CN114362358A - 一种高压gis开关设备数字孪生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压GIS开关设备数字孪生系统，包括：综合监测及数字孪生设备，其包括电路背板和安装在所述电路背板上的数字孪生装置；数字孪生装置根据GIS开关设备状态感知装置的输出数据进行多维状态感知信息采集和数字孪生模型构建；GIS开关设备状态感知装置，其包括开关机械机构状态感知单元、触头位置感知单元、开关温度状态感知单元、电流感知单元、电压感知单元；各感知单元通过对应的通信接口插件连接电路背板的背板总线；数字孪生平台主站系统，其与数字孪生装置通信连接，根据用户输入的系统指令访问和刷新所述综合监测及数字孪生设备构建的数字孪生模型。本发明能够实现高压GIS开关设备多维状态监测数据的统一采集。

Description

一种高压GIS开关设备数字孪生系统

技术领域

本发明涉及电气设备技术领域，尤其是涉及一种高压GIS开关设备数字孪生系统。

背景技术

电力系统中高压电气设备的可靠性直接影响着电力系统运行的安全性与稳定性，长期以来由于缺乏有效的状态评估方法，需要进行大量的运维和检修工作，造成不必要的资源浪费。业界提出了基于数字孪生的变电设备全寿命周期状态检测与评估研究，探索实现电力装备的智慧互联及智能运维的新技术，推进先进数字技术与业务融合，促进电网变电设备运行管理的全面转型升级。但是现阶段高压GIS开关设备状态监测数据采集不统一，难以满足数字电力系统构建及运维需要。

发明内容

本发明提供一种高压GIS开关设备数字孪生系统，能够实现高压GIS开关设备多维状态监测数据的统一采集。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种高压GIS开关设备数字孪生系统，包括：综合监测及数字孪生设备、GIS开关设备状态感知装置和数字孪生平台主站系统；

所述综合监测及数字孪生设备，其包括电路背板和安装在所述电路背板上的数字孪生装置；所述数字孪生装置根据所述GIS开关设备状态感知装置的输出数据进行多维状态感知信息采集和数字孪生模型构建；

所述GIS开关设备状态感知装置，其包括开关机械机构状态感知单元、触头位置感知单元、开关温度状态感知单元、电流感知单元、电压感知单元；所述开关机械机构状态感知单元、所述触头位置感知单元、所述开关温度状态感知单元、所述电流感知单元、所述电压感知单元分别通过对应的通信接口插件连接所述电路背板的背板总线；

所述数字孪生平台主站系统，其与所述综合监测及数字孪生设备通信连接，根据用户输入的系统指令访问和刷新所述综合监测及数字孪生设备构建的数字孪生模型。

作为进一步改进，所述通信接口插件包括采集模块、调理模块和通信模块；

所述采集模块通过所述调理模块与所述通信模块连接，所述通信模块与所述背板总线通信连接。

作为进一步改进，所述综合监测及数字孪生设备具有分别连接所述开关机械机构状态感知单元、所述触头位置感知单元、所述开关温度状态感知单元、所述电流感知单元、所述电压感知单元的以太网接口。

作为进一步改进，所述开关机械机构状态感知单元的监测参数包括分闸电磁铁线圈电流、合闸电磁铁线圈电流、储能电机电流、开关辅助节点；

所述开关温度状态感知单元为红外无线测温装置，其将采集到的GIS开关设备的表面温度通过无线发射模块无线发送至所述综合监测及数字孪生设备。

作为进一步改进，所述红外无线测温装置包括壳体、电路板、装配在所述电路板上的红外测温元件、无线发射模块；所述壳体内设有腔室，所述电路板安装在所述腔室内，且所述壳体的上部设有通槽。

作为进一步改进，所述壳体的底部设有绑带和匹配电缆的弧形凹槽，所述绑带缠绕在电缆上。

作为进一步改进，所述数字孪生装置，包括:

感知采集模块，用于接收所述GIS开关设备状态感知装置输出的传感数据，并将所述传感数据传输至通信物联模块；

通信物联模块，用于基于TCP/IP协议将所述传感数据转换为预设的格式文件数据，并将转换后的传感数据传输至模型构建模块；

模型构建模块，用于对所述转换后的传感数据进行归一化处理并构建数字孪生模型。

相比于现有技术，本发明实施例公开的高压GIS开关设备数字孪生系统，由综合监测及数字孪生设备、GIS开关设备状态感知装置和数字孪生平台主站系统构成；其中，综合监测及数字孪生设备，其包括电路背板和安装在所述电路背板上的数字孪生装置；所述数字孪生装置根据所述GIS开关设备状态感知装置的输出数据进行多维状态感知信息采集和数字孪生模型构建；GIS开关设备状态感知装置，其包括开关机械机构状态感知单元、触头位置感知单元、开关温度状态感知单元、电流感知单元、电压感知单元；所述开关机械机构状态感知单元、所述触头位置感知单元、所述开关温度状态感知单元、所述电流感知单元、所述电压感知单元分别通过对应的通信接口插件连接所述电路背板的背板总线；数字孪生平台主站系统，其与所述综合监测及数字孪生设备通信连接，根据用户输入的系统指令访问和刷新所述综合监测及数字孪生设备构建的数字孪生模型。本发明通过统一的综合监测及数字孪生设备和通信接口插件，能够实现高压GIS开关设备多维状态监测数据的统一采集，从而实现高压GIS开关设备数字孪生模型的标准建模。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种高压GIS开关设备数字孪生系统的结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的一种高压GIS开关设备数字孪生系统的结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的一种通信接口插件的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明一实施例提供的一种高压GIS开关设备数字孪生系统的结构示意图。

本发明实施例提供的一种高压GIS开关设备数字孪生系统，包括：综合监测及数字孪生设备10、GIS开关设备状态感知装置20和数字孪生平台主站系统30；

所述综合监测及数字孪生设备10，其包括电路背板和安装在所述电路背板上的数字孪生装置101；所述数字孪生装置101根据所述GIS开关设备状态感知装置20的输出数据进行多维状态感知信息采集和数字孪生模型构建；

所述GIS开关设备状态感知装置20，其包括开关机械机构状态感知单元201、触头位置感知单元202、开关温度状态感知单元203、电流感知单元204、电压感知单元205；所述开关机械机构状态感知单元201、所述触头位置感知单元202、所述开关温度状态感知单元203、所述电流感知单元204、所述电压感知单元205分别通过对应的通信接口插件206连接所述电路背板的背板总线；

所述数字孪生平台主站系统30，其与所述综合监测及数字孪生设备10通信连接，根据用户输入的系统指令访问和刷新所述综合监测及数字孪生设备10构建的数字孪生模型。

优选地，所述数字孪生平台主站系统30通过4G通信、无线专网或光纤网络与所述综合监测及数字孪生设备10通信连接。

参见图2，在一个优选地实施方式中，所述高压GIS开关设备数字孪生系统，还包括：

GIS状态采集装置40，其包括安装于高压GIS开关设备本体的开关机械机构状态感知传感器、触头位置感知传感器、开关温度状态感知传感器、电流感知传感器、电压感知传感器；所述开关机械机构状态感知传感器、所述触头位置感知传感器、所述开关温度状态感知传感器、所述电流感知传感器、所述电压感知传感器分别通过电气信号或通信方式接入所述GIS开关设备状态感知装置20。

进一步地，所述开关机械机构状态感知传感器通过电气信号或通信方式接入所述开关机械机构状态感知单元201；

所述触头位置感知传感器通过电气信号或通信方式接入所述触头位置感知单元202；

所述开关温度状态感知传感器通过电气信号或通信方式接入所述开关温度状态感知单元203；

所述电流感知传感器通过电气信号或通信方式接入所述电流感知单元204；

所述电压感知传感器通过电气信号或通信方式接入所述电压感知单元205。

示例性地，所述开关机械机构状态感知单元201通过开关机械机构状态感知传感器采集GIS开关设备的开关机械机构数据；所述触头位置感知单元202通过所述所述触头位置感知传感器采集GIS开关设备的触头位置数据；所述开关温度状态感知单元203通过所述开关温度状态感知传感器采集GIS开关设备的温度数据；所述电流感知单元204通过所述电流感知传感器采集GIS开关设备的电流数据；所述电压感知单元205通过所述电压感知传感器采集GIS开关设备的电压数据。

参见图3，在一些更优的实施例中，所述通信接口插件206包括采集模块、调理模块和通信模块；

所述采集模块通过所述调理模块与所述通信模块连接，所述通信模块与所述背板总线通信连接。

具体地，所述采集模块，用于采集GIS开关设备状态感知装置20传输的传感数据，并将所述传感数据发送至所述调理模块；

所述调理模块，用于接收所述采集模块的传感数据，对不同格式的传感数据进行实时转换，输出统一格式的传感数据并将其发送至所述通信模块；

所述通信模块，用于接收所述调理模块传输的统一格式的传感数据，并将其发送至所述综合监测及数字孪生设备10。

需要说明的是，所述GIS开关设备状态感知装置20中不同的感知单元由统一的基础软硬件平台开发，具有相同的外观设计和通信交互风格，且每个所述通信接口插件206的通信协议和信息模型一致。

在一些更优的实施例中，所述综合监测及数字孪生设备10具有分别连接所述开关机械机构状态感知单元201、所述触头位置感知单元202、所述开关温度状态感知单元203、所述电流感知单元204、所述电压感知单元205的以太网接口。

