CN112737422B - 一种基于云计算的电机设备调速控制方法 - Google Patents

一种基于云计算的电机设备调速控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及计算机视觉技术领域，尤其涉及一种基于云计算的电机设备调速控制方法，通过云计算平台以及电网数据对电机转速进行调节，解决了现有技术通过增加调速设备或根据电机输入参数调整电机转速，不仅转速调节效果差，而且成本高的问题。本发明通过对电网中设备间关系的分析，实现了电机调速的高精度智能控制，大大提高了电网的抗干扰能力以及运行可靠性，利用本发明提供的调速方法不仅保证了电机在低速运行的同时，能够降低能耗，缓解电网中的电力资源，而且实现了电网中电力资源的合理分配，本发明通过实时自动检测电网用电状况，及时减小用电高峰期对电网和设备的冲击，进一步确保电网的安全、稳定运行。

Description

一种基于云计算的电机设备调速控制方法
技术领域
本发明涉及计算机视觉技术领域，尤其涉及一种基于云计算的电机设备调速控制方法。
背景技术
随着经济的迅速发展，工农业生产和社会生活对电力的需求越来越大，用电高峰期通常会出现电力供应不足或电力资源分配不合理的情况，当电网用电紧张时，电网中的某些电器设备将不能以额定功率运行，易出现安全事故。
电网中的电动机(以下简称电机)作为电能量转换设备，通常以额定转速工作，当电网用电量不紧张时，电机设备以额定转速工作是能够提高生产效率的，然而，当电网用电量紧张时，电机设备仍以额定转速工作，可能会导致设备损坏、电网故障等；现有技术多通过额外增加调速装置调整电机转速，其硬件成本高且不能实现自适应调整，或现有技术根据电机的输入电压或输入功率的变化调整电机转速，此方法误差大、易受干扰。
发明内容
本发明提供一种基于云计算的电机设备调速控制方法，解决的技术问题是，现有技术通过增加调速设备或根据电机输入参数调整电机转速，不仅转速调节效果差，而且成本高。
为解决以上技术问题，本发明提供了一种基于云计算的电机设备调速控制方法，包括：
S1.根据采集到的电器设备数据建立电网树状结构，并根据获取的相似度矩阵划分类别；
S2.根据所述电器设备数据，得到各类别中各个电器设备的用电变化特征向量，根据所述用电变化特征向量以及对应电器设备的耗电量权重，得到各类别的类别特征点，根据所述类别特征点，得到对应类别的转速调节范围；
S3.根据所述电器设备数据，得到各类别的类别平衡能力，选取任一类别，分别计算其与剩余类别之间的类别相似度，根据所述类别相似度以及所述转速调节范围，得到调速转移权重，依次根据所述调速转移权重、所述转速调节范围以及所述类别平衡能力，得到各类别的类别调速范围；
S4.计算各类别中，每个所述电机设备与各个用电设备在所述电网树状结构中的拓扑距离，根据所述拓扑距离得到位置相似度，根据所述位置相似度以及所述电器设备数据，得到各类别中任意两个所述电机设备的局域相似度；
S5.根据所述局域相似度以及电机工作特征，得到所述电机设备的调速权重，根据所述类别调速范围以及所述调速权重，获取各所述电机设备的转速减小量。
进一步地，所述相似度矩阵由所述电网树状结构中的任意两个所述电器设备的所述位置相似度以及耗电相似度获取；
其中，所述耗电相似度为任意两个所述电器设备的用电变化特征向量的余弦距离。
进一步地，所述根据所述用电变化特征向量以及对应电器设备的耗电量权重，得到各类别的类别特征点，具体为：
计算任一类别中各个所述电器设备的用电量与此类别中所有所述电器设备用电量之和的比值的百分比，得到此类别中各个所述电器设备的耗电量权重；
