CN113645584A - 一种基于物联网的变压器状态获取系统 - Google Patents

一种基于物联网的变压器状态获取系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于物联网的变压器状态获取系统，包括数据获取模块、数据传输模块、数据处理模块和预警提示模块；数据获取模块用于通过无线传感器节点获取变压器的状态数据，并将状态数据传输至数据传输模块；数据传输模块用于将状态数据传输至数据处理模块；数据处理模块用于基于状态数据判断变压器是否处于异常状态；预警提示模块用于在变压器处于异常状态时，根据预设的提示方式发出预警提示。本发明采用无线传感器节点进行状态数据的获取，避免了设置相关的供电线路以及通信线路，能够有效地降低对本系统进行运维的难度。

Description

一种基于物联网的变压器状态获取系统
技术领域
本发明涉及状态监测领域，尤其涉及一种基于物联网的变压器状态获取系统。
背景技术
对变压器状态的监测有利于保障变电站的安全运行。传统的对变压器进行监测的方式一般是人工定期进行监测，但是这种监测方式并不能实时了解变压器的运行状态，不利于在及时发现变压器的异常状态。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种基于物联网的变压器状态获取系统，包括数据获取模块、数据传输模块、数据处理模块和预警提示模块；
所述数据获取模块用于通过无线传感器节点获取变压器的状态数据，并将所述状态数据传输至所述数据传输模块；
所述数据传输模块用于将所述状态数据传输至所述数据处理模块；
所述数据处理模块用于基于所述状态数据判断变压器是否处于异常状态；
所述预警提示模块用于在变压器处于异常状态时，根据预设的提示方式发出预警提示。
作为优选，所述数据获取模块包括无线传感器节点和转发基站；
所述无线传感器节点用于获取变压器的状态数据，并将所述状态数据传输至所述转发基站；
所述转发基站用于判断所述状态数据是否为错误数据，若是，则将所述状态数据丢弃，若否，则将所述状态数据传输至所述转发基站。
作为优选，所述转发基站还用于采用预设的时间间隔将所述无线传感器节点划分为监测节点和收集节点；
所述监测节点用于获取变压器的状态数据，并将所述状态数据传输至所述收集节点；
所述收集节点用于将所述状态数据传输至所述转发基站。
作为优选，所述数据传输模块包括无线蜂窝网络通信基站；
所述无线蜂窝网络通信基站用于接收转发基站发送过来状态数据，以及用于通过无线蜂窝通信网络将所述状态数据传输至所述数据处理模块。
作为优选，所述基于所述状态数据判断变压器是否处于异常状态，包括：
获取所述状态数据的数据类型；
基于所述数据类型获取所述状态数据的正常值区间；
判断所述状态数据的数值是否处于所述正常值区间内，若是，则表示变压器没有处于异常状态，若否，则表示变压器处于异常状态。
作为优选，所述根据预设的提示方式发出预警提示，包括：
采用弹窗预警或声光报警器预警的方式发出预警提示。
本发明采用物联网技术获取变压器的状态数据，实现了对变压器状态的实时监测。有利于及时发现变压器的异常情况，有利于保证变电站的安全运行。同时采用无线传感器节点进行状态数据的获取，避免了设置相关的供电线路以及通信线路，能够有效地降低对本系统进行运维的难度。
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，为本发明一种基于物联网的变压器状态获取系统的一种示例性实施例图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示的一种实施例，本发明提供了一种基于物联网的变压器状态获取系统，包括数据获取模块、数据传输模块、数据处理模块和预警提示模块；
所述数据获取模块用于通过无线传感器节点获取变压器的状态数据，并将所述状态数据传输至所述数据传输模块；
所述数据传输模块用于将所述状态数据传输至所述数据处理模块；
所述数据处理模块用于基于所述状态数据判断变压器是否处于异常状态；
所述预警提示模块用于在变压器处于异常状态时，根据预设的提示方式发出预警提示。
