CN114460495A - 一种基于声-振一体化的大型变压器运行状态感知系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声‑振一体化的大型变压器运行状态感知系统，包括感知层、网络层和诊断层，其中，感知层：实时监测包括变压器铁心、绕组、夹件及外壳的耦合振动信号和声音信号状态参量，有载分接开关档位变换过程中的振动信号和声音信号状态参量，对监测数据进行初步诊断分析；本发明系统能够满足对有载分接开关运行状态进行长期在线监测的需求，可根据不同的应用需求灵活配置传感器通道和传感器类型，具备自动获取和识别档位变化的功能，可对监测信号对应的换挡情况进行正确标识和处理。
Description
技术领域
本发明涉及变压器领域，具体涉及一种基于声-振一体化的大型变压器运行状态感知系统。
背景技术
《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006-2020)将"超大规模输配电和电网安全保障"列为重点领域及其优先主题。电网主设备声学检测可以在不停电状态下获取设备的振动特性，通过对设备声学指纹的分析，利用大数据、人工智能等分析算法，挖掘设备在不同运行工况和缺陷下的声纹特征，可以有效地表征其机械特性，是判断设备状态的重要手段之一。
近年来变压器的制作工艺和流程在不断优化，但是由于变压器长期运行，总是会出现不同程度的损坏和潜伏性的故障。电力变压器在过载运行以及大短路电流的冲击下，巨大的电磁力对变压器的铁芯、绕组等重要组件产生强大的冲击力，导致部件机械强度减弱，这种故障可能不会马上凸显，但是随着损伤的日积月累，并伴随着部分组件的绝缘老化、劣化，势必引起一些重大故障的出现。因此长期以来，电力部门为确保电力系统的安全运行，及早发现并去除一些早期潜伏性故障，须根据《电力设备预防性试验规程》的要求，对变压器进行定期停电检修和维护。这种机制无疑对防止变压器故障发生、保证变压器可靠运行等方面起到了重要作用，但是停电检修机制往往是按照章程中规定的检修周期，到了一定的时间必须对变压器进行相关的试验项目，而不顾设备当前运行状况，存在较大的盲目性，同时由于部分试验的复杂性以及停电所带来的影响，往往会造成大量人力、财力的浪费，而且长期对一台本就健康的变压器进行检修，无疑会在很大程度上损害系统的稳定性，其后果将导致设备提前损坏的概率明显提高，并可能使得所预防的故障反而提前发生。
有载分接开关的制造质量和运行、检修技术水平直接关系到有载调压变压器的运行安全。随着有载调压变压器在电网应用的增多，有载分接开关的故障也在增加。据统计，全国110kV～500kV变压器事故或故障中，有载分接开关的事故或故障分别占18％和12％；在500kV变压器发生的故障中，有载分接开关故障占25％。据国外资料统计表明，有载分接开关故障占有载调压变压器故障的41％。现在有载分接开关的故障率仍居高不下，且呈上升趋势。国内平均统计数据表明，有载分接开关故障占变压器故障的20％以上。
同时，2019年“两会”做出全面推进“三型两网建设”，加快打造具有全球竞争力的世界一流能源互联网企业的战略部署，是网络强国战略在公司的具体实践，是落实中央部署、发挥央企带头作用的重要举措，是适应内外部形式和挑战的必然要求。建设泛在电力物联网为电网运行更安全、管理更精益、投资更精准、服务更优质开辟了一条新路，同时也可以充分发挥电网独特优势，开拓数字经济这一巨大蓝海市场。建设泛在电力物联网是落实“三型两网、世界一流”的战略目标的核心人物。
社会对电的依赖，要求供电可靠性更高，电网越来越复杂，接入设备类型和数量越来越多，电网形态发生变化，电网安全运行压力加大；受电力市场开放、输配电价降低、电量增长减速等因素影响，电网业务面临日趋激烈市场竞争，企业经营遇到瓶颈；互联网经济、数字经济等社会经济形态发生变化，通过平台对接供需双方，打造多边市场，对电力行业带来巨大挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是一种基于声-振一体化的大型变压器运行状态感知系统，能够满足对有载分接开关运行状态进行长期在线监测的需求，可根据不同的应用需求灵活配置传感器通道和传感器类型，具备自动获取和识别档位变化的功能，可对监测信号对应的换挡情况进行正确标识和处理。
