CN112526291A - 一种基于物联网的配电网实时故障研判系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及配网运维技术领域，具体涉及一种基于物联网的配电网实时故障研判系统,包括线路节点监测器、用电信息采集器、公变监测器、集中器和服务器，线路节点监测器安装在配电网母线以及支线始端，用电信息采集器安装在用户进线处，公变监测器安装在配电网的变压器出线处，线路节点监测器、用电信息采集器以及公变监测器均具有无线通信模块，集中器与服务器通信连接，服务器运行有故障研判神经网络，故障研判神经网络的输出作为配电网实时故障研判结果。本发明的实质性效果是：实时监测配电网的运行状态，故障研判神经网络能够对配电网的故障进行研判，提高配电网的安全性。

Description

一种基于物联网的配电网实时故障研判系统
技术领域
本发明涉及配网运维技术领域，具体涉及一种基于物联网的配电网实时故障研判系统。
背景技术
目前配电网中装有各种数据采集终端，但这些数据采集终端所采集的数据以及采集目的各不相同。尤其是近年来配电网内采用了大量的智能设备。智能设备的大量使用，不仅提高了配电网运行的效率，同时也带来了新的故障风险源。虽然能够采集到大量的配电网运行数据，却不能构成对配电网的运行情况的全面监控，无法进行故障的识别和记录。不能为配电网的安全运行提供保障，出现故障后也难以回溯故障数据，导致目前配电网的安全性较低。因而需要研制一种能够掌握配电网工作状态的故障研判系统。
中国专利CN108594076B，公开日2020年8月25日，一种配电网停电故障研判方法，包括：筛选停电失压用户并获取所述停电失压用户的配电网拓扑；针对停电失压用户建立蚁群，根据配电网拓扑建立总体路径矩阵；对蚁群分布进行判断以确定蚁群搜索的子路径矩阵，以此作为子信息素矩阵；利用蚁群算法进行故障搜索，对蚁群中的所有蚂蚁进行路径搜索，并同步更新子信息素矩阵的元素数值；以所有蚂蚁均已判断为终止条件，子信息素矩阵中元素最大值即为停电故障点。其技术方案在不增加硬件投入成本的情况，提升了故障定位的速度和准确度。但其不能充分收集和应用配电网的检测数据，不能可靠全面掌握配电网的状态，安全性不够高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：目前缺少配电网运行实时监测及故障研判技术方案的问题。提出了一种基于物联网的配电网实时故障研判系统，本系统能够监测配电网的运行状态，并给出故障研判的结果。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种基于物联网的配电网实时故障研判系统，包括若干个线路节点监测器、若干个用电信息采集器、若干个公变监测器、若干个集中器和服务器，所述线路节点监测器安装在配电网母线以及支线始端，所述线路节点监测器监测母线以及支线的电流、电压以及温度信息，所述用电信息采集器安装在用户进线处，所述用电信息采集器采集用户的用电功率、进线处的电压以及进线处的温度，所述公变监测器安装在配电网的变压器出线处，所述公变监测器监测变压器次级线圈的电压、电流以及温度，所述线路节点监测器、用电信息采集器以及公变监测器均具有无线通信模块，若干个无线通信模块与一个集中器通信连接，若干个所述集中器均与服务器通信连接，所述服务器周期性通过集中器收集所述线路节点监测器、用电信息采集器以及公变监测器采集到的监测数据，所述服务器运行有故障研判神经网络，经人工标注配电网故障后的监测数据作为样本数据，所述故障研判神经网络由样本数据训练获得，所述服务器将周期性收集到的监测数据输入所述故障研判神经网络，故障研判神经网络的输出作为配电网实时故障研判结果。通过线路节点监测器、用电信息采集器以及公变监测器实时监测配电网的运行状态，故障研判神经网络能够根据监测数据对配电网出现或即将出现的故障进行研判，提高配电网的安全性。而且，当发生故障停电时，能够根据线路监测器、用电信息采集器以及公变监测器检测到的电压，判断故障停电范围，初步判断故障点，为后续快速处置故障恢复供电提供支持。