通过此类别中各个所述电器设备的所述耗电量权重对对应所述电器设备的所述用电变化特征向量进行加权求和，得到类别特征点，依次计算所有类别，得到各类别的类别特征点。
更进一步地，所述转速调节范围为所述类别特征点与原点坐标的欧氏距离。
进一步地，根据所述电器设备数据，得到各类别的类别平衡能力，具体为：
计算所述电网树状结构中所述电机设备的额定功率之和，得到总额定功率；
计算各个所述电机设备的额定功率与所述总额定功率的比值，得到电机平衡能力；
计算每个类别中所有所述电机设备的电机平衡能力之和，得到类别平衡能力。
更进一步地，所述调速转移权重为任意两个类别的所述类别相似度与所述转速调节范围之差的乘积。
进一步地，所述拓扑距离为在所述电网树状结构中，一个电器设备子节点与另一电器设备子节点之间边的总个数减一。
进一步地，所述根据所述位置相似度以及所述电器设备数据，得到各类别中任意两个所述电机设备的局域相似度，包括：
根据所述位置相似度以及所述电器设备数据，获取各类别中各个电机设备的同步特征向量；
选取任一类别，利用欧氏距离，根据所述同步特征向量，得到此类别中任意两个所述电机设备的局域相似度。
更进一步地，所述电器设备包括所述电机设备以及用电设备；
所述电器设备数据包括所述电器设备的用电时刻、用电量，还包括所述电机设备的输入功率、输出功率、额定功率。
更进一步地，所述电机工作特性包括所述电机设备的工作效率。
本发明提供的一种基于云计算的电机设备调速控制方法，通过云计算平台以及电网数据，对电网中电器设备的用电量进行分析和特征提取，解决了现有技术通过增加调速设备或根据电机输入参数调整电机转速，不仅转速调节效果差，而且成本高的问题，实现了电机设备转速的系统化管理，能够智能化调整电机转速，通过本发明提供的控制方法，能够实时掌握电网用电状态，及时通过对电网进行调速，从而提高电网运行的可靠性，同时进一步减少了设备维护成本，本发明具有很好的调速性能，减少了用电高峰期对电网的扰动，大大提高了电网的安全系数。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于云计算的电机设备调速控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
针对现有技术通过增加调速设备或根据电机输入参数调整电机转速，不仅转速调节效果差，而且成本高的问题，本发明实施例提供了一种基于云计算的电机设备调速控制方法，如图1所示，包括：
S1.划分类别：根据采集到的电器设备数据建立电网树状结构，并根据获取的相似度矩阵划分类别；
本实施例首先根据电器设备的线路连接状况建立电网树状结构，将所述电网树状结构分布存储于云计算平台，同时，将实时采集到的电器设备数据上传至云计算平台，每一个云存储节点存储部分所述电器设备数据；
在本实施例中，所述电器设备包括所述电机设备以及用电设备，所述电器设备数据包括所述电器设备的用电时刻、用电量，还包括所述电机设备的输入功率、输出功率、额定功率；需要说明的是，本发明实施例的所述电机设备为可调速电机设备，所述用电设备为配备有电表且用电量大的用电设备。
由于电网电器设备较多，直接对整个电网进行分析工作量较大，因此，本发明实施例先获取每一个云存储节点的相似度矩阵，并对每个云存储节点的相似度矩阵进行谱聚类，然后获取相邻两个云存储节点之间不同类别的类间距离，当存在类间距离小于或等于类内距离时，将这两个云存储节点合并，重新进行谱聚类，最终得到所有云存储节点的若干个类别；需要说明的是，本实施例是对电机进行调速，因此，需删除最终得到的不包含电机设备的类别，以免干扰后续调速计算；本实施例充分利用云计算平台的分布式存储，实现对大量数据的实时分析。
在本实施例中，所述相似度矩阵的获取过程包括：
