CN111092875A - 一种输变电运检平台物联网边缘信息传输压缩方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输变电运检平台物联网边缘信息传输压缩方法及系统，获取运检相关设备的采集测量量信息，通过三次样条拟合函数模型对测量量信息进行拟合，输出三次样条拟合函数，利用三次样条拟合函数计算出当前时刻的预测输出量，利用突变检测函数模型对当前时刻的预测输出量与当前时刻的实际测量量进行是否突变判断，若发生突变则上送该时刻实际测量量至主站，若否则不上送。优点：可以有效的检测出测量量数据突变情况，满足运检关注设备异常信号的要求；进行了满足突变量检测的数据压缩需求，尽可能减少了带宽需求和流量消耗，为电力系统泛在物联提供了支撑。

Description

一种输变电运检平台物联网边缘信息传输压缩方法及系统

技术领域

本发明涉及一种输变电运检平台物联网边缘信息自适应信息传输压缩方法，属于电力系统自动化技术领域。

背景技术

近年来，以国家电网的“泛在物联网”及南方电网的“数字南网”为代表的大规模物联网设备采集和数据分析方式为提升设备的可用率，延长其使用寿命，减少运维成本，保障电网的健康稳定运行提供了技术保障。

其中在输变电运检业务中，为及早发现设备及其所处的环境可能的隐形故障和风险，进行预防性检修，需要对输变电一次设备及二次设备的健康状态进行监测，其牵涉到大量、多种传感器的信号采集和传输，由于其采集数据频率较高、采集设备信息点数较多，造成物联网边缘设备网络带宽占用大、设备的电量耗费多等问题。

分析目前运检的信号采集和传输相关信号包括设备自身监测信号、环境监测信号等，可以发现这些信号通常处于缓慢变化状态，在设备出现隐性故障时，往往出现瞬间信号剧烈波动或间歇性信号扰动频率增大(波动幅值未必很大)等特殊情况。

传统上的第一种方式为增加监测信息上送频率，这种方式大大增加物联网设备的数据带宽占用和电能消耗，因而适应性不广；第二种方式为对上送信号进行滤波，主要方式设定变化量阈值，当阈值超越监测信号时，进行上送，但这种情况不利于对于间歇性信号扰动频率增大等设备异常情况进行检测。

基于此种情况，有必要对现有信息传输方式针对运检特点进行优化和调整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种输变电运检平台物联网边缘信息自适应信息传输压缩，保证在降低信号上送的频率的同时，避免忽略设备健康状态指标的突变点指标的压缩传输方式。

为解决上述技术问题，本发明提供一种输变电运检平台物联网边缘信息传输压缩方法，获取运检相关设备的采集测量量信息，通过三次样条拟合函数模型对测量量信息进行拟合，输出三次样条拟合函数，利用三次样条拟合函数计算出当前时刻的预测输出量，利用突变检测函数模型对当前时刻的预测输出量与当前时刻的实际测量量进行是否突变判断，若发生突变则上送该时刻实际测量量至主站，若否则不上送。

进一步的，所述突变检测函数模型包括信号突变检测函数F1、F2、F3中的一个或多个组合；

信号突变检测函数F1为：

信号突变检测函数F1用于检测当前时刻的测量量与拟合函数外推值的差别程度；其中S＝1表示检测到突变；S＝0表示未检测到突变，abs()表示绝对值函数、Δy表示变化程度，Y₀为变化阈值，

表示t_n时刻的拟合函数外推值，y_(1)n表示实际测量量在t_n时刻的数值；

信号突变检测函数F2为：

n≥j≥1

信号突变检测函数F2用于检测测量量在一段时间内与拟合函数外推值的差别程度，通过当前时刻及当前时刻以前j-1个时刻即t_n，t_n-1,t_n-2...t_n-j+1时刻的测量量与外推值的差别值的加权累加获得；其中j表示测量量f(t_n)，f(t_n-1),f(t_n-2)...f(t_n-j+1)时间序列的个数，j≥1，p_i表示数值变化的历史序列数据的权重，

表示i时刻的测量量变化量，y_(2)i表示i时刻的测量量变化量；n表示当前时刻，n-1表示当前采样时刻的上一时刻，Δy表示变化程度，Y₀为变化阈值。

信号突变检测函数F3为：

n≥j≥1

信号突变检测函数F3用于检测测量量在一段时间内与拟合函数外推值的差别程度；取当前时刻及当前时刻以前j-1个时刻的测量量f(t_n)，f(t_n-1),f(t_n-2)...f(t_n-j+1)；a_1i、a_2i、a_3i、a_4i为比例系数，随i的不同，形成4行j列的比例系数矩阵；y_(3)i表示i时间段的变化率，y_(3)i+1表示i+1时间段的变化率，y_(3)i+2表示i+2时间段的变化率，y_(3)i+3表示i+3时间段的变化率。

