CN110994798A - 变电设备监控系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种变电设备监控系统，通过网络传感设备能够实时的采集变电设备的状态参量，并将采集得到的状态参量上传至网络节点设备进行汇聚以及边缘计算，最终通过应用管理设备对变电设备进行相应的业务管理操作，实现对变电设备的监控。通过上述方案能够将云端计算和存储资源部署到网络边缘，在边缘节点完成采集数据的快速计算，形成云网边端高效互联、协同工作的主动监控应用模式，有序实现海量数据的快速处理和监控系统的实时控制，具有监控可靠性强的优点。
Description
技术领域
本申请涉及电力监控技术领域，特别是涉及一种变电设备监控系统。
背景技术
随着智能电网建设的不断完善与先进通信技术的高速发展，构建万物互联、人机交互，状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的智慧电力系统变为可能且势在必行。变电站作为电力传输网络的枢纽，其运行状态的高效安全监控至关重要。
传统变电站监控系统大都采用前端传感器采集数据，通过电力专网传送至后端监控平台进行分析处理，再将分析处理结果传送至前端设备进行控制的方式，存在数据集中计算耗时长、传输时延大、安全监控实时性差的缺陷。因此，传统的变电站监控系统具有监控可靠性差的缺点。
发明内容
基于此，有必要针对传统的变电站监控系统监控可靠性差的问题，提供一种变电设备监控系统。
一种变电设备监控系统，所述系统包括：网络传感设备、网络节点设备和应用管理设备，所述网络传感设备、所述网络节点设备和所述应用管理设备部署于边缘网络，所述网络传感设备连接所述网络节点设备，所述网络节点设备与所述应用管理设备通信连接，所述网络传感设备用于获取变电设备的状态参量，并将所述状态参量上传至所述网络节点设备；所述网络节点设备用于对所述状态参量进行汇聚、边缘计算后上传至所述应用管理设备；所述应用管理设备用于对所述网络传感设备和所述网络节点设备进行管理、协调和监控，以及根据接收的状态参量对所述变电设备进行业务管理。
在一个实施例中，所述网络节点设备包括汇聚节点设备和接入节点设备，所述汇聚节点设备分别连接所述网络传感设备，所述汇聚节点设备连接对应的接入节点设备，所述接入节点设备与所述应用管理设备通信连接。
在一个实施例中，所述网络传感设备包括微功耗网络传感器、低功耗网络传感器和有线传感器中的至少一种。
在一个实施例中，所述网络节点设备根据不同类型的所述网络传感设备，采用对应的组网方式构建全覆的传感器网络。
在一个实施例中，所述应用管理设备设置有管理层和应用层，所述管理层用于对所述网络传感设备和所述网络节点设备进行管理、协调与监控，对所述网络节点设备边缘计算算法远程配置；所述应用层用于根据接收的状态参量对所述变电设备进行业务管理。
在一个实施例中，所述变电设备监控系统还包括网络设备，所述网络节点设备通过所述网络设备连接所述应用管理设备。
在一个实施例中，所述网络设备包括接入网关和接入控制器，所述接入网关连接所述接入控制器，所述接入网关连接所述应用管理设备，所述接入控制器采用电力光纤网、电力专网、电力APN或5G网络中的至少一种方式与所述网络节点设备连接。
在一个实施例中，所述网络传感设备、所述网络节点设备、所述网络设备和应用管理设备均通过安全防护体系进行安全防护。
在一个实施例中，所述变电设备监控系统还包括状态监测传感设备，所述状态监测传感设备连接所述网络传感设备。
在一个实施例中，所述状态监测传感设备包括接头温度传感器、环境温湿度传感器、电容器形变传感器、SF6气体密度传感器、特高频局放传感器、超声波局放传感器、暂态地电波传感器、伸缩节长度传感器、断路器机械特性传感器、振动传感器、避雷器泄漏电流传感器、铁芯电流传感器、油色谱监测装置、声波传感器、固定式高清摄像头、固定式红外摄像头、云台式监测装置和移动巡检机器人中的至少一种。
上述变电设备监控系统，通过网络传感设备能够实时的采集变电设备的状态参量，并将采集得到的状态参量上传至网络节点设备进行汇聚以及边缘计算，最终通过应用管理设备对变电设备进行相应的业务管理操作，实现对变电设备的监控。通过上述方案能够将云端计算和存储资源部署到网络边缘，在边缘节点完成采集数据的快速计算，形成云网边端高效互联、协同工作的主动监控应用模式，有序实现海量数据的快速处理和监控系统的实时控制，具有监控可靠性强的优点。
