CN108269021A - 基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于电网信息物理融合系统风险监测技术领域的一种基于NB‑IoT电网信息物理融合风险监测系统及方法。所述系统由电网信息物理融合系统环境监控模块、电网信息物理融合系统误入感应模块、电网信息物理融合系统状态监控模块、NB‑IoT通讯基站、数据服务平台和用户应用终端组成，该系统利用窄带物联网技术的优点并结合丰富的传感器装置，实现了基于窄带物联网的电网信息物理融合系统风险监测应用；所述风险监测方法利用电网信息物理融合系统状态监控模块获取的电网信息物理融合系统的状态情况，能够及时发现电网信息物理融合系统的非法异动、承受超限压力等各种异常情况，保障电网信息物理融合系统的安全，具有广泛的应用价值和现实意义。
Description
技术领域
本发明属于电网信息物理融合系统风险监测技术领域，尤其涉及一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测系统及方法。
背景技术
近年来我国电网迅速发展，已经成为覆盖全国乃至全球的庞大电力网络。电力系统由物理电网系统(一次系统)和信息控制系统(二次系统)两部分构成，这恰恰形成了信息物理系统(CPS)。信息物理系统是多维度复杂系统，具有复杂性、异构性、深度融合、自组织与自适应、实时性和海量性等特征。信息物理系统的这些特征也决定了其风险的隐蔽性与严重性，一方面由于信息物理系统的复杂，导致这种系统各个环节均可能存在风险，风险源广泛且不易识别；另一方面一旦发生风险，往往会引发连锁故障，如果不及时发现并阻止，将会使风险的影响逐步扩散，危害越来越大。在这样的新形势、新背景和新机遇下，如何加强对电网信物理融合系统的风险监测，保障电网信息物理融合系统的安全、健康发展，已成为电网信息物理融合系统发展所面临的重要问题。目前，传统的信息物理系统风险监测方法虽然能够满足一定程度上的风险监测，但难以适应当前信息物理系统快速发展情况下的海量节点、高覆盖度、低功耗的监测要求。随着物联网技术发展，尤其是窄带物联网(NB-IoT)的迅速发展，为电网信息物理融合系统风险监测提供了新的契机。窄带物联网技术具有窄带、低功耗、低成本、高容量、广覆盖等特性，非常适合用于信息物理融合系统的风险监测。
发明内容
针对传统的信息物理系统风险监测方法难以满足当前信息物理系统的海量节点、高覆盖度、低功耗的监测要求，本发明提出一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测系统及方法，其特征在于：
一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测系统，包括：
电网信息物理融合系统环境监控模块1、电网信息物理融合系统误入感应模块2、电网信息物理融合系统状态监控模块3、NB-IoT通讯基站4、数据服务平台5和用户应用终端6；将单个或多个所述电网信息物理融合系统环境监控模块1、电网信息物理融合系统误入感应模块2、电网信息物理融合系统状态监控模块3进行分布式部署作为系统的前端监控单元，通过NB-IoT网络分别与NB-IoT通讯基站4相连接，NB-IoT通讯基站4经过NB-IoT网络与数据服务平台5相连，所述数据服务平台(5)通过无线或有线通信网络与用户应用终端6相连接。
所述电网信息物理融合系统环境监控模块1由相互独立的温度监测模块11、湿度监测模块12、烟雾监测模块13、气体监测模块14、倾角监测模块15、GPS定位模块16组成，各个模块通过NB-IoT网络与NB-IoT通讯基站4相连。
所述电网信息物理融合系统环境监控模块1包括的各个监测模块均由传感器/终端111、NB-IoT芯片112和微控制器113组成；所述传感器/终端111通过485接口与微控制器113相连，用来获取初始监测数据；所述微控制器113通过485接口与NB-IoT芯片112相连，用来对初始监测数据进行处理，并将处理后的数据通过NB-IoT芯片112传输给数据服务平台5；所述NB-IoT芯片112用来将所获取的数据通过NB-IoT网络传输给NB-IoT通讯基站4。