本发明采用物联网技术获取变压器的状态数据，实现了对变压器状态的实时监测。有利于及时发现变压器的异常情况，有利于保证变电站的安全运行。同时采用无线传感器节点进行状态数据的获取，避免了设置相关的供电线路以及通信线路，能够有效地降低对本系统进行运维的难度。
作为优选，所述数据获取模块包括无线传感器节点和转发基站；
所述无线传感器节点用于获取变压器的状态数据，并将所述状态数据传输至所述转发基站；
所述转发基站用于判断所述状态数据是否为错误数据，若是，则将所述状态数据丢弃，若否，则将所述状态数据传输至所述转发基站。
变电站中存在多个变压器，无线传感器节点散布在变电站中，实时获取变压器的状态数据。
状态数据可以包括电压数据、电流数据、油温数据、振动数据等。
作为优选，通过如下方式判断状态数据是否为错误数据：
判断状态数据是否处于预设的最大值区间[datamin,datamax]的范围内，若否，则表示状态数据为错误数据。datamin和datamax分别表示最大值区间的下限和上限。
最大值区间包含了正常值区间，正常值区间为状态数据的正常时的区间，而最大值区间则是极限状态下的区间，例如，变压器中的油温数据不可能无限大，受到了变压器油自身性质的限制。
作为优选，所述转发基站还用于采用预设的时间间隔将所述无线传感器节点划分为监测节点和收集节点；
所述监测节点用于获取变压器的状态数据，并将所述状态数据传输至所述收集节点；
所述收集节点用于将所述状态数据传输至所述转发基站。
具体的，收集节点处理负责数据的中转传输之外，自身还需要对其所处位置的变压力进行状态数据的获取，并将获得的状态数据传输至转发基站。
在一种实施例中，采用预设的时间间隔将所述无线传感器节点划分为监测节点和收集节点，包括：
转发基站向无线传感器节点广播划分通知；
无线传感器节点在接收到划分通知后，将自身的状态参数传输至所述转发基站；
转发基站基于所述状态参数进行如下计算，获得监测节点和数据传输节点：
第一批收集节点通过如下方式获取：
获取通信半径覆盖转发基站的无线传感器节点的集合S；
分别计算集合S中的每个无线传感器节点的通信能力参数；
获取转发基站的最大单位时间数据吞吐量M；
通过如下方式计算集合S中的收集节点的总数：
Figure BDA0003205117180000041
其中，sum1表示集合S中的收集节点的总数，mave表示无线传感器节点的单位时间数据吞吐量的标准值，R表示冗余系数，R∈[1.1,1.2]；
将集合S中的无线通信节点的通信能力指数从大到小进行排序，将排名前n1个无线传感器节点作为第一批收集节点，存入第一批收集节点集合C1中，
第n批收集节点通过如下方式获取，n大于等于2：
若第n-1批收集节点集合Cn-1不为空集，则将第n-1批收集节点集合Cn-1中的第i个收集节点记为cndn-1,i；i∈[1,nofCn-1],nofCn-1表示Cn-1中包含的元素的总数；
获取通信半径覆盖cndn-1,i且与转发基站之间的距离大于cndn-1,i与转发基站之间的距离的无线传感器节点的集合Sn-1,i；
分别计算集合Sn-1,i中的每个无线传感器节点的通信能力参数；
通过如下方式计算集合Sn-1,i中的收集节点的总数：
Figure BDA0003205117180000042
其中，sumn-1,i表示集合Sn-1,i中的收集节点的总数，numst表示收集节点数量基准值，Q表示预设的参照系数；
将集合Sn-1,i中的无线通信节点的通信能力指数从大到小进行排序，将排名前sumn-1,i个无线传感器节点作为第n批收集节点，存入第n批收集节点集合Cn中；
若第n-1批收集节点集合Cn-1为空集，则结束计算；
将除了收集节点之外的无线传感器节点作为监测节点。
在上述实施例中，对收集节点和监测节点进行划分时，并不是采用传统的随机划分的方式，而是采用了分批次划分的方式，这种划分方式有利于降低监测节点和收集节点之间的平均距离，在降低无线传感器节点的整体通信能耗的同时，实现了对收集节点对监测节点的全覆盖。如果采用随机获取的方式，经常容易出现收集节点数量过少，或者是监测节点与收集节点之间的平均距离过大，导致监测节点的平均传输能耗较大的问题。这种方式并不利于实现对变电站中的变压器的长时间覆盖监测。