本发明是通过以下技术方案来实现的：一种基于声-振一体化的大型变压器运行状态感知系统，包括感知层、网络层和诊断层，其中，
感知层：实时监测包括变压器铁心、绕组、夹件及外壳的耦合振动信号和声音信号状态参量，有载分接开关档位变换过程中的振动信号和声音信号状态参量，对监测数据进行初步诊断分析；
网络层：负责将监测信号可靠传输到后台；
诊断层：实现被测有载分接开关设备基本信息管理；感知层分析用到的参数配置；接收感知层发送的监测数据；实时分析并显示被测设备监测状态及高级智能分析结果；对具体监测数据进行故障数据分析、原始图谱分析、包络分析、能量谱分析功能；案例库生成及管理功能；标准库生成及管理功能；报告生成功能；接收并管理数据接入节点发送的设备基本信息及被测设备状态；对异常状态进行告警，提示用户；对被测设备状态进行故障档位分布、故障类型分布等统计分析。
作为优选的技术方案，所述感知层共有二类感知终端，分别采集振动信号和声纹信号，感知终端内集成传感器、数据采集板、无线模块和电池，通过无线方式传输到就地集控单位；
其中，MCU模块作为主控芯片，负责配置传感器和通信单元，采集传感器信息并处理，最后发送给通信单元；传感器单元负责感知并采集环境信息；通信单元负责接收调制MCU发送过来的信号或解调从天线接收到信号；天线负责信号的收发，声振信号由传感器经微功耗晶体放大器至超低功耗电压比较器，当声振信号达到极限值，FET场效应开关被激活。
作为优选的技术方案，感知终端接收汇聚节点下发的命令后，首先对数据进行CRC16校验确保数据准确无误，其次根据报文中帧命令执行相应的操作，执行完将相应数据信息上传给网关。
作为优选的技术方案，感知终端还配置有一感知终端软件，感知终端既要完成数据采集，也需通过LoRa网络上传和接收数据及命令，汇聚节点接收到集抄管理中心下发报文或采集节点上传报文数据时，也会对报文数据进行CRC校验确保数据准确无误，同时通过报文中命令，判断是服务器下发的报文还是感知终端上传的报文；如为下发报文，则通过设备号判断是自己还是对感知终端；如为上传报文，且对接收的数据CRC校验正确，则上传数据到服务器。
作为优选的技术方案，感知层还包括一集控单元，集控单元实时、连续在线监测，采用工控机和多路采集卡。
作为优选的技术方案，网络层采用LoRa通信方式，提高传感器通信可靠性和系统的智能化水平。
作为优选的技术方案，诊断层布置于站端服务器，用于实时获取感知层发送的监测数据和初步分析结果。
作为优选的技术方案，系统采用国密算法，采用2个原始密钥AppKey和NwkKey分别分散出AppSKey和NwkSkey，其分散算法如下：
AppSKey＝SM1_encrypt(AppKey,AppNonce|NetID|DevNonce|pad16)
NwkSKey＝SM1_encrypt(NwkKey,AppNonce|NetID|DevNonce|pad16)
其中：DevNonce是由终端产生的16位随机数，在每次会话建立请求消息中由终端发送给LoRa服务器和应用服务器，服务器会记录最近曾经使用过的DevNonce，如果会话建立请求消息中携带的DevNonce与以前的消息的随机数相同，则认为该消息为重放消息，不予处理；AppNonce为应用服务器产生的16位随机数，在每次会话建立接受消息中由应用服务器发送给终端；NetID为网络编号；pad16为填充位；2个随机数保证了AppSKey和NwkSKey的一次性和随机性，每次会话建立的AppSKey和NwkSKey都会改变，可以有效防止重放攻击并保障了原始密钥的机密性。
