CN108762212A - 基于物联网的变电站设备智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于物联网的变电站设备智能监测系统，该系统包括用于采集变电站设备的状态信息数据的数据采集子系统、用于对数据采集子系统采集的状态信息数据进行缺失数据检测及处理的数据预处理子系统、用于存储缺失数据检测及处理后的状态信息数据的物联网服务器和用于显示所述状态信息数据的用户终端；所述数据采集子系统分别与传感器和数据预处理子系统连接，数据预处理子系统与所述用户终端分别与所述物联网服务器连接。

Description

基于物联网的变电站设备智能监测系统

技术领域

本发明涉及变电站监测技术领域，具体涉及基于物联网的变电站设备智能监测系统。

背景技术

随着工业的发展，使得人们对变电站设备的使用需求越来越高。但是相对的变电站设备成本也比较高，而随着变电站设备的增多，其使用效率、运行状态监测、变电站故障预判、变电站资源配置等方面都受到了极大的挑战，现有的变电站设备监测一般是基于人工记录的采集数据对变电站设备进行分析和监测，当多个用户需要了解不同变电站设备的状态信息时，其实时性不能满足多方企业的快速发展需求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供基于物联网的变电站设备智能监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了基于物联网的变电站设备智能监测系统，该系统包括用于采集变电站设备的状态信息数据的数据采集子系统、用于对数据采集子系统采集的状态信息数据进行缺失数据检测及处理的数据预处理子系统、用于存储缺失数据检测及处理后的状态信息数据的物联网服务器和用于显示所述状态信息数据的用户终端；所述数据采集子系统分别与传感器和数据预处理子系统连接，数据预处理子系统与所述用户终端分别与所述物联网服务器连接。

优选地，所述数据采集子系统包括基站和多个用于采集状态信息数据的传感器节点，其中基站主要用于收集传感器节点发送的状态信息数据，并将收集的状态信息数据传输至数据预处理子系统。

优选地，所述传感器节点包括设置于变电站设备上的传感器和用于将传感器信号转换为对应的状态信息数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接；还包括用于控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。

其中，所述用户终端包括LED显示屏、LCD显示屏、智能手机、笔记本、桌上型电脑中的任意一种或任意几种。

其中，传感器包括温度传感器、振动传感器、液位传感器、位移传感器、电流传感器、霍尔传感器中的任意一种或任意几种。

本发明的有益效果为：本发明能够方便不同用户终端及时对该状态信息数据的查看，使得用户能够及时了解变电站设备的状态信息，从而根据变电站设备的状态信息进行合适的选择或处理，提高变电站设备的使用率，满足人们实时了解变电站设备的状态信息的需求，并可以提前对可能发生故障的变电站设备进行预警，以便于工作人员或维修人员进行相应处理，减少因变电站故障所造成的损失。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个示例性实施例的变电站设备智能监测系统的结构示意框图；

图2是本发明一个示例性实施例的数据预处理子系统的结构示意框图。

附图标记：

数据采集子系统2、数据预处理子系统3、物联网服务器4、用户终端5、缺失数据处理单元10、传感器节点监测单元20、节点异常反馈单元30。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明实施例提供了基于物联网的变电站设备智能监测系统，该系统包括设于变电站设备上的多个传感器、用于采集变电站设备的状态信息数据的数据采集子系统2、用于对数据采集子系统2采集的状态信息数据进行缺失数据检测及处理的数据预处理子系统3、用于存储缺失数据检测及处理后的状态信息数据的物联网服务器4和用于显示所述状态信息数据的用户终端5；所述数据采集子系统2分别与传感器和数据预处理子系统3连接，数据预处理子系统3与所述用户终端5分别与所述物联网服务器4连接。

在一个实施例中，所述数据采集子系统2包括基站和多个用于采集状态信息数据的传感器节点，其中基站主要用于收集传感器节点发送的状态信息数据，并将收集的状态信息数据传输至数据预处理子系统。

