CN112396292A - 一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变电站设备运维技术领域，具体涉及一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统，包括若干个设置在变电站设备的监测传感器、若干个收集器和服务器，监测传感器监测变电站设备的状态，若干个变电站设备的监测传感器与收集器连接，若干个收集器均与服务器连接，收集器的控制器运行有异常值诊断模块，服务器运行有故障率分析模块和风险触发预案模块。本发明的实质性效果是：通过监测传感器监测变电站状态，收集器能够快速收集监测传感器采集到的状态数据，服务器进行异常值诊断能够获得变电站设备的异常概率，为风险触发预案提供数据支撑；通过预案能够在变电站设备的故障率超过设定阈值时，主动进行预案处理，提高电网的安全性。

Description

一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统

技术领域

本发明涉及变电站设备运维技术领域，具体涉及一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统。

背景技术

随着电网规模日趋庞大，电网的运维、检修、方式调整等业务量愈发变大。传统的运维设备故障诊断模式，运维人员研判水平主要由现场经验和技能水平决定，对于设备决策能力有限，特别是对于主变等重要设备的故障，需要采取更多的综合信息研判加上技术专家的专业分析才能判断，但专家团队无法及时赶到现场，缺陷诊断时效性差，应变能力有限，现场决策能力无有效支撑。因第一手数据掌握在不同的运维和检修、专业技术人员手中，需统一汇总后综合判断才能安排下一步工作，导致整体效率不高。

如中国专利CN107196413A，公开日2017年9月22日，一种智能变电站运维管控后台展示装置面板信号灯的方法，包括以下步骤：S1:选择运维后台设备类型模板,实例化设备类型,S2:配置SCD中设备的信号灯的遥信信号；S3:配置实例化设备类型的信号灯颜色；S4:配置硬接点遥信信息；其技术方案能够提高运维工作人员的巡视工作效率，在监控后台，即可完全监视装置面板信号灯的实时状态。但其不能解决变电站设备风险管控的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前缺乏变电站设备风险管控技术方案的技术问题。提出了一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统，本系统能够监控变电站设备的状态，对变电站设备进行风险管控，提高变电站运行的安全性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统，包括若干个设置在变电站设备的监测传感器、若干个收集器和服务器，所述监测传感器监测变电站设备的状态，若干个变电站设备的监测传感器与收集器连接，若干个所述收集器均与服务器连接，所述收集器包括第一通讯模块、第二通讯模块、存储器和控制器，每个收集器均与若干个所述监测传感器连接，所述监测传感器通过第一通讯模块与控制器连接，所述第二通讯模块均与服务器连接，所述存储器与控制器连接，所述收集器记录与其连接的监测传感器标识信息和阈值信息，所述收集器的控制器运行有异常值诊断模块，所述异常值诊断模块根据监测传感器的阈值信息进行异常值判断，所述服务器运行有故障率分析模块和风险触发预案模块，所述故障率分析模块周期性读取监测传感器采集的状态数据，获得变电站设备的风险预测结果，所述风险触发预案记录在变电站设备故障率的预测结果超过预设阈值时的操作预案。通过监测传感器监测变电站状态，收集器能够快速收集监测传感器采集到的状态数据，服务器进行异常值诊断能够获得变电站设备的异常概率，为风险触发预案提供数据支撑。

作为优选，若干个收集器的第二通讯模块G_{i，i∈[1,N]}之间建立通信环，N为收集器的数量，所述监测传感器包括监测通讯模块，三个监测传感器的监测通讯模块R_{ij,j∈[1，3]}构成通信链，监测通讯模块R_i1与第二通讯模块G_i连接；监测传感器以周期t采集对应变电站设备的状态，监测通讯模块R_{ij，j∈[1，3]}以周期T将采集到的变电站设备的状态数据打包成数据块D_ij，T为t的m倍，每个数据块包含m个变电站设备的状态数据；周期T结束后监测通讯模块R_i3生成m位二进制数B_im，关联时间戳和监测通讯模块R_i3的标识号后上传到服务器；监测通讯模块R_i3将数据块D_i3以及二进制数B_im发送给监测通讯模块R_i2，监测通讯模块R_i2将数据块D_i3和数据块D_i2发送给监测通讯模块R_i1，监测通讯模块R_i1将数据块D_{ij，j∈[1，3]}发送给第二通讯模块G_i，第二通讯模块G_i收到数据块D_{ij，j∈[1，3]}以及二进制数B_im后，将数据块D_{ij，j∈[1，3]}拼接后分割为2部分D_i，1和D_i，2，第二通讯模块G_i对应的控制器根据二进制数B_im的首位，决定是否将数据块D_i，2发送给通信环中的下一个第二通讯模块G_i+1，若二进制数B_im的首位为1，则将数据块D_i,2发送给通信环中的下一个第二通讯模块G_i+1，若第二通讯模块G_i+1对应的二进制数B_(i+1)m的首位为1，则第二通讯模块G_i+1接收数据块D_i,2，并将自身的数据块D_i+1,2发送给通信环的下一个第二通讯模块G_i+2，反之，则直接将数据块D_i,2发送给通信环中的下一个第二通讯模块G_i+2，若干个周期T结束后，全部第二通讯模块G_i,i∈[1,N]将数据块D_{i，i∈[1，N]}上传到服务器，并丢弃二进制数B_im。通过二进制数B_im控制数据块的交叉交换，能够使得每个单独的收集器以及监测传感装置均无法恢复自身所采集到的状态数据，只能由服务器才能还原监测数据，能够有效防止变电站监控数据的泄漏，保证了变电站监控数据的保密性。