本发明的有益效果是：系统能够满足对有载分接开关运行状态进行长期在线监测的需求，可根据不同的应用需求灵活配置传感器通道和传感器类型，具备自动获取和识别档位变化的功能，可对监测信号对应的换挡情况进行正确标识和处理。
采用数据就地计算的边缘计算体系，汇聚节点和接入节点分别承担不同的边缘计算任务，可大幅度提高系统的整体运算和处理效率。
采用初步诊断加精细诊断的策略，充分使用声纹信号、振动信号等多维状态数据对变压器进行分布式、融合化、智能化的计算分析，给出诊断分析结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的感知终端示意图；
图2为本发明的感知终端电路图；
图3为本发明的自组网关示意图；
图4为本发明的感知终端软件工作流程图；
图5为本发明的软件设计流程图；
图6为本发明的LoRa的MAC帧安全保护结构；
图7为本发明的安全架构图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本发明使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“套接”、“连接”、“贯穿”、“插接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明的一种基于声-振一体化的大型变压器运行状态感知系统，包括感知层、网络层和诊断层。
(1)感知层
系统在变压器就地布置的感知设备包括压感知终端、集控单元等。
1)感知终端硬件设计
系统共有二类感知终端，分别采集振动信号和声纹信号，感知终端内集成传感器、数据采集板、无线模块和电池，通过无线方式传输到就地集控单位，如图1所示。
MCU模块作为主控芯片，负责配置传感器和通信单元，采集传感器信息并处理，最后发送给通信单元；传感器单元负责感知并采集环境信息；通信单元负责接收调制MCU发送过来的信号或解调从天线接收到信号；天线负责信号的收发。由于在MCU处理的任务较少因此对其主频性能的要求并不是特别高，但是至少它应该拥有足够的GPIO引脚及SPI接口来保证对无线芯片的控制及通信，同时还必须具有UART接口来实现与其他设备的通信。MCU芯片技术指标要求如下表1：
| 参数 | 最低值 | 推荐值 |
| Flash | 32K | 64K |
| RAM | 4K | 8K |
| SPI接口 | 必须 | 必须 |
| UART接口 | 必须 | 必须 |
| MCU终端请求引脚 | 4个 | 4个 |
| 主频时钟脉冲 | 36MHz | 72MHz |
表1。
声振信号由传感器经微功耗晶体放大器至超低功耗电压比较器，当声振信号达到极限值，FET场效应开关被激活。整个电路功耗仅6MA，纽扣锂电池供电可工作五年。
图2中单个电阻R7决定了振动的灵敏度，选择电阻的大小可过滤微小噪声。在电压比较电路之后，还设计了一个可调延迟滤波器。当检测到振动信号后，该电路可输出一个正信号，作为工作状态或报警作用。
2)自组网关构成
如图3所示，网关是整个无线通信网络的核心所在，它不仅用于联合系统中的终端节点构成整个无线局域通信网络实现多终端节点的组网操作，同时他也是整个系统的协调器以及控制器，协调所有终端节点的通信过程，控制着终端在网络中的生命周期。MCU、一个无线收发模块、存储器、电源管理。网关设备主要负责接收终端传输过来的数据信息并向服务器转发。
3)感知终端软件设计
感知终端既要完成数据采集，也需通过LoRa网络上传和接收数据及命令。感知终端接收汇聚节点下发的命令后，首先对数据进行CRC16校验确保数据准确无误，其次根据报文中帧命令执行相应的操作，执行完将相应数据信息上传给网关，感知终端软件工作流程如图4所示。
网关需与LoRa无线网络通信，也需与服务器进行通信，其软件设计流程图如图5所示。汇聚节点接收到集抄管理中心下发报文或采集节点上传报文数据时，也会对报文数据进行CRC校验确保数据准确无误。同时通过报文中命令，判断是服务器下发的报文还是感知终端上传的报文。如为下发报文，则通过设备号判断是自己还是对感知终端；如为上传报文，且对接收的数据CRC校验正确，则上传数据到服务器。
