一种基于能量平衡的传感器配置冗余度确定方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于能量平衡的传感器配置冗余度确定方法及系统，其特征在于，包括以下内容：1)构建网络化系统的能量网络模型；2)根据能量网络模型中节点的输入输出能量平衡和网络化系统中传感器的配置方式，建立能量网络模型的量测方程；3)根据能量网络模型的量测方程中量测方程系数矩阵的非零行数量和秩，确定网络化系统在该传感器配置方式下的测量冗余度，本发明专利技术可以广泛应用于网络化系统测量技术领域中。

A method and system for determining the redundancy of sensor configuration based on energy balance

【技术实现步骤摘要】
一种基于能量平衡的传感器配置冗余度确定方法及系统
本专利技术是关于一种基于能量平衡的传感器配置冗余度确定方法及系统，属于网络化系统测量

技术介绍
如何用较少的传感器获得被测对象的状态，一直是传感器测量领域中一个重要而基础的问题。网络化系统之间的关联关系使得传感器之间存在一定的冗余信息，利用这些冗余信息可以对传感器获取的测量数据进行校正或对未知测量量进行估计，传感器之间的冗余信息是衡量不同传感器配置方案的重要指标之一。因此，量化不同传感器配置方案的信息冗余度就显得尤为重要。现有技术中的部分方法是从被测系统结构的描述方式出发，通过分析传感器对于可诊断性的贡献，选取最小的传感器集合。然而，这些方法在评价传感器的贡献时缺乏对冗余信息的定量描述。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能够定量描述冗余信息的基于能量平衡的传感器配置冗余度确定方法及系统。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种基于能量平衡的传感器配置冗余度确定方法，其特征在于，包括以下内容：1)构建网络化系统的能量网络模型；2)根据能量网络模型中节点的输入输出能量平衡和网络化系统中传感器的配置方式，建立能量网络模型的量测方程；3)根据能量网络模型的量测方程中量测方程系数矩阵的非零行数量和秩，确定网络化系统在该传感器配置方式下的测量冗余度。进一步地，所述网络化系统为具备能量传输、变换的网络系统。进一步地，所述步骤1)的具体过程为：将网络化系统中传输能量的管道抽象为能量网络模型的边，将网络化系统中对能量进行处理变换的设备抽象为能量网络模型的节点，构成网络化系统的能量网络模型。进一步地，所述对能量进行处理变换的设备包括泵、风机、电加热器和断路器。进一步地，所述步骤2)的具体过程为：2.1)建立能量网络模型的节点关联边割矩阵Q：其中，b为能量网络模型的边数；g为能量网络模型的普通节点数，且g＝n-k，n为能量网络模型的节点数，k为节点中源节点和汇节点的总数；2.2)根据网络化系统中传感器的配置方式，交换节点关联边割矩阵Q中列的顺序，并对测量值向量x进行相应调整，使得节点关联边割矩阵Q的后m列对应的边配置传感器，节点关联边割矩阵Q的前b-m列对应的边不配置传感器，得到能量网络模型的量测方程：Cx＝-Du其中，均为量测方程系数矩阵，u＝[u1,u2,…,um]T为传感器测量值向量，um为能量网络模型第m条边配置的传感器的测量值向量；x＝[x1,x2,…,x(b-m)]T为未知数向量，x(b-m)为能量网络模型第b-m条边传输的能量值。进一步地，所述步骤2.2)的具体过程为：当g＞b-m时，m为传感器的数量，根据最小二乘法，能量网络模型的量测方程变换为：CTCx＝-CTDu当量测方程系数矩阵C的秩rank(C)＝b-m时，能量网络模型的量测方程在最小二乘下有唯一解：x＝-(CTC)-1CTDu当量测方程系数矩阵C的秩rank(C)<b-m时，能量网络模型的量测方程在最小二乘下的解为：x＝-(CTC)*CTDu其中，(CTC)*为示矩阵(CTC)的广义逆矩阵。进一步地，所述步骤3)的具体过程为：3.1)计算能量网络模型的量测方程中量测方程系数矩阵C的秩rank(C)；3.2)将量测方程系数矩阵C的非零行数量减去量测方程系数矩阵C的秩rank(C)，确定网络化系统在该传感器配置方式下的测量冗余度。一种基于能量平衡的传感器配置冗余度确定系统，其特征在于，包括：能量网络模型构建模块，用于构建网络化系统的能量网络模型；量测方程建立模块，用于根据能量网络模型中节点的输入输出能量平衡和网络化系统中传感器的配置方式，建立能量网络模型的量测方程；测量冗余度确定模块，用于根据能量网络模型的量测方程中量测方程系数矩阵的非零行数量和秩，确定网络化系统在该传感器配置方式下的测量冗余度。进一步地，所述量测方程建立模块包括：节点关联边割矩阵建立单元，用于建立能量网络模型的节点关联边割矩阵；量测方程建立单元，用于根据网络化系统中传感器的配置方式，交换节点关联边割矩阵Q中列的顺序，并对测量值向量x进行相应调整，使得节点关联边割矩阵Q的后m列对应的边配置传感器，节点关联边割矩阵Q的前b-m列对应的边不配置传感器，得到能量网络模型的量测方程。进一步地，所述测量冗余度确定模块包括：秩计算单元，用于计算能量网络模型的量测方程中量测方程系数矩阵C的秩rank(C)；测量冗余度计算单元，用于将量测方程系数矩阵C的非零行数量减去量测方程系数矩阵C的秩rank(C)，确定网络化系统在该传感器配置方式下的测量冗余度。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本专利技术将不同传感器配置方式下获得的测量冗余度进行量化，使得用户可以比较不同传感器配置方式下的测量冗余度，进而可以比较不同传感器配置方式的优劣，适用于电力、燃气等能源网络系统的不同传感器配置方式下的测量冗余度评价，可以广泛应用于网络化系统测量
中。附图说明图1是本专利技术方法的流程图；图2是本专利技术实施例中能量网络模型的示意图。具体实施方式以下结合附图来对本专利技术进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本专利技术，它们不应该理解成对本专利技术的限制。如图1所示，本专利技术提供的基于能量平衡的传感器配置冗余度确定方法，包括以下步骤：1)构建网络化系统的能量网络模型，其中，网络化系统包括电力系统和燃气系统等具备能量传输、变换的一类网络系统，具体为：将网络化系统中传输能量的管道抽象为能量网络模型的边，将网络化系统中对能量进行处理变换的设备抽象为能量网络模型的节点，构建网络化系统的能量网络模型，其中，对能量进行处理变换的设备包括泵、风机、电加热器和断路器等。2)根据能量网络模型中节点的输入输出能量平衡和网络化系统中传感器的配置方式(即部署位置)，建立能量网络模型的量测方程，具体为：2.1)建立能量网络模型的节点关联边割矩阵Q：若能量网络模型的节点数为n，能量网络模型的节点中源节点和汇节点的总数为k，能量网络模型的边数为b，传感器的数量为m，能量网络模型的普通节点数记为g，则g＝n-k，能量网络模型的节点关联边割矩阵Q为：其中：2.2)根据节点关联边割矩阵Q、能量网络模型中节点的输入输出能量平衡和网络化系统中传感器的配置方式，建立能量网络模型的量测方程：2.2.1)在完全测量条件下，即能量网络模型的边数等于传感器的数量b＝m，根据能量网络模型中节点的输入输出能量平衡，节点关联边割矩阵Q的每行与对应传感器测量值的乘积求和为0，记能量网络模型中各边的测量值向量为u＝[u1,u2,…,ub]T，因此可以构建g个方程组，写成矩阵形式为：2.2.2)若能量网络模型的边数大于传感器的数量b＞m，即能量网络模型的b条边中只有m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能量平衡的传感器配置冗余度确定方法，其特征在于，包括以下内容：/n1)构建网络化系统的能量网络模型；/n2)根据能量网络模型中节点的输入输出能量平衡和网络化系统中传感器的配置方式，建立能量网络模型的量测方程；/n3)根据能量网络模型的量测方程中量测方程系数矩阵的非零行数量和秩，确定网络化系统在该传感器配置方式下的测量冗余度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于能量平衡的传感器配置冗余度确定方法，其特征在于，包括以下内容：
1)构建网络化系统的能量网络模型；
2)根据能量网络模型中节点的输入输出能量平衡和网络化系统中传感器的配置方式，建立能量网络模型的量测方程；
3)根据能量网络模型的量测方程中量测方程系数矩阵的非零行数量和秩，确定网络化系统在该传感器配置方式下的测量冗余度。