附图说明
图1为一实施例中变电设备监控系统结构示意图；
图2为另一实施例中变电设备监控系统结构示意图；
图3为又一实施例中变电设备监控系统结构示意图；
图4为一实施例中组网方式拓扑结构示意图；
图5为一实施例中边缘计算体系功能设计示意图；
图6为一实施例中安全防护体系架构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。
请参阅图1，一种变电设备监控系统，包括：网络传感设备10、网络节点设备20和应用管理设备40，网络传感设备10、网络节点设备20和应用管理设备40部署于边缘网络，网络传感设备10连接网络节点设备20，网络节点设备20与应用管理设备40通信连接，网络传感设备10用于获取变电设备的状态参量，并将状态参量上传至网络节点设备20；网络节点设备20用于对状态参量进行汇聚、边缘计算后上传至应用管理设备40；应用管理设备40用于对网络传感设备10和网络节点设备20进行管理、协调和监控，以及根据接收的状态参量对变电设备进行业务管理。
具体地，网络传感设备10是指传感器在现场级实现网络协议，使现场测控数据能够就近进入网络传输，在网络覆盖范围内实时发布和共享。简单地说，网络传感设备10就是能与网络连接或通过网络使其与微处理器、计算机或仪器系统连接的传感器。网络传感设备10的产生使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展；使传感器可以就近接入网络，传感器与测控设备间再无需点对点连接，大大简化了连接电路，节省投资，易于系统维护，也使系统更易于扩充。边缘网络即为公共电信网络的边缘，是接入用户的最后一段网络。边缘计算(Edge computing)又译为边缘运算，是一种分散式运算的架构，将应用程序、数据资料与服务的运算，由网络中心节点，移往网络逻辑上的边缘节点来处理。它是将原本完全由中心节点处理大型服务加以分解，切割成更小与更容易管理的部分，分散到边缘节点去处理。边缘节点更接近于用户终端装置，可以加快资料的处理与传送速度，减少延迟。在这种架构下，资料的分析与知识的产生，更接近于数据资料的来源，因此更适合处理大数据。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。边缘计算处于物理实体和工业连接之间，或处于物理实体的顶端。
在一个实施例中，将变电设备监控系统划分为设备状态感知层和云平台层，其中，设备状态感知层用以实现传感信息的采集、汇聚与计算，云平台层用以实现传感信息的存储、对设备状态感知层的配置以及对变电设备的业务管理操作等。设备状态感知层包括网络传感设备10和网络节点设备20，网络传感设备10包括各类网络传感器，用于变电设备不同类型的状态参量，并通过传感器网络将数据上传至网络节点设备20。网络节点设备20则用于构成全覆盖的传感器网络，实现一定范围内传感器数据的汇聚、边缘计算与上传。云平台层包括应用管理设备40，主要用于对变电设备监控系统各类网络传感设备10及网络节点设备20进行管理、协调与监控，具备边缘计算配置功能，可实现网络节点设备20边缘计算算法远程配置，以及用于数据高级应用与运检业务管理。
请参阅图2，在一个实施例中，网络节点设备20包括汇聚节点设备21和接入节点设备22，汇聚节点设备21分别连接网络传感设备10，汇聚节点设备21连接对应的接入节点设备22，接入节点设备22与应用管理设备40通信连接。
具体地，请结合参阅图3，汇聚节点设备21是各类网络传感器的接入装置，具有数据中继传输、数据回程传输以及简单边缘计算功能，用于小范围内的数据汇聚和设备控制。接入节点设备22是网络传感器和网络节点设备20的整体接入装置，具备复杂边缘计算功能和设备管理功能，用于各级感知、节点设备的汇聚和控制，通过接入节点设备22能够将数据上传至应用管理设备40进行进一步的业务管理操作。
在一个实施例中，网络传感设备10包括微功耗网络传感器、低功耗网络传感器和有线传感器中的至少一种。
具体地，微功耗网络传感器即为电池供电、自取能类型具有极低功耗的网络传感器；低功耗网络传感器即为局部放电、泄漏电流等采样频率低、单次采集功耗较大的网络传感器；有线传感器即为采用有线连接实现数据传输类型的网络传感器。网络传感设备10由各类网络传感器组成，用于采集变电设备不同类型的状态参量，并通过传感器网络将数据上传至汇聚节点设备21。在一个具体的实施例中，网络传感设备10同时包括微功耗网络传感器、低功耗网络传感器和有线传感器三种，通过不同类型的网络传感器实现变电设备的数据采集功能。