其中，所述传感器节点包括设置于变电站设备上的传感器和用于将传感器信号转换为对应的状态信息数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接；还包括用于控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。其中，传感器包括温度传感器、振动传感器、液位传感器、位移传感器、电流传感器、霍尔传感器中的任意一种或任意几种。

其中，所述用户终端5包括LED显示屏、LCD显示屏、智能手机、笔记本、桌上型电脑中的任意一种或任意几种。

本发明上述实施例设计的变电站设备智能监测系统能够方便不同用户终端5及时对该状态信息数据的查看，使得用户能够及时了解变电站设备的状态信息，从而根据变电站设备的状态信息进行合适的选择或处理，提高变电站设备的使用率，满足人们实时了解变电站设备的状态信息的需求，并可以提前对可能发生故障的变电站设备进行预警，以便于工作人员或维修人员进行相应处理，减少因变电站故障所造成的损失。

在一个实施中，如图2所示，数据预处理子系统3包括缺失数据处理单元10；缺失数据处理单元10用于对传感器节点采集的状态信息数据进行缺失检测，并在原状态信息数据缺失的位置上填补上估计值；还包括与缺失数据处理单元10连接的传感器节点监测单元20，所述传感器节点监测单元20用于定期对各传感器节点进行异常检测，对检测为异常的传感器节点进行标记；还包括与基站连接的节点异常反馈单元30，节点异常反馈单元30用于生成异常传感器节点列表，根据传感器节点监测单元20输出的判定结果定期更新异常传感器节点列表，并将更新的异常传感器节点列表反馈至基站。

其中，缺失数据处理单元10按照采样时刻对传感器节点采集的状态信息数据依次进行缺失检测，若检测到传感器节点在第t个采样时刻没有状态信息数据，则标记该第t个采样时刻的状态信息数据缺失。

传感器节点在实际监测时，采集的状态信息数据集合中很可能存在大量的缺失值，若不对缺失值进行处理，或者直接删除含有缺失中的状态信息数据序列，都会影响到状态信息数据处理的可靠性与精度。

在一个实施例中，所述在原状态信息数据缺失的位置上填补上估计值，具体包括：

(1)统计各传感器节点在第T时间段内感知的状态信息数据发生缺失的次数；

(2)设传感器节点i在第t时刻感知的状态信息数据发生缺失，t∈T，获取位于传感器节点i的通信范围内的、第t时刻感知的状态信息数据没有缺失的其他传感器节点，来构建传感器节点i的离散数据节点集合U_i，利用U_i构建传感器节点i的一阶Voronoi图，从而得到传感器节点i的多个自然邻居节点j，j＝1,…,n；

(3)计算传感器节点i的一阶Voronoi图中对应于自然邻居节点j的边的长度D_j(i)以及传感器节点i到自然邻居节点j的距离S_ij，j＝1,…,n，按照下列公式计算估计值y_i(t)′，以用于填补传感器节点i在第t时刻的状态信息数据缺失位置：

式中，X_j为自然邻居节点j在第T时间段内感知的状态信息数据发生缺失的次数；D_h(i)为传感器节点i的一阶Voronoi图中对应于自然邻居节点h的边的长度，S_ih为传感器节点i到自然邻居节点h的距离，X_h为所述自然邻居节点h在第T时间段内感知的状态信息数据发生缺失的次数，y_j(t)为所述自然邻居节点j在第t时刻感知的状态信息数据，n为传感器节点i的自然邻居节点个数。

Voronoi图是计算几何学领域中的一个非常重要研究内容之一，Voronoi图依据所关注的空间对象的邻近属性将它们所在的区域划分成许多子区域。每个子区域表示的是在给定的离散数据点集合b中，相对其它离散数据点，距离较近的所有空间点所构成的集合。本实施例基于Voronoi图的划分方法获取传感器节点的自然邻居节点，并将传感器节点的缺失值看作是其自然邻居节点对应的状态信息数据共同作用的结果。通过自然邻居节点获取，本实施例能够得到传感器节点的真正意义的近邻。本实施例创新性地设定了与传感器节点的缺失值对应的估计值的计算公式，该计算公式不仅考虑了传感器节点与其自然邻居节点之间的距离因素，还考虑了自然邻居节点在特定时间段内发生缺失数据的频率，使得估计值的计算更为准确客观，符合实际，提高了状态信息数据的精度。

