CN108322534A - 一种智能配电变压器运行工况的实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于监测系统技术领域，公开了一种智能配电变压器运行工况的实时监测系统，包括信息采集模块、信息传递模块、信息处理模块。所述信息采集模块包括电压互感器、电流互感器、第一温度传感器、第二温度传感器、电压电流测量芯片、温度测量芯片；所述信息传递模块包括数据发送器、数据接收器；所述信息处理模块包括数据储存单元、中央处理单元。本发明稳定性好，实时性强，准确性高，应用效果很好且经济可靠；本发明的信息采集模块的数据采集方法，可获得准确的数据。

Description

一种智能配电变压器运行工况的实时监测系统

技术领域

本发明属于监测系统技术领域，尤其涉及一种智能配电变压器运行工况的实时监测系统。

背景技术

目前，作为向用户供电的配电变压器，它的运行工况将直接影响用户用电，因此，若想保证用户用电正常，就必须确保配电变压器安全、可靠和连续运行，这就需要实时掌握配电变压器的运行参数，这样即使配电变压器在没有明显不正常的情况下，管理人员也能根据运行参数，来判断配电变压器的运行是否正常，一旦出现问题，管理人员也能够及时进行处理，从而保障配电变压器的可靠运行。而在配电变压器实际运行中，由于管理人员距安装有配电变压器的配电室或台架有一定的距离，使得管理人员不能掌握配电变压器在运行过程中的实时性数据，进而对配电变压器的运行工况也就不能清楚地掌握，此时，配电变压器出现的问题由于得不到及时处理就会漫延发展，最终导致配电变压器由于出现故障而停止运行。此外，若配电变压器长时间过载或偏相运行，就可能造成器身温度过高，从而导致内部线圈的绝缘性能降低，进而发生绝缘击穿性的损坏事故，造成配电变压器停止运行、甚至报废。因此，实时掌握配电变压器的运行参数，针对出现的问题及时进行处理，对于保障配电变压器安全、可靠和连续运行至关重要。

由于野外输电环境的广域性和监测点的分散性，人工采集数据和有线数据传输将花费大量的物力和人力成本。同时，由于缺乏统一的研究方法，导致许多结果可比性较差。因此，开发一种测量精准、维护便捷、成本低廉的野外输电环境高可靠性数据采集与存储系统对于提高野外环境参数的采集效率，降低采集成本，都具有重要意义。但由于野外环境变化大，环境不可控等因素，配电变压器的无线传感系统中的数据采集节点或远程无线数据传输节点会出现损毁的情况，从而会出现远程数据无法及时上传到数据服务器，甚至数据丢失的情况，因此存在改进空间。本发明为了解决上述问题而提供一种高可靠性生态环境参数无线传感系统。

综上所述，现有技术存在的问题是：不能实时掌握配电变压器的运行参数，不能有效保障配电变压器的安全性、可靠性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能配电变压器运行工况的实时监测系统。

本发明是这样实现的，一种智能配电变压器运行工况的实时监测系统，包括信息采集模块、信息传递模块、信息处理模块。

所述信息采集模块包括电压互感器、电流互感器、第一温度传感器、第二温度传感器、电压电流测量芯片、温度测量芯片；所述信息传递模块包括数据发送器、数据接收器；所述信息处理模块包括数据储存单元、中央处理单元。

所述第一温度传感器的温度检测方法包括：获取温度信号，并对温度信号进行放大处理；

对温度信号进行分段处理；即从每段温度信号里提取出均值、方差、信号的累积值和峰值4个基本时域参数，通过相邻段信号的4个参数值的差值判断是否有疑似超出温度设定值的情况发生的第一层决策判断：若有则往下执行小波包去噪，否者，跳到执行获取温度信号；

小波包去噪；即利用改进小波包算法对采集的温度信号进行去噪；

小波包分解与重构；即利用改进小波包算法对采集的温度信号进行小波包分解与重构，得到单子带重构信号；

提取温度信号特征参数；即从重构的单子带信号里提取：时域能量、时域峰值、频域能量、频域峰值、峰态系数、方差、频谱和偏斜系数8个表示温度信号特征的参数；

组成特征向量，从上述参数中选择3到8个能明显表示温度信号特征的参数组成特征向量，并将这些特征向量输入到支持向量机进行决策判断，即第二层决策判断，根据支持向量机的输出判断是否有超出温度设定值发生；

