CN105699795A - 一种配电变压器熔断器负荷指数预测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电变压器熔断器负荷指数预测装置及方法，一种配电变压器熔断器负荷指数预测装置，包括信号采集单元、A/D转换单元、CPU中央处理单元、蓝牙无线通信模块和人机交互信息显示单元，所述信号采集单元采集的信号输出至A/D转换单元的输入端，所述A/D转换单元的输出端与CPU中央处理单元的输入端连接，所述CPU中央处理单元的串口与人机交互信息显示单元和蓝牙无线通信模块的输入端连接，所述的信号采集单元由电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器构成，所述的蓝牙无线通信模块为NRF24L01型号的蓝牙模块。本发明实现配电变压器熔断器负荷指数预测。具有输入量提取简单，精确度高，准确度好，预测效率高的特点。

Description

一种配电变压器熔断器负荷指数预测装置及方法

技术领域

本发明属于输配电监测技术领域，尤其是涉及一种配电变压器熔断器负荷指数预测装置及方法。

背景技术

配电变压器高压侧一般采用跌落式熔断器作为控制和保护设备，在配变内部或高、低压出线套管发生短路时迅速熔断，防止配电变压器损伤和事故扩大影响配电网安全运行。但配电变压器熔断器在长时间使用过程中经常要承受短时的超过其额定电流的负载，短时过载会对熔断器造成一定的损伤，损伤的不断积累则会最终导致熔断器故障，在变压器未发生故障时熔断或损坏，造成大面积停电事故，严重影响配网供电可靠性和电网安全运行。因此，准确掌握配电变压器熔断器负荷指数，对电网运行管理部门至关重要。目前传统方法主要是采用传统经验公式计算或定期检查、更换等方法，存在的主要问题是不能及时发现故障，预测或判断结果误差较大等。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种配电变压器熔断器负荷指数预测装置及方法，通过建立适合工程实际应用的配电变压器熔断器负荷指数预测模型，以有效地解决对配电变压器熔断器负荷指数的精确预测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种配电变压器熔断器负荷指数预测装置，其在于包括信号采集单元、A/D转换单元、CPU中央处理单元、蓝牙无线通信模块和人机交互信息显示单元，所述信号采集单元采集的信号输出至A/D转换单元的输入端，所述A/D转换单元的输出端与CPU中央处理单元的输入端连接，所述CPU中央处理单元的串口与人机交互信息显示单元和蓝牙无线通信模块的输入端连接，所述的信号采集单元由电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器构成，所述的蓝牙无线通信模块为NRF24L01型号的蓝牙模块，所述的信号采集单元选用DHC03B型电流互感器、DH51D6V0.4B型电压互感器、HE-200红外温度传感器、STYB3100111A50型湿度传感器、YJ-FS100型风速传感器，所述的A/D转换单元选用TLC2543串行A/D转换器，所述的CPU中央处理单元选用型号为STC89C51的单片机，所述的人机交互信息显示单元为HG1286402C型号的液晶显示模块，信号采集单元的输出端分别经过信号转换电路后连接到A/D转换器TLC2543的输入端AIN0、AIN1、AIN2、AIN3、AIN4，A/D转换器TLC2543的输出端EOC、I/O、IN、OUT、CS分别连接到单片机STC89C51芯片的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4引脚，单片机STC89C51芯片的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7与液晶显示模块的D0、D1、D3、D4、D5、D6、D7连接，单片机STC89C51芯片的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4与液晶显示模块的RS、RW、CS1、CS2、EN相连接，单片机STC89C51的P2.5、P2.6、P2.7，P3.4、P3.5、P3.6分别与蓝牙模块NRF24L01的CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ相连，通过通讯协议进行无线传输。

采用配电变压器熔断器负荷指数预测装置进行预测的方法，包括以下步骤：

步骤一：建立配电变压器熔断器负荷指数演化系统的状态向量；

步骤二：计算初始权值向量；

步骤三：修正权值向量；

步骤四：计算权值向量最终值W₀；

步骤五：计算配电变压器熔断器负荷指数预测值。

所述的步骤一建立配电变压器熔断器负荷指数演化系统的状态向量的方法是：

在固定时间间隔测量电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器，在一系列时刻t₁,t₂,...,t_n(n为自然数，n＝1,2,…)得到电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器构成的一系列状态向量：

$X_{t_1}={(x_{11},x_{12},x_{13}{,x}_{14},x_{15})}^T$

$X_{t_2}={(x_{21},x_{22},x_{23},x_{24},x_{25})}^T---\left(1\right).$

...