在一个实施例中，网络节点设备20根据不同类型的网络传感设备10，采用对应的组网方式构建全覆的传感器网络。
具体地，对于不同类型的网络传感设备10，对应的组网方式也不是唯一的，在一个具体地实施例中，网络传感设备10同时包括微功耗网络传感器、低功耗网络传感器和有线传感器，相应的组网方式有四种。请参阅图4，四种组网方式分别为方案1、方案2、方案3和方案4。方案1：针对电池供电、自取能的微功耗网络传感器，采用双层组网方式，微功耗网络传感器通过微功率无线传感网与汇聚节点设备21连接，汇聚节点设备21、接入节点设备22间采用低功耗无线传感网组网，通过接入节点设备22对接应用传感设备。方案2：针对局部放电、泄漏电流等采样频率低、单次采集功耗大的低功耗网络传感器，采用低功耗传感网进行组网。低功耗网络传感器直接与接入节点设备22连接，或经由一个或者多个汇聚节点设备21与接入节点设备22连接，通过接入节点设备22对接应用传感设备。方案3：针对传统在线监测传感系统无线化改造需求，将有线传感器与汇聚节点设备21进行有线连接或内部集成。汇聚节点设备21、接入节点设备22间采用低功耗无线传感网组网，通过接入节点设备22对接应用传感设备。方案4：针对具备有线网络布线条件的室内环境情况，将汇聚节点设备21采用有线方式与接入节点设备22连接，降低无线网络结构复杂度。汇聚节点设备21向下可接入有线传感器、低功耗网络传感器和微功耗网络传感器。
采用不同的组网方式，可以针对海量传感器接入与运算需求，设计面向设备管理业务的边缘计算框架体系，建立标准化边缘计算APP化就地搭载和远程配置机制，实现数据就地计算、算法远程配置和接口标准统一。根据网络传感设备10和网络节点设备20类型，建立4种典型组网方案，可以构成全覆盖的传感器网络，满足变电设备管理现场不同业务的应用需求，适应性好。
请参阅图3，在一个实施例中，应用管理设备40设置有管理层和应用层。
具体地，应用管理设备40即云平台层，具体包括应用层和管理层两个不同的分层，分别实现不同的功能。管理层由变电设备管理系统组成，主要用于对变电设备监控系统各类网络传感器及网络节点设备20进行管理、协调与监控，具备边缘计算配置功能，可实现网络节点设备20边缘计算算法远程配置。应用层则包括备数据处理系统、运维管理系统、缺陷故障诊断系统、实时监控系统、数据库和云网边端协同计算等，用于数据高级应用与运检业务管理。针对传感数据类型多、诊断算法多样化业务需求，应用层部署开放式算法仓，建立统一算法I/O接口，可实现深度学习、神经网络等算法模块标准化调用、云边端协同计算功能和变电设备信息融合、状态快速评估与诊断、缺陷故障预报预警及安全控制，从而为变电安全高效运行和维护提供科学依据。
请参阅图5，在一个实施例中，云平台层对应的应用管理设备40(即图示监控平台)为一种基于服务器的软硬件架构，可执行神经网络、深度学习等大量数据的计算并发计算任务，可以完成边缘计算任务远程配置。接入节点设备22为一种基于嵌入式系统的软硬件架构，可以实现灵活配置复杂边缘计算模型并就地运行。汇聚节点设备21是一种基于MCU(微处控制单元)的硬件架构，可以接受并执行简单的边缘计算任务，例如数据越限告警等。网络传感设备10是一种即为MCU的硬件架构，接受并执行有限边缘计算任务，如采样频率配置等。
请参阅图2，在一个实施例中，变电设备监控系统还包括网络设备30，网络节点设备20通过网络设备30连接应用管理设备40。
具体地，本实施例中，在设备状态感知层与云平台层之间还设置有网络层，而网络层具体包括网络设备30，通过网络设备30能够实现网络节点设备20与应用管理设备40之间的通信，从而实现数据的上传以及边缘计算算法的配置等操作。
进一步地，在一个实施例中，请参阅图2与图3，网络设备30包括接入网关32和接入控制器31，接入网关32连接接入控制器31，接入网关32连接应用管理设备40，接入控制器31采用电力光纤网、电力专网、电力APN或5G网络中的至少一种方式与网络节点设备20连接。
具体地，网络层用于实现设备状态感知层与云平台层间广域范围内的数据传输。网络层采用电力无线专网、电力APN通道、电力光纤网和5G网络，为变电设备状态监控提供高可靠、高带宽的数据传输通道。网络层采用面向电力设备管理业务现场的网络节点设备20无线组网协议，可实现自适应调制、自动组网与路由、防冲撞多址、时间同步等功能。
