基于无线传感技术的海洋钻机电力设备温度监测预警系统设计

2022-02-18中海石油中国有限公司天津分公司

电力设备管理 2022年1期

中海石油（中国）有限公司天津分公司王涛

随着计算机科学和电子技术的成熟和兴起[1]，温度监控技术在农业和工业中起到了一定的支撑作用，主要是在对温度监控的地方进行控制。对于该项技术形成的检测预警系统是需要稳定和可靠的设备进行支持。因为温度是一个非线性的时变数据，在采集和集成的过程中容易受到较大的干扰，控制起来存在较大难度。现有的系统需要更高的成本来进行系统维护，使得企业的资金投入越来越多。因此，本文提出基于无线传感技术的海洋钻机电力设备温度监测预警系统，用于海洋钻机电气系统日常运行中的温度监测。

无线传感技术可以通过各个节点的网络布置，直接将温度监测效果传输至主站内，以捆绑式安装结构，完成多个传感器的串联。其中无线网络层级可以通过温度传感器穿入合金带，直接把温度传感器底部的测温探头贴在被测物体表面，直到选定的位置得以确定后进行选项调整固定。本文在利用无线传感技术的优势下，设计一款性能较为良好的温度接收与传输装置，在设置好的工作条件下，使其可以具备防水和防锈以及防腐蚀能力，完成设备的温度监测和预警，为延长设备的使用寿命提供理论支持[2]。

1 基于无线传感技术的海洋钻机电力设备温度监测预警系统硬件设计

1.1 建立海洋钻机电力设备温度在线监测架构

在每一个端口与另一端口处连接时，需要将卡扣慢慢拉紧，接着从反方向折弯。整个架构需要将传感器的外层硅胶紧密的连接在被测物体上，通过无线传感技术将数据从多个层面传输至接收站。其中对于总路线上的主机结构组为数据储存层放置在第一结构内，其次按照数据接收层对接传感服务器和数据串口，每组温度传感器需要在固定编码下进行有序安装，依次放置在数据采集层。

架构分层在重新组建的监测架构中主要分为三个层级，最主要的层级为传感器设备的安装层级，即有效温度数据的采集层面。根据现场设备的放置形式其底层分布固定序号的无线传感器，能够和被测点直接接触，实时监测到海洋钻机电力设备温度参数的变化数据。在此基础上传感器通过无线传输方式，将采集到的数据传输给温度采集器[3]，采集器将接收到的数据进行处理[4]，并通过采集器的屏幕显示出来，同时将数据上传至服务器端，服务器端通过后台软件界面可以显示各个测点温度以及变化趋势，报警信息等，从而完成海洋钻机电力设备温度数据的采集与显示。

1.2 设定无线温度传感器参数范围

正常运行状态下设备工作环境的空气相对湿度分为两个等级，一般日平均相对湿度在95%以下，月平均相对湿度在90%以下。在湿度配比符合的情况下，设置整个运行的环境温度在-30℃到70℃范围之间，年平均温度保持在25℃左右，最大日温差不能超过这一范围。根据耐用性和防水防腐性的要求设定，传感器的整体采用导磁防锈材料，采用CT感应电流自取电方式直接与高压导线装配，额外无需电池供电，保证储能电容可以持续储能。

无线温度传感器参数选定指标：RS486通讯距离0-2000m，RS486通讯速率1200bps、2400bps、4800bps、9600bps，光线通讯距离0-5000m，光纤通讯波特率2400bps-56000bps，传输距离0.4-500m，频率范围428MHz-439MHz。

根据表中内容所示，此次设计采用无源输出的接口模式，在保证热敏传感器的负载小于300W的条件下，可以和接点体紧密接触，准确测量出实时温度。每组传感器的表带长度为W28×D36×H20×L420，合金带长度为W10×D0.3×L420，在感应取电在负荷为5A-5000A范围内进行工作，可以通过不同的传输效率获取温度数据，使得整体的精密度保持在±2℃区间。

2 基于无线传感技术的海洋钻机电力设备温度监测预警系统软件设计

2.1 布控中央无线采集和汇聚数据节点

海洋钻机电力设备温度监测预警系统的主要数据来源为不同设备之间的节点采集，根据无线传感网络的结构特点布控多个数据采集节点，按照中央采集和分散汇集的节点装置进行安排，并在显示节点数据后的温度测量进行历史曲线的查询。监测节点根据一定协议规则组成双层无线网络结构，采用双层同时射频传输的技术，在较远距离温度的多维采集中满足成本需求。一般数据采集节点是根据处理器模块以及无线收发模块连接组成，通过现场控制模块排列组合分类数据，直接在显示模块中完成统一调取。此次采集节点的处理器模块型号为C605lfD20，内核与指令集可以完全兼容硬件的传感器参数，形成集数据采集和集中控制的闭环。在每组无线接收模块内另外布控模拟部件，当含有信号的调理传感器将非接入信号传入后，可以通过模拟部件进行标准信号转化，完成处理器和传感器之间的有效通信，实现海洋钻机电力设备温度数据的信息采集。