作为优选，监测通讯模块R_i3将数据块D_i3以及二进制数B_im发送给监测通讯模块R_i2时，监测通讯模块R_i2将数据块D_i3和数据块D_i2内包含的变电站设备的状态数据按二进制数B_im的位值进行对调，若二进制数B_im的第k位为1则将数据块D_i3和数据块D_i2的第k个周期t采集的变电站设备的状态数据进行对调，对调后的数据块D_i3和数据块D_i2拼接为数据块D_i3-2，监测通讯模块R_i2将数据块D_i3-2以及二进制数B_im发送给监测通讯模块R_i1。

作为优选，监测通讯模块R_i1收到监测通讯模块R_i2发送的数据块D_i3-2以及二进制数B_im后，将数据块D_i3-2的前一半数据与数据块D_i1按二进制数B_im的位值进行对调,若二进制数B_im的第k位为1则将数据块D_i1和数据块D_i3-2的第k个周期t采集的变电站设备的状态数据进行对调，对调后的数据块D_i1和数据块D_i3-2拼接为数据块D_i。

作为优选，第二通讯模块G_{i，i∈[1，N]}之间建立通信环时，第二通讯模块G_i仅记录所在通信环的第二通讯模块G_i-1以及第二通讯模块G_i+1的通信地址，通信环以令牌方式进行数据发送权的分配。

作为优选，服务器在通信环内插入虚拟节点，所述虚拟节点记录其第二通讯模块G_i-1以及第二通讯模块G_i+1的通信地址，虚拟节点收到数据时，检查数据格式是否符合预设的格式，若不符合预设的格式则丢弃，若符合预设的格式，则将数据以本虚拟节点的名义发送，若虚拟节点收到的是第二通讯模块G_i-1发送的数据，则将数据发送到第二通讯模块G_i+1，若虚拟节点收到的是第二通讯模块G_i+1发送的数据，则将数据发送到第二通讯模块G_i-1。通过虚拟节点能够提高通信环的安全性。

作为优选，每个通信环内插入至少两个虚拟节点，所述虚拟节点为具有通信和数据检查功能的实体节点或运行在服务器内的虚拟机。

作为优选，所述异常值诊断模块记录每个变电站设备的每个状态值的阈值，若监测传感器实时采集值超过所述阈值，则异常值诊断模块向服务器发出报警。

作为优选，所述故障率分析模块针对每个变电站设备均建立有分类模型，建立分类模型时人工标注l个样本作为训练集{(x⁽¹⁾,y⁽¹⁾),(x⁽²⁾，y⁽²⁾)，…，(x^(l)，y^(l))}，y⁽ⁱ⁾∈{1,2,…，h}，h为相应的变电站设备的故障类型数量；令代价函数：

其中，

为分类模型的参数，

为权重衰减项，λ＞0，获得使得代价函数J(θ)最小的分类模型参数，即完成相应的变电站设备的分类模型的建立。通过分类模型能够预测变电站设备的故障概率。

作为优选，所述风险触发预案模块为每个变电站设备建立有若干个预案，所述预案包括触发条件、执行内容和解除条件，所述触发条件为触发预案时，对应的变电站设备的状态需满足的阈值，所述执行内容为使得触发阈值的变电站设备状态恢复至阈值范围内所采取的措施，所述解除条件为解除预案时对应的变电站设备的状态需满足的阈值。通过预案能够在变电站设备的故障率超过设定阈值时，主动进行预案处理，提高电网的安全性。所述触发条件为触发预案时，变电站设备的状态的阈值。