具体的，划分的过程是以转发基站为中心慢慢向外扩展的，随着批次的增加，新获取的收集节点距离转发基站越来越远，而每个批次新获取的收集节点也越来越多，这种设置方式能够实现有效降低监测节点和收集节点之间的平均距离，从而节约无线传感器节点平均的通信能耗，有利于延长无线传感器节点的平均工作寿命，避免需要频繁更换无线传感器节点的供电模块，增加对本发明的运维上的压力。
转发基站划分接收后，将划分结果广播至所有的无线传感器节点。
在一种实施例中，将所述状态数据传输至所述转发基站，包括：
若转发基站与收集节点W之间的距离大于收集节点W的通信半径，则收集节点W将状态数据转发至距离处于其通信范围的另一个收集节点；
若转发基站与收集节点W之间的距离小于收集节点W的通信半径，则采用如下方式判断状态数据的传输方式：
若收集节点W与转发基站之间的距离小于通信距离阈值，则直接将状态数据发送至转发基站；
若收集节点W与转发基站之间的距离大于等于通信距离阈值，则将状态数据转发至距离处于其通信范围的且通信半径覆盖转发基站的监测节点；
所述监测节点用于将所述状态数据直接发送至转发基站；
所述通信距离阈值通过以下方式进行更新：
Figure BDA0003205117180000051
其中，cmthre(t)表示第t个通信距离阈值，cmthre(t-1)表示第t-1个通信距离阈值，cmdistma表示收集节点w的最大通信半径，tim表示收集节点w担任收集节点的总时长，tma表示预设的时间参考常数，distper表示单位距离长度。
对于距离转发基站比越的收集节点，其所需要负责的转发任务也越重，当收集节点w担任收集节点的总时长越来越长时，收集节点w的能量消耗也越来越快，因此，需要增加担任转发任务的无线传感器节点的数量。随着时间的推移，通信距离阈值越来越大，通信半径能够覆盖转发基站的收集节点逐渐不再与转发基站进行直接通信，因为通信距离越远，能量消耗越大，这时，通过将通信半径能够覆盖转发基站的监测节点加入到转发状态数据的队伍中，能够更好的平衡节点之间的电量消耗，保证无线传感器节点的覆盖范围，有利于延长无线传感器节点的平均工作时长。
需要注意的是，只有通信半径能够覆盖转发节点的监测节点才能进行以上操作，而对于其它监测节点，则还是将状态数据发送至收集节点。
作为优选，所述通信能力指数通过如下方式进行计算：
对于在第n批收集节点计算过程中的无线传感器节点k，其通信能力指数计算方式如下：
Figure BDA0003205117180000061
其中，comidx(k)表示无线传感器节点k的通信能力指数，nofnei(k)表示处于无线传感器节点k的通信范围内的其它无线传感器节点的数量，ditbs(k)表示无线传感器节点k与转发基站之间的欧氏距离，aveneidit(k)表示无线传感器节点k与处于其通信范围内的其它无线传感器节点之间的距离的平均值，enerlf(k)表示无线传感器节点的剩余电量，nofsn(k)表示第n-1批收集节点中处于无线传感器节点k的通信范围内的收集节点的总数。
本发明上述实施方式，在计算通信能力指数时，从无线传感器节点k通信半径所覆盖的其它无线传感器节点的数量、与转发基站之间的距离、与通信半径所覆盖的其它无线传感器节点之间的平均距离、剩余电量、与通信半径所覆盖的收集节点的总数等方面进行计算，这种计算方式有利于综合反映无线传感器节点k的通信能力，邻居无线传感器节点分布的越靠近k，数量越大，剩余电量越大，距离基站越近，距离其它收集节点越远则通信能力指数越大。这种设置方式有利于找到具有通信优势的无线传感器节点作为收集接单，进一步降低无线传感器节点整体的电量消耗，延长无线传感器节点的平均工作寿命，从而提高对变压器进行长时间实时监测的能力。
作为优选，将所述状态数据传输至所述收集节点，包括：
监测节点判断其通信范围内的收集节点的总数nofcol，若nofcol小于等于1，则监测节点将状态数据传输至距离自身最近的收集节点；
若nofcol大于1，则计算与收集节点之间的通信能耗指数：
Figure BDA0003205117180000062