所述电网信息物理融合系统误入感应模块2由相互独立的人体感应模块21、门禁感应模块22、GPS定位模块23组成，每个模块均通过NB-IoT网络与NB-IoT通讯基站4相连。
所述电网信息物理融合系统状态监控模块3由相互独立的振动监测模块31、压力监测模块32、开箱监控模块33、GPS定位模块34组成，每个模块均通过NB-IoT网络与NB-IoT通讯基站4相连。
一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测方法，包括：
步骤一:利用前端监控单元获取初始监测数据，并将数据通过NB-IoT网络与NB-IoT通讯基站传输至数据服务平台；其中，初始监测数据包括电网信息物理融合系统环境监测数据、电网信息物理融合系统人员误入和异动信息数据以及电网信息物理融合系统的状态数据；
步骤二：利用数据服务平台对获取的各类初始监测数据进行分析，并将分析结果传输至用户应用终端，其中对各类初始监测数据的分析方法包括：
1)针对电网信息物理融合系统环境监控模块1获取的电网信息物理融合系统环境数据，通过设定阈值，进行预警分析；
2)针对电网信息物理融合系统误入感应模块2获取的人体感应数据、门禁数据，进行人员行为分析；
3)针对电网信息物理融合系统状态监控模块3获取的电网信息物理融合系统状态数据，进行电网信息物理融合系统状态变化分析；
所述电网信息物理融合系统状态数据包括振动、压力、位置以及开箱状态。
所述预警分析的方法为：
a、分别对温度、湿度、烟雾浓度、特殊气体含量的监测参数设定报警阈值；
b、将获取的监测数据与设定的报警阈值进行对比，如果达到或超出阈值，则生成报警记录；
c、结合监控模块的GPS定位信息，生成包含位置信息的报警记录，并推送到用户应用终端，用户应用终端弹出报警信息，同时在地图上进行可视化定位展示；
d、针对发生报警的模块，根据数据服务平台内置的规则，发送更小时间间隔的监测指令，持续跟踪监测报警数据；
e、当监测到数据恢复正常，或获得人工指令，将监测周期恢复到正常状态。
所述人员行为分析的方法为：
A、通过人体感应模块和门禁感应模块获取监测信息，判断是否存在人员活动，如果存在人员活动则生成人员活动提示记录，其中，人员活动提示记录包含发现设备、发现时间、人员数量以及人员位置；
B、利用数据服务平台比较电网信息物理融合系统操作票或工作票相关信息，判断是否属于合法人员进入，如果判断为非法进入或违规进入，则生成报警记录；
C、将报警记录推送到用户应用终端，用户应用终端弹出报警信息，同时在地图上进行可视化定位展示；
D、根据数据服务平台内置的规则，发送更小时间间隔的监测指令，持续跟踪监测误入人员的活动轨迹；
E、当监测到人员离开或获得人工指令时，将监测周期恢复到正常状态。
所述电网信息物理融合系统状态变化分析的方法为：
第一，根据每类电网信息物理融合系统设定相应的振动、压力和位置异动阈值，设定多级报警阈值；
第二，当监测到振动、压力、位置出现变化时，将监测数据与报警阈值进行对比，如果超出阈值，则生成提示数据；
第三，通过数据服务平台判断是否存在调用计划，如果不存在，则判定该设备在非法异动，产生报警记录；
第四，将报警记录发送到用户应用终端，用户应用终端弹出报警信息，同时在地图上进行可视化定位展示；
第五，对报警设备发出监测指令，进行持续跟踪监测报警数据；
第六，当监测到振动数据或压力数据恢复到正常值，或电网信息物理融合系统位置回到初始状态，或得到人工指令，将监测周期恢复到正常状态。
本发明的有益效果在于：
