wsn的预装式变电站温度在线监测与预测系统设计
摘 要预装式变电站具有组合灵活、便于运输、安装方便等优点，越来越受到世界各国电力工作者的重视，而其设备老化、负荷过大等都会造成变电站设备温度过高，从而会引发火灾等事故的发生。因此，对预装式变电站电力设备的温度进行实时监测与预测，对保证预装式变电站的安全与稳定运行意义重大。本文基于无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN)技术设计了预装式变电站温度在线监测子系统，基于混沌理论与支持向量机(Support Vector Machine,SVM)等人工智能方法设计了变电站温度预测子系统。温度在线监测子系统包括无线温度传感器网络和远程监测管理系统两部分。无线温度传感器网络在Zigbee无线通信协议基础上，通过在CC2530无线节点上设计DS18B20温度测量电路搭建而成，实现了对设备温度的实时采集。远程监测管理系统采用C#语言编程，实现了对电力设备温度数据的实时监测、历史查询和系统管理。变电站温度预测子系统包括两个部分：混沌判别与相空间重构、SVM训练与预测。混沌判别与相空间重构部分对设备温度数据进行混沌性验证，并将数据进行相空间重构，步骤包括光子能量法求数据的平均周期、互信息法求数据的延迟时间、Cao法求数据的嵌入维数、数据相空间重构、小数据量法求得数据的李雅普诺夫指数进行判别。SVM训练与预测模块用重构相空间后的数据训练SVM，根据训练好的模型预测设备温度数据。为了提高预测的准确性，本文采用粒子群算法优化了SVM的惩罚因子和核函数参数，对传统SVM算法进行了改进，并与基于RBF神经网络的预测系统进行了对比。预测结果表明：由神经网络预测系统的均方误差为0.2438，改进SVM预测系统的均方误差降低到0.0211，降低了91%，从而验证了改进SVM预测系统对预装式变电站电力设备温度的预测具有较高的准确性。
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3课题研究意义 3
1.4 主要设计任务及章节安排 3
第2章 无线温度传感器网络设计 6
2.1 引言 6
2.2 无线温度传感器网络总体架构 7
2.3 无
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线温度传感器网络详细设计 8
2.3.1数据采集模块设计 8
2.3.2 ZigBee组网设计 9
2.4本章小结 11
第3章 远程监测管理系统的设计与开发 12
3.1 引言 12
3.2远程监测管理系统的总体设计 12
3.3远程监测管理系统各模块设计 13
3.3.1系统各模块的功能设计 13
3.3.2监测管理的系统通信协议设计 19
3.4 本章小结 20
第4章 预装式变电站电力设备温度预测研究 21
4.1引言 21
4.2 混沌判别与相空间重构 22
4.2.1混沌时间序列 22
4.2.2混沌判别 22
4.3基于RBF神经网络的混沌时间序列预测 26
4.3.1 RBF神经网络算法 26
4.3.2 RBF神经网络对混沌时间序列预测 27
4.4基于支持向量机的混沌时间序列预测 28
4.3.1支持向量机算法 28
4.3.2支持向量机对混沌时间序列预测 29
4.5粒子群优化支持向量机的设计与应用 30
4.5.1粒子群算法 30
4.5.2粒子群算法对支持向量机参数的优化 31
4.6实验结果对比分析 33
4.7本章小结 34
第5章 总结与展望 35
5.1 总结 35
5.2 展望 35
参考文献 36
致 谢 38
英文文献翻译 39
第1章 绪论
1.1 课题研究背景
随着我国现代化进程的不断加速，电力能源在人们的生产、生活中扮演着越来越重要的角色。保障电力设备的稳定、安全运行是十分必要的。变电站是电力系统的核心部分，其起着电压变换、电能接收以及电能分配等重要作用。对变电站进行智能的状态监测在电力系统中越来越受到有关管理、科研、运营和工程技术人员的重视。电力设备的温度监测是变电站状态监测中的重要指标之一。电力设备的温度变化可以反映变电站电力设备的工作状态是否正常。电力设备在长期运行过程中，其连接部位、高压电缆接头等部位可能会出现老化、接触不良和松动等现象。以上现象会造成这些部位的接触电阻过大，从而引发电力设备发热。电力设备发热过于显著，如果不采取措施及时处理，就会导致火灾、爆炸等灾难的发生。这些灾难的发生不仅会对电力设备造成巨大的损坏也会给人们的生产、生活造成巨大的经济损失。对电力设备的温度进行实时监测以及预测设备温度的短时变化趋势，可以有效地对电力设备进行管理，避免重大损失的造成。预装式变电站将高压开关设备、中压开关设备、中压配套设备、变压器设备及综合自动化模块组合在一起，其占地面积小，易于安装，但由于其空间较小，热量不易扩散，因此对预装式变电站电力设备温度的监测和预测尤为重要。