2.如权利要求1所述的一种基于能量平衡的传感器配置冗余度确定方法，其特征在于，所述网络化系统为具备能量传输、变换的网络系统。


3.如权利要求1所述的一种基于能量平衡的传感器配置冗余度确定方法，其特征在于，所述步骤1)的具体过程为：
将网络化系统中传输能量的管道抽象为能量网络模型的边，将网络化系统中对能量进行处理变换的设备抽象为能量网络模型的节点，构成网络化系统的能量网络模型。


4.如权利要求3所述的一种基于能量平衡的传感器配置冗余度确定方法，其特征在于，所述对能量进行处理变换的设备包括泵、风机、电加热器和断路器。


5.如权利要求1所述的一种基于能量平衡的传感器配置冗余度确定方法，其特征在于，所述步骤2)的具体过程为：
2.1)建立能量网络模型的节点关联边割矩阵Q：



其中，b为能量网络模型的边数；g为能量网络模型的普通节点数，且g＝n-k，n为能量网络模型的节点数，k为节点中源节点和汇节点的总数；



2.2)根据网络化系统中传感器的配置方式，交换节点关联边割矩阵Q中列的顺序，并对测量值向量x进行相应调整，使得节点关联边割矩阵Q的后m列对应的边配置传感器，节点关联边割矩阵Q的前b-m列对应的边不配置传感器，得到能量网络模型的量测方程：
Cx＝-Du
其中，均为量测方程系数矩阵，u＝[u1,u2,…,um]T为传感器测量值向量，um为能量网络模型第m条边配置的传感器的测量值向量；x＝[x1,x2,…,x(b-m)]T为未知数向量，x(b-m)为能量网络模型第b-m条边传输的能量值。


6.如权利要求5所述的一种基于能量平衡的传感器配置冗余度确定方法，其特征在于，所述步骤2.2)的具体过程为：
当g＞b-m时，m为传感器的数量，根据最小二乘法...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文，赵千川，孙一龙，靳晓强，李智斌，张青，张利军，陈少将，
申请(专利权)人：清华大学，中国人民解放军六三七九六部队，
类型：发明
国别省市：北京;11