本发明的实质性效果是：通过监测传感器监测变电站状态，收集器能够快速收集监测传感器采集到的状态数据，服务器进行异常值诊断能够获得变电站设备的异常概率，为风险触发预案提供数据支撑；分类模型能够预测变电站设备的故障概率；通过预案能够在变电站设备的故障率超过设定阈值时，主动进行预案处理，提高电网的安全性。

附图说明

图1为实施例一变电站设备风险管控系统结构示意图。

图2为实施例一建立分类模型流程示意图。

其中：100、服务器，200、收集器，300、监测传感器。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例：

一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统，如图1所示，包括若干个设置在变电站设备的监测传感器300、若干个收集器200和服务器100，监测传感器300监测变电站设备的状态，若干个变电站设备的监测传感器300与收集器200连接，若干个收集器200均与服务器100连接，收集器200包括第一通讯模块、第二通讯模块、存储器和控制器，每个收集器200均与若干个监测传感器300连接，监测传感器300通过第一通讯模块与控制器连接，第二通讯模块均与服务器100连接，存储器与控制器连接，收集器200记录与其连接的监测传感器300标识信息和阈值信息，收集器200的控制器运行有异常值诊断模块，异常值诊断模块根据监测传感器300的阈值信息进行异常值判断，服务器100运行有故障率分析模块和风险触发预案模块，故障率分析模块周期性读取监测传感器300采集的状态数据，获得变电站设备的风险预测结果，风险触发预案记录在变电站设备故障率的预测结果超过预设阈值时的操作预案。

若干个收集器200的第二通讯模块G_{i，i∈[1,N]}之间建立通信环，N为收集器200的数量，监测传感器300包括监测通讯模块，三个监测传感器300的监测通讯模块R_{ij，j∈[1，3]}构成通信链，监测通讯模块R_i1与第二通讯模块G_i连接；监测传感器300以周期t采集对应变电站设备的状态，监测通讯模块R_{ij，j∈[1，3]}以周期T将采集到的变电站设备的状态数据打包成数据块D_ij，T为t的m倍，每个数据块包含m个变电站设备的状态数据；周期T结束后监测通讯模块R_i3生成m位二进制数B_im，关联时间戳和监测通讯模块R_i3的标识号后上传到服务器100；监测通讯模块R_i3将数据块D_i3以及二进制数B_im发送给监测通讯模块R_i2，监测通讯模块R_i2将数据块D_i3和数据块D_i2发送给监测通讯模块R_i1，监测通讯模块R_i1将数据块D_{ij，j∈[1,3]}发送给第二通讯模块G_i，第二通讯模块G_i收到数据块D_ij,j∈[1,3]以及二进制数B_im后，将数据块D_ij,j∈[1,3]拼接后分割为2部分D_i,1和D_i,2，第二通讯模块G_i对应的控制器根据二进制数B_im的首位，决定是否将数据块D_i,2发送给通信环中的下一个第二通讯模块G_i+1，若二进制数B_im的首位为1，则将数据块D_i,2发送给通信环中的下一个第二通讯模块G_i+1，若第二通讯模块G_i+1对应的二进制数B_(i+1)m的首位为1，则第二通讯模块G_i+1接收数据块D_i,2，并将自身的数据块D_i+1,2发送给通信环的下一个第二通讯模块G_i+2，反之，则直接将数据块D_i,2发送给通信环中的下一个第二通讯模块G_i+2，若干个周期T结束后，全部第二通讯模块G_i,i∈[1,N]将数据块D_i,i∈[1,N]上传到服务器100，并丢弃二进制数B_im。通过二进制数B_im控制数据块的交叉交换，能够使得每个单独的收集器200以及监测传感装置均无法恢复自身所采集到的状态数据，只能由服务器100才能还原监测数据，能够有效防止变电站监控数据的泄漏，保证了变电站监控数据的保密性。

监测通讯模块R_i3将数据块D_i3以及二进制数B_im发送给监测通讯模块R_i2时，监测通讯模块R_i2将数据块D_i3和数据块D_i2内包含的变电站设备的状态数据按二进制数B_im的位值进行对调，若二进制数B_im的第k位为1则将数据块D_i3和数据块D_i2的第k个周期t采集的变电站设备的状态数据进行对调，对调后的数据块D_i3和数据块D_i2拼接为数据块D_i3-2，监测通讯模块R_i2将数据块D_i3-2以及二进制数B_im发送给监测通讯模块R_i1。