进一步的，采用三次样条插值方法，获取已采样的测量点的拟合函数L(t)，其计算方法为：

其中，t_n和t_n+1分别表示第n个采样时刻和第n+1个采样时刻，t为[t_n-1,t_n]间的某一需要进行插值的时间点，为了公式表示的简化，用h_n-1表示t_n-t_n-1，M_n和M_n-1为分段拟合曲线L(t)的在[t_n-1,t_n]上的待定参数，参数M_n和M_n-1通过下式求解得到：

其中，为了表示方便，将

和

用μ_n、λ_n和d_n表示，n∈[1，N]，N为最后时刻。

一种输变电运检平台物联网边缘信息传输压缩系统，包括采集模块、拟合模块和判断模块；

所述采集模块，用于获取运检相关设备的采集测量量信息；

所述拟合模块，用于通过三次样条拟合函数模型对测量量信息进行拟合，输出三次样条拟合函数；

所述判断模块，用于利用三次样条拟合函数计算出当前时刻的预测输出量，利用突变检测函数模型对当前时刻的预测输出量与当前时刻的实际测量量进行是否突变判断，若发生突变则上送该时刻实际测量量至主站，若否则不上送。

进一步的，所述判断模块包括突变检测函数调取模块，用于调取信号突变检测函数F1、F2、F3中的一个或多个组合；

信号突变检测函数F1为：

信号突变检测函数F1用于检测当前时刻的测量量与拟合函数外推值的差别程度；其中S＝1表示检测到突变；S＝0表示未检测到突变，abs()表示绝对值函数、Δy表示变化程度，Y₀为变化阈值，

表示t_n时刻的拟合函数外推值，y_(1)n表示实际测量量在t_n时刻的数值；

信号突变检测函数F2为：

n≥j≥1

信号突变检测函数F2用于检测测量量在一段时间内与拟合函数外推值的差别程度，通过当前时刻及当前时刻以前j-1个时刻即t_n，t_n-1,t_n-2...t_n-j+1时刻的测量量与外推值的差别值的加权累加获得；其中j表示测量量f(t_n)，f(t_n-1),f(t_n-2)...f(t_n-j+1)时间序列的个数，j≥1，p_i表示数值变化的历史序列数据的权重，

表示i时刻的测量量变化量，y_(2)i表示i时刻的测量量变化量；n表示当前时刻，n-1表示当前采样时刻的上一时刻，Δy表示变化程度，Y₀为变化阈值。

信号突变检测函数F3为：

n≥j≥1

信号突变检测函数F3用于检测测量量在一段时间内与拟合函数外推值的差别程度；取当前时刻及当前时刻以前j-1个时刻的测量量f(t_n)，f(t_n-1),f(t_n-2)...f(t_n-j+1)；a_1i、a_2i、a_3i、a_4i为比例系数，随i的不同，形成4行j列的比例系数矩阵；y_(3)i表示i时间段的变化率，y_(3)i+1表示i+1时间段的变化率，y_(3)i+2表示i+2时间段的变化率，y_(3)i+3表示i+3时间段的变化率。

进一步的，所述拟合模块包括三次样条插值计算模块，用于采用三次样条插值方法，获取已采样的测量点的拟合函数L(t)，其计算方法为：

其中t_n和t_n+1分别表示第n个采样时刻和第n+1个采样时刻，t为[t_n-1,t_n]间的某一需要进行插值的时间点，为了公式表示的简化，用h_n-1表示t_n-t_n-1，M_n和M_n-1为分段拟合曲线L(t)的在[t_n-1,t_n]上的待定参数，参数M_n和M_n-1通过下式求解得到：

其中，为了表示方便，将

和

用μ_n、λ_n和d_n表示，n∈[1，N]，N为最后时刻。

本发明所达到的有益效果：

(1)提出适应运检需求的突变量检测函数的概念，可以有效的检测出测量量数据突变情况，满足运检关注设备异常信号的要求；

(2)在满足对设备异常检测的需求的基础上，根据实际装置监测量，通常缓慢变化，异常情况突发变化的情况，进行了满足突变量检测的数据压缩需求，尽可能减少了带宽需求和流量消耗，为电力系统泛在物联提供了支撑。