作为优选，若干个所述集中器之间建立通信连接，所述通信连接为单向通信环，单向通信环以传递令牌控制通信权限，无线通信模块以周期T1将监测数据发送给集中器，集中器以周期T2将收集到的监测数据发送到服务器，到达周期T2时，具有令牌的集中器向服务器发送数据，具有令牌的集中器发送完成后将令牌传送给单向通信环中的下一个集中器。通过令牌方式传递向服务器发送数据的权限，能够降低服务器带宽的需求，降低通信堵塞发生的概率。
作为优选，所述单向通信环为其中的每个集中器分配一个ID标识，若干个集中器在周期T1收到无线通信模块发送的监测数据后，将监测数据截断为两段，为两段监测数据关联ID标识以及时间戳后形成两个数据块，每个集中器均将其中的一个数据块发送给下一个集中器存储。通过交叉存储数据块，能够防止单个集中器的监测数据被窃取，保证配电网监测数据的保密性。
作为优选，所述单向通信环为其中的每个集中器分配一个ID标识和一个随机二进制大数，每个集中器i，i∈[1,n]，n为单向通信环中的集中器数量，均存储其余全部集中器的随机二进制大数，记为随机二进制大数集Ci，每个集中器i在周期T1收到无线通信模块发送的监测数据后，均将监测数据截断为两段，为两段监测数据关联ID标识以及时间戳后形成两个数据块，记为Di,1和Di,2；当前具有令牌的集中器i从随机二进制大数集Ci中随机抽取一个二进制大数Ci,j，j∈[1,n]，i≠j，将数据块Di,2与所抽取的二进制大数Ci,j进行异或运算，而后将异或运算后的数据块Di,2连同令牌一起发送给单向通信环中的下一个集中器i+1；下一个集中器i+1收到数据块后，将数据块Di,2和自身的随机二进制大数Ci+1,i+1进行异或运算，若异或运算后能够得到正确格式的ID标识和时间戳，则将该数据块存储在本地，并从随机二进制大数集Ci+1中随机选取一个二进制大数Ci+1,j，将自身的数据块Di+1,2和二进制大数Ci+1,j进行异或运算，而后将异或运算后的数据块Di+1,2连同令牌一起发送给下一个集中器Ci+2，若异或运算后不能得到正确格式的ID标识和时间戳，则直接将数据块Di,2连同令牌发送到下一个集中器Ci+2，直到集中器i收到其前一个集中器Ci-1发送来的数据块，集中器i将该数据块存储在本地；周期T2到达时，全部集中器将其存储的监测数据发送给服务器，而后删除其存储的监测数据。通过随机选择二进制大数的异或运算，实际是随机选择了数据块最终要发送给的集中器，每个集中器均无法获知哪个集中器会存储其数据块，当全部集中器的数据均上传到服务器后，服务器根据ID标识和时间戳即可快速复原每个集中器收集到的监测数据，因而本优选方案，进一步增强了监测数据的保密性和安全性。
作为优选，集中器i生成数据块Di,2后，将其关联自身的二进制大数Ci,i，若某个集中器k，k≠i，收到其前一个集中器Ck-1发送来的数据块，且在进行异或处理后得到正确格式的ID标识和时间戳，且此时已距离周期T2到达时刻的时长超过设定阈值，则直接将该数据块与二进制大数Ci,i异或运算后，传递给下一个集中器Ck+1。避免超时，影响下一个周期的监测数据的收集。
作为优选，所述线路监测器包括三个分别监测线路三相的单相监测器，所述单相监测器包括互感器、采样电阻、TVS管、第一电压计、第二电压计、温度传感器、存储器、串行通信模块和控制器，所述互感器与被监测线路耦合，所述采样电阻连接在互感器的两端，所述第一电压计检测被监测相线对地线电压，所述第二电压计检测采样电阻两端电压，所述TVS管与采样电阻并联，所述第一电压计、第二电压计、温度传感器、存储器以及串行通信模块均与控制器连接。TVS管能够防止浪涌电流对第二电压计造成损坏，第一电压计能够获得被监测相线的电压，第二电压计能够获得被监测相线内的电流。
作为优选，所述用电信息采集器包括智能电表和电子温度计，所述智能电表安装在用户进线处，所述电子温度计安装在智能电表内，所述智能电表采集用户的用电功率以及进线处的电压，所述电子温度计检测进线处的温度，所述电子温度计与智能电表连接。智能电表能够采集用户进线的电流和电压，电子温度计能够获得用户进线处的温度。
作为优选，所述公变监测器包括三个单相监测器，所述单相监测器包括采样电阻、第一电子电压计、第二电子电压计、通信单元和微处理器，所述采样电阻串联在变压器的出线端和配网线路之间，所述第一电子电压计与变压器的出线端连接，所述第二电子电压计检测采样电阻两端的分压，所述第一电子电压计、第二电子电压计以及通信单元均与微处理器连接。第一电子电压计能够检测单相的电压，第二电子电压计能够获得单相的电流，对变压器的运行状态进行监测，方便出现故障后对故障进行溯源。