监测通讯模块R_i1收到监测通讯模块R_i2发送的数据块D_i3-2以及二进制数B_im后，将数据块D_i3-2的前一半数据与数据块D_i1按二进制数B_im的位值进行对调,若二进制数B_im的第k位为1则将数据块D_i1和数据块D_i3-2的第k个周期t采集的变电站设备的状态数据进行对调，对调后的数据块D_i1和数据块D_i3-2拼接为数据块D_i。第二通讯模块G_i,i∈[1,N]之间建立通信环时，第二通讯模块G_i仅记录所在通信环的第二通讯模块G_i-1以及第二通讯模块G_i+1的通信地址，通信环以令牌方式进行数据发送权的分配。

服务器100在通信环内插入虚拟节点，虚拟节点记录其第二通讯模块G_i-1以及第二通讯模块G_i+1的通信地址，虚拟节点收到数据时，检查数据格式是否符合预设的格式，若不符合预设的格式则丢弃，若符合预设的格式，则将数据以本虚拟节点的名义发送，若虚拟节点收到的是第二通讯模块G_i-1发送的数据，则将数据发送到第二通讯模块G_i+1，若虚拟节点收到的是第二通讯模块G_i+1发送的数据，则将数据发送到第二通讯模块G_i-1。通过虚拟节点能够提高通信环的安全性。每个通信环内插入至少两个虚拟节点，虚拟节点为具有通信和数据检查功能的实体节点或运行在服务器100内的虚拟机。

如图2所示，故障率分析模块针对每个变电站设备均建立有分类模型，建立分类模型时人工标注l个样本作为训练集{(x⁽¹⁾,y⁽¹⁾),(x⁽²⁾,y⁽²⁾),…,(x^(l),y^(l))}，y⁽ⁱ⁾∈{1,2,…,h}，h为相应的变电站设备的故障类型数量；令代价函数：

其中，

为分类模型的参数，

为权重衰减项，λ＞0，获得使得代价函数J(θ)最小的分类模型参数，即完成相应的变电站设备的分类模型的建立。通过分类模型能够预测变电站设备的故障概率。

风险触发预案模块为每个变电站设备建立有若干个预案，预案包括触发条件、执行内容和解除条件，触发条件为触发预案时，对应的变电站设备的状态需满足的阈值，执行内容为使得触发阈值的变电站设备状态恢复至阈值范围内所采取的措施，解除条件为解除预案时对应的变电站设备的状态需满足的阈值。触发条件为触发预案时，变电站设备的状态的阈值。

本实施例的有益技术效果是：通过监测传感器300监测变电站状态，收集器200能够快速收集监测传感器300采集到的状态数据，服务器100进行异常值诊断能够获得变电站设备的异常概率，为风险触发预案提供数据支撑；分类模型能够预测变电站设备的故障概率；通过预案能够在变电站设备的故障率超过设定阈值时，主动进行预案处理，提高电网的安全性。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统，其特征在于，

包括若干个设置在变电站设备的监测传感器、若干个收集器和服务器，所述监测传感器监测变电站设备的状态，若干个变电站设备的监测传感器与收集器连接，若干个所述收集器均与服务器连接，所述收集器包括第一通讯模块、第二通讯模块、存储器和控制器，每个收集器均与若干个所述监测传感器连接，所述监测传感器通过第一通讯模块与控制器连接，所述第二通讯模块均与服务器连接，所述存储器与控制器连接，所述收集器记录与其连接的监测传感器标识信息和阈值信息，所述收集器的控制器运行有异常值诊断模块，所述异常值诊断模块根据监测传感器的阈值信息进行异常值判断，所述服务器运行有故障率分析模块和风险触发预案模块，所述故障率分析模块周期性读取监测传感器采集的状态数据，获得变电站设备的风险预测结果，所述风险触发预案记录在变电站设备故障率的预测结果超过预设阈值时的操作预案。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统，其特征在于，

若干个收集器的第二通讯模块G_i,i∈[1,N]之间建立通信环，N为收集器的数量，所述监测传感器包括监测通讯模块，三个监测传感器的监测通讯模块R_{ij，j∈[1，3]}构成通信链，监测通讯模块R_i1与第二通讯模块G_i连接；

监测传感器以周期t采集对应变电站设备的状态，监测通讯模块R_{ij，j∈[1,3]}以周期T将采集到的变电站设备的状态数据打包成数据块D_ij，T为t的m倍，每个数据块包含m个变电站设备的状态数据；