附图说明

图1为本发明的采集、突变检测及压缩上送示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种输变电运检平台物联网边缘信息传输压缩方法，获取运检相关设备的采集测量量信息，通过三次样条拟合函数模型对测量量信息进行拟合，输出三次样条拟合函数，利用三次样条拟合函数计算出当前时刻的预测输出量，利用突变检测函数模型对当前时刻的预测输出量与当前时刻的实际测量量进行是否突变判断，若发生突变则上送该时刻实际测量量至主站，若否则不上送。

所述突变检测函数模型包括信号突变检测函数F1、F2、F3中的一个或多个组合；

信号突变检测函数F1为：

信号突变检测函数F1用于检测当前时刻的测量量与拟合函数外推值的差别程度；其中S＝1表示检测到突变；S＝0表示未检测到突变，abs()表示绝对值函数、Δy表示变化程度，Y₀为变化阈值，

表示t_n时刻的拟合函数外推值，y_(1)n表示实际测量量在t_n时刻的数值；

信号突变检测函数F2为：

n≥j≥1

信号突变检测函数F2用于检测测量量在一段时间内与拟合函数外推值的差别程度，通过当前时刻及当前时刻以前j-1个时刻即t_n，t_n-1,t_n-2...t_n-j+1时刻的测量量与外推值的差别值的加权累加获得；其中j表示测量量f(t_n)，f(t_n-1),f(t_n-2)...f(t_n-j+1)时间序列的个数，j≥1，p_i表示数值变化的历史序列数据的权重，

表示i时刻的测量量变化量，y_(2)i表示i时刻的测量量变化量；n表示当前时刻，n-1表示当前采样时刻的上一时刻，Δy表示变化程度，Y₀为变化阈值。

信号突变检测函数F3为：

n≥j≥1

信号突变检测函数F3用于检测测量量在一段时间内与拟合函数外推值的差别程度；取当前时刻及当前时刻以前j-1个时刻的测量量f(t_n)，f(t_n-1),f(t_n-2)...f(t_n-j+1)；a_1i、a_2i、a_3i、a_4i为比例系数，随i的不同，形成4行j列的比例系数矩阵；y_(3)i表示i时间段的变化率，y_(3)i+1表示i+1时间段的变化率，y_(3)i+2表示i+2时间段的变化率，y_(3)i+3表示i+3时间段的变化率。

采用三次样条插值方法，获取已采样的测量点的拟合函数L(t)，其计算方法为：

其中，t_n和t_n+1分别表示第n个采样时刻和第n+1个采样时刻，t为[t_n-1,t_n]间的某一需要进行插值的时间点，为了公式表示的简化，用h_n-1表示t_n-t_n-1，M_n和M_n-1为分段拟合曲线L(t)的在[t_n-1,t_n]上的待定参数，参数M_n和M_n-1通过下式求解得到：

其中，为了表示方便，将

和

用μ_n、λ_n和d_n表示，n∈[1，N]，N为最后时刻。

一种输变电运检平台物联网边缘信息传输压缩系统，包括采集模块、拟合模块和判断模块；

所述采集模块，用于获取运检相关设备的采集测量量信息；

所述拟合模块，用于通过三次样条拟合函数模型对测量量信息进行拟合，输出三次样条拟合函数；

所述判断模块，用于利用三次样条拟合函数计算出当前时刻的预测输出量，利用突变检测函数模型对当前时刻的预测输出量与当前时刻的实际测量量进行是否突变判断，若发生突变则上送该时刻实际测量量至主站，若否则不上送。

所述判断模块包括突变检测函数调取模块，用于调取信号突变检测函数F1、F2、F3中的一个或多个组合；

信号突变检测函数F1为：

信号突变检测函数F1用于检测当前时刻的测量量与拟合函数外推值的差别程度；其中S＝1表示检测到突变；S＝0表示未检测到突变，abs()表示绝对值函数、Δy表示变化程度，Y₀为变化阈值，

表示t_n时刻的拟合函数外推值，y_(1)n表示实际测量量在t_n时刻的数值；

信号突变检测函数F2为：

n≥j≥1

信号突变检测函数F2用于检测测量量在一段时间内与拟合函数外推值的差别程度，通过当前时刻及当前时刻以前j-1个时刻即t_n，t_n-1,t_n-2...t_n-j+1时刻的测量量与外推值的差别值的加权累加获得；其中j表示测量量f(t_n)，f(t_n-1),f(t_n-2)...f(t_n-j+1)时间序列的个数，j≥1，p_i表示数值变化的历史序列数据的权重，