1.2国内外研究现状
我国对于电力设备的温度监测的研究已有几十年的历史，在设备温度的在线监测研究上已经取得一定的成果。目前，主流的电力设备测温方式为人工逐点测量、红外热成像、有线在线监测和无线监测四种方式。我国中小型变电站主要采用人工逐点测量方式，该方式主要运用红外点测温仪和示温蜡片两种方法，部分大型变电站采用分布式光纤有线在线方式或红外热成像方式，国外变电站主要采用有线在线方式进行测温，无线监测也在大力研究中。总体来说，我国电力测温方式无论是在方法上还是在测温的精度上较国外而言还存在较大的差距。
下面对上述提到的测温方法进行详细介绍：
示温蜡片法：该方法是在电力设备的某些部位贴上特制的蜡片，通过定期观察蜡片的颜色来判断设备的温度是否正常。示温蜡片具有超温颜色变化的性质，当设备温度低于设定临界温度时，蜡片颜色正常，一旦设备温度高于设定的临界温度，蜡片的颜色将立即发生变化或者蜡片熔化[1]。这种方法，浅显易懂，蜡片便于安装，操作简单，但需要人定期检查，并且需要根据实际经验判断，存在的误差较大，消耗的人力较大。
红外点温仪法：该方法根据物体的红外辐射量会随物体温度的变化而变化的原理进行温度的测量。这种方法需要人手持红外点温仪对准需要测温的部位，根据采集到的设备的红外辐射量得到当前设备的温度值[2]。红外点测温仪法操作简便，测量精度较高。但其价格比较昂贵，检测人员因长时间工作在强磁场、高电压的环境下会对身体造成较大的伤害。
红外热成像法：其根据物体温度不同热成像的颜色不同的原理进行温度的测量[2]。该方法能够实现对物体温度的面测量，测量范围比较广，并且不受强磁场的影响，测温精度高。但红外热成像仪的价格较贵，没有在变电站中得到的大规模的使用。
分布式光纤法：其利用光纤温度传感器进行温度的测量，利用光纤进行数据的传输，能够实时测量[47]。这项技术是由英国安普顿大学在1981年提出，因其抗腐蚀性强、耐高温、抗电磁干扰，测温范围广等优点，在国外得到广泛应用。我国也在积极建设中。李伟良等对光纤测温系统在电力系统中的应用做了详细的说明与介绍[3]。但其安装困难，投资较大，在国内的中小型电厂应用极少。
（5）无线测温法：随着物联网技术的不断发展，无线传感器网络技术被应用到了电力设备的温度测量中。无线测温法指通过Zigbee、Wifi、GPRS等无线通信技术将温度传感器采集到的电力设备的温度值发送到监控中心，实现对电力设备的远程、实时温度测量。吴江一等对无线测温系统进行了深入研究并成功实现了电力设备温度的无线测量[4]。秦业等采用基于GPRS与Internet网络的无线通信方式设计了一种电力设备运行环境温度远程监控系统[5]。沈楚焱等人设计了基于Zigbee网络通信方式的预装式变电站的测控系统，实现了对预装式变电站温度等的实时监测[6]。无线测温方式免于布置排线、经常地维护，其节能、稳定以及减少人力、物力，具有诸多优点。
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3课题研究意义 3
1.4 主要设计任务及章节安排 3
第2章 无线温度传感器网络设计 6
2.1 引言 6
2.2 无线温度传感器网络总体架构 7
2.3 无
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
线温度传感器网络详细设计 8
2.3.1数据采集模块设计 8
2.3.2 ZigBee组网设计 9
2.4本章小结 11
第3章 远程监测管理系统的设计与开发 12
3.1 引言 12
3.2远程监测管理系统的总体设计 12
3.3远程监测管理系统各模块设计 13
3.3.1系统各模块的功能设计 13
3.3.2监测管理的系统通信协议设计 19
3.4 本章小结 20
第4章 预装式变电站电力设备温度预测研究 21
4.1引言 21
4.2 混沌判别与相空间重构 22
4.2.1混沌时间序列 22
4.2.2混沌判别 22
4.3基于RBF神经网络的混沌时间序列预测 26
4.3.1 RBF神经网络算法 26
4.3.2 RBF神经网络对混沌时间序列预测 27
4.4基于支持向量机的混沌时间序列预测 28
4.3.1支持向量机算法 28
4.3.2支持向量机对混沌时间序列预测 29