进一步地，在一个实施例中，自适应调制为针对不同变电设备监控管理的组网需求，通过自适应调制技术选择合适的调制解调方式，保证网络设备30和低功耗传感器的无线传输能力及无线电抗干扰能力。防冲撞多址机制为针对海量异构数据的接入需求，通过随机接入和轮询接入的混合多址方式，分别支持小数据量的突发传输和大数据量的连续传输，有效避免无线通讯相互冲撞。时间同步机制为针对避雷器泄漏电流、变压器局部放电等需要时间同步的电力传感器应用，在协议中建立基于无线通信协议的同步机制，实现相对时间坐标系下的传感器自同步。
在一个实施例中，网络传感设备10、网络节点设备20、网络设备30和应用管理设备40均通过安全防护体系进行安全防护。
具体地，请参阅图6，安全防护体系分别从设备状态感知层、网络层、云平台层三个层级，对变电设备监控统进行全方位安全防护。设备状态感知层安全防护：通过网络传感器的网络接入认证、安全芯片、算法加密、传输数据加密等技术，保障变电设备监控系统的底层接入安全。网络层安全防护：设置安全接入区，使接入节点设备22在接入管理信息内部网络时，在各自专用通道上使用独立的网络设备30组网，实现区域物理隔离。接入节点设备22采用电力APN虚拟专网、电力无线专网、本地无线接入和本地有线内网四种通信方式，通过网络层向平台层传输数据。云平台层安全防护：按照“分区分域、安全接入、动态感知、全面防护”的安全策略，制定平台层应用安全防护等级，从物理安全、边界安全、应用安全、数据安全、主机安全、网络安全及终端安全等方面对系统进行安全防护设计，最大限度保障平台层的安全、可靠和稳定运行。
进一步地，在一个实施例中，在加密芯片方面，采用微功耗加密芯片，芯片待机功耗不高于1μW，可实现窄带传感网数据的认证加密。在微功耗传输协议加密方面，采用单向流加密模式，通信双方使用内置密钥对报文进行加密，实现微功率协议的业务和控制信道加密。在节点组网协议加密方面，采用动态密钥加密模式，实现节点设备间、节点设备与低功耗传感器间的高安全性动态加密。
在一个实施例中，APN虚拟专网为在接入节点设备22绑定安全芯片、安装SIM卡，经过运营商APN虚拟专网，通过安全接入网关32和信息网络隔离装置接入信息内网。电力无线专网为在接入节点设备22绑定安全芯片，安装专用SIM卡，经过电力无线专网，通过安全接入网关32和信息网络安全隔离装置接入信息内网。本地无线接入为接入节点设备22通过信息网络安全接入网关32就地接入站内信息内网，再通过有线方式与主站服务端通信。本地有线内网为接入节点设备22通过光纤/网线等有线方式直接接入站内内网与主站服务端通信。
在一个实施例中，变电设备监控系统还包括状态监测传感设备，状态监测传感设备连接网络传感设备10。
具体地，状态监测传感设备即为设置在不同变电设备，对各个变电设备进行实时数据监控操作的各类固定式传感器、移动式传感器以及机器人等。通过状态监测传感设备能够直接得到各个变电设备的真实状态参量，然后上传至网络边缘的网络传感设备10进行进一步地分析处理即可。从而解决现有变电设备状态监控系统存在的数据集中计算耗时长、传输时延大、安全监控实时性差的缺陷，形成云网边端高效互联、协同工作的主动监控应用模式，有序实现海量数据的快速处理和监控系统的实时控制，保障电网的安全稳定运行。
应当指出的是，状态监测传感设备的类型并不是唯一的，在一个实施例中，状态监测传感设备包括接头温度传感器、环境温湿度传感器、电容器形变传感器、SF6气体密度传感器、特高频局放传感器、超声波局放传感器、暂态地电波传感器、伸缩节长度传感器、断路器机械特性传感器、振动传感器、避雷器泄漏电流传感器、铁芯电流传感器、油色谱监测装置、声波传感器、固定式高清摄像头、固定式红外摄像头、云台式监测装置和移动巡检机器人中的至少一种。
上述变电设备监控系统，通过网络传感设备能够实时的采集变电设备的状态参量，并将采集得到的状态参量上传至网络节点设备进行汇聚以及边缘计算，最终通过应用管理设备对变电设备进行相应的业务管理操作，实现对变电设备的监控。通过上述方案能够将云端计算和存储资源部署到网络边缘，在边缘节点完成采集数据的快速计算，形成云网边端高效互联、协同工作的主动监控应用模式，有序实现海量数据的快速处理和监控系统的实时控制，具有监控可靠性强的优点。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种变电设备监控系统，其特征在于，所述系统包括：网络传感设备、网络节点设备和应用管理设备，所述网络传感设备、所述网络节点设备和所述应用管理设备部署于边缘网络，所述网络传感设备连接所述网络节点设备，所述网络节点设备与所述应用管理设备通信连接，