所述储存单元包括中心数据传输节点和多个无线传感数据采集节点；

若中心数据传输节点稳定工作，则无线传感数据采集节点将数据发送给中心数据传输节点，由中心数据传输节点将数据发送给远端服务器，若中心数据传输节点出现损毁，则进行下一步；

若中心数据传输节点出现损毁，无线传感器数据采集节点将形成自组织网络，用于暂时存储各个无线传感器数据采集节点所采集的数据；

当中心数据传输节点将数据上传成功后，将向无线传感器数据采集节点发送成功反馈信息；若无线传感器数据采集节点在设定时间内未接受到发送成功反馈信号，该节点将向中心数据传输节点发送询问信号，确定中心数据传输节点是否正常运行，若中心数据传输节点无应答，则进行下一步；

若中心数据传输节点无应答，则该节点将启动与其他无线传感器数据采集节点的通信，并利用编码存储方法将本节点存储的数据采用编码数据均匀分发方法分发到系统中的各个节点中；

所述编码存储方法包括以下步骤：

A：所述编码存储方法的二维码字为C＝[c_i,j]；1≤i≤m-1,1≤j≤m+m，元素c_i,j表示为第i行，第j列的信息位或校验位；

B：当1≤i≤m-1,1≤j≤m-1时，元素c_i,j为信息位，用于存放原文件数据；

C：当1≤i≤m-1，m≤j≤m+m时，元素c_i,j为校验位，用于存放校验数据；

D：根据以上三条步骤得出第一列校验位可以按照下述规则构造：

E：第r列的冗余校验位如下公式表示，令公共调节因子为：

F：根据步骤E得出第r列校验位为：

式中：1≤i＜m-1，1≤r≤m；

所述编码数据均匀分发方法包括以下步骤：

a：每个数据采集节将随机把已经采集的环境数据与通过上述方法产生的冗余信息经分块后分发到其它数据采集节点；

b：当无线传感系统所处的环境较为恶劣，无线传感节点出现损毁时，若原始数据节点为2·m,与m相邻且小于m的素数用m_l表示；

c：则当损毁节点达到2×(m-m_l)时，即系统剩余节点数为2·m_l时，系统将对损毁数据进行恢复，同时，系统将对恢复出的原始数据进行再次编码，编码参数用m_l参数来进行；

d：新采集的节点也将按照该策略进行编码存储。

进一步，当存储节点网络的存储空间出现不足时，所述储存单元用新采集的数据，经编码后来替换最先存储的数据；若此时系统已经存储了k个数据；则每个数据采集节点都将具有k个数据块组，分别为f₁ f₂ f₃ … f_k-1 f_k，若此时采集的数据为f_k+1，则对f_k+1进行编码，然后将编码后的数据块替换掉f₁所对应的数据块；系统采集的后一数据f_k+2经编码后按照设置的替换间隔为2时的替换规则替换掉f₄，以此类推；

编码数据均匀分发方法中，每个数据采集节将随机把已经采集的环境数据与通过产生的冗余信息经分块后分发到其它数据采集节点；当无线传感系统所处的环境较为恶劣，无线传感节点出现损毁时，若原始数据节点为2·m,与m相邻且小于m的素数用m_l表示；则当损毁节点达到2×(m-m_l)时，即剩余节点数为2·m_l时，系统将对损毁数据进行恢复，同时，对恢复出的原始数据进行再次编码，编码参数用m_l参数来进行；新采集的节点也将按照该策略进行编码存储。

进一步，所述小波包去噪和小波包分解与重构包括：

信号延拓，对小波包分解的各层信号进行抛物线延拓；

设信号数据为x(a),x(a+1),x(a+2)，则延拓算子E的表达式为：

消去单子带多余频率成分；

将延拓后的信号与分解低通滤波器h₀卷积，得到低频系数，然后经过HF-cut-IF算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层的低频系数；将延拓后的信号与分解高通滤波器g₀卷积，得到高频系数，然后经过LF-cut-IF算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层高频系数，HF-cut-IF算子如式(2)所示，LF-cut-IF算子如式(3)所示；

