技术，即符合J2SE1.5 和J2EE3.0 所需的规范要求，采用MVC 模式进行层次结构化业务处理，并控制相应的逻辑，同时可实现不同显示区域的分离，数据在非层间的传递全部通过XML 数据格式进行，通过基础服务的应用平台，达到对业务应用系统的运行、开发、管理和集成[2-3]。图1 为系统总体架构。

图1 系统总体架构

由图1 可知，该系统采用了服务组件架构，这是一种简化面向服务架构(SOA)应用程序开发和实现的新技术。借助SOA，可以更轻松地实现转换，可以更轻松地在系统设计中创建新的服务，或将现有的IT 资产转换为可再利用的服务。另外，不管使用哪种编程语言和运行平台，SOA 都为快速适应业务需求提供了统一这些服务的方法，这将大大降低应用程序开发的复杂性[4-6]。

2 系统硬件结构

硬件结构的每个监测节点都是数据源，是整个数据融合过程中监测传输设备状态的首要问题，也是整个系统实现的基础[7]。一个硬件结构由多个监控子节点和父节点组成，为了实现后期的数据融合，监控子节点可以为系统提供大量的数据，但是这个过程必须基于底层硬件系统，如图2 所示。

图2 硬件结构

如图2 所示，硬件设计采用ARMS (S3C2440)和STC90C516RD+作为主要控制芯片，其中位于系统底层子节点的主要控制芯片是STC90C516RD+，其主要作用是收集监控传感器控制子节点的参数，ARMS(S3C2440)作为父节点的主控芯片，其主要作用是收集和整合由多个子节点传输的数据，并对这些数据进行进一步处理，以实现数据融合为主；利用各个相关传感器采集底层数字信号，再通过无线传输模块实现数据的无线传输[8-10]。

2.1 主控芯片

通过对各子节点进行监控并且选择传感器后，考虑到硬件的配置以及实现成本等多方面综合原因，决定将STC90C516RD+作为子节点的主控芯片[11-12]。这类芯片是宏晶科技制造的单片机，其处理速率高、功耗低，如图3 所示。

图3 STC90C516RD+引脚分布

2.2 嵌入式网关

该系统为嵌入式实时操作系统，电路以ARM9为核心，采用S3C2440 处理器，其具备优良的兼容和扩展性，能够同现有的监控设备进行信息交互与融合[13]。监控子系统由多种传感器组成，一旦采集到终端设备的信息，一般仅保留数据的接收和转发功能，并以一个统一的嵌入式网关来完成所有数据的处理，减少了终端到主站点的信息处理环节，使系统的响应速度有所提高，从而减轻了各监控子系统的工作压力，减少了故障发生的可能性，同时便于系统的统一维护[14]。

2.3 自激式开关稳压电源

自激式开关稳压电源作为开关电源，它的组成电路是间歇振荡电路，如图4 所示。

图4 自激式开关稳压电源电路

由图4 可知，当R1接上电源时，为了使VT1 能够导通，为开关管VT1 提供启动电流，其集电极电流Ic在L1内呈线性变化趋势，L2内感应出正向反馈电压，使VT1 基极变为正极，而放电极变为负极，同时VT1能迅速饱和。在这个时候，C1被感应电压充电，当C1充电电压上升，VT1 基极的电位随之降低，导致VT1退出饱和区，Ic随之下降，在L2中感应到VT1 基极变为负压，发射极变为正压，使VT1 迅速断开，此时二极管VD1 导通，向负载释放初级绕组中的储能[15]。

当VT1 中断时，L2上没有感应电压，由DC 供电的输入电压由R1反向充电到C1，VT1 的基极电位逐渐增大，VT1 重新导通，再转至饱和状态，电路反复振荡。就像单端反激式开关电源一样，通过变压器T 的二次线圈输出传输给负载的电压。

3 系统软件功能设计

3.1 基于多传感融合数据的层次分析

多传感融合在数据处理层中有着不同层次，信息的融合处理在电子施工信息层上完成，使各分节点的监测结果更加精确。图5 显示了基于多传感融合数据的层次。

图5 基于多传感融合数据的层次

由图5 可知，每个局部融合中心在融合层根据不同的任务启动自定义融合方式，任务协调子系统对融合过程和结果进行控制；在不同的区域相关工作中，任务协调子系统主要负责共享所需数据，协调相应的通信，同时解决出现的冲突问题；全局融合中心的工作则是局部融合中心推理和决策的结果，并给出最终结果和决策方案[16]。其结果表现层为该信息发布子层，以不同的表现形式和友好的界面方式提供给用户，实际操作管理工作和决策的控制都由供电网络管理者来完成。