在一个实施例中，传感器节点监测单元20对传感器节点进行异常检测，具体包括：

(1)统计各传感器节点在前一个设定周期内感知的状态信息数据发生缺失的次数，若传感器节点i在前一个设定周期内感知的状态信息数据发生缺失的次数Z_i大于设定的次数阈值Z，则将传感器节点i标记为可疑传感器节点；

(2)获取可疑传感器节点α的各邻居节点及其下一跳中继节点的状态信息数据缺失记录，其中可疑传感器节点α的邻居节点为位于可疑传感器节点α通信范围内的其他传感器节点，可疑传感器节点α的下一跳中继节点为协助转发可疑传感器节点α的状态信息数据的下一跳传感器节点；

(3)若可疑传感器节点α的状态信息数据缺失记录满足下列异常条件，则判定该可疑传感器节点α为异常传感器节点：

式中，Z_α表示可疑传感器节点α在前一个设定周期内感知的状态信息数据发生缺失的次数，η_α为在所述前一个设定周期内，可疑传感器节点α与其邻居节点缺失情况相同的次数，所述的缺失情况相同表示可疑传感器节点α在发生状态信息数据缺失的同时存在一个以上邻居节点也发生状态信息数据缺失；Z_α+1为可疑传感器节点α的下一跳中继节点在前一个设定周期内感知的状态信息数据发生缺失的次数，b为设定的比值阈值；H(Z_α+1-Z)为设定的比较函数，当Z_α+1-Z>0时，H(Z_α+1-Z)＝1；当Z_α+1-Z≤0时，H(Z_α+1-Z)＝0，c₀为设定的影响因子，c₀的取值范围为[0.1,0.2]。

如果一个传感器节点在采集状态信息数据时，仅仅自身采集的状态信息数据有多项缺失，而其邻居节点在同一时刻采集的状态信息数据未有缺失，且用于转发该传感器节点状态信息数据的下一跳中继节点也无故障时，根据传感器节点间的时空关联性，则可以推论出该传感器节点很可能出现了故障。据此，本实施例创新性地设定了对传感器节点进行异常检测的机制，该机制利用传感器节点的状态信息数据缺失情况来考察传感器节点的故障状况，其中设定了具体的用于判断传感器节点是否异常的条件。通过该条件，可以方便快捷地对传感器节点进行异常判定，且具有一定的精度。

在一个实施例中，基站根据更新的异常传感器节点列表，对列表中的异常传感器节点进行故障检测，当异常传感器节点满足下列故障条件时，基站将该传感器节点从无线传感器网络中剔除：

或者

式中，G_i表示异常传感器节点v到目前为止被传感器节点监测单元20检测为异常的次数，G_T为设定的异常次数阈值，Q_v为异常传感器节点v的当前剩余能量，Q_min为设定的传感器节点维持状态信息数据采集所需的最小能量值，Q_v0为异常传感器节点v的初始能量，t_v表示当前时刻，t₀为无线传感器网络初始化时间。