进一步地，所述综合监测及数字孪生设备10具有主控CPU芯片。

优选地，所述主控CPU芯片为瑞芯微的RK3399芯片。

优选地，所述综合监测及数字孪生设备10具有用于接入加密芯片的加密芯片接口。

可以理解，所述加密芯片的接入能够实现串口及网口方式的加密通信及保证数据传输的安全。

示例性地，所述综合监测及数字孪生设备10采用RT-LINUX的操作系统，其包含2个Cortex-A72及4个Cortex-A53，主频为1800MHz，内存为4G，外存Flash为8G，并支持接入2T的SATA盘等强大的运算资源，支持Java及Python运算引擎，和可加载标准的POSIX应用及Java应用、Python应用。

在一个具体地实施方式中，所述开关机械机构状态感知单元201的监测参数包括分闸电磁铁线圈电流、合闸电磁铁线圈电流、储能电机电流、开关辅助节点；

所述开关温度状态感知单元203为红外无线测温装置，其将采集到的GIS开关设备的表面温度通过无线发射模块无线发送至所述综合监测及数字孪生设备10。

具体地，所述开关机械机构状态感知单元201用于GIS开关设备的机构分合闸线圈电流采集和机构机械特性分析。

需要说明，所采用的所述开关机械机构状态感知单元201应该具备以下中的至少一种功能：监测GIS断路器动作特性参数、评估GIS断路器健康状态、识别潜在缺陷的在线监测装置。即通过对机构分合闸线圈电流曲线的分析，并结合曲线库的比对来评估GIS断路器的健康状态。此外，所述开关机械机构状态感知单元201还用于：在线监测分合闸电磁铁线圈电流、副分线圈电流；在线监测储能电机电流；在线监测分合闸控制回路电压；在线监测辅助节点状态；在线监测信号变化并自动触发录波；分析电流波形特征参数；评估断路器机构健康状态；通过RS485或RJ45以太网接口和上位机通讯。此外，所述开关机械机构状态感知单元201还支持Modbus/TCP-Modbus和IEC61850协议、支持Comtrade文件格式和支持U盘取波形数据。

进一步地，所述红外无线测温装置包括壳体、电路板、装配在所述电路板上的红外测温元件、无线发射模块；所述壳体内设有腔室，所述电路板安装在所述腔室内，且所述壳体的上部设有通槽。

需要说明的是，开关温度状态感知单元203除了采集GIS开关设备的表面温度，还能够以射频识别技术进行无线方式信息汇集，并基于高速采样和智能诊断评估实现高压GIS开关设备温度绝缘老化等特性分析功能。

优选地，所述壳体的底部设有绑带和匹配电缆的弧形凹槽，所述绑带缠绕在电缆上。

值得说明的是，壳体底部的弧形凹槽使所述红外无线测温装置既可以安装在圆形的电缆上，又可以安装在平面物体上，安装方式可以根据实际狭窄空间的测温位置选择附近合适的空旷位置进行安装，以解决现有的无线测温产品无法在狭窄空间实时在线测量GIS开关设备表面温度的难题。

优选地，所述触头位置感知单元202用于采集GIS触头的行程特征，并根据所述行程特征实时分析和输出所述GIS触头的运动特征功能。

需要说明的是，所采用的触头位置感知单元202需要具备以下中的至少一种功能：在线监测触头行程、信号变化自动触发录波、分析电流波形特征参数、评估断路器机构健康状态。所采用的触头位置感知单元202与所述开关机械机构状态感知单元201一致，可以通过RS485或RJ45以太网接口和上位机通讯，并支持Modbus/TCP-Modbus和IEC61850协议、Comtrade文件格式和U盘读取波形数据。

具体地，所述电流感知单元204，用于采集所述GIS开关设备的主回路的三相电流，根据所述三相电流实时跟踪监测所述GIS开关设备的电流曲线；所述电压感知单元205，用于采集所述GIS开关设备的主回路的电压，根据所述电压实时跟踪监测所述GIS开关设备的电压曲线。

需要说明的是，所述电流感知单元204和所述电压感知单元205能够基于高速采样和智能诊断评估实现GIS开关设备电流和电压曲线变化趋势特性分析。

在一个具体地实施方式中，所述数字孪生装置101，包括:

感知采集模块，用于接收所述GIS开关设备状态感知装置20输出的传感数据，并将所述传感数据传输至通信物联模块；

通信物联模块，用于基于TCP/IP协议将所述传感数据转换为预设的格式文件数据，并将转换后的传感数据传输至模型构建模块；

模型构建模块，用于对所述转换后的传感数据进行归一化处理并构建数字孪生模型。

可以理解，所述数字孪生装置101构建的数字孪生模型应当至少具备以下功能：全息状态感知、多维模型构建、机器学习、行为识别、物模共智、视觉仿真、图形渲染、数字线程、边缘计算、混合现实。