4.5粒子群优化支持向量机的设计与应用 30
4.5.1粒子群算法 30
4.5.2粒子群算法对支持向量机参数的优化 31
4.6实验结果对比分析 33
4.7本章小结 34
第5章 总结与展望 35
5.1 总结 35
5.2 展望 35
参考文献 36
致 谢 38
英文文献翻译 39
第1章 绪论
1.1 课题研究背景
随着我国现代化进程的不断加速，电力能源在人们的生产、生活中扮演着越来越重要的角色。保障电力设备的稳定、安全运行是十分必要的。变电站是电力系统的核心部分，其起着电压变换、电能接收以及电能分配等重要作用。对变电站进行智能的状态监测在电力系统中越来越受到有关管理、科研、运营和工程技术人员的重视。电力设备的温度监测是变电站状态监测中的重要指标之一。电力设备的温度变化可以反映变电站电力设备的工作状态是否正常。电力设备在长期运行过程中，其连接部位、高压电缆接头等部位可能会出现老化、接触不良和松动等现象。以上现象会造成这些部位的接触电阻过大，从而引发电力设备发热。电力设备发热过于显著，如果不采取措施及时处理，就会导致火灾、爆炸等灾难的发生。这些灾难的发生不仅会对电力设备造成巨大的损坏也会给人们的生产、生活造成巨大的经济损失。对电力设备的温度进行实时监测以及预测设备温度的短时变化趋势，可以有效地对电力设备进行管理，避免重大损失的造成。预装式变电站将高压开关设备、中压开关设备、中压配套设备、变压器设备及综合自动化模块组合在一起，其占地面积小，易于安装，但由于其空间较小，热量不易扩散，因此对预装式变电站电力设备温度的监测和预测尤为重要。
1.2国内外研究现状
我国对于电力设备的温度监测的研究已有几十年的历史，在设备温度的在线监测研究上已经取得一定的成果。目前，主流的电力设备测温方式为人工逐点测量、红外热成像、有线在线监测和无线监测四种方式。我国中小型变电站主要采用人工逐点测量方式，该方式主要运用红外点测温仪和示温蜡片两种方法，部分大型变电站采用分布式光纤有线在线方式或红外热成像方式，国外变电站主要采用有线在线方式进行测温，无线监测也在大力研究中。总体来说，我国电力测温方式无论是在方法上还是在测温的精度上较国外而言还存在较大的差距。
下面对上述提到的测温方法进行详细介绍：
示温蜡片法：该方法是在电力设备的某些部位贴上特制的蜡片，通过定期观察蜡片的颜色来判断设备的温度是否正常。示温蜡片具有超温颜色变化的性质，当设备温度低于设定临界温度时，蜡片颜色正常，一旦设备温度高于设定的临界温度，蜡片的颜色将立即发生变化或者蜡片熔化[1]。这种方法，浅显易懂，蜡片便于安装，操作简单，但需要人定期检查，并且需要根据实际经验判断，存在的误差较大，消耗的人力较大。
红外点温仪法：该方法根据物体的红外辐射量会随物体温度的变化而变化的原理进行温度的测量。这种方法需要人手持红外点温仪对准需要测温的部位，根据采集到的设备的红外辐射量得到当前设备的温度值[2]。红外点测温仪法操作简便，测量精度较高。但其价格比较昂贵，检测人员因长时间工作在强磁场、高电压的环境下会对身体造成较大的伤害。
红外热成像法：其根据物体温度不同热成像的颜色不同的原理进行温度的测量[2]。该方法能够实现对物体温度的面测量，测量范围比较广，并且不受强磁场的影响，测温精度高。但红外热成像仪的价格较贵，没有在变电站中得到的大规模的使用。
分布式光纤法：其利用光纤温度传感器进行温度的测量，利用光纤进行数据的传输，能够实时测量[47]。这项技术是由英国安普顿大学在1981年提出，因其抗腐蚀性强、耐高温、抗电磁干扰，测温范围广等优点，在国外得到广泛应用。我国也在积极建设中。李伟良等对光纤测温系统在电力系统中的应用做了详细的说明与介绍[3]。但其安装困难，投资较大，在国内的中小型电厂应用极少。
（5）无线测温法：随着物联网技术的不断发展，无线传感器网络技术被应用到了电力设备的温度测量中。无线测温法指通过Zigbee、Wifi、GPRS等无线通信技术将温度传感器采集到的电力设备的温度值发送到监控中心，实现对电力设备的远程、实时温度测量。吴江一等对无线测温系统进行了深入研究并成功实现了电力设备温度的无线测量[4]。秦业等采用基于GPRS与Internet网络的无线通信方式设计了一种电力设备运行环境温度远程监控系统[5]。沈楚焱等人设计了基于Zigbee网络通信方式的预装式变电站的测控系统，实现了对预装式变电站温度等的实时监测[6]。无线测温方式免于布置排线、经常地维护，其节能、稳定以及减少人力、物力，具有诸多优点。
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