在(2)、(3)式中，x(n)为在2^j尺度上小波包的系数，N_j表示在2^j尺度上数据的长度，k＝0，1，…，N_j-1；n＝0，1，…，N_j-1；

进一步，单子带信号重构包括：

将得到的高、低频系数进行上采样，然后分别与高通重建滤波器g₁和低通重建滤波器h₁卷积，将得到的信号分别用HF-cut-IF、LF-cut-IF算子处理，得到单子带重构信号。

进一步，所述信息采集模块设有GPS定位装置，所述GPS定位装置包括GPS定位器和GSM模块并均与中央处理单元连接。

进一步，所述的温度测量芯片和电压电流测量芯片采用cs5464芯片。

本发明稳定性好，实时性强，准确性高，应用效果很好且经济可靠。

本发明提出了针对野外环境输电配电变压器参数无线采集系统，当系统的远程无线数据传输节点正常运行时，数据采集节点采集的数据通过远程无线数据传输节点上传到服务器，当远程无线数据传输节点出现损毁时，数据采集节点将会自组织形成一个区域存储网络，每个数据采集节点上的数据通过编码的方式，分存到系统的各个节点中，当自组织存储网络的存储空间不足时，系统通过设定的数据覆盖规则，用新采集的数据按照一定的间隔将历史数据覆盖掉。该方法将大大提高系统存储数据的可靠性。具有推广应用的价值。

本发明的信息采集模块的数据采集方法，可获得准确的数据。第一温度传感器、第二温度传感器的数据采集原理相同。

附图说明

图1是本发明实施例提供的智能配电变压器运行工况的实时监测系统的结构示意图；

图中：1、信息采集模块；2、信息传递模块；3、信息处理模块。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的智能配电变压器运行工况的实时监测系统包括信息采集模块1、信息传递模块2、信息处理模块3。所述信息采集模块1包括电压互感器、电流互感器、第一温度传感器、第二温度传感器、电压电流测量芯片、温度测量芯片；所述信息传递模块2包括数据发送器、数据接收器；所述信息处理模块3包括数据储存单元、中央处理单元。

本发明安装在配电变压器低压侧的第一温度传感器和第二温度传感器，将实时采集到的配电变压器运行温度数据和接线端子温度数据，通过温度测量芯片经数据传送模块传送给供电部门控制中心的中央处理单元，与此同时，安装在配电变压器低压侧的电压互感器和电流互感器，将采集到的配电变压器低压侧电压和电流数据，通过电压电流测量芯片经数据传送模块传送给供电部门控制中心的中央处理单元，中央处理单元先将获得的配电变压器的编码与事先录入到数据存储单元中的用户信息进行匹配，再调用事先录入的针对该用户的配电变压器所设置的标准数据，将标准数据与所获得的数据进行比较，以判断该配电变压器运行是否正常。若获得的电压数值大于所设置的标准电压数值，则认为该配电变压器存在过压运行的可能，若获得的电压数值小于所设置的标准电压数值，则认为该配电变压器存在欠压运行的可能，需要启动安装在配电变压器低压侧的无功补偿装置，以提高配电变压器的功率因数若获得的电流数值大于或小于所设置的标准电流数值，则认为该配电变压器存在三相负载不平衡的可能。若获得的运行温度数值大于所设置的标准温度数值，则认为配电变压器可能存在过载运行或内部出现故障，若获得的接线端子温度数值大于所设置的标准温度数值，则认为配电变压器的接线端子可能存在松动，针对以上情况，中央处理单元将先对该用户进行标记，并将该配电变压器的信息保存到数据存储单元中，同时中央处理单元的显示屏上将会根据具体问题弹出相对应的告警对话框，待间隔分钟后，中央处理单元将会对之前所标记过的用户电压、电流及温度数据进行再次检测，若比较结果与之前的相同，则表明该用户的配电变压器确实存在问题，此时相关工作人员将根据告警对话框的提示信息，进行相应的处理，否则不进行处理。此外，安装在配电变压器上的定位器，如果检测到配电变压器的位置发生变化，将会向中央处理单元或用于管理配电变压器的移动终端发送信息，以防止配电变压器被盗。