$X_{t_n}={(x_{n1},x_{n2},x_{n3},x_{n4},x_{n5})}^T$

所述的步骤二计算初始权值向量的方法是：

给定t₁时刻的 $X_{t_1}={(x_{11},x_{12},x_{13},x_{14},x_{15})}^T$ 对应的连接权值向量 $W_{t_1}={(w_{11},w_{12}{,w}_{13},w_{14},w_{15})}^T,$ 即为初始权值向量。

所述的步骤三修正权值向量的方法是：

任一个时刻的状态向量输入后，权值向量调整量为：

$W_{t_n}=\left(\begin{array}{cc}d& {W_{t_n}}^T{X}_{t_n}\end{array}\right)X_{t_n}---\left(2\right)$

其d为熔断器负荷指数预测值的期望值，为加速系数。

令熔断器负荷指数的实际预测值为

$y_{t_n}={W_{t_n}}^T{X}_{t_n}$

定义计算误差t_n为期望值与实际预测值之差，有：

${}_{t_n}=\begin{array}{cc}d& y_{t_n}\end{array}---\left(4\right)$

则权值调整方程式为：

$W_{t_n}=\underset{{\left|\right|X_{t_n}\left|\right|}^2}{\‾}{}_{t_n}{X}_{t_n}---\left(5\right).$

所述的步骤四计算权值向量最终值W₀的方法是：

定义误差变化率t_n为：

${}_{t_n}=\left(\begin{array}{cc}d& {W_{t_n}}^T{X}_{t_n}\end{array}\right)---\left(6\right)$

则，若t_n与t_n符号相反，说明在计算中，t_n的绝对值是单调下降的，此时总是在不断地接近d。

若t_n时刻有：t_n与t_n符号相反且t_n小于给定值，则此时对应的即为权值向量最终值W₀。

所述的步骤五计算配电变压器熔断器负荷指数预测值的方法是：

对于任一时刻t_n+1，根据W₀，有：

$y_{t_{n+1}}={W_{t_{n1}}}^T{X}_{t_{n+1}}---\left(7\right)$

即为配电变压器熔断器负荷指数预测值。

本发明所具有的优点与效果是：

本发明一种配电变压器熔断器负荷指数预测装置，利用直接测量变压器电流、变压器电压、变压器温度、空气湿度、风速作为输入量，并最终利用信号采集单元、A/D转换单元、中央处理单元、蓝牙无线传输单元和人机交互信息显示单元实现配电变压器熔断器负荷指数预测。避免了传统采用经验公式计算或定期检查、更换等方法，存在的主要问题是不能及时发现故障，预测或判断结果误差较大，并且具有输入量提取简单，精确度高，准确度好，预测效率高的特点。通过本发明方法对配电变压器熔断器负荷指数做出预测，能够预防电网重大事故，改善电力品质，提高用电可靠性，同时预测过程满足实时性要求，提高数据采集及处理的效率，提高配电变压器熔断器负荷指数预测的速度和精度，实现了以较高精度和较短响应时间的优势对配电变压器熔断器负荷指数进行预测。

附图说明

图1是本发明的结构示意框图；

图2是本发明的电路连接图；

图3是配电变压器熔断器负荷指数预测流程图；

图4是本发明的预测结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，一种配电变压器熔断器负荷指数预测装置，其特征在于：包括信号采集单元、A/D转换单元、CPU中央处理单元、蓝牙无线通信模块和人机交互信息显示单元，所述信号采集单元采集的信号输出至A/D转换单元的输入端，所述A/D转换单元的输出端与CPU中央处理单元的输入端连接，所述CPU中央处理单元的串口与人机交互信息显示单元和蓝牙无线通信模块的输入端连接，所述的信号采集单元由电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器构成，所述的蓝牙无线通信模块为NRF24L01型号的蓝牙模块，所述的信号采集单元选用DHC03B型电流互感器、DH51D6V0.4B型电压互感器、HE-200红外温度传感器、STYB3100111A50型湿度传感器、YJ-FS100型风速传感器，所述的A/D转换单元选用TLC2543串行A/D转换器，所述的CPU中央处理单元选用型号为STC89C51的单片机，所述的人机交互信息显示单元为HG1286402C型号的液晶显示模块，