表示i时刻的测量量变化量，y_(2)i表示i时刻的测量量变化量；n表示当前时刻，n-1表示当前采样时刻的上一时刻，Δy表示变化程度，Y₀为变化阈值。

信号突变检测函数F3为：

n≥j≥1

信号突变检测函数F3用于检测测量量在一段时间内与拟合函数外推值的差别程度；取当前时刻及当前时刻以前j-1个时刻的测量量f(t_n)，f(t_n-1),f(t_n-2)...f(t_n-j+1)；a_1i、a_2i、a_3i、a_4i为比例系数，随i的不同，形成4行j列的比例系数矩阵；y_(3)i表示i时间段的变化率，y_(3)i+1表示i+1时间段的变化率，y_(3)i+2表示i+2时间段的变化率，y_(3)i+3表示i+3时间段的变化率。

所述拟合模块包括三次样条插值计算模块，用于采用三次样条插值方法，获取已采样的测量点的拟合函数L(t)，其计算方法为：

其中t_n和t_n+1分别表示第n个采样时刻和第n+1个采样时刻，t为[t_n-1,t_n]间的某一需要进行插值的时间点，为了公式表示的简化，用h_n-1表示t_n-t_n-1，M_n和M_n-1为分段拟合曲线L(t)的在[t_n-1,t_n]上的待定参数，参数M_n和M_n-1通过下式求解得到：

其中，为了表示方便，将

和

用μ_n、λ_n和d_n表示，n∈[1，N]，N为最后时刻。

如图1所示，监视系统或控制系统根据控制或监视要求，下发数据的突变检测函数，例如控制系统采用类似PID方式控制，则下发突变检测函数F1,F3，从而可以获得关键控制节点，物联网边缘计算设备通过上述三次样条进行数值拟合函数，及突变检测函数实时计算采集量和突发量情况，在发现突变时及时将实际测量值送至监视系统或控制系统；监控系统及控制系统根据接受到的测量量，同样进行三次样条拟合计算y(t)，物联网边缘设备计算未超过突发函数阈值时，不上送新的测量量，从工程考虑，可以在长期不上送新值的情况下，上送心跳报文，来表征通信状态完好、数据采集正常，在物联网边缘设备未上送新值情况下，监视系统或控制系统并按y(t)公式计算出数据估算值，并可确保既有控制算法、监视要求能够满足需求。当物联网边缘设备发现突变量越过阈值后，会上送当前采集值，则监视系统或控制系统同步重新利用三次样条拟合计算y(t)，以满足实时有效地监视和控制，其过程如图1所示。

本发明是一种基于输变电运检物联网关的监视和控制需求的高效传输手段、也可扩展到存储等领域，具有很强的实用性。本发明所提到的突变量检测和三次样条相结合的方法，并不局限上文所述的变压器的某一种或几种信号，凡是满足运检监测要求的缓慢变化(大尺度光滑)的测量量，或可以转换为测量量的信息(一段时间的动作频次)均可采用该方法进行高效压缩传输，因而本方法具备很强的适用性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种输变电运检平台物联网边缘信息传输压缩方法，其特征在于，

获取运检相关设备的采集测量量信息，通过三次样条拟合函数模型对测量量信息进行拟合，输出三次样条拟合函数，利用三次样条拟合函数计算出当前时刻的预测输出量，利用突变检测函数模型对当前时刻的预测输出量与当前时刻的实际测量量进行是否突变判断，若发生突变则上送该时刻实际测量量至主站，若否则不上送。

2.根据权利要求1所述的输变电运检平台物联网边缘信息传输压缩方法，其特征在于，所述突变检测函数模型包括信号突变检测函数F1、F2、F3中的一个或多个组合；

信号突变检测函数F1为：

信号突变检测函数F1用于检测当前时刻的测量量与拟合函数外推值的差别程度；其中S＝1表示检测到突变；S＝0表示未检测到突变，abs()表示绝对值函数、Δy表示变化程度，Y₀为变化阈值，

表示t_n时刻的拟合函数外推值，y_(1)n表示实际测量量在t_n时刻的数值；

信号突变检测函数F2为：

信号突变检测函数F2用于检测测量量在一段时间内与拟合函数外推值的差别程度，通过当前时刻及当前时刻以前j-1个时刻即t_n，t_n-1,t_n-2...t_n-j+1时刻的测量量与外推值的差别值的加权累加获得；其中j表示测量量f(t_n)，f(t_n-1),f(t_n-2)...f(t_n-j+1)时间序列的个数，j≥1，p_i表示数值变化的历史序列数据的权重，