本发明利用电网信息物理融合系统环境监控模块获取电网信息物理融合系统环境情况，结合数据服务平台的分析可实现电力电网信息物理融合系统环境异常智能化识别与持续追踪，对火灾、有毒气体泄漏、漏水等跟踪情况能够及时报警，保障电网信息物理融合系统的环境安全；利用电网信息物理融合系统误入感应模块获取人员误入和异动信息，能够对电网信息物理融合系统被盗、异动等异常情况及时发现；利用电网信息物理融合系统状态监控模块获取的电网信息物理融合系统的状态情况，能够及时发现电网信息物理融合系统的非法异动、承受超限压力等各种异常情况，保障电网信息物理融合系统的安全；利用窄带物联网技术，能够充分发挥其海量连接、深度覆盖、超低功耗、低成本等特性，满足在复杂环境下的信息通信要求，实现了基于窄带物联网的电网信息物理融合系统监测技术的智能化应用。本发明将丰富的前端监测技术与智能化后端处理技术相结合，能够为电力企业的电网信息物理融合系统安全提供有力保障，以及有效提高管理水平与风险防控能力，具有广泛的应用价值和现实意义。
附图说明
附图1为基于窄带物联网的电网信息物理融合风险监测系统示意图；
附图2为电网信息物理融合系统环境监控单元示意图；
附图3为监测模块内部结构示意图；
附图4为电网信息物理融合系统误入感应单元示意图；
附图5为电网信息物理融合系统状态监控单元示意图；
附图6为电网信息物理融合系统环境监测报警流程示意图；
附图7为电网信息物理融合系统误入报警流程示意图；
附图8为电网信息物理融合系统异动报警流程示意图；
附图标记：
1－电网信息物理融合系统环境监控模块，2－电网信息物理融合系统误入感应模块，3－电网信息物理融合系统状态监控模块，4－NB-IoT通讯基站,5－数据服务平台，6－用户应用终端；
11－温度监测模块，12－湿度监测模块，13－烟雾监测模块，14－气体监测模块，15－倾角监测模块，16－GPS定位模块；
111－传感器/终端,112－NB-IoT芯片,113－微控制器；
21－人体感应模块,22－门禁感应模块,23－GPS定位模块；
31－振动监测模块,32－压力监测模块,33－开箱监控模块,34－GPS定位模块；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
以某省级电力公司电网信息物理融合风险监测系统为例，建立如图1所示的基于窄带物联网的电网信息物理融合风险监测系统，该系统由电网信息物理融合系统环境监控模块1、电网信息物理融合系统误入感应模块2、电网信息物理融合系统状态监控模块3、NB-IoT通讯基站4、数据服务平台5和用户应用终端6组成。其中电网信息物理融合系统环境监控模块1、电网信息物理融合系统误入感应模块2、电网信息物理融合系统状态监控模块3分别通过NB-IoT网络与NB-IoT通讯基站4相连，NB-IoT通讯基站4与数据服务平台5通过NB-IoT网络相连，数据服务平台5与用户应用终端6通过无线或有线通信网络相连。根据该公司的电网信息物理系统规模，安装4套电网信息物理融合系统环境监控模块1、2套电网信息物理融合系统误入感应模块2和200套电网信息物理融合系统状态监控模块3并进行分布式部署。
所述电网信息物理融合系统环境监控模块1的内部结构如图2所示，由相互独立的温度监测模块11、湿度监测模块12、烟雾监测模块13、气体监测模块14、倾角监测模块15、GPS定位模块16组成，各个模块通过NB-IoT网络与NB-IoT通讯基站4相连，其中，每个监测模块的内部结构如图3所示，由传感器/终端111、NB-IoT芯片112和微控制器113三部分组成，传感器/终端111可实现对目标的监测，获取初始监测数据，通过485接口与微控制器113相连；微控制器113对初始监测数据进行处理，通过NB-IoT芯片112将处理后的数据传输给数据服务平台5，微控制器113通过485接口与NB-IoT芯片112相连；NB-IoT芯片112将所获取数据通过NB-IoT网络传输给NB-IoT通讯基站4。电网信息物理融合系统环境监控模块1用于获取电网信息物理融合系统环境情况，结合数据服务平台5的分析可实现电力电网信息物理融合系统环境异常智能化识别与持续追踪，对火灾、有毒气体泄漏、漏水等跟踪情况能够及时报警，保障电网信息物理融合系统的环境安全；所述电网信息物理融合系统误入感应模块2的内部结构如图4所示，由相互独立的人体感应模块21、门禁感应模块22、GPS定位模块23组成，每个模块均通过NB-IoT网络与NB-IoT通讯基站4相连，电网信息物理融合系统误入感应模块2用于获取电网信息物理融合系统人员误入和异动信息，可及时发现电网信息物理融合系统被盗、异动等异常情况；所述电网信息物理融合系统状态监控模块3的内部结构如图5所示，由相互独立的振动监测模块31、压力监测模块32、开箱监控模块33、GPS定位模块34组成，每个模块均通过NB-IoT网络与NB-IoT通讯基站4相连。在实际应用中，可根据实际需求增加或去除电网信息物理融合系统状态监控模块3中的部分模块。电网信息物理融合系统状态监控模块3用于获取重要电网信息物理融合系统的状态情况，可及时发现电网信息物理融合系统的非法异动、承受超限压力等各种异常情况，保障电网信息物理融合系统的安全；
一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测方法如下所述：
步骤一:利用前端监控单元获取初始监测数据，并将数据通过NB-IoT网络与NB-IoT通讯基站传输至数据服务平台；所述初始监测数据包括电网信息物理融合系统环境监测数据、电网信息物理融合系统人员误入和异动信息数据以及电网信息物理融合系统的状态数据；
步骤二：利用数据服务平台对获取的各类初始监测数据进行分析，并将分析结果传输至用户应用终端，其中对各类初始监测数据的分析方法包括：
1)针对电网信息物理融合系统环境监控模块(1)获取的电网信息物理融合系统环境数据，通过设定阈值，进行预警分析；
2)针对电网信息物理融合系统误入感应模块(2)获取的人体感应数据、门禁数据，进行人员行为分析；
3)针对电网信息物理融合系统状态监控模块(3)获取的电网信息物理融合系统状态数据，进行电网信息物理融合系统状态变化分析，所述电网信息物理融合系统状态数据包含振动、压力、位置以及开箱状态。
具体的，如图6所示的电网信息物理融合系统环境监测报警流程示意图，针对电网信息物理融合系统环境监控模块1的监测报警过程如下所述：
第一，针对每类监测分别设定报警阈值，如温度、湿度、烟雾浓度、特殊气体含量等，可以根据每个监测模块位置的特殊性进行设定差异化报警阈值，也可以根据实际需要设定多级报警阈值；在本实例中均设定为3级报警阈值。
第二，将获取的监测数据与监测模块的预警阈值进行对比，判断是否超出报警阈值，如果达到或超过阈值，则产生报警记录。
第三，结合监测模块的GPS定位信息，生成包含位置的报警记录，推送到目标用户应用终端，用户应用终端获得弹出式报警信息，同时在地图上进行可视化定位展示。
第四，针对发生报警的模块，根据数据服务平台内置的规则，发送更小时间间隔的监测指令，持续跟踪监测报警数据。
第五，当监测到数据恢复正常，或获得人工指令，将监测周期恢复到正常状态。
具体的，如图7所示的电网信息物理融合系统误入报警流程示意图，针对电网信息物理融合系统误入感应模块2的监测报警过程如下所述：
第一，通过人体感应模块和门禁感应模块获取监测信息，判断是否存在人员活动，如果存在人员活动则生成人员活动提示记录，包含发现设备、发现时间、人员数量、人员位置等。
第二，数据服务平台对比电网信息物理融合系统操作票或工作票等相关信息，识别是否属于合法人员进入，如果判断非法进入或违规进入，则生成报警记录。
第三，将报警记录，推送到目标用户应用终端，用户应用终端获得弹出式报警信息，同时在地图上进行可视化定位展示。
第四，根据数据服务平台内置的规则，发送更小时间间隔的监测指令，持续跟踪监测误入人员活动轨迹。
第五，当监测到人员离开或获得人工指令，将监测周期恢复到正常状态。
具体的，如图8所示的电网信息物理融合系统异动报警流程示意图，针对电网信息物理融合系统状态监控模块3的监测报警过程如下所述：
第一，根据每类电网信息物理融合系统单元设定相应的振动、压力和位置异动阈值，可以根据实际需要设定多级报警阈值。
第二，当监测到振动或压力、位置出现变化，将监测数据与报警阈值对比，如果超出阈值，则生成提示数据。
第三，通过数据服务平台判断是否存在设备调用计划，如果不存在该设备的调用计划，则认为该设备存在非法异动，产生报警记录。
第四，将报警记录发送到目标用户应用终端，用户应用终端获得弹出式报警信息，同时在地图上进行可视化定位展示。
第五，对报警设备发出监测指令，进行持续跟踪监测报警数据。
第六，当监测到振动数据或压力数据恢复到正常值，或者电网信息物理融合系统位置回到初始状态，或者得到人工指令，则将监测周期恢复到正常状态。
通过上述的具体操作步骤，能够实现基于窄带物联网的电网信息物理融合系统风险监测系统监测技术应用。本发明通过对、电网信息物理融合系统环境、人员误入与电网信息物理融合系统异动等多方面的监测，并结合NB-IoT的通信技术优势，实现了对电网信息物理融合系统的定位、跟踪与报警分析，可及时、全面掌握电网信息物理融合系统状态，在提高电网信息物理融合系统的监管水平的同时，保障了电网信息物理融合系统安全。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测系统，其特征在于，包括：电网信息物理融合系统环境监控模块(1)、电网信息物理融合系统误入感应模块(2)、电网信息物理融合系统状态监控模块(3)、NB-IoT通讯基站(4)、数据服务平台(5)和用户应用终端(6)；将单个或多个所述电网信息物理融合系统环境监控模块(1)、电网信息物理融合系统误入感应模块(2)、电网信息物理融合系统状态监控模块(3)进行分布式部署作为系统的前端监控单元，通过NB-IoT网络分别与NB-IoT通讯基站(4)相连接，NB-IoT通讯基站(4)经过NB-IoT网络与数据服务平台(5)相连，所述数据服务平台(5)通过无线或有线通信网络与用户应用终端(6)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测系统，其特征在于，所述电网信息物理融合系统环境监控模块(1)由相互独立的温度监测模块(11)、湿度监测模块(12)、烟雾监测模块(13)、气体监测模块(14)、倾角监测模块(15)、GPS定位模块(16)组成，各个模块通过NB-IoT网络与NB-IoT通讯基站(4)相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测系统，其特征在于，所述电网信息物理融合系统环境监控模块(1)包括的各个监测模块均由传感器/终端(111)、NB-IoT芯片(112)和微控制器(113)组成；所述传感器/终端(111)通过485接口与微控制器(113)相连，用来获取初始监测数据；所述微控制器(113)通过485接口与NB-IoT芯片(112)相连，用来对初始监测数据进行处理，并将处理后的数据通过NB-IoT芯片(112)传输给数据服务平台(5)；所述NB-IoT芯片(112)用来将所获取的数据通过NB-IoT网络传输给NB-IoT通讯基站(4)。
4.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测系统，其特征在于，所述电网信息物理融合系统误入感应模块(2)由相互独立的人体感应模块(21)、门禁感应模块(22)、GPS定位模块(23)组成，每个模块均通过NB-IoT网络与NB-IoT通讯基站(4)相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测系统，其特征在于，所述电网信息物理融合系统状态监控模块(3)由相互独立的振动监测模块(31)、压力监测模块(32)、开箱监控模块(33)、GPS定位模块(34)组成，每个模块均通过NB-IoT网络与NB-IoT通讯基站(4)相连。