3.2 电力施工信息误差剔除

在基于多传感融合数据的层次分析结果下，使用狄克松准则剔除误差，具体步骤为：

设电子施工信息序列x(1),x(2),…x(n)顺序统计量服从正态分布，由此得到的最大值统计量为：

根据式（1）可得到统计量临界值，当统计结果rij大于统计量临界值时，则说明电子施工信息序列中含有误差。

最小值统计量计算公式为：

根据式（2）可得到统计量临界值，当统计结果rij小于统计量临界值时，则说明电子施工信息序列中含有误差。

为了剔除误差，需遵循以下原则：当电子施工信息小于7条时，使用r10统计结果，则没有误差；当电子施工信息不小于7 条且不大于10 条时，使用r11统计结果，则没有误差；当电子施工信息不小于11条且不大于13条时，使用r21统计结果，则没有误差；当电子施工信息不小于14条时，使用r22统计结果，则没有误差。

经过误差剔除后，电力施工信息组中信息总体变动并不会影响全部电力施工信息属性，有利于进行信息融合，避免误差干扰。

3.3 电力施工信息融合监控流程

面向电力施工企业业务需求，保证硬件结构独立运行的同时又相互联系，使系统具备基本监控功能。系统监控流程采用模块化设计，建成一个符合电力施工信息融合的平台，提供人机界面和应用程序。

在监控流程支持下，电力施工信息融合步骤如下：

step1：将剔除误差后的电力施工信息分成两组处理，分别为x11,x12,…,x1m和x21,x22,…,x2k,m≤4,k≤4；

step2：计算两组的平均值-X1和-X2；

step4：结合两组的平均值和标准方差进行计算，得到的融合结果为：

由式（5）可得到最终的融合结果，至此电力施工信息融合监控的设计与实现工作基本完成。

4 实 验

在基于多传感融合的电力施工信息融合监控系统设计过程中，调试工作是非常重要的，为此进行实验验证分析。

4.1 实验项目

以深圳市某区为期两个月的施工项目为例，该施工是以电力路灯照明为主，结合深圳市不同道路断面形式特点，设计相应布灯方式。

现场施工平面布置方案，如图6 所示。

图6 现场施工平面布置方案

由图6 可知，电力路灯照明项目所包含的项目信息为配电信息、电气照明信息、继电保护信息、电气控制信息，从中随机选择各个信息数量为50 条、100 条、50 条、200 条。

4.2 实验结果与分析

针对这些信息，分别使用基于分批估计法监控系统、基于加权平均法监控系统和基于多传感融合系统对电力施工信息融合过程中的传感信号波动情况进行对比分析，如图7 所示。

图7 3种系统传感信号波动情况对比分析

图7（a）配电信息：使用基于分批估计法监控系统、基于加权平均法监控系统在信息数量超过15 条后，受到干扰数据影响较大，传感信号波动幅度较大，不具有规律性，而使用基于多传感融合系统没有受到干扰数据影响，传感信号波动幅度具有规律性。

图7（b）电气照明信息：使用基于分批估计法监控系统、基于加权平均法监控系统一开始就受到干扰数据影响，传感信号波动幅度较大，而使用基于多传感融合系统没有受到干扰数据影响，传感信号波动幅度具有规律性。

图7（c）继电保护信息：使用两种传统系统在信息数量少于35 条时，受到干扰数据影响不大，在信息数量超过35 条后，受到干扰数据影响较大，而使用基于多传感融合系统没有受到干扰数据影响。

图7（d）电气控制信息：使用两种传统系统受到干扰数据影响小，而使用基于多传感融合系统没有受到干扰数据影响。

基于此，对比3 种系统信息融合监控的精准度，结果如表1 所示。

表1 3种系统信息融合监控精准度

由表1 可知，使用基于分批估计法监控系统、基于加权平均法监控系统监控精准度最高为0.76，最低为0.61，而使用基于多传感融合系统监控精准度最高为0.99，最低为0.98，具有精准的监控效果。

5 结束语

针对目前电力系统数据重复投入、多层冗余的问题，提出了基于多层电力通用信息融合技术的不同融合层次的电力施工信息融合方法。在信息融合平台的基础上，设计了一种适用于地区电网的全局电压无功优化系统，通过初步应用，证明了该系统的实用性。

尽管目前已进行了一定的专研，但在实际应用时，仍有一些问题有待深入研究：

1）要进一步提升系统自动化水平，增强实时采集和分析数据，识别和排除干扰信号的能力；

2）为提高故障诊断的准确率，应结合现有的行业经验，制定一套国内统一的故障诊断标准；

3）系统会接收到大量同时到达的信号，由于阻塞会损失部分数据，所以需要建立可靠的模型，按优先级进行调度优化。