所述网络传感设备用于获取变电设备的状态参量，并将所述状态参量上传至所述网络节点设备；所述网络节点设备用于对所述状态参量进行汇聚、边缘计算后上传至所述应用管理设备；所述应用管理设备用于对所述网络传感设备和所述网络节点设备进行管理、协调和监控，以及根据接收的状态参量对所述变电设备进行业务管理。
2.根据权利要求1所述的变电设备监控系统，其特征在于，所述网络节点设备包括汇聚节点设备和接入节点设备，所述汇聚节点设备分别连接所述网络传感设备，所述汇聚节点设备连接对应的接入节点设备，所述接入节点设备与所述应用管理设备通信连接。
3.根据权利要求1所述的变电设备监控系统，其特征在于，所述网络传感设备包括微功耗网络传感器、低功耗网络传感器和有线传感器中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的变电设备监控系统，其特征在于，所述网络节点设备根据不同类型的所述网络传感设备，采用对应的组网方式构建全覆的传感器网络。
5.根据权利要求1所述的变电设备监控系统，其特征在于，所述应用管理设备设置有管理层和应用层，所述管理层用于对所述网络传感设备和所述网络节点设备进行管理、协调与监控，对所述网络节点设备边缘计算算法远程配置；所述应用层用于根据接收的状态参量对所述变电设备进行业务管理。
6.根据权利要求1所述的变电设备监控系统，其特征在于，所述系统还包括网络设备，所述网络节点设备通过所述网络设备连接所述应用管理设备。
7.根据权利要求6所述的变电设备监控系统，其特征在于，所述网络设备包括接入网关和接入控制器，所述接入网关连接所述接入控制器，所述接入网关连接所述应用管理设备，所述接入控制器采用电力光纤网、电力专网、电力APN或5G网络中的至少一种方式与所述网络节点设备连接。
8.根据权利要求6所述的变电设备监控系统，其特征在于，所述网络传感设备、所述网络节点设备、所述网络设备和应用管理设备均通过安全防护体系进行安全监控。
9.根据权利要求1所述的变电设备监控系统，其特征在于，所述系统还包括状态监测传感设备，所述状态监测传感设备连接所述网络传感设备。
10.根据权利要求9所述的变电设备监控系统，其特征在于，所述状态监测传感设备包括接头温度传感器、环境温湿度传感器、电容器形变传感器、SF6气体密度传感器、特高频局放传感器、超声波局放传感器、暂态地电波传感器、伸缩节长度传感器、断路器机械特性传感器、振动传感器、避雷器泄漏电流传感器、铁芯电流传感器、油色谱监测装置、声波传感器、固定式高清摄像头、固定式红外摄像头、云台式监测装置和移动巡检机器人中的至少一种。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Dai Hao Inventor after: Zhang Xin Inventor after: Huang Weizhao Inventor after: Lv Qishen Inventor after: Chen Xiao Inventor after: Cui Zhiwen Inventor after: Dang Xiaojing Inventor after: Fan Shaosheng Inventor before: Dai Hao Inventor before: Zhang Xin Inventor before: Huang Weizhao Inventor before: Lv Qishen Inventor before: Chen Xiao Inventor before: Cui Zhiwen Inventor before: Dang Xiaojing Inventor before: Fan Shaosheng |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200410 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |