汪本清，柯海波，葉章文，文 凡，尹曉梅

(合肥供電公司，安徽 合肥 230088 )

在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)深度發(fā)展的大環(huán)境下，我國(guó)電力系統(tǒng)相關(guān)部門提出了變電站設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建理念，以此為基礎(chǔ)完成電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)全景化、數(shù)據(jù)分析智能化的變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建，并利用物聯(lián)網(wǎng)深度感知的特性持續(xù)增強(qiáng)電力系統(tǒng)資源配置與安全運(yùn)行性能，提升變電運(yùn)檢的智能化水平。因此當(dāng)前普遍使用的變電智能運(yùn)檢系統(tǒng)多以物聯(lián)網(wǎng)為核心進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)與軟件開(kāi)發(fā)，例如文獻(xiàn)[4]中在智能電網(wǎng)內(nèi)引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提升電網(wǎng)信息管理性能與信息的可視化性能。

遙感信息技術(shù)是一項(xiàng)集信息采集、管理、分析與輸出于一身的技術(shù)，具有較強(qiáng)的地理空間信息能力，并且利用遙感信息系統(tǒng)能夠較為精準(zhǔn)地進(jìn)行空間綜合分析，并獲取高精度動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)能力。因此遙感信息技術(shù)被普遍應(yīng)用在不同領(lǐng)域內(nèi)。遙感信息融合是當(dāng)前遙感信息技術(shù)應(yīng)用的最新形式，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)的可定位、可追蹤、可交互等功能，為此，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)和遙感信息融合的變電智能運(yùn)檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)以電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，引入遙感信息融合概念，通過(guò)移動(dòng)GIS與WebGIS的有機(jī)結(jié)合完成遙感信息的互聯(lián)融合，且在系統(tǒng)內(nèi)采用移動(dòng)終端系統(tǒng)App與分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，最大限度提升兼容度與系統(tǒng)應(yīng)用性。

1 物聯(lián)網(wǎng)和遙感信息融合的變電智能運(yùn)檢系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)過(guò)程中，以物聯(lián)網(wǎng)的五個(gè)層級(jí)為基礎(chǔ)。其中應(yīng)用層為核心，該層包含兩個(gè)主要部分，分別是移動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)、Web管理系統(tǒng)，兩者分別架構(gòu)于平板電腦和國(guó)家電網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)電腦上，經(jīng)由兩者間信息傳遞與數(shù)據(jù)共享完成智能化變電運(yùn)檢的目的。圖1為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)?；谖锫?lián)網(wǎng)和遙感信息融合的變電智能運(yùn)檢系統(tǒng)整體架構(gòu)由下至上劃分為感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、信息處理層和應(yīng)用層。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

(1) 感知層內(nèi)包含硬件變電運(yùn)檢信息采集設(shè)備，如感知變電設(shè)備位置過(guò)程中所使用的GPS衛(wèi)星定位芯片、無(wú)線Wi-Fi芯片以及遙感信息融合子系統(tǒng)，同時(shí)還包含采集變電設(shè)備信息所使用的RFID與濕度傳感器等，通過(guò)該層能夠有效采集變電運(yùn)檢信息。

(2) 傳輸層以4G專網(wǎng)為信息交互通道，完成感知層與數(shù)據(jù)層間的數(shù)據(jù)信息交換，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)選用加密通道復(fù)用技術(shù)，令感知層內(nèi)不同終端上全部應(yīng)用可復(fù)用相同加密通道，由此降低系統(tǒng)負(fù)載，提升數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)的安全性。

(3) 數(shù)據(jù)層的主要功能是存儲(chǔ)并分析所采集的變電運(yùn)檢信息，依照數(shù)據(jù)信息來(lái)源與內(nèi)容的差異性，采用聚類算法將感知層所采集的變電運(yùn)檢信息存儲(chǔ)在不同數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。

(4) 數(shù)據(jù)層內(nèi)的信息通過(guò)接口進(jìn)入信息處理層，該層采用STM32F103系列單片機(jī)對(duì)各類信息進(jìn)行處理，處理結(jié)果通過(guò)接口為應(yīng)用層內(nèi)各項(xiàng)系統(tǒng)應(yīng)用功能提供數(shù)據(jù)支撐。