信号采集单元的输出端分别经过信号转换电路后连接到A/D转换器TLC2543的输入端AIN0、AIN1、AIN2、AIN3、AIN4，如图2所示，A/D转换器TLC2543的输出端EOC、I/O、IN、OUT、CS分别连接到单片机STC89C51芯片的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4引脚，单片机STC89C51芯片的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7与液晶显示模块的D0、D1、D3、D4、D5、D6、D7连接，单片机STC89C51芯片的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4与液晶显示模块的RS、RW、CS1、CS2、EN相连接，单片机STC89C51的P2.5、P2.6、P2.7，P3.4、P3.5、P3.6分别与蓝牙模块NRF2401的CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ相连，通过通讯协议进行无线传输。

变压器电流、变压器电压、变压器温度、空气湿度、风速经过各传感器，进行同步采样、保持、A/D转换，变为数字信号后，送入STC89C51单片机的数据输入口，通过液晶显示模块进行显示并将数据通过蓝牙模块进行无线传输。

如图3所示，本发明采用配电变压器熔断器负荷指数预测装置进行预测的方法，其步骤如下：

步骤一：建立配电变压器熔断器负荷指数演化系统的状态向量：

本实施例中，在20个等间隔的时间段内测量变压器电流、变压器电压、变压器温度、空气湿度、风速，则得到测量数据构成的一个5维时间序列：

$X_{t_1}={(x_{11},x_{12},x_{13}{,x}_{14},x_{15})}^T$

$X_{t_2}={(x_{21},x_{22},x_{23},x_{24},x_{25})}^T---\left(8\right)$

...

$X_{t_{20}}={(x_{201},x_{202},x_{203},x_{204},x_{205})}^T$

步骤二：计算初始权值向量：

给定t₁时刻的 $X_{t_1}={(x_{11},x_{12},x_{13},x_{14},x_{15})}^T$ 对应的连接权值向量 $W_{t_1}={\left(\mathrm{0.1,0.2,0.3,0.1,0.2}\right)}^T,$ 为初始权值向量。

步骤三：修正权值向量：

给定熔断器负荷指数预测值的期望值d＝0.8，由计算t_n有：

${}_{t_n}=\begin{array}{cc}d& y_{t_n}\end{array}---\left(9\right)$

令加速系数＝0.7125，则权值修正量为：

$W_{t_n}=\underset{{\left|\right|X_{}\left|\right|}^2}{\‾}{}_{t_n}{X}_{t_n}---\left(10\right)$

步骤四：计算权值向量最终值W₀：

计算t_n时刻的误差变化率t_n：

${}_{t_n}=\begin{array}{ccc}\begin{array}{cc}d& {W_{t_n}}^T{X}_{t_n}\end{array}& {W_{t_n}}^T{X}_{t_n}=\underset{{\left|\right|X_{t_n}\left|\right|}^2}{\‾}{}_{t_n}{X_{t_n}}^T{X}_{t_n}& {}_{t_n}---\left(7\right)\end{array}$

若t_n时刻有：t_n与t_n符号相反且t_n0.002，则此时的即为配电变压器熔断器负荷指数预测值。

步骤五：计算配电变压器熔断器负荷指数预测值：

对于任一时刻t_n+1，根据W₀，有：

$y_{t_{n+1}}={W_{t_{n1}}}^T{X}_{t_{n+1}}$

即为配电变压器熔断器负荷指数预测值。

预测模型的部分预测结果与实测值比较如图4所示，所建立的预测模型误差基本上控制在±5％之内。

需要说明的是，本发明的特定实施方案已经对本发明进行了详细描述，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种配电变压器熔断器负荷指数预测装置，其特征在于：包括信号采集单元、A/D转换单元、CPU中央处理单元、蓝牙无线通信模块和人机交互信息显示单元，所述信号采集单元采集的信号输出至A/D转换单元的输入端，所述A/D转换单元的输出端与CPU中央处理单元的输入端连接，所述CPU中央处理单元的串口与人机交互信息显示单元和蓝牙无线通信模块的输入端连接，所述的信号采集单元由电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器构成，所述的蓝牙无线通信模块为NRF24L01型号的蓝牙模块，所述的信号采集单元选用DHC03B型电流互感器、DH51D6V0.4B型电压互感器、HE-200红外温度传感器、STYB3100111A50型湿度传感器、YJ-FS100型风速传感器，所述的A/D转换单元选用TLC2543串行A/D转换器，所述的CPU中央处理单元选用型号为STC89C51的单片机，所述的人机交互信息显示单元为HG1286402C型号的液晶显示模块，信号采集单元的输出端分别经过信号转换电路后连接到A/D转换器TLC2543的输入端AIN0、AIN1、AIN2、AIN3、AIN4，A/D转换器TLC2543的输出端EOC、I/O、IN、OUT、CS分别连接到单片机STC89C51芯片的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4引脚，单片机STC89C51芯片的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7与液晶显示模块的D0、D1、D3、D4、D5、D6、D7连接，单片机STC89C51芯片的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4与液晶显示模块的RS、RW、CS1、CS2、EN相连接，单片机STC89C51的P2.5、P2.6、P2.7，P3.4、P3.5、P3.6分别与蓝牙模块NRF24L01的CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ相连，通过通讯协议进行无线传输。

2.采用配电变压器熔断器负荷指数预测装置进行预测的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：建立配电变压器熔断器负荷指数演化系统的状态向量；

步骤二：计算初始权值向量；

步骤三：修正权值向量；

步骤四：计算权值向量最终值W₀；

步骤五：计算配电变压器熔断器负荷指数预测值。

3.根据权利要求2所述的采用配电变压器熔断器负荷指数预测装置进行预测的方法，其特征在于所述的步骤一建立配电变压器熔断器负荷指数演化系统的状态向量的方法是：

在固定时间间隔测量电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器，在一系列时刻t₁,t_2,...,t_n(n为自然数，n＝1,2,…)得到电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器构成的一系列状态向量：

$\begin{array}{c}{X}_{t_1}={(x_{11},x_{12},x_{13},x_{14},x_{15})}^T\\ X_{t_2}={(x_{21},x_{22},x_{23},x_{24},x_{25})}^T\\ ...\\ x_{t_n}={(x_{n1},x_{n2},x_{n3},x_{n4},x_{n5})}^T\end{array}---\left(1\right).$

4.根据权利要求2所述的采用配电变压器熔断器负荷指数预测装置进行预测的方法，其特征在于所述的步骤二计算初始权值向量的方法是：

给定t₁时刻的 $X_{t_1}={(x_{11},x_{12},x_{13},x_{14},x_{15})}^T$ 对应的连接权值向量 $W_{t_1}={(w_{11},w_{12},w_{13},w_{14},w_{15})}^T,$ 即为初始权值向量。

5.根据权利要求2所述的采用配电变压器熔断器负荷指数预测装置进行预测的方法，其特征在于所述的步骤三修正权值向量的方法是：

任一个时刻的状态向量输入后，权值向量调整量为：

$W_{t_n}=\left(\begin{array}{ccc}d& {W_{t_n}}^T& X_{t_n}\end{array}\right)X_{t_n}---\left(2\right)$

其d为熔断器负荷指数预测值的期望值，为加速系数。

令熔断器负荷指数的实际预测值为

$y_{t_n}=\begin{array}{cc}{W_{t_n}}^T& X_{t_n}\end{array}----\left(3\right)$

定义计算误差t_n为期望值与实际预测值之差，有：

$t_n=\begin{array}{cc}d& y_{t_n}\end{array}---\left(4\right)$

则权值调整方程式为：

6.根据权利要求2所述的采用配电变压器熔断器负荷指数预测装置进行预测的方法，其特征在于所述的步骤四计算权值向量最终值W₀的方法是：

定义误差变化率t_n为：

$t_n=\left(\begin{array}{ccc}d& {W_{t_n}}^T& X_{t_n}\end{array}\right)---\left(6\right)$

则，若t_n与t_n符号相反，说明在计算中，t_n的绝对值是单调下降的，此时总是在不断地接近d。

若t_n时刻有：t_n与t_n符号相反且t_n小于给定值，则此时对应的即为权值向量值W₀。

7.根据权利要求2所述的采用配电变压器熔断器负荷指数预测装置进行预测的方法，其特征在于所述的步骤五计算配电变压器熔断器负荷指数预测值的方法是：

对于任一时刻t_n+1，根据W₀，有：

$y_{t_{n+1}}=\begin{array}{cc}{W_{t_{n1}}}^T& X_{t_{n+1}}\end{array}---\left(7\right)$

即为配电变压器熔断器负荷指数预测值。