国密算法技术研究
国密算法是国家商用密码管理办公室指定的一系列密码算法标准，是电网企业信息安全的首选算法。可以采用某国内厂家自主设计的安全芯片实现国密算法，进行认证和加解密计算，并对原始密钥的物理安全提供增强的保护功能。LoRa终端处在无人看管的开放公共场所，很容易被攻击者盗取，密钥信息可被物理攻击手段破解。安全芯片针对多种物理攻击手段进行了有针对性的防护设计，可以保证密钥信息存储的物理安全。
为了保证数据报文的机密性和完整性，采用2个密钥和2种算法分别实现机密性和完整性的保护。如图6所示，其为LoRa的MAC帧安全保护结构，其中Payload用AppSKey进行加密，采用国密SM1算法的CBC(cipherblockchaining)模式。加密后的密文Payload及MAC帧头采用SM1的消息完整性算法进行完整性保护，密钥采用NwkSKey。
本方案采用2个原始密钥AppKey和NwkKey分别分散出AppSKey和NwkSkey，增强了安全隔离强度，规避了网络运营方对业务运营方的安全威胁。其分散算法如下：
AppSKey＝SM1_encrypt(AppKey,AppNonce|NetID|DevNonce|pad16)
NwkSKey＝SM1_encrypt(NwkKey,AppNonce|NetID|DevNonce|pad16)
其中：DevNonce是由终端产生的16位随机数，在每次会话建立请求消息中由终端发送给LoRa服务器和应用服务器，服务器会记录最近曾经使用过的DevNonce，如果会话建立请求消息中携带的DevNonce与以前的消息的随机数相同，则认为该消息为重放消息，不予处理；AppNonce为应用服务器产生的16位随机数，在每次会话建立接受消息中由应用服务器发送给终端；NetID为网络编号；pad16为填充位。2个随机数保证了AppSKey和NwkSKey的一次性和随机性，每次会话建立的AppSKey和NwkSKey都会改变，可以有效防止重放攻击并保障了原始密钥的机密性。其安全架构如图7所示。
目前的接入网技术如GPRS和LTE等，采用的机密性防护方案都只能保护接入网内部的通信机密性。物联网终端采集的数据通过接人网汇聚后，还将经过交换机、路由类、传输设备及多段光纤、电缆等物理传输介质。数据通道的每一个环节，都有可能被监听或篡改，而传统的接入网技术无法提供端到端的机密性保护。采用AppSKey作为会话密钥，对终端到服务器的整个链路进行了保护，相比传统接入网安全方案具有独特的优势。本方案采用国内厂家自主设计的安全芯片实现的国密算法进行加解密计算，有效降低了LoRaWAN协议安全算法层面的不可控风险，提升了试点项目的信息安全防护水平。
4)集控单元
集控单元可实时、连续在线监测，采用“工控机+多路采集卡”结构实现多路数据并行、高速采集及处理，优异的数据处理能力保证数据检测的准确性；系统抗干扰设计，检测数据经过硬件滤波、软件滤波、特征量提取、初级诊断对原始信号进行四级处理，有效的剔除外部干扰信号。
集控单元配置包括：供电管理模块、模拟调理模块、数据分析及管理模块。
(2)网络层
将采用LoRa通信方式，提高传感器通信可靠性和系统的智能化水平。
(3)诊断层
诊断层布置于站端服务器，可实时获取感知层发送的监测数据和初步分析结果，具有被测有载分接开关设备基本信息管理功能；配置感知层边缘计算参数；接收感知层发送的监测数据功能；实时分析并显示被测设备监测状态及高级分析结果；对具体监测数据进行故障数据分析、原始图谱分析、包络分析、能量谱分析等功能；案例库生成及管理功能；标准库生成及管理功能；报告生成功能等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于声-振一体化的大型变压器运行状态感知系统，其特征在于：包括感知层、网络层和诊断层，其中，