表示i时刻的测量量变化量，y_(2)i表示i时刻的测量量变化量；n表示当前时刻，n-1表示当前采样时刻的上一时刻，Δy表示变化程度，Y₀为变化阈值。

信号突变检测函数F3为：

信号突变检测函数F3用于检测测量量在一段时间内与拟合函数外推值的差别程度；取当前时刻及当前时刻以前j-1个时刻的测量量f(t_n)，f(t_n-1),f(t_n-2)...f(t_n-j+1)；a_1i、a_2i、a_3i、a_4i为比例系数，随i的不同，形成4行j列的比例系数矩阵；y_(3)i表示i时间段的变化率，y_(3)i+1表示i+1时间段的变化率，y_(3)i+2表示i+2时间段的变化率，y_(3)i+3表示i+3时间段的变化率。

3.根据权利要求2所述的输变电运检平台物联网边缘信息传输压缩方法，其特征在于，采用三次样条插值方法，获取已采样的测量点的拟合函数L(t)，其计算方法为：

其中，t_n和t_n+1分别表示第n个采样时刻和第n+1个采样时刻，t为[t_n-1,t_n]间的某一需要进行插值的时间点，为了公式表示的简化，用h_n-1表示t_n-t_n-1，M_n和M_n-1为分段拟合曲线L(t)的在[t_n-1,t_n]上的待定参数，参数M_n和M_n-1通过下式求解得到：

其中，为了表示方便，将

和

用μ_n、λ_n和d_n表示，n∈[1，N]，N为最后时刻。

4.一种输变电运检平台物联网边缘信息传输压缩系统，其特征在于，包括采集模块、拟合模块和判断模块；

所述采集模块，用于获取运检相关设备的采集测量量信息；

所述拟合模块，用于通过三次样条拟合函数模型对测量量信息进行拟合，输出三次样条拟合函数；

所述判断模块，用于利用三次样条拟合函数计算出当前时刻的预测输出量，利用突变检测函数模型对当前时刻的预测输出量与当前时刻的实际测量量进行是否突变判断，若发生突变则上送该时刻实际测量量至主站，若否则不上送。

5.根据权利要求4所述的输变电运检平台物联网边缘信息传输压缩系统，其特征在于，所述判断模块包括突变检测函数调取模块，用于调取信号突变检测函数F1、F2、F3中的一个或多个组合；

信号突变检测函数F1为：

信号突变检测函数F1用于检测当前时刻的测量量与拟合函数外推值的差别程度；其中S＝1表示检测到突变；S＝0表示未检测到突变，abs()表示绝对值函数、Δy表示变化程度，Y₀为变化阈值，

表示t_n时刻的拟合函数外推值，y_(1)n表示实际测量量在t_n时刻的数值；

信号突变检测函数F2为：

信号突变检测函数F2用于检测测量量在一段时间内与拟合函数外推值的差别程度，通过当前时刻及当前时刻以前j-1个时刻即t_n，t_n-1,t_n-2...t_n-j+1时刻的测量量与外推值的差别值的加权累加获得；其中j表示测量量f(t_n)，f(t_n-1),f(t_n-2)...f(t_n-j+1)时间序列的个数，j≥1，p_i表示数值变化的历史序列数据的权重，

表示i时刻的测量量变化量，y_(2)i表示i时刻的测量量变化量；n表示当前时刻，n-1表示当前采样时刻的上一时刻，Δy表示变化程度，Y₀为变化阈值。

信号突变检测函数F3为：

信号突变检测函数F3用于检测测量量在一段时间内与拟合函数外推值的差别程度；取当前时刻及当前时刻以前j-1个时刻的测量量f(t_n)，f(t_n-1),f(t_n-2)...f(t_n-j+1)；a_1i、a_2i、a_3i、a_4i为比例系数，随i的不同，形成4行j列的比例系数矩阵；y_(3)i表示i时间段的变化率，y_(3)i+1表示i+1时间段的变化率，y_(3)i+2表示i+2时间段的变化率，y_(3)i+3表示i+3时间段的变化率。

6.根据权利要求4所述的输变电运检平台物联网边缘信息传输压缩系统，其特征在于，所述拟合模块包括三次样条插值计算模块，用于采用三次样条插值方法，获取已采样的测量点的拟合函数L(t)，其计算方法为：

其中t_n和t_n+1分别表示第n个采样时刻和第n+1个采样时刻，t为[t_n-1,t_n]间的某一需要进行插值的时间点，为了公式表示的简化，用h_n-1表示t_n-t_n-1，M_n和M_n-1为分段拟合曲线L(t)的在[t_n-1,t_n]上的待定参数，参数M_n和M_n-1通过下式求解得到：

其中，为了表示方便，将

和

用μ_n、λ_n和d_n表示，n∈[1，N]，N为最后时刻。

Images