6.一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测方法，其特征在于，包括：
步骤一:利用前端监控单元获取初始监测数据，并将数据通过NB-IoT网络与NB-IoT通讯基站传输至数据服务平台；其中，初始监测数据包括电网信息物理融合系统环境监测数据、电网信息物理融合系统人员误入和异动信息数据以及电网信息物理融合系统的状态数据；
步骤二：利用数据服务平台对获取的各类初始监测数据进行分析，并将分析结果传输至用户应用终端，其中对各类初始监测数据的分析方法包括：
1)针对电网信息物理融合系统环境监控模块(1)获取的电网信息物理融合系统环境数据，通过设定阈值，进行预警分析；
2)针对电网信息物理融合系统误入感应模块(2)获取的人体感应数据、门禁数据，进行人员行为分析；
3)针对电网信息物理融合系统状态监控模块(3)获取的电网信息物理融合系统状态数据，进行电网信息物理融合系统状态变化分析。
7.根据权利要求6所述的一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测方法，其特征在于，所述电网信息物理融合系统状态数据包括振动、压力、位置以及开箱状态。
8.根据权利要求6所述的一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测方法，其特征在于，所述预警分析的方法为：
a、分别对温度、湿度、烟雾浓度、特殊气体含量的监测参数设定报警阈值；
b、将获取的监测数据与设定的报警阈值进行对比，如果达到或超出阈值，则生成报警记录；
c、结合监控模块的GPS定位信息，生成包含位置信息的报警记录，并推送到用户应用终端，用户应用终端弹出报警信息，同时在地图上进行可视化定位展示；
d、针对发生报警的模块，根据数据服务平台内置的规则，发送更小时间间隔的监测指令，持续跟踪监测报警数据；
e、当监测到数据恢复正常，或获得人工指令，将监测周期恢复到正常状态。
9.根据权利要求6所述的一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测系统及方法，其特征在于，所述人员行为分析的方法为：
A、通过人体感应模块和门禁感应模块获取监测信息，判断是否存在人员活动，如果存在人员活动则生成人员活动提示记录，其中，人员活动提示记录包含发现设备、发现时间、人员数量以及人员位置；
B、利用数据服务平台比较电网信息物理融合系统操作票或工作票相关信息，判断是否属于合法人员进入，如果判断为非法进入或违规进入，则生成报警记录；
C、将报警记录推送到用户应用终端，用户应用终端弹出报警信息，同时在地图上进行可视化定位展示；
D、根据数据服务平台内置的规则，发送更小时间间隔的监测指令，持续跟踪监测误入人员的活动轨迹；
E、当监测到人员离开或获得人工指令时，将监测周期恢复到正常状态。
10.根据权利要求6所述的一种基于NB-IoT电网信息物理融合风险监测方法，其特征在于，所述电网信息物理融合系统状态变化分析的方法为：
第一，根据每类电网信息物理融合系统设定相应的振动、压力和位置异动阈值，设定多级报警阈值；
第二，当监测到振动、压力、位置出现变化时，将监测数据与报警阈值进行对比，如果超出阈值，则生成提示数据；
第三，通过数据服务平台判断是否存在调用计划，如果不存在，则判定该设备在非法异动，产生报警记录；
第四，将报警记录发送到用户应用终端，用户应用终端弹出报警信息，同时在地图上进行可视化定位展示；
第五，对报警设备发出监测指令，进行持续跟踪监测报警数据；
第六，当监测到振动数据或压力数据恢复到正常值，或电网信息物理融合系统位置回到初始状态，或得到人工指令，将监测周期恢复到正常状态。
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