周期T结束后监测通讯模块R_i3生成m位二进制数B_im，关联时间戳和监测通讯模块R_i3的标识号后上传到服务器；

监测通讯模块R_i3将数据块D_i3以及二进制数B_im发送给监测通讯模块R_i2，监测通讯模块R_i2将数据块D_i3和数据块D_i2发送给监测通讯模块R_i1，监测通讯模块R_i1将数据块D_{ij，j∈[1，3]}发送给第二通讯模块G_i，第二通讯模块G_i收到数据块D_{ij，j∈[1，3]}以及二进制数B_im后，将数据块D_{ij，j∈[1,3]}拼接后分割为2部分D_i,1和D_i,2，第二通讯模块G_i对应的控制器根据二进制数B_im的首位，决定是否将数据块D_i,2发送给通信环中的下一个第二通讯模块G_i+1，若二进制数B_im的首位为1，则将数据块D_i，2发送给通信环中的下一个第二通讯模块G_i+1，若第二通讯模块G_i+1对应的二进制数B_(i+1)m的首位为1，则第二通讯模块G_i+1接收数据块D_i，2，并将自身的数据块D_i+1，2发送给通信环的下一个第二通讯模块G_i+2，反之，则直接将数据块D_i，2发送给通信环中的下一个第二通讯模块G_i+2，若干个周期T结束后，全部第二通讯模块G_{i，i∈[1，N]}将数据块D_{i，i∈[1，N]}上传到服务器，并丢弃二进制数B_im。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统，其特征在于，

监测通讯模块R_i3将数据块D_i3以及二进制数B_im发送给监测通讯模块R_i2时，监测通讯模块R_i2将数据块D_i3和数据块D_i2内包含的变电站设备的状态数据按二进制数B_im的位值进行对调，若二进制数B_im的第k位为1则将数据块D_i3和数据块D_i2的第k个周期t采集的变电站设备的状态数据进行对调，对调后的数据块D_i3和数据块D_i2拼接为数据块D_i3-2，监测通讯模块R_i2将数据块D_i3-2以及二进制数B_im发送给监测通讯模块R_i1。

4.根据权利要求3所述的一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统，其特征在于，

监测通讯模块R_i1收到监测通讯模块R_i2发送的数据块D_i3-2以及二进制数B_im后，将数据块D_i3-2的前一半数据与数据块D_i1按二进制数B_im的位值进行对调,若二进制数B_im的第k位为1则将数据块D_i1和数据块D_i3-2的第k个周期t采集的变电站设备的状态数据进行对调，对调后的数据块D_i1和数据块D_i3-2拼接为数据块D_i。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统，其特征在于，

第二通讯模块G_{i，i∈[1，N]}之间建立通信环时，第二通讯模块G_i仅记录所在通信环的第二通讯模块G_i-1以及第二通讯模块G_i+1的通信地址，通信环以令牌方式进行数据发送权的分配。

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统，其特征在于，

服务器在通信环内插入虚拟节点，所述虚拟节点记录其第二通讯模块G_i-1以及第二通讯模块G_i+1的通信地址，虚拟节点收到数据时，检查数据格式是否符合预设的格式，若不符合预设的格式则丢弃，若符合预设的格式，则将数据以本虚拟节点的名义发送，若虚拟节点收到的是第二通讯模块G_i-1发送的数据，则将数据发送到第二通讯模块G_i+1，若虚拟节点收到的是第二通讯模块G_i+1发送的数据，则将数据发送到第二通讯模块G_i-1。

7.根据权利要求1所述的一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统，其特征在于，

每个通信环内插入至少两个虚拟节点，所述虚拟节点为具有通信和数据检查功能的实体节点或运行在服务器内的虚拟机。

8.根据权利要求1所述的一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统，其特征在于，

所述异常值诊断模块记录每个变电站设备的每个状态值的阈值，若监测传感器实时采集值超过所述阈值，则异常值诊断模块向服务器发出报警。

9.根据权利要求1所述的一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统，其特征在于，

所述故障率分析模块针对每个变电站设备均建立有分类模型，建立分类模型时人工标注l个样本作为训练集{(x⁽¹⁾，y⁽¹⁾)，(x⁽²⁾，y⁽²⁾)，…，(x^(l)，y^(l))}，y⁽ⁱ⁾∈{1，2，…,h}，h为相应的变电站设备的故障类型数量；

令代价函数

其中，

为分类模型的参数，

为权重衰减项，λ＞0，获得使得代价函数J(θ)最小的分类模型参数，即完成相应的变电站设备的分类模型的建立。

10.根据权利要求1所述的一种基于物联网及边缘计算的变电站设备风险管控系统，其特征在于，

所述风险触发预案模块为每个变电站设备建立有若干个预案，所述预案包括触发条件、执行内容和解除条件，所述触发条件为触发预案时，对应的变电站设备的状态需满足的阈值，所述执行内容为使得触发阈值的变电站设备状态恢复至阈值范围内所采取的措施，所述解除条件为解除预案时对应的变电站设备的状态需满足的阈值。

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