其中，cmctidx表示监测节点和收集节点之间的通信能耗指数，α，β，δ表示预设的权重参数，α+β+δ＝1，distbw表示监测节点和收集节点之间的距离，nofnei表示收集节点的通信范围内包含的监测节点的总数，distsd表示收集节点与转发基站之间的距离，sdistbw表示预设的第一距离参考值，snofnei表示预设的数量参考值，sdistsd表示预设的第二距离参考值；
监测节点将状态数据发送至通信能耗指数最小的收集节点。
本发明上述实施方式，有利于降低监测节点与收集节点之间的平均通信能耗，距离监测节点越近、与转发基站之间的距离越近、通信范围内覆盖的监测节点的数量越小，则通信能耗指数越小，从而实现状态数据的节能传送。
nofnei、distbw、distsd这些参数可以根据转发基站广播的划分结果中包含的数据进行计算得到。划分结果中包含了每个无线传感器节点的类型，位置信息，邻居节点列表等数据。
作为优选，所述数据传输模块包括无线蜂窝网络通信基站；
所述无线蜂窝网络通信基站用于接收转发基站发送过来状态数据，以及用于通过无线蜂窝通信网络将所述状态数据传输至所述数据处理模块。
具体的，所述无线蜂窝网络包括4G网络和5G网络。
作为优选，所述基于所述状态数据判断变压器是否处于异常状态，包括：
获取所述状态数据的数据类型；
基于所述数据类型获取所述状态数据的正常值区间；
判断所述状态数据的数值是否处于所述正常值区间内，若是，则表示变压器没有处于异常状态，若否，则表示变压器处于异常状态。
作为优选，所述根据预设的提示方式发出预警提示，包括：
采用弹窗预警或声光报警器预警的方式发出预警提示。
具体的，弹窗可以在智能手机或电脑的屏幕上弹出，对相关的工作人员进行提示。声光报警器可以设置在监控室中，对监控室中的工作人员进行提示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于物联网的变压器状态获取系统，其特征在于，包括数据获取模块、数据传输模块、数据处理模块和预警提示模块；
所述数据获取模块用于通过无线传感器节点获取变压器的状态数据，并将所述状态数据传输至所述数据传输模块；
所述数据传输模块用于将所述状态数据传输至所述数据处理模块；
所述数据处理模块用于基于所述状态数据判断变压器是否处于异常状态；
所述预警提示模块用于在变压器处于异常状态时，根据预设的提示方式发出预警提示。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的变压器状态获取系统，其特征在于，所述数据获取模块包括无线传感器节点和转发基站；
所述无线传感器节点用于获取变压器的状态数据，并将所述状态数据传输至所述转发基站；
所述转发基站用于判断所述状态数据是否为错误数据，若是，则将所述状态数据丢弃，若否，则将所述状态数据传输至所述转发基站。
3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的变压器状态获取系统，其特征在于，所述转发基站还用于采用预设的时间间隔将所述无线传感器节点划分为监测节点和收集节点；
所述监测节点用于获取变压器的状态数据，并将所述状态数据传输至所述收集节点；
所述收集节点用于将所述状态数据传输至所述转发基站。
4.根据权利要求2所述的一种基于物联网的变压器状态获取系统，其特征在于，所述数据传输模块包括无线蜂窝网络通信基站；
所述无线蜂窝网络通信基站用于接收转发基站发送过来状态数据，以及用于通过无线蜂窝通信网络将所述状态数据传输至所述数据处理模块。
5.根据权利要求3所述的一种基于物联网的变压器状态获取系统，其特征在于，所述基于所述状态数据判断变压器是否处于异常状态，包括：
获取所述状态数据的数据类型；
基于所述数据类型获取所述状态数据的正常值区间；
判断所述状态数据的数值是否处于所述正常值区间内，若是，则表示变压器没有处于异常状态，若否，则表示变压器处于异常状态。
6.根据权利要求3所述的一种基于物联网的变压器状态获取系统，其特征在于，所述根据预设的提示方式发出预警提示，包括：
采用弹窗预警或声光报警器预警的方式发出预警提示。
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