值得说明的是，本发明各感知单元采用插件的方式接入各感知传感器，各感知单元采用插件的方式与通信接口插件206连接，通过通信接口插件206与所述综合监测及数字孪生设备10的以太网接口连接，从而能够灵活插拔和更换感知传感器、感知单元和通信接口插件206。

综上，本发明实施例所提供的高压GIS开关设备数字孪生系统，包括：综合监测及数字孪生设备、GIS开关设备状态感知装置和数字孪生平台主站系统；所述综合监测及数字孪生设备，其包括电路背板和安装在所述电路背板上的数字孪生装置；所述数字孪生装置根据所述GIS开关设备状态感知装置的输出数据进行多维状态感知信息采集和数字孪生模型构建；所述GIS开关设备状态感知装置，其包括开关机械机构状态感知单元、触头位置感知单元、开关温度状态感知单元、电流感知单元、电压感知单元；所述开关机械机构状态感知单元、所述触头位置感知单元、所述开关温度状态感知单元、所述电流感知单元、所述电压感知单元分别通过对应的通信接口插件连接所述电路背板的背板总线；所述数字孪生平台主站系统，其与所述综合监测及数字孪生设备通信连接，根据用户输入的系统指令访问和刷新所述综合监测及数字孪生设备构建的数字孪生模型。本发明通过统一的综合监测及数字孪生设备和通信接口插件，能够实现高压GIS开关设备多维状态监测数据的统一采集，从而实现高压GIS开关设备数字孪生模型的标准建模。

需说明的是，以上所描述的高压GIS开关设备数字孪生系统的实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高压GIS开关设备数字孪生系统，其特征在于，包括：综合监测及数字孪生设备、GIS开关设备状态感知装置和数字孪生平台主站系统；

所述综合监测及数字孪生设备，其包括电路背板和安装在所述电路背板上的数字孪生装置；所述数字孪生装置根据所述GIS开关设备状态感知装置的输出数据进行多维状态感知信息采集和数字孪生模型构建；

所述GIS开关设备状态感知装置，其包括开关机械机构状态感知单元、触头位置感知单元、开关温度状态感知单元、电流感知单元、电压感知单元；所述开关机械机构状态感知单元、所述触头位置感知单元、所述开关温度状态感知单元、所述电流感知单元、所述电压感知单元分别通过对应的通信接口插件连接所述电路背板的背板总线；

所述数字孪生平台主站系统，其与所述综合监测及数字孪生设备通信连接，根据用户输入的系统指令访问和刷新所述综合监测及数字孪生设备构建的数字孪生模型。

2.如权利要求1所述的高压GIS开关设备数字孪生系统，其特征在于，所述通信接口插件包括采集模块、调理模块和通信模块；

所述采集模块通过所述调理模块与所述通信模块连接，所述通信模块与所述背板总线通信连接。

3.如权利要求1所述的高压GIS开关设备数字孪生系统，其特征在于，所述综合监测及数字孪生设备具有分别连接所述开关机械机构状态感知单元、所述触头位置感知单元、所述开关温度状态感知单元、所述电流感知单元、所述电压感知单元的以太网接口。

4.如权利要求1所述的高压GIS开关设备数字孪生系统，其特征在于，所述开关机械机构状态感知单元的监测参数包括分闸电磁铁线圈电流、合闸电磁铁线圈电流、储能电机电流、开关辅助节点；

所述开关温度状态感知单元为红外无线测温装置，其将采集到的GIS开关设备的表面温度通过无线发射模块无线发送至所述综合监测及数字孪生设备。

5.如权利要求4所述的高压GIS开关设备数字孪生系统，其特征在于，所述红外无线测温装置包括壳体、电路板、装配在所述电路板上的红外测温元件、无线发射模块；所述壳体内设有腔室，所述电路板安装在所述腔室内，且所述壳体的上部设有通槽。

6.如权利要求5所述的高压GIS开关设备数字孪生系统，其特征在于，所述壳体的底部设有绑带和匹配电缆的弧形凹槽，所述绑带缠绕在电缆上。

7.如权利要求1所述的高压GIS开关设备数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生装置，包括:

感知采集模块，用于接收所述GIS开关设备状态感知装置输出的传感数据，并将所述传感数据传输至通信物联模块；

通信物联模块，用于基于TCP/IP协议将所述传感数据转换为预设的格式文件数据，并将转换后的传感数据传输至模型构建模块；

模型构建模块，用于对所述转换后的传感数据进行归一化处理并构建数字孪生模型。

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