本发明的实质性效果是：通过线路节点监测器、用电信息采集器以及公变监测器实时监测配电网的运行状态，故障研判神经网络能够根据监测数据对配电网出现或即将出现的故障进行研判，提高配电网的安全性，若出现短路电流，同样能够根据线路监测器、用电信息采集器以及公变监测器检测到的电流，能够判断接地电流的位置，为故障处置提供了基础，通过交叉存储数据块，能够防止单个集中器的监测数据被窃取，保证配电网监测数据的保密性。
附图说明
图1为实施例一智能监测系统结构示意图。
图2为实施例一单向通信环示意图。
其中：100、线路节点监测器，200、用电信息采集器，300、公变监测器，400、集中器，500、服务器。
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。
其中：100、线路节点监测器100，200、用电信息采集器200，300、公变监测器300，400、集中器400，500、服务器500。
实施例一：
一种基于物联网的配电网实时故障研判系统，如图1所示，包括若干个线路节点监测器100、若干个用电信息采集器200、若干个公变监测器300、若干个集中器400和服务器500，线路节点监测器100安装在配电网母线以及支线始端，线路节点监测器100监测母线以及支线的电流、电压以及温度信息，用电信息采集器200安装在用户进线处，用电信息采集器200采集用户的用电功率、进线处的电压以及进线处的温度，公变监测器300安装在配电网的变压器出线处，公变监测器300监测变压器次级线圈的电压、电流以及温度，线路节点监测器100、用电信息采集器200以及公变监测器300均具有无线通信模块，若干个无线通信模块与一个集中器400通信连接，若干个集中器400均与服务器500通信连接，服务器500周期性通过集中器400收集线路节点监测器100、用电信息采集器200以及公变监测器300采集到的监测数据，服务器500运行有故障研判神经网络，经人工标注配电网故障后的监测数据作为样本数据，故障研判神经网络由样本数据训练获得，服务器500将周期性收集到的监测数据输入故障研判神经网络，故障研判神经网络的输出作为配电网实时故障研判结果。
线路监测器包括三个分别监测线路三相的单相监测器，单相监测器包括互感器、采样电阻、TVS管、第一电压计、第二电压计、温度传感器、存储器、串行通信模块和控制器，互感器与被监测线路耦合，采样电阻连接在互感器的两端，第一电压计检测被监测相线对地线电压，第二电压计检测采样电阻两端电压，TVS管与采样电阻并联，第一电压计、第二电压计、温度传感器、存储器以及串行通信模块均与控制器连接。
用电信息采集器200包括智能电表和电子温度计，智能电表安装在用户进线处，电子温度计安装在智能电表内，智能电表采集用户的用电功率以及进线处的电压，电子温度计检测进线处的温度，电子温度计与智能电表连接。
公变监测器300包括三个单相监测器，单相监测器包括采样电阻、第一电子电压计、第二电子电压计、通信单元和微处理器，采样电阻串联在变压器的出线端和配网线路之间，第一电子电压计与变压器的出线端连接，第二电子电压计检测采样电阻两端的分压，第一电子电压计、第二电子电压计以及通信单元均与微处理器连接。
若干个集中器400之间建立通信连接，如图2所示，通信连接为单向通信环，单向通信环以传递令牌控制通信权限，无线通信模块以周期T1将监测数据发送给集中器400，集中器400以周期T2将收集到的监测数据发送到服务器500，到达周期T2时，具有令牌的集中器400向服务器500发送数据，具有令牌的集中器400发送完成后将令牌传送给单向通信环中的下一个集中器400。通过令牌方式传递向服务器500发送数据的权限，能够降低服务器500带宽的需求，降低通信堵塞发生的概率。
单向通信环为其中的每个集中器400分配一个ID标识，若干个集中器400在周期T1收到无线通信模块发送的监测数据后，将监测数据截断为两段，为两段监测数据关联ID标识以及时间戳后形成两个数据块，每个集中器400均将其中的一个数据块发送给下一个集中器400存储。通过交叉存储数据块，能够防止单个集中器400的监测数据被窃取，保证配电网监测数据的保密性。
