一二次融合配电开关物联网测试系统

高昇宇，刘海峰，朱孟周，宋思齐

（1.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，南京210005；2.国网湖南省电力有限公司，长沙410007；3.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，南京211103；4.国网江苏省电力有限公司，南京210000）

随着智能配电网建设的不断加速，智能化设备需求的不断增大，传统意义上的一二次设备已经不能满足当前电网技术发展的需求，一二次融合配电开关逐渐跃入了人们的视野。两者加速融合打破了电力设备市场现有格局，对二次设备运行可靠性提出更高要求[1]。目前的配电网一二次设备融合是近年来配电设备标准化、集成化发展的趋势。配电网一二次融合设备采取从一次和二次设备进行整体设计、整体招标的方式来应用于现场，和传统的环网柜与终端结合方式相比，解决了一二次设备之间的配合问题以及减少了现场调试人员的协调工作量[2]。

由于一二次融合配电开关采用了传感器技术来实现测量、保护、计量功能。其具有体积小、可消除铁磁谐振、采样线性度好、采样范围大、节省资源等优点。但是一二次融合配电开关在复杂环境中运行情况难以衡量[3]。尤其是在配电开关一二次设备融合之后，在诸如强电场、强磁场、电磁波、高温、高热、风暴等各种现场环境状况下，二次设备的可靠运行情况就很难把握，这对于配电网能否正常运行具有重要的意义[4]。

1 测试系统总体方案设计

本研究将无线传感器网络技术、GPRS 通信技术、传感器技术、检测技术融合在一起，设计出新型的一二次融合配电开关运行检测系统，对变电站内高压开关、变压器等主要设备进行实时在线远程监控。测试系统方案如图1所示。

图1 测试系统整体方案设计Fig.1 Overall scheme design of the test system

该系统主要包括数据采集层、数据传输层、数据处理层、数据分析层和数据应用层。在应用时，数据感知层通过设置检测装置或者传感器技术实现数据的信息采集，信息采集部分采用传感器电路/设备对一二次融合配电开关的运行情况进行数据采集，对其运行的环境情况以及运行参数进行检测[5]。也可以采用物联网设备或者RFID 视频识别装置、GPS 定位装置、红外线感应装置等，通过底层设备感知，获取底层设备信息。通过采用物联网技术，能够广泛地感知各种一二次配电开关的信息。通过在一二次配电开关设置物联网感知设备以及多种传感器，使得每个传感器都能从不同角度捕获一二次配电开关的信息，由于传感器感知到的数据信息具有实时性的特点，通过其感知的一二次配电开关能够按照一定的频率循环不断地采集一二次配电开关的数据信息，实现实时在线数据采集[6]。

通过物联网技术获取数据信息之后，然后在数据传输层采用基于ZigBee 的无线传感器网络技术构建配电网设备中的环境内部网络，使得各个不同的一二次融合配电开关监测节点的采集数据能够通过路由节点向汇聚节点传输数据[7]。数据检测类型为检测一二次融合后配电开关的电压、电流、磁场、温度等参数，通过感知这些数据信息，获取配电开关的运行情况。然后在数据传输层中将获取的一二次融合后配电开关信息传递到上层结构进行处理[8]。

2 关键技术设计

2.1 一二次融合配电开关采样原理

下面通过设计传感器电路对运行中的一二次融合配电开关进行采样。采样电路包括电压传感器、电流传感器、馈线终端（FTU）、线损采集模块等，通过该电路实现电流和电压的感知[9]。其电路结构如图2所示。

图2 一二次融合配电开关采样原理图Fig.2 Sampling schematic diagram of primary and secondary fusion distribution switch

该电路在工作时，通过电压传感器采集一二次融合配电开关的电压信息，通过电流传感器采集一二次融合配电开关的电流信息，一二次融合配电开关将或者的电阻分压式电压传感器和600 A/1 V 的低功耗电流传感器集成在其本体上，这些信息通过航插线的方式传递到FTU设备[10]，FTU 设备能够将采集到一二次融合配电开关运行电压信息计算电压值，再采集电流值，以同样的方式进行。在评价磁波、温度、热量等参数时，可以在电路中接入磁场传感器、温度传感器、热量传感器等不同的传感器类型，通过各种不同的传感器类型传递不同的数据，进而全面地评价一二次融合配电开关的运行状况[11]。在工作过程中，还采用了运维App，其具有独立的物理端口，能够有效地保障维护功能，并且与核心业务进行安全隔离。该采集系统还支持运维端口工作，能够在HTTPS-443、TFTP-69 等端口在运行时，在默认情况下是关闭状态。该采集终端仅仅在运维特定条件下，能够开放地兼容国网/南网数字证书的双向身份认证以及芯片加密功能[12]。