下面结合具体分析对本发明作进一步描述。

所述第一温度传感器的温度检测方法包括：获取温度信号，并对温度信号进行放大处理；

对温度信号进行分段处理；即从每段温度信号里提取出均值、方差、信号的累积值和峰值4个基本时域参数，通过相邻段信号的4个参数值的差值判断是否有疑似超出温度设定值的情况发生的第一层决策判断：若有则往下执行小波包去噪，否者，跳到执行获取温度信号；

小波包去噪；即利用改进小波包算法对采集的温度信号进行去噪；

小波包分解与重构；即利用改进小波包算法对采集的温度信号进行小波包分解与重构，得到单子带重构信号；

提取温度信号特征参数；即从重构的单子带信号里提取：时域能量、时域峰值、频域能量、频域峰值、峰态系数、方差、频谱和偏斜系数8个表示温度信号特征的参数；

组成特征向量，从上述参数中选择3到8个能明显表示温度信号特征的参数组成特征向量，并将这些特征向量输入到支持向量机进行决策判断，即第二层决策判断，根据支持向量机的输出判断是否有超出温度设定值发生；

所述储存单元包括中心数据传输节点和多个无线传感数据采集节点；

若中心数据传输节点稳定工作，则无线传感数据采集节点将数据发送给中心数据传输节点，由中心数据传输节点将数据发送给远端服务器，若中心数据传输节点出现损毁，则进行下一步；

若中心数据传输节点出现损毁，无线传感器数据采集节点将形成自组织网络，用于暂时存储各个无线传感器数据采集节点所采集的数据；

当中心数据传输节点将数据上传成功后，将向无线传感器数据采集节点发送成功反馈信息；若无线传感器数据采集节点在设定时间内未接受到发送成功反馈信号，该节点将向中心数据传输节点发送询问信号，确定中心数据传输节点是否正常运行，若中心数据传输节点无应答，则进行下一步；

若中心数据传输节点无应答，则该节点将启动与其他无线传感器数据采集节点的通信，并利用编码存储方法将本节点存储的数据采用编码数据均匀分发方法分发到系统中的各个节点中；

所述编码存储方法包括以下步骤：

A：所述编码存储方法的二维码字为C＝[c_i,j]；1≤i≤m-1,1≤j≤m+m，元素c_i,j表示为第i行，第j列的信息位或校验位；

B：当1≤i≤m-1,1≤j≤m-1时，元素c_i,j为信息位，用于存放原文件数据；

C：当1≤i≤m-1，m≤j≤m+m时，元素c_i,j为校验位，用于存放校验数据；

D：根据以上三条步骤得出第一列校验位可以按照下述规则构造：

E：第r列的冗余校验位如下公式表示，令公共调节因子为：

F：根据步骤E得出第r列校验位为：

式中：1≤i＜m-1，1≤r≤m；

所述编码数据均匀分发方法包括以下步骤：

a：每个数据采集节将随机把已经采集的环境数据与通过上述方法产生的冗余信息经分块后分发到其它数据采集节点；

b：当无线传感系统所处的环境较为恶劣，无线传感节点出现损毁时，若原始数据节点为2·m,与m相邻且小于m的素数用m_l表示；

c：则当损毁节点达到2×(m-m_l)时，即系统剩余节点数为2·m_l时，系统将对损毁数据进行恢复，同时，系统将对恢复出的原始数据进行再次编码，编码参数用m_l参数来进行；

d：新采集的节点也将按照该策略进行编码存储。

当存储节点网络的存储空间出现不足时，所述储存单元用新采集的数据，经编码后来替换最先存储的数据；若此时系统已经存储了k个数据；则每个数据采集节点都将具有k个数据块组，分别为f₁f₂f₃…f_k-1f_k，若此时采集的数据为f_k+1，则对f_k+1进行编码，然后将编码后的数据块替换掉f₁所对应的数据块；系统采集的后一数据f_k+2经编码后按照设置的替换间隔为2时的替换规则替换掉f₄，以此类推；