首先，本实施例以小时为单位时刻，选取任一所述电器设备在某T个时刻内的用电量数据，对选取的所述用电量数据进行滤波处理，本实施例设置滤波核的长度为9，计算每个滤波核内最大用电量数据与最小用电量数据的差值，滤波结束后，每一个电器设备均得到一个差值序列，计算每一个所述差值序列的均值和最大值，并将其表征为对应所述电器设备的用电变化特征向量，即所述用电变化特征向量的表示形式为：(A，B)，其中，A为所述差值序列的均值，B为所述差值序列的最大值；需要说明的是，滤波核内用电量数据为零的元素不参与滤波计算。
计算任意两个所述电器设备的用电变化特征向量的余弦距离，得到耗电相似度；
本实施例计算任意两个所述电器设备在所述电网树状结构中的拓扑距离，所述拓扑距离为在所述电网树状结构中，一个电器设备子节点与另一电器设备子节点之间边的总个数减一，然后，根据所述拓扑距离，计算得到选取的所述电器设备的位置相似度，所述位置相似度的计算公式为：
Figure BDA0002908100460000051
式中，f(x)表示位置相似度，x表示某一所述电器设备的拓扑距离，a、b表示位置权重，本实施例优先设置a＝-0.12，b＝-26。
将任意两个电器设备的耗电相似度与位置相似度的相乘，得到相似程度，将所述相似程度作为相似度矩阵的元素值，所述相似度矩阵为N*N方阵，其主对角线的元素值为0，其中，N为所述电网树状结构中的电器设备个数。
S2.获取转速调节范围：根据所述电器设备数据，得到各类别中各个电器设备的用电变化特征向量，根据所述用电变化特征向量以及对应电器设备的耗电量权重，得到各类别的类别特征点，根据所述类别特征点，得到对应类别的转速调节范围；
本实施例选取某一类别，计算此类别中各个所述电器设备的用电量与此类别中所有所述电器设备的用电量之和的比值的百分比，得到各个所述电器设备的耗电量权重，利用各个所述电器设备的所述耗电量权重对其对应的所述用电变化特征向量进行加权求和，得到类别特征点，依次计算所有类别，得到各类别的类别特征点；
依次计算所述类别特征点与原点坐标的欧氏距离，得到各类别的转速调节范围，并将各类别的转速调节范围存储于云计算平台，用于后续计算；其中，所述原点坐标为(0，0)。
在本发明实施例中，对于每个类别，若所述转速调节范围小于预设调速阈值，则使此类别中的电机设备仍以额定转速工作，不对其进行调速，所述预设调速阈值为超参数，本领域技术人员可根据具体实施情况进行调整。
S3.获取类别调速范围：根据所述电器设备数据，得到各类别的类别平衡能力，选取任一类别，分别计算其与剩余类别之间的类别相似度，根据所述类别相似度以及所述转速调节范围，得到调速转移权重，依次根据所述调速转移权重、所述转速调节范围以及所述类别平衡能力，得到各类别的类别调速范围；
本发明实施例选取第i个类别Si，同时在剩余类别中任意选取一类别Sj，从所述类别Si中选取第p个电器设备Uip，然后依次将所述类别Sj的电器设备与所述电器设备Uip组成设备对，获取所述设备对在所述电网树状结构中的位置相似度，依次选取类别Si中的电器设备，重复步骤，直至类别Si的电器设备全部与类别Sj的电器设备组成所述设备对后结束，剔除所述位置相似度为0的元素，计算所有所述设备对的位置相似度的均值，将其作为类别Si与类别Sj的类别相似度；依照上述方法，计算任意两个类别的类别相似度；
计算任意两个类别的所述类别相似度与所述转速调节范围之差的乘积，得到调速转移权重，其中，两个类别的所述类别相似度越大、所述转速调节范围的差值越大，则所述调速转移权重越大。
