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  余鯤1，楊俊杰1，樓志斌2

  （1．上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，上海200090；2.上�？茖W(xué)院，上海201203）

  摘要：以輸電線路覆冰監(jiān)測為對象，研究監(jiān)測數(shù)據(jù)的提取算法。在綜合分析均值法和中值法性能的基礎(chǔ)上，提出一種中-均值提取算法。通過實(shí)驗(yàn)，對比分析了三種數(shù)據(jù)提取算的性能。研究結(jié)果表明，中-均值算法能夠更好地解決覆冰監(jiān)測中的數(shù)據(jù)處理問題。

  關(guān)鍵詞：覆冰監(jiān)測；數(shù)值處理方法；均值法；中值法；中-均值算法

  中圖分類號：TP274    文章編號：1006 - 2394( 2016) 01 - 0009 - 02

O  引言

  冰災(zāi)嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，輕則導(dǎo)致絕緣子串冰閃跳閘、相間閃絡(luò)跳閘和導(dǎo)線大幅舞動等可恢復(fù)供電周期較短的重大事故，重則導(dǎo)致桿塔傾斜甚至倒塌、線路金具嚴(yán)重?fù)p壞和導(dǎo)線脆斷接地等可恢復(fù)供電周期較長的特大事故…。輸電線路覆冰事故破壞力度大、波及面廣且損失慘重，對國民經(jīng)濟(jì)造成了重大損失和影響。因此，對輸電線路的覆冰狀態(tài)進(jìn)

行監(jiān)測與評估具有重要的意義。

  在對輸電線路的覆冰狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測過程中，一個重要的環(huán)節(jié)是要對傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并提取特征數(shù)據(jù)，以用于后續(xù)覆冰等值厚度的計(jì)算及評估模型的建立。然而，由于線路舞動等因素的影響，傳感器的采集數(shù)據(jù)會出現(xiàn)不穩(wěn)定的值，如何從中提取出真實(shí)的特征數(shù)據(jù)關(guān)系著覆冰狀態(tài)評估的準(zhǔn)確性。目前，國內(nèi)外關(guān)于覆冰監(jiān)測的研究主要集中在覆冰等值厚度模型的建立及覆冰狀態(tài)的在線評估，而對于如何在線路舞動狀態(tài)下提取真實(shí)有效的覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)，目前尚未有文獻(xiàn)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。為了解決特征數(shù)據(jù)提取不準(zhǔn)確的問題，本文首先提出輸電線路覆冰數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)架構(gòu)，然后提出一種用于提取有效覆冰監(jiān)測特征數(shù)據(jù)的中-均值算法，通過對實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，驗(yàn)證其可行性和準(zhǔn)確性。

1  輸電線路覆冰數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

  輸電線路覆冰數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的總體框架如圖1所示，它包括數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)采集單元使用傳感器進(jìn)行信號采集，把采集到的風(fēng)速、風(fēng)向、拉力、角度傳感器的信息送到數(shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理單元則用智能處理算法對通過預(yù)處理后的信息進(jìn)行濾波算法的特征數(shù)據(jù)的提取，通過無線傳輸至后臺管理中心，為其提供有效的特征數(shù)據(jù)。風(fēng)速和風(fēng)向使用風(fēng)速風(fēng)向大氣壓強(qiáng)一體傳感器測量，絕緣子串拉力使用特制拉力傳感器采集，角度值使用角度傳感器測量。本文將以角度傳感器為例，來分析所得數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理。

2  中-均值算法

  在輸電線路覆冰數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，簡單的采用中值或均值算法提取的特征數(shù)據(jù)誤差較大，精確度不高，計(jì)算結(jié)果不能真實(shí)地反應(yīng)輸電線路的覆冰狀態(tài)。為提高精度，得到更加準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，本文提出中-均值特征數(shù)據(jù)提取算法。中-均值算法是一種綜合中值法和均值法的特征數(shù)據(jù)提取算法。算法的基本思想描述如下：

  設(shè)一組數(shù)據(jù)有m x n個數(shù)據(jù)，把這一組數(shù)據(jù)分成n份，則每一份有m個值。現(xiàn)對數(shù)據(jù)做如下處理：

  (1)對這組數(shù)據(jù)進(jìn)行中值法運(yùn)算。中值法濾波是一種能有效抑制噪聲的非線性處理技術(shù)，能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果。對于任意一份序列中的m個值g1，g2，g3，…，gm-1，gm，如若m為奇數(shù)，則序列g(shù)按照數(shù)值大小順序排列后，取其序號為中間點(diǎn)的那個數(shù)的數(shù)值為輸出結(jié)果；如若m為偶數(shù)，則序列g(shù)按照數(shù)值大小順序排列后，取其序號為中間點(diǎn)的那兩個數(shù)的均值為輸出結(jié)果，即：