在各个网络节点完成温度信息采集后，通过信号调节装置将其转换至频率信号，利用传感器的不同光纤对比接口，按照程序化处理为设备的对应温度，为保证每组设备的连接无线收发模块可以同时段工作，需要在收发芯片中设置不同的采集频段，此次设置分为433MHz、868MHz以及915MHz，完成循环频率编码的统一校验。其次针对中央采集节点而言，每组设备的传感器连接节点模式，除了主要的控制节点外还需要对传感器进行二级节点的布控，在采集数据个数超过多个的字节后，直接通过二级节点整合完成多余数据的校验。在配合整个无线网络搭建的工作中，二级采集节点和监控主机之间能够形成良好的通信通路，对于每次传输到的指令和数据能同时执行，并将添加到节点的地址校验码进行打包及时分类，在初步处理后保存原始数据进入汇集节点完成输送。

2.2 最小二乘法构建温度辨识模型

在完成各个温度传感器采集节点的根据最小二乘法来计算每组温度数据的辨识参数[5]，利用无线传感网络的通讯技术在中央进行数据的多个网络汇集，同时收集海洋钻机电力设备不同位置和不同序列的温度数据，完成对多个时段的温度判断。在此基础上需要对海洋钻机电力设备工作现场的环境进行辨识，分析不同设备之间的温度差值，对比设备的现行运行状态作出预警信息输出，实现数据组网的有效连接。对于单个输出或者输入的常态节点，可以通过差分方程变量进行细节描述，设定每个数据的进阶系数为q，在设定w多个辨识结果时，可以根据输入的有效数据完成位置参数的选择，表达式为：

公式中：每组传感器实际测量的温度数据输出结果用{t（q）}和{e（q）}来表示；在均数值等于0时每组的数据不相关变量序列用来{r（q）}表示。在得到辨识的温度测量模型参数后，在线性定量矩阵中观测每组数据的残差平方和最小取值范围。最小二乘法是根据每个数据的参数到向量之间的长度距离进行测算，加入增加了一个新的温度数据，则需要在获取的有效数据中依次叠加参数选项。根据估计向量参数的二次函数进行有效数值的求解，求导规律可以通过最小残差平方和进行计算，表达式为：

公式中：估计参数向量用av来表示；在每个采集到的温度数据残差平方和用Zv表示，其中vu为向量的二次函数。当每组数据中包含多个位置参数时，可以将随机序列设置为0，每次辨识的最优解数据长度越长，表示该数据的选取规模越大，能够得到的参数解就越精准。根据最小二乘法来计算每组温度数据的辨识参数[6]，由此构建温度辨识模型，通过温度传输的偏差反应不同设备之间的运行状态，及时作出高温或者高耗能的预警信号。需要注意在温度偏差较大时，残差的平方和若不能使最优解的序列构成0，则表示此时的模型参数的选值不能正确反映系统真实状况。若出现类似的情况可以通过加权法，对参数的系数大小进行设置，使得单位的加权矩阵和单位矩阵的最优解相同即可。

3 测试与结果分析

3.1 实验准备

为验证本次设计的海洋钻机电力设备温度监测预警系统具有实际应用效果，第一阶段为抗干扰性能检测，在严酷等级为IV级的瞬脉冲群干扰下，监测系统能够完成较为稳定的温度数据输出；第二阶段为温度监测效果测试，即在不同时间段内每组传感器的温度显示数据均能够与实际温度保持一致，作出提前预警。选择4组发电机监测点位对海洋钻机电力设备的进线柜进行在线温度监测，每个发动机的监测点数量设置3个，无线网络中布控有变压器数量为2个，变频器数量为6个，并设置好顶部的出线断路。在保证每个监测点位均可以正常开启后，每组传感器的温度数据传输保持一致时，进行海洋钻机发电机设备运行状态的温度监测。

3.2 第一阶段测试

在正常生产过程中监测系统，必须具有抗干扰性能才有实际应用意义，为更好的分析本次监测系统的抗干扰性能，设置实验的检测干扰值初始为0，以此增加干扰系数进行干扰输出。选择PID监测预警系统和动态矩阵预警系统作为对比系统，与本文设计的基于无线传感技术的海洋钻机电力设备温度监测预警系统进行实验对比，在系统稳定运行后的30min内进行数据的干扰调节测试，具体调节时间曲线如下图1所示。

图1 调节时间曲线对比结果

如图1所示，在每组传感器正常运行得到数据后加入干扰信号，三组系统的调节时间和承受干扰上限不一致。两组传统预警系统的干扰值上限0.25，且调节过重会出现一定震荡，总体调节时间超过400s。本文系统的干扰上限值没有受到影响，在最大干扰值设定在0.5时，能够在110s的时间内完成调节，保证实时数据的输出，具有实际应用效果。