需要说明的是，在本实施例中，类别相似度越大的两个类别在所述电网树状结构中的位置越接近，此时，两个类别的电机设备可共同平衡电网用电资源，比如：当两个类别调速范围差别较大时，通过调速转移权重和后续的调速范围重新分配可以避免在两个类别中，若其中一个类别的电机设备调速范围过大，另一个类别的电机设备调速范围较小，从而导致调速范围过大的类别的电机设备停止运行，而另一类别的电机设备的调速范围对电网用电资源基本无影响或影响较小的情况，因此，本实施例利用实时调速转移权重，实现了两个类别共同且更有效地均衡电网电力资源的效果，从而进一步确保电网运行的可靠性。
根据所述电器设备数据，得到各类别的类别平衡能力，具体为：
获取所述电网树状结构中所有电机设备的总额定功率，计算各个所述电机设备的额定功率与总额定功率的比值，得到电机平衡能力，分别计算每个类别中所有所述电机设备的电机平衡能力之和，得到类别平衡能力；其中，所述电机平衡能力表示所述电机设备平衡电网电力资源的能力，因此，本实施例引入所述类别平衡能力，可使对应类别减少其内部电机设备的用电量潜在能力，避免小功率电机设备调速后，电网仍然处于用电紧张的情况。
本发明实施例选取任一类别Si，其对应的所述转速调节范围为Wi，所述类别平衡能力为di，在剩余类别中选取一类别Sj，设类别Si与类别Sj的调速转移权重为Cij，类别Sj的所述类别平衡能力为dj，所述转速调节范围为Wj，根据所述调速转移权重计算两个类别的类别转移值，分两种情况：
(1)若类别Si与类别Sj的所述调速转移权重Cij大于零，则说明类别Si的转速调节范围大于类别Sj的转速调节范围，此时，类别Si与类别Sj的类别转移值为：
Figure BDA0002908100460000071
式中，ΔWij表示类别Si与类别Sj的类别转移值，Wi表示类别Si的转速调节范围，Cij表示类别Si与类别Sj的调速转移权重，dj表示类别Sj的类别平衡能力，α为超参数，本实施例优先设置α＝0.4。
(2)若类别Si与类别Sj的所述调速转移权重Cij小于等于零，则说明类别Si的转速调节范围小于等于类别Sj的转速调节范围，此时，类别Si与类别Sj的类别转移值为：
Figure BDA0002908100460000081
类别Si依次与剩余各类别计算得到类别转移值，根据类别转移值计算类别Si的类别调速范围，即：
Figure BDA0002908100460000082
式中，Ki表示类别Si的类别调速范围，J表示除类别Si之外的剩余类别的总个数。
S4.获取局域相似度：计算各类别中，每个所述电机设备与各个用电设备在所述电网树状结构中的拓扑距离，根据所述拓扑距离得到位置相似度，根据所述位置相似度以及所述电器设备数据，得到各类别中任意两个所述电机设备的局域相似度；
首先，本实施例根据所述电器设备数据，获取某T个时刻内所述电器设备的用电时刻、用电量；其中，所述用电时刻为在某T个时刻内，所述电器设备用电的时刻序列；
然后，选取一类别，若此类别中包含多个所述电机设备，则选取此类别中的任一所述电机设备Ee，计算此电机设备Ee与此类别中某一所述用电设备Gg的用电时刻的交并比，比如：若此电机设备Ee与对应类别中某一用电设备Gg的用电时刻的交集为5个时刻，并集为9个时刻，则交并比为5/9；
同时，计算在某T个时刻内，所述用电设备Gg用电量变化均值，根据所述步骤S1获取此类别中，所述电机设备Ee与所述用电设备Gg的位置相似度；
接着，获取所述电机设备Ee与所述用电设备Gg的交并比、位置相似度以及所述用电设备Gg用电量变化均值的乘积，得到用电同步性特征，依次计算此类别中所述电机设备Ee与其他所述用电设备的用电同步性特征，得到所述电机设备Ee的同步特征向量；依次计算此类别中其他所述电机设备的同步特征向量，在同一个类别中，不同电机设备具有相同长度的同步特征向量；
最后，利用欧氏距离，根据获取的同步特征向量，得到任意两个所述电机设备的局域相似度。
S5.获取转速减小量：根据所述局域相似度以及电机工作特征，得到所述电机设备的调速权重，根据所述类别调速范围以及所述调速权重，获取各所述电机设备的转速减小量；
在本实施例中，所述电机工作特征包括电机设备的工作效率，本实施例根据所述电机设备的输入功率、输出功率计算电机设备的工作效率；
选取一类别，若此类别中包含M个所述电机设备，设此类别中所有所述电机设备组成的集合为EM，则选取此类别中的任一所述电机设备Em，计算所述电机设备Em与此类别中其他所述电机设备的局域相似度的均值，得到类别均值Fm；其中，m＝{1,2，…，M}；
设在此类别中，除去所述电机设备Em之外的其他电机设备的集合为EM-1，选取集合EM-1中的任一所述电机设备En，计算所述电机设备En与集合EM-1中其他所述电机设备的局域相似度的均值Hn；其中，n＝{1,2，…，M-1}；
同时，获取所述电机设备Em与所述电机设备En的局域相似度Imn；计算局域相似度Imn、均值Hn的乘积，得到所述电机设备Em与所述电机设备En的步进值，依次计算所述电机设备En与集合EM-1中其他所述电机设备的步进值，根据所述步进值之和以及所述类别均值Fm，得到类别更新均值，所述类别更新均值为：
Figure BDA0002908100460000091
式中，Fm′表示所述电机设备Em的类别更新均值，Lmn表示所述电机设备Em与所述电机设备En的步进值。
计算所述电机设备Em的所述类别更新均值与其对应的工作效率的比值，得到初始调速权重，依次计算集合EM中其他所述电机设备的初始调速权重，将此类别中的所有初始调速权重构成初始调速权重序列，对初始调速权重序列的元素进行归一化，得到调速权重序列，所述调速权重序列中的元素为同一类别中各电机设备的调速权重。
选取一类别Si，选取此类别中的任一所述电机设备Em，根据所述类别调速范围以及所述调速权重，获取电机设备Em的转速减小量，从而在所述电机设备Em当前转速的基础上降低转速减小量，得到调速后的转速；
其中，所述转速减小量具体为：
Vm＝σm*Ki*(hm+rm) 1-6
式中，Vm表示转速减小量，Ki表示类别Si的类别调速范围，hm表示电机设备Em的调速权重，rm表示电机设备Em的电机平衡能力，σm表示电机设备Em的电机转速参数。
重复上述步骤，对各类别中各所述电机设备进行调速。
本实施例利用计算机电网模拟仿真方法得到电机转速参数，其与电机设备型号相关，即同一种型号电机设备对应的电机转速参数一致，具体是构建一个虚拟电网，模拟电网中电器设备的用电波动情况，通过改变电机转速参数获得电机设备的不同调速范围，当电机转速参数为某一数值时，通过此数值对电机设备调速后，电网中的用电量不再波动，则此时的电机转速参数最为合适。
本发明实施例提供的一种基于云计算的电机设备调速控制方法，通过分析电网中电机设备与用电设备的关系，解决了现有技术通过增加调速设备或根据电机输入参数调整电机转速，不仅转速调节效果差，而且成本高的问题，本实施例通过自动实时检测电网状况，实现了智能化的电机调速控制，在保证运行可靠性前提下，平滑调速，实现了电网中电力资源的合理化分配，从而提高了电网的稳定性，同时，本实施例大大减少了电网设备的电能损耗以及维修成本，本实施例提供的调速方法充分考虑了电网中电器设备的用电情况，调速精度高，能够满足不同规模的电网系统，且安全系数高，在保证电机正常使用的同时，降低电机能耗，实现缓解电力资源的效果。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于云计算的电机设备调速控制方法，其特征在于，包括：