单向通信环为其中的每个集中器400分配一个ID标识和一个随机二进制大数，每个集中器i，i∈[1,n]，n为单向通信环中的集中器400数量，均存储其余全部集中器400的随机二进制大数，记为随机二进制大数集Ci，每个集中器i在周期T1收到无线通信模块发送的监测数据后，均将监测数据截断为两段，为两段监测数据关联ID标识以及时间戳后形成两个数据块，记为Di,1和Di,2；当前具有令牌的集中器i从随机二进制大数集Ci中随机抽取一个二进制大数Ci,j，j∈[1,n]，i≠j，将数据块Di,2与所抽取的二进制大数Ci,j进行异或运算，而后将异或运算后的数据块Di,2连同令牌一起发送给单向通信环中的下一个集中器i+1；下一个集中器i+1收到数据块后，将数据块Di,2和自身的随机二进制大数Ci+1,i+1进行异或运算，若异或运算后能够得到正确格式的ID标识和时间戳，则将该数据块存储在本地，并从随机二进制大数集Ci+1中随机选取一个二进制大数Ci+1,j，将自身的数据块Di+1,2和二进制大数Ci+1,j进行异或运算，而后将异或运算后的数据块Di+1,2连同令牌一起发送给下一个集中器Ci+2，若异或运算后不能得到正确格式的ID标识和时间戳，则直接将数据块Di,2连同令牌发送到下一个集中器Ci+2，直到集中器i收到其前一个集中器Ci-1发送来的数据块，集中器i将该数据块存储在本地；周期T2到达时，全部集中器400将其存储的监测数据发送给服务器500，而后删除其存储的监测数据。通过随机选择二进制大数的异或运算，实际是随机选择了数据块最终要发送给的集中器400，每个集中器400均无法获知哪个集中器400会存储其数据块，当全部集中器400的数据均上传到服务器500后，服务器500根据ID标识和时间戳即可快速复原每个集中器400收集到的监测数据，进一步增强了监测数据的保密性和安全性。
集中器i生成数据块Di,2后，将其关联自身的二进制大数Ci,i，若某个集中器k，k≠i，收到其前一个集中器Ck-1发送来的数据块，且在进行异或处理后得到正确格式的ID标识和时间戳，且此时已距离周期T2到达时刻的时长超过设定阈值，则直接将该数据块与二进制大数Ci,i异或运算后，传递给下一个集中器Ck+1。避免超时，影响下一个周期的监测数据的收集。
本实施例的有益技术效果是：通过线路节点监测器100、用电信息采集器200以及公变监测器300实时监测配电网的运行状态，故障研判神经网络能够根据监测数据对配电网出现或即将出现的故障进行研判，提高配电网的安全性，若出现短路电流，同样能够根据线路监测器、用电信息采集器200以及公变监测器300检测到的电流，能够判断接地电流的位置，为故障处置提供了基础，通过交叉存储数据块，能够防止单个集中器400的监测数据被窃取，保证配电网监测数据的保密性。
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 (8)

1.一种基于物联网的配电网实时故障研判系统，其特征在于，
包括若干个线路节点监测器、若干个用电信息采集器、若干个公变监测器、若干个集中器和服务器，所述线路节点监测器安装在配电网母线以及支线始端，所述线路节点监测器监测母线以及支线的电流、电压以及温度信息，所述用电信息采集器安装在用户进线处，所述用电信息采集器采集用户的用电功率、进线处的电压以及进线处的温度，所述公变监测器安装在配电网的变压器出线处，所述公变监测器监测变压器次级线圈的电压、电流以及温度，所述线路节点监测器、用电信息采集器以及公变监测器均具有无线通信模块，若干个无线通信模块与一个集中器通信连接，若干个所述集中器均与服务器通信连接，所述服务器周期性通过集中器收集所述线路节点监测器、用电信息采集器以及公变监测器采集到的监测数据，所述服务器运行有故障研判神经网络，经人工标注配电网故障后的监测数据作为样本数据，所述故障研判神经网络由样本数据训练获得，所述服务器将周期性收集到的监测数据输入所述故障研判神经网络，故障研判神经网络的输出作为配电网实时故障研判结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的配电网实时故障研判系统，其特征在于，
若干个所述集中器之间建立通信连接，所述通信连接为单向通信环，单向通信环以传递令牌控制通信权限，无线通信模块以周期T1将监测数据发送给集中器，集中器以周期T2将收集到的监测数据发送到服务器，到达周期T2时，具有令牌的集中器向服务器发送数据，具有令牌的集中器发送完成后将令牌传送给单向通信环中的下一个集中器。