2.2 数据融合方法

由于一二次融合配电开关运行环境的复杂性，如果考察其运行状态的多个参数，则需要设置不同种类的传感器，在多个传感器并行工作的情况下，难以精确获取其数据。本研究引用一种自适应加权融合算法，即在各种不同数据总均方差最小的情况下，按照各个传感器感知的数据测量值，通过自适应的方式搜索出不同传感器所对应的最优加权算子，使数据搜索结果达到最优解[13]，数据融合的系统结构如图3所示，其包括无线传感器网络节点、各种不同的传感器组件、信号调理电路、A/D 转换模块、微处理器及电源模块。通过各种传感器感测的不同数据，进而获取均方值误差期望值比较小的数据融合值。传感器通过RS485 总线接口与SEEDVPM642 开发平台中的RS485 串口连接[14]。

在数据融合计算时，首先建立自适应加权融合算法模型，该算法模型如图4所示。

图3 数据融合的系统结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the system structure of data fusion

图4 自适应加权融合算法模型Fig.4 Adaptive weighted fusion algorithm model

基于上述数据模型，可以对多个传感器数据进行融合分析。在上述数据模型中，假设第i 个传感器传感的数据方差记作σi，对其数据进行融合后的输出数据记作Xi，加权算子记作Wi，其中i 的值为1-n，设置好数据后，则融合后的X 数值与加权算子之间的计算关系[15]，能够满足：

则在计算总方差时，则有：

式中：∂表示总方差；E 表示方差。由于X1、X2，Xn之间互相独立，并且该数据是X 的无偏估计，所以通过方差计算，能够减少数据融合计算的误差[16]。则有：

式中：（p≠q，p=1，2，3，……，n；q=1，2，3，……，n）；

每种不同的传感器的加权算子可以表示为

利用式（5）能够计算输出各个传感器的最优加权算子，然后结合具体工作的实际测量值，通过式（1）可以计算出数据融合后的最优值[17]。

3 试验结果与分析

在试验时采用SEED-VPM642 开发平台，与感测传感器之间通过Modbus 协议进行数据通信，其中每480 ms 内获取一组传感器数据。在试验时，通过图像传感器感测一二次融合配电开关的运行信息[18]。在图像传感器中，还设置了视频解码器TVP5150 芯片，视频解码器TVP5150 芯片与DM642 连接，通过DM642 能够每隔160 ms 通过TVP5150 芯片来采集一帧又一帧的图像，然后再完成图像参数的计算，利用磁场传感器、温度传感器实现电路设备中磁场和温度的检测，多角度地反映一二次融合配电开关的数据信息[19]。

在试验时，分别采用3 组互不相关的零的均值白噪声数据来模拟上述3 个传感器感测出的数据误差数据。取真值为X=1，先取3 组白噪声的方差分别为0.06、0.11、0.40，将真值X 与白噪声数据一次相加，即可模拟出3 组传感器的测量数据。然后按照上述的自适应加权融合估计算法对3 个不同的传感器测量的数据进行融合计算[20]。输出自适应加权估计的输出曲线如图5所示。

图5 自适应加权估计的输出曲线Fig.5 Output curve of adaptive weighted estimation

然后再直接对3 个传感器进行平均值估计，再绘出这3 个传感器分别对应的权值分布曲线，如图6所示。

图6 不同传感器的权值分布图Fig.6 Weight distribution of different sensors

当传感器发生故障时，此时，如果利用传统的均值计算方法则很难得出的结论。因为故障的存在，会在输出信号中出现很大的震荡现象，这对于估计测量值造成很大的困难[21]。本文提出的融合算法就发挥出重要的作用，该算法具有较强的容错特性，其输出值能够很好地收敛于真值，故障发生时的融合曲线如图7所示，传感器发生故障时的权值分布曲线如图8所示。

图7 传感器发生故障时的融合曲线Fig.7 Fusion curve when the sensor fails

图8 传感器发生故障时的权值分布曲线Fig.8 Weight distribution curve when the sensor fails

通过上述曲线可以看出，方差为0.11 的故障传感器的测量值权值比较小，基本接近于0 值，这说明，采用该权值估计，算法比较准确，在传感器应用中，具有较强的数据正确性和容错性能。通过上述测试，本研究在未知传感器感测数据先验信息的条件下，能够从包括有观测噪声的数量测量信息中获取估计量的最小均方误差值[22]。本研究的方法将传感器的均方误差、测量精度等信息进行了融合处理，能够使用户快速、精确地获取信息真值，大大提高了信息检测的精度，进而扩展了数据观测的范围，提高了一二次融合配电开关的工作测试性能。

4 结语

一二次融合的智能集成开关对于配电网的正常运行具有重要的意义，通过对一二次融合智能集成开关运行情况的测试，能够快速提高智能开关对配电网的故障的感知能力、精准定位和自动隔离的能力，其可靠性测试也是至关重要的一环[23-24]。本研究设计的物联网测试系统能够增加一二次融合配电开关运行的可靠性监测，用户可以远程监控一二次融合配电开关运行状态，通过融合算法实现多种传感器数据的计算、分析与处理，为保证配电网的正常运行提供有力的技术保障，也为配电网技术的下一步研究给出重要技术支撑。