式中：y= m i d s o l v()為求中值函數(shù)，g a為g序列進(jìn)行數(shù)值大小排列后的新數(shù)列。

  (2)再對這組數(shù)據(jù)進(jìn)行均值法運(yùn)算。中值法濾波后，這一組m x n個數(shù)據(jù)將變?yōu)閚個數(shù)據(jù)，對這n個數(shù)據(jù)進(jìn)行均值法濾波。均值法是對取樣的n個值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。對于中值濾波后的序列Y1，Y2，y3…，，yn-1，y n進(jìn)行均值法濾波，則所得數(shù)據(jù)結(jié)果為：

3實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬

3.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

  為了驗(yàn)證中，均值算法在實(shí)際運(yùn)用中的準(zhǔn)確性和可行性，在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建覆冰監(jiān)測平臺。覆冰監(jiān)測平臺由鐵塔、傳感器（角度、拉力、風(fēng)速風(fēng)向）、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、無線通信模塊組成。

  用750 mm大功率工業(yè)風(fēng)扇（750 mm是指風(fēng)扇網(wǎng)罩直徑）模擬風(fēng)吹，人為施加拉力。傳感器采集到各類數(shù)據(jù)后由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行算法濾波，再通過無線通信模塊把處理系統(tǒng)濾波后的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)傳輸給后臺管理中心，讓其作出合理的覆冰狀態(tài)評估。其中，角度傳感器安裝在絕緣子串與鐵塔懸掛的關(guān)節(jié)處，當(dāng)有風(fēng)吹動導(dǎo)線時，角度傳感器采集導(dǎo)線偏移量與水平位置的角度差，其使用無錫慧聯(lián)科技的SIS 426型，是針對工業(yè)現(xiàn)場控制而推出的數(shù)字輸出型雙軸傾角傳感器，內(nèi)置高精度差分轉(zhuǎn)換器，通過多階濾波算法，輸出雙軸傾角值。按照傳感器的使用說明，通過串口采集到500個角度數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，角度傳感器現(xiàn)場采集到的x軸角度范圍為-1.2~+0. 6;y軸角度范圍為-4.1~-3.3。對預(yù)處理完成后的角度數(shù)據(jù)描點(diǎn)畫

圖，如圖2所示。

  圖中前期波動很小的數(shù)據(jù)為傳感器在默認(rèn)角度的穩(wěn)定狀態(tài)下采集到的數(shù)據(jù)集輸出。

3.2基于中．均值算法的數(shù)據(jù)處理及比較分析

  在覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的特征數(shù)據(jù)提取中，對角度傳感器得到的數(shù)據(jù)分析，以傳感器采集開始的穩(wěn)定數(shù)據(jù)為基值，先分別按照均值濾波算法和中值濾波算法進(jìn)行處理，再按照中．均值濾波算法進(jìn)行處理。對三種算法做誤差分析比較，所得的誤差比較分析如圖3所示。圖中以驗(yàn)證數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)間隔為橫坐標(biāo)，誤差大小為縱坐標(biāo)，縱坐標(biāo)越逼近0，則表示該方法提取到的數(shù)據(jù)越接近真實(shí)值，誤差越小。

  由圖看出，在x軸角度提取方法比較中，驗(yàn)證數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為[25，35]的區(qū)間內(nèi)均值法誤差較小，其余區(qū)間中，均值法誤差較�。粡恼�體趨勢來看，中-均值法的誤差百分值相對另外兩種算法要小。在y軸角度提取方法比較中，驗(yàn)證數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為[0，10]、[30，50]和[60，90]的區(qū)間內(nèi)，中值法誤差值大，而均值法和中-均值法的誤差百分值明顯低于中值法。  

由于覆冰監(jiān)測系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時采集，原始數(shù)據(jù)量較多，故總的來說，用中-均值法提取的特征數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，能有效減小誤差。中值法能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，但并不適用于連續(xù)的波動；均值法對隨機(jī)的連續(xù)干擾信號具有良好的濾波效果，但對于偶然因素引起的波動干擾并未有明顯的濾波效果；中-均值法結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，避免兩者缺陷，可以更準(zhǔn)確地提取特征值，減小誤差。

4結(jié)論

  為解決覆冰監(jiān)測系統(tǒng)中特征數(shù)據(jù)提取不準(zhǔn)確的問題，本文提出了中-均值算法。通過在覆冰實(shí)驗(yàn)平臺下的模擬，計(jì)算數(shù)值結(jié)果并分析均值法、中值法及中，均值法的優(yōu)劣性�？傮w來說，用中．均值算法能準(zhǔn)確地表示原始數(shù)據(jù)，更有效地減小誤差。所以，在覆冰監(jiān)測系統(tǒng)中，從傳感器得出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，可以考慮使用中-均值算法來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。