S1.根据采集到的电器设备数据建立电网树状结构，并根据获取的相似度矩阵划分类别；
S2.根据所述电器设备数据，得到各类别中各个电器设备的用电变化特征向量，根据所述用电变化特征向量以及对应电器设备的耗电量权重，得到各类别的类别特征点，根据所述类别特征点，得到对应类别的转速调节范围；
S3.根据所述电器设备数据，得到各类别的类别平衡能力，选取任一类别，分别计算其与剩余类别之间的类别相似度，根据所述类别相似度以及所述转速调节范围，得到调速转移权重，依次根据所述调速转移权重、所述转速调节范围以及所述类别平衡能力，得到各类别的类别调速范围；
S4.计算各类别中，每个所述电机设备与各个用电设备在所述电网树状结构中的拓扑距离，根据所述拓扑距离得到位置相似度，根据所述位置相似度以及所述电器设备数据，得到各类别中任意两个所述电机设备的局域相似度；
S5.根据所述局域相似度以及电机工作特征，得到所述电机设备的调速权重，根据所述类别调速范围以及所述调速权重，获取各所述电机设备的转速减小量；
其中，所述电器设备包括所述电机设备以及用电设备。
2.如权利要求1所述的一种基于云计算的电机设备调速控制方法，其特征在于：所述相似度矩阵由所述电网树状结构中的任意两个所述电器设备的所述位置相似度以及耗电相似度获取；
其中，所述耗电相似度为任意两个所述电器设备的用电变化特征向量的余弦距离。
3.如权利要求2所述的一种基于云计算的电机设备调速控制方法，其特征在于，所述根据所述用电变化特征向量以及对应电器设备的耗电量权重，得到各类别的类别特征点，具体为：
计算任一类别中各个所述电器设备的用电量与此类别中所有所述电器设备用电量之和的比值的百分比，得到此类别中各个所述电器设备的耗电量权重；
通过此类别中各个所述电器设备的所述耗电量权重对对应所述电器设备的所述用电变化特征向量进行加权求和，得到类别特征点，依次计算所有类别，得到各类别的类别特征点。
4.如权利要求3所述的一种基于云计算的电机设备调速控制方法，其特征在于：所述转速调节范围为所述类别特征点与原点坐标的欧氏距离。
5.如权利要求4所述的一种基于云计算的电机设备调速控制方法，其特征在于，根据所述电器设备数据，得到各类别的类别平衡能力，具体为：
计算所述电网树状结构中所述电机设备的额定功率之和，得到总额定功率；
计算各个所述电机设备的额定功率与所述总额定功率的比值，得到电机平衡能力；
计算每个类别中所有所述电机设备的电机平衡能力之和，得到类别平衡能力。
6.如权利要求1所述的一种基于云计算的电机设备调速控制方法，其特征在于：所述调速转移权重为任意两个类别的所述类别相似度与所述转速调节范围之差的乘积。
7.如权利要求1所述的一种基于云计算的电机设备调速控制方法，其特征在于：所述拓扑距离为在所述电网树状结构中，一个电器设备子节点与另一电器设备子节点之间边的总个数减一。
8.如权利要求1所述的一种基于云计算的电机设备调速控制方法，其特征在于，所述根据所述位置相似度以及所述电器设备数据，得到各类别中任意两个所述电机设备的局域相似度，包括：
根据所述位置相似度以及所述电器设备数据，获取各类别中各个电机设备的同步特征向量；
选取任一类别，利用欧氏距离，根据所述同步特征向量，得到此类别中任意两个所述电机设备的局域相似度。
9.如权利要求1所述的一种基于云计算的电机设备调速控制方法，其特征在于：
所述电器设备数据包括所述电器设备的用电时刻、用电量，还包括所述电机设备的输入功率、输出功率、额定功率。
10.如权利要求1所述的一种基于云计算的电机设备调速控制方法，其特征在于：所述电机工作特性包括所述电机设备的工作效率。
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