3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的配电网实时故障研判系统，其特征在于，
所述单向通信环为其中的每个集中器分配一个ID标识，若干个集中器在周期T1收到无线通信模块发送的监测数据后，将监测数据截断为两段，为两段监测数据关联ID标识以及时间戳后形成两个数据块，每个集中器均将其中的一个数据块发送给下一个集中器存储。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于物联网的配电网实时故障研判系统，其特征在于，
所述单向通信环为其中的每个集中器分配一个ID标识和一个随机二进制大数，每个集中器i，i∈[1,n]，n为单向通信环中的集中器数量，均存储其余全部集中器的随机二进制大数，记为随机二进制大数集Ci，每个集中器i在周期T1收到无线通信模块发送的监测数据后，均将监测数据截断为两段，为两段监测数据关联ID标识以及时间戳后形成两个数据块，记为Di,1和Di,2；当前具有令牌的集中器i从随机二进制大数集Ci中随机抽取一个二进制大数Ci,j，j∈[1,n]，i≠j，将数据块Di,2与所抽取的二进制大数Ci,j进行异或运算，而后将异或运算后的数据块Di,2连同令牌一起发送给单向通信环中的下一个集中器i+1；下一个集中器i+1收到数据块后，将数据块Di,2和自身的随机二进制大数Ci+1,i+1进行异或运算，若异或运算后能够得到正确格式的ID标识和时间戳，则将该数据块存储在本地，并从随机二进制大数集Ci+1中随机选取一个二进制大数Ci+1,j，将自身的数据块Di+1,2和二进制大数Ci+1,j进行异或运算，而后将异或运算后的数据块Di+1,2连同令牌一起发送给下一个集中器Ci+2，若异或运算后不能得到正确格式的ID标识和时间戳，则直接将数据块Di,2连同令牌发送到下一个集中器Ci+2，直到集中器i收到其前一个集中器Ci-1发送来的数据块，集中器i将该数据块存储在本地；周期T2到达时，全部集中器将其存储的监测数据发送给服务器，而后删除其存储的监测数据。
5.根据权利要求4所述的一种基于物联网的配电网实时故障研判系统，其特征在于，
集中器i生成数据块Di,2后，将其关联自身的二进制大数Ci,i，若某个集中器k，k≠i，收到其前一个集中器Ck-1发送来的数据块，且在进行异或处理后得到正确格式的ID标识和时间戳，且此时已距离周期T2到达时刻的时长超过设定阈值，则直接将该数据块与二进制大数Ci,i异或运算后，传递给下一个集中器Ck+1。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于物联网的配电网实时故障研判系统，其特征在于，
所述线路监测器包括三个分别监测线路三相的单相监测器，所述单相监测器包括互感器、采样电阻、TVS管、第一电压计、第二电压计、温度传感器、存储器、串行通信模块和控制器，所述互感器与被监测线路耦合，所述采样电阻连接在互感器的两端，所述第一电压计检测被监测相线对地线电压，所述第二电压计检测采样电阻两端电压，所述TVS管与采样电阻并联，所述第一电压计、第二电压计、温度传感器、存储器以及串行通信模块均与控制器连接。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于物联网的配电网实时故障研判系统，其特征在于，
所述用电信息采集器包括智能电表和电子温度计，所述智能电表安装在用户进线处，所述电子温度计安装在智能电表内，所述智能电表采集用户的用电功率以及进线处的电压，所述电子温度计检测进线处的温度，所述电子温度计与智能电表连接。
8.根据权利要求1或2所述的一种基于物联网的配电网实时故障研判系统，其特征在于，
所述公变监测器包括三个单相监测器，所述单相监测器包括采样电阻、第一电子电压计、第二电子电压计、通信单元和微处理器，所述采样电阻串联在变压器的出线端和配网线路之间，所述第一电子电压计与变压器的出线端连接，所述第二电子电压计检测采样电阻两端的分压，所述第一电子电压计、第二电子电压计以及通信单元均与微处理器连接。
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