本实施例设定了故障条件，用于筛选出被多次判定为异常或者剩余能量不满足维持状态信息数据采集的能量要求的传感器节点，方法简单便捷。本实施例将筛选出的故障的传感器节点从无线传感器网络中剔除，能够避免故障的传感器节点采集的状态信息数据影响到变电站设备智能监测系统在数据采集方面的精度，并使得无线传感器网络具备一定的鲁棒性。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，各模块可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路、数字信号处理器、数字信号处理设备、可编程逻辑器件、现场可编程门阵列、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于RAM、ROM、EPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.基于物联网的变电站设备智能监测系统，其特征是，包括用于采集变电站设备的状态信息数据的数据采集子系统、用于对数据采集子系统采集的状态信息数据进行缺失数据检测及处理的数据预处理子系统、用于存储缺失数据检测及处理后的状态信息数据的物联网服务器和用于显示所述状态信息数据的用户终端；所述数据采集子系统分别与传感器和数据预处理子系统连接，数据预处理子系统与所述用户终端分别与所述物联网服务器连接。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的变电站设备智能监测系统，其特征是，所述数据采集子系统包括基站和多个用于采集状态信息数据的传感器节点，其中基站主要用于收集传感器节点发送的状态信息数据，并将收集的状态信息数据传输至数据预处理子系统。

3.根据权利要求2所述的基于物联网的变电站设备智能监测系统，其特征是，所述传感器节点包括设置于变电站设备上的传感器和用于将传感器信号转换为对应的状态信息数据的信号适配器，所述信号适配器与传感器连接；还包括用于控制采集频率的控制器，所述控制器与传感器连接。

4.根据权利要求1所述的基于物联网的变电站设备智能监测系统，其特征是，所述用户终端包括LED显示屏、LCD显示屏、智能手机、笔记本、桌上型电脑中的任意一种或任意几种。

5.根据权利要求3所述的基于物联网的变电站设备智能监测系统，其特征是，传感器包括温度传感器、振动传感器、液位传感器、位移传感器、电流传感器、霍尔传感器中的任意一种或任意几种。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于物联网的变电站设备智能监测系统，其特征是，数据预处理子系统包括缺失数据处理单元；缺失数据处理单元用于对传感器节点采集的状态信息数据进行缺失检测，并在原状态信息数据缺失的位置上填补上估计值；还包括与缺失数据处理单元连接的传感器节点监测单元，所述传感器节点监测单元用于定期对各传感器节点进行异常检测，对检测为异常的传感器节点进行标记；还包括与基站连接的节点异常反馈单元，节点异常反馈单元用于生成异常传感器节点列表，根据传感器节点监测单元输出的判定结果定期更新异常传感器节点列表，并将更新的异常传感器节点列表反馈至基站。

7.根据权利要求6所述的基于物联网的变电站设备智能监测系统，其特征是，传感器节点监测单元对传感器节点进行异常检测，具体包括：

(1)统计各传感器节点在前一个设定周期内感知的状态信息数据发生缺失的次数，若传感器节点i在前一个设定周期内感知的状态信息数据发生缺失的次数Z_i大于设定的次数阈值Z，则将传感器节点i标记为可疑传感器节点；

(2)获取可疑传感器节点α的各邻居节点及其下一跳中继节点的状态信息数据缺失记录，其中可疑传感器节点α的邻居节点为位于可疑传感器节点α通信范围内的其他传感器节点，可疑传感器节点α的下一跳中继节点为协助转发可疑传感器节点α的状态信息数据的下一跳传感器节点；

(3)若可疑传感器节点α的状态信息数据缺失记录满足下列异常条件，则判定该可疑传感器节点α为异常传感器节点：

式中，Z_α表示可疑传感器节点α在前一个设定周期内感知的状态信息数据发生缺失的次数，η_α为在所述前一个设定周期内，可疑传感器节点α与其邻居节点缺失情况相同的次数，所述的缺失情况相同表示可疑传感器节点α在发生状态信息数据缺失的同时存在一个以上邻居节点也发生状态信息数据缺失；Z_α+1为可疑传感器节点α的下一跳中继节点在前一个设定周期内感知的状态信息数据发生缺失的次数，b为设定的比值阈值；H(Z_α+1-Z)为设定的比较函数，当Z_α+1-Z>0时，H(Z_α+1-Z)＝1；当Z_α+1-Z≤0时，H(Z_α+1-Z)＝0，c₀为设定的影响因子，c₀的取值范围为[0.1,0.2]。