感知层：实时监测包括变压器铁心、绕组、夹件及外壳的耦合振动信号和声音信号状态参量，有载分接开关档位变换过程中的振动信号和声音信号状态参量，对监测数据进行初步诊断分析；
网络层：负责将监测信号可靠传输到后台；
诊断层：实现被测有载分接开关设备基本信息管理；感知层分析用到的参数配置；接收感知层发送的监测数据；实时分析并显示被测设备监测状态及高级智能分析结果；对具体监测数据进行故障数据分析、原始图谱分析、包络分析、能量谱分析功能；案例库生成及管理功能；标准库生成及管理功能；报告生成功能；接收并管理数据接入节点发送的设备基本信息及被测设备状态；对异常状态进行告警，提示用户；对被测设备状态进行故障档位分布、故障类型分布等统计分析。
2.根据权利要求1所述的基于声-振一体化的大型变压器运行状态感知系统，其特征在于：所述感知层共有二类感知终端，分别采集振动信号和声纹信号，感知终端内集成传感器、数据采集板、无线模块和电池，通过无线方式传输到就地集控单位；
其中，MCU模块作为主控芯片，负责配置传感器和通信单元，采集传感器信息并处理，最后发送给通信单元；传感器单元负责感知并采集环境信息；通信单元负责接收调制MCU发送过来的信号或解调从天线接收到信号；天线负责信号的收发，声振信号由传感器经微功耗晶体放大器至超低功耗电压比较器，当声振信号达到极限值，FET场效应开关被激活。
3.根据权利要求2所述的基于声-振一体化的大型变压器运行状态感知系统，其特征在于：感知终端接收汇聚节点下发的命令后，首先对数据进行CRC16校验确保数据准确无误，其次根据报文中帧命令执行相应的操作，执行完将相应数据信息上传给网关。
4.根据权利要求2所述的基于声-振一体化的大型变压器运行状态感知系统，其特征在于：感知终端还配置有一感知终端软件，感知终端既要完成数据采集，也需通过LoRa网络上传和接收数据及命令，汇聚节点接收到集抄管理中心下发报文或采集节点上传报文数据时，也会对报文数据进行CRC校验确保数据准确无误，同时通过报文中命令，判断是服务器下发的报文还是感知终端上传的报文；如为下发报文，则通过设备号判断是自己还是对感知终端；如为上传报文，且对接收的数据CRC校验正确，则上传数据到服务器。
5.根据权利要求1所述的基于声-振一体化的大型变压器运行状态感知系统，其特征在于：感知层还包括一集控单元，集控单元实时、连续在线监测，采用工控机和多路采集卡。
6.根据权利要求1所述的基于声-振一体化的大型变压器运行状态感知系统，其特征在于：网络层采用LoRa通信方式，提高传感器通信可靠性和系统的智能化水平。
7.根据权利要求1所述的基于声-振一体化的大型变压器运行状态感知系统，其特征在于：诊断层布置于站端服务器，用于实时获取感知层发送的监测数据和初步分析结果。
8.根据权利要求1所述的基于声-振一体化的大型变压器运行状态感知系统，其特征在于：系统采用国密算法，采用2个原始密钥AppKey和NwkKey分别分散出AppSKey和NwkSkey，其分散算法如下：
AppSKey＝SM1_encrypt(AppKey,AppNonce|NetID|DevNonce|pad16)
NwkSKey＝SM1_encrypt(NwkKey,AppNonce|NetID|DevNonce|pad16)
其中：DevNonce是由终端产生的16位随机数，在每次会话建立请求消息中由终端发送给LoRa服务器和应用服务器，服务器会记录最近曾经使用过的DevNonce，如果会话建立请求消息中携带的DevNonce与以前的消息的随机数相同，则认为该消息为重放消息，不予处理；AppNonce为应用服务器产生的16位随机数，在每次会话建立接受消息中由应用服务器发送给终端；NetID为网络编号；pad16为填充位；2个随机数保证了AppSKey和NwkSKey的一次性和随机性，每次会话建立的AppSKey和NwkSKey都会改变，可以有效防止重放攻击并保障了原始密钥的机密性。
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