(5) 應(yīng)用層主要包括用戶服務(wù)層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層兩部分。前者主要為系統(tǒng)使用者提供變電運(yùn)檢應(yīng)用功能，如運(yùn)檢人員通過(guò)移動(dòng)終端登錄系統(tǒng)進(jìn)行變電運(yùn)檢，管理人員通過(guò)PC機(jī)內(nèi)網(wǎng)登錄系統(tǒng)派發(fā)運(yùn)檢工作并監(jiān)管工作進(jìn)度；后者依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)設(shè)備信息與遙感信息數(shù)據(jù)可生成變電運(yùn)檢的優(yōu)化導(dǎo)航路線與平面圖等。

1.2 遙感信息融合子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遙感信息融合子系統(tǒng)是感知層主要組成部分，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與通信協(xié)議將移動(dòng)GIS與WebGIS相結(jié)合，以此實(shí)現(xiàn)設(shè)備可定位、可追蹤、可交互等功能。圖2為移動(dòng)GIS子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其將B/S架構(gòu)與C/S架構(gòu)有機(jī)結(jié)合，不僅可通過(guò)B/S方式運(yùn)行，而且兼具C/S架構(gòu)的高度可操作性，實(shí)現(xiàn)兩種不同架構(gòu)形式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。移動(dòng)GIS可分別利用4G專網(wǎng)與WebGIS客戶端訪問(wèn)電力系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，兩個(gè)不同客戶端可共用部分服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3 模糊C均值聚類算法

感知層利用各類芯片與傳感器等采集變電運(yùn)檢信息，所采集的變電運(yùn)檢信息經(jīng)由傳輸層進(jìn)入數(shù)據(jù)層內(nèi)，數(shù)據(jù)層采用聚類算法劃分運(yùn)檢信息類別，將不同類別的變電運(yùn)檢信息存儲(chǔ)在不同數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)?？紤]變電運(yùn)檢過(guò)程中所采集信息的海量性與多樣性等特性，數(shù)據(jù)層的聚類算法采用模糊C均值聚類算法，該聚類算法中假設(shè)被分類運(yùn)檢信息集合內(nèi)不同運(yùn)檢信息樣本都根據(jù)不同的隸屬度隸屬于某一類，由此將某一類定義為運(yùn)檢信息樣本集合上的模糊子集，基于此能夠構(gòu)建模糊分類矩陣。以獲取最優(yōu)模糊分類為目的，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)及其約束條件，公式描述如下：

(1)

式中，表示目標(biāo)函數(shù)，和分別表示模糊隸屬度與距離，、和分別表示運(yùn)檢信息集合內(nèi)運(yùn)檢信息的數(shù)量、類的數(shù)量和模糊指數(shù)。

圖2 遙感信息融合子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

求解在隸屬度函數(shù)約束下的優(yōu)化問(wèn)題時(shí)選取Lagrange乘數(shù)法，隸屬度計(jì)算公式為：

(2)

利用式(3)能夠確定聚類中心：

(3)

式中，表示變電運(yùn)檢信息數(shù)據(jù)。

變電運(yùn)檢信息聚類流程如圖3所示。

圖3 變電運(yùn)檢信息聚類流程

變電運(yùn)檢信息聚類處理的詳細(xì)過(guò)程如下：

(1) 設(shè)定類的數(shù)量、模糊指數(shù)以及誤差閾值等參數(shù)范圍；

(2)(),=1,2,…,為聚類中心，對(duì)其進(jìn)行初始化處理，同時(shí)設(shè)定循環(huán)次數(shù)值為1；

(3) 依照式(2)確定隸屬度；

(4) 依照式(3)修正全部聚類中心(+1),=1,2,…,；

(5) 利用式(4)計(jì)算誤差：

(4)

若所計(jì)算誤差值小于誤差閾值，則算法結(jié)束，相反則進(jìn)入隸屬度確定過(guò)程；

(6) 算法完成后，依照式(5)歸類全部變電運(yùn)檢信息：

(5)