编码数据均匀分发方法中，每个数据采集节将随机把已经采集的环境数据与通过产生的冗余信息经分块后分发到其它数据采集节点；当无线传感系统所处的环境较为恶劣，无线传感节点出现损毁时，若原始数据节点为2·m,与m相邻且小于m的素数用m_l表示；则当损毁节点达到2×(m-m_l)时，即剩余节点数为2·m_l时，系统将对损毁数据进行恢复，同时，对恢复出的原始数据进行再次编码，编码参数用m_l参数来进行；新采集的节点也将按照该策略进行编码存储。

所述小波包去噪和小波包分解与重构包括：

信号延拓，对小波包分解的各层信号进行抛物线延拓；

设信号数据为x(a),x(a+1),x(a+2)，则延拓算子E的表达式为：

消去单子带多余频率成分；

将延拓后的信号与分解低通滤波器h₀卷积，得到低频系数，然后经过HF-cut-IF算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层的低频系数；将延拓后的信号与分解高通滤波器g₀卷积，得到高频系数，然后经过LF-cut-IF算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层高频系数，HF-cut-IF算子如式(2)所示，LF-cut-IF算子如式(3)所示；

在(2)、(3)式中，x(n)为在2^j尺度上小波包的系数，N_j表示在2^j尺度上数据的长度，k＝0，1，…，N_j-1；n＝0，1，…，N_j-1；

单子带信号重构包括：

将得到的高、低频系数进行上采样，然后分别与高通重建滤波器g₁和低通重建滤波器h₁卷积，将得到的信号分别用HF-cut-IF、LF-cut-IF算子处理，得到单子带重构信号。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种智能配电变压器运行工况的实时监测系统，其特征在于，该系统包括信息采集模块、信息传递模块、信息处理模块；

所述信息采集模块包括电压互感器、电流互感器、第一温度传感器、第二温度传感器、电压电流测量芯片、温度测量芯片；

所述信息传递模块包括数据发送器、数据接收器；

所述信息处理模块包括数据储存单元、中央处理单元；

所述第一温度传感器的温度检测方法包括：获取温度信号，并对温度信号进行放大处理；

对温度信号进行分段处理；即从每段温度信号里提取出均值、方差、信号的累积值和峰值4个基本时域参数，通过相邻段信号的4个参数值的差值判断是否有疑似超出温度设定值的情况发生的第一层决策判断：若有则往下执行小波包去噪，否者，跳到执行获取温度信号；

小波包去噪；即利用改进小波包算法对采集的温度信号进行去噪；

小波包分解与重构；即利用改进小波包算法对采集的温度信号进行小波包分解与重构，得到单子带重构信号；

提取温度信号特征参数；即从重构的单子带信号里提取：时域能量、时域峰值、频域能量、频域峰值、峰态系数、方差、频谱和偏斜系数8个表示温度信号特征的参数；

组成特征向量，从上述参数中选择3到8个能明显表示温度信号特征的参数组成特征向量，并将这些特征向量输入到支持向量机进行决策判断，即第二层决策判断，根据支持向量机的输出判断是否有超出温度设定值发生；

所述储存单元包括中心数据传输节点和多个无线传感数据采集节点；

若中心数据传输节点稳定工作，则无线传感数据采集节点将数据发送给中心数据传输节点，由中心数据传输节点将数据发送给远端服务器，若中心数据传输节点出现损毁，则进行下一步；

若中心数据传输节点出现损毁，无线传感器数据采集节点将形成自组织网络，用于暂时存储各个无线传感器数据采集节点所采集的数据；

当中心数据传输节点将数据上传成功后，将向无线传感器数据采集节点发送成功反馈信息；若无线传感器数据采集节点在设定时间内未接受到发送成功反馈信号，该节点将向中心数据传输节点发送询问信号，确定中心数据传输节点是否正常运行，若中心数据传输节点无应答，则进行下一步；

若中心数据传输节点无应答，则该节点将启动与其他无线传感器数据采集节点的通信，并利用编码存储方法将本节点存储的数据采用编码数据均匀分发方法分发到系统中的各个节点中；