由此將變電運(yùn)檢信息歸入第類。

1.4 STM32F103單片機(jī)設(shè)計(jì)

信息處理層以數(shù)據(jù)層內(nèi)不同數(shù)據(jù)庫(kù)中所存儲(chǔ)的信息為基礎(chǔ)，在STM32F103系列單片機(jī)控制下進(jìn)行信息處理。作為32位ARM微處理器，STM32F103系列單片機(jī)內(nèi)分別采用72MHz和64kB的時(shí)鐘頻率和內(nèi)置存儲(chǔ)ROM，內(nèi)嵌FLASH程序存儲(chǔ)器容量和快速I/O端口分別為512kB和112個(gè)。圖4所示為STM32F103單片機(jī)外圍電路結(jié)構(gòu)。STM32F103單片機(jī)外圍電路由電源單元、輸入與顯示單元、無(wú)線通信單元與存儲(chǔ)單元等組成。輸入與顯示單元選取可觸摸LCD顯示器；無(wú)線通信單元采用以SIM900A數(shù)據(jù)傳輸芯片為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)短信收發(fā)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，便于運(yùn)檢人員實(shí)時(shí)監(jiān)管設(shè)備信息；存儲(chǔ)單元以EPROM芯片為核心，能夠避免STM32F103內(nèi)部存儲(chǔ)缺陷導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題；同時(shí)定位單元中采用遙感信息技術(shù)，便于管理人員通過(guò)PC機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)管運(yùn)檢進(jìn)度并生成運(yùn)檢路線與平面圖。

圖4 STM32F103單片機(jī)外圍電路結(jié)構(gòu)

2 測(cè)試結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證基于物聯(lián)網(wǎng)和遙感信息融合的變電智能運(yùn)檢效果，以國(guó)網(wǎng)某變電站為測(cè)試對(duì)象。

2.1 系統(tǒng)性能

對(duì)比采用本文系統(tǒng)前后測(cè)試對(duì)象單次運(yùn)檢工作完成所需時(shí)間(為消除時(shí)間差異性帶來(lái)的影響，以20次運(yùn)檢工作用時(shí)均值為標(biāo)準(zhǔn))，所得結(jié)果如圖5所示。分析圖5(a)可知，采用本文系統(tǒng)能夠獲取高清晰度的測(cè)試對(duì)象遙感影像。分析圖5(b)可知，規(guī)劃運(yùn)檢路線時(shí)，本文系統(tǒng)規(guī)劃的運(yùn)檢路線圖更簡(jiǎn)潔，更符合實(shí)際運(yùn)檢需求，與采用本文系統(tǒng)前相比能夠節(jié)省更多路線。分析圖5(c)可知，采用本文系統(tǒng)后，測(cè)試對(duì)象運(yùn)檢整體用時(shí)在32min左右，與采用本文系統(tǒng)前的95min相比，具有顯著優(yōu)越性，說(shuō)明本文系統(tǒng)符合實(shí)際應(yīng)用需求，具有可推廣性。

(a)遙感圖像

2.2 聚類結(jié)果

以本文系統(tǒng)所采集的2021年6月測(cè)試對(duì)象運(yùn)檢數(shù)據(jù)構(gòu)建樣本數(shù)據(jù)集，采用文獻(xiàn)[5]中基于移動(dòng)作業(yè)的系統(tǒng)、文獻(xiàn)[4]中基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，聚類結(jié)果如圖6所示。分析圖6(a)～6(c)可知，所有系統(tǒng)基本都能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)聚類功能，但本文系統(tǒng)聚類結(jié)果與另外兩個(gè)系統(tǒng)相比具有更好的數(shù)據(jù)聚類效果。分析圖6(d)得到，在聚類結(jié)果一致條件下本文系統(tǒng)的收斂速度均優(yōu)于兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)，說(shuō)明本文系統(tǒng)具有較快的收斂速度，能夠?qū)崿F(xiàn)快速聚類的目的。

(a)本文系統(tǒng)

(d)聚類過(guò)程收斂時(shí)間

3 結(jié) 論

在電力物聯(lián)網(wǎng)與全球能源互聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)展的當(dāng)下，電力系統(tǒng)相關(guān)部門紛紛投入物聯(lián)網(wǎng)落地措施的研究中，以期改善電力物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)應(yīng)用性能?；诖吮疚脑O(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)和遙感信息融合的變電智能運(yùn)檢系統(tǒng)，以物聯(lián)網(wǎng)五個(gè)層級(jí)為核心，嵌入遙感信息融合子系統(tǒng)，研究變電運(yùn)檢過(guò)程中電子化表單、智能化操作等功能，實(shí)現(xiàn)變電運(yùn)檢過(guò)程中的實(shí)時(shí)移動(dòng)辦公與定位。測(cè)試結(jié)果顯示本文系統(tǒng)能夠節(jié)約大量工作時(shí)間成本，提升變電運(yùn)檢效率。在系統(tǒng)后續(xù)優(yōu)化過(guò)程中將著重提升本文系統(tǒng)的可視化作業(yè)等功能，推動(dòng)變電設(shè)備與移動(dòng)互聯(lián)的可視化發(fā)展，推動(dòng)電力物聯(lián)網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。