所述编码存储方法包括以下步骤：

A：所述编码存储方法的二维码字为C＝[c_i,j]；1≤i≤m-1,1≤j≤m+m，元素c_i,j表示为第i行，第j列的信息位或校验位；

B：当1≤i≤m-1,1≤j≤m-1时，元素c_i,j为信息位，用于存放原文件数据；

C：当1≤i≤m-1，m≤j≤m+m时，元素c_i,j为校验位，用于存放校验数据；

D：根据以上三条步骤得出第一列校验位可以按照下述规则构造：

E：第r列的冗余校验位如下公式表示，令公共调节因子为：

F：根据步骤E得出第r列校验位为：

式中：1≤i＜m-1，1≤r≤m；

所述编码数据均匀分发方法包括以下步骤：

a：每个数据采集节将随机把已经采集的环境数据与通过上述方法产生的冗余信息经分块后分发到其它数据采集节点；

b：当无线传感系统所处的环境较为恶劣，无线传感节点出现损毁时，若原始数据节点为2·m,与m相邻且小于m的素数用m_l表示；

c：则当损毁节点达到2×(m-m_l)时，即系统剩余节点数为2·m_l时，系统将对损毁数据进行恢复，同时，系统将对恢复出的原始数据进行再次编码，编码参数用m_l参数来进行；

d：新采集的节点也将按照该策略进行编码存储。

2.如权利要求1所述的智能配电变压器运行工况的实时监测系统，其特征在于，当存储节点网络的存储空间出现不足时，所述储存单元用新采集的数据，经编码后来替换最先存储的数据；若此时系统已经存储了k个数据；则每个数据采集节点都将具有k个数据块组，分别为f₁ f₂ f₃ … f_k-1 f_k，若此时采集的数据为f_k+1，则对f_k+1进行编码，然后将编码后的数据块替换掉f₁所对应的数据块；系统采集的后一数据f_k+2经编码后按照设置的替换间隔为2时的替换规则替换掉f₄，以此类推；

编码数据均匀分发方法中，每个数据采集节将随机把已经采集的环境数据与通过产生的冗余信息经分块后分发到其它数据采集节点；当无线传感系统所处的环境较为恶劣，无线传感节点出现损毁时，若原始数据节点为2·m,与m相邻且小于m的素数用m_l表示；则当损毁节点达到2×(m-m_l)时，即剩余节点数为2·m_l时，系统将对损毁数据进行恢复，同时，对恢复出的原始数据进行再次编码，编码参数用m_l参数来进行；新采集的节点也将按照该策略进行编码存储。

3.如权利要求1所述的智能配电变压器运行工况的实时监测系统，其特征在于，所述小波包去噪和小波包分解与重构包括：

信号延拓，对小波包分解的各层信号进行抛物线延拓；

设信号数据为x(a),x(a+1),x(a+2)，则延拓算子E的表达式为：

消去单子带多余频率成分；

将延拓后的信号与分解低通滤波器h₀卷积，得到低频系数，然后经过HF-cut-IF算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层的低频系数；将延拓后的信号与分解高通滤波器g₀卷积，得到高频系数，然后经过LF-cut-IF算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层高频系数，HF-cut-IF算子如式(2)所示，LF-cut-IF算子如式(3)所示；

在(2)、(3)式中，x(n)为在2^j尺度上小波包的系数，N_j表示在2^j尺度上数据的长度，k＝0，1，…，N_j-1；n＝0，1，…，N_j-1。

4.如权利要求1所述的智能配电变压器运行工况的实时监测系统，其特征在于，单子带信号重构包括：

将得到的高、低频系数进行上采样，然后分别与高通重建滤波器g₁和低通重建滤波器h₁卷积，将得到的信号分别用HF-cut-IF、LF-cut-IF算子处理，得到单子带重构信号。

5.如权利要求1所述的智能配电变压器运行工况的实时监测系统，其特征在于，所述信息采集模块设有GPS定位装置，所述GPS定位装置包括GPS定位器和GSM模块并均与中央处理单元连接。