一种配电变压器状态监测数据采集处理方法及系统

技术领域

本发明涉及配电变压器运行监测领域，具体是一种配电变压器状态监测数据采集处理方法及系统。

背景技术

配电变压器是配电网重要的设备之一，在线监测配电变压器运行状态是保证配用电系统安全可靠运行的一项基础工作。

配电变压器是用户电能的来源，其的安全稳定运行关系着电力用户的可靠、持续用电，变压器一旦发生故障，轻则出现断电故障，造成生产中止，为人们的生产生活带来不便，重则引起连锁反应，危害电力网其他方面，造成大面积断电现象，造成大量的经济损失；因此，电力企业应加强变压器的运维管理，及时解决变压器的异常措施，提高变压器运行的可靠性，保障变压器的健康运行；在对配对变压器进行维护和监测时，一般需要操作人员定期巡检，发现问题时，及时上报和维护。

由于现有技术中，在对配电变压器进行检测时，需要操作人员进行巡检以及人工进行定期检查，导致配电变压器的运维费时费力，检测质量受人为因素影响难以保证，因此传统的配电变压器的运维工作迫切需要有效可行的异常检测方法。

因此，针对上述问题提出一种配电变压器状态监测数据采集处理方法及系统。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，解决上述至少一个问题，本发明提出的一种配电变压器状态监测数据采集处理方法及系统。

一种配电变压器状态监测数据采集处理方法，该处理方法包括以下步骤：

S1：采集配电变压器的运行状态数据，并经网络传递至终端；

S2：利用终端接收配电变压器的运行状态数据并设定阈值；

S3：比对所述运行状态数据与阈值；

S4：基于比对结果，由终端网络控制报警器报警；

S5：记录终端接收的数据及报警信息，并上传至云平台作为记录。

优选的，所述S1中，采集的数据包括利用传感器单元所采集的配电变压器状态量，所述配电变压器状态量来源于配电变压器运行状态监测的数据，其种类包括：高压A/B/C三相接线温度；低压a/b/c三相接线温度；低压a/b/c三相电流；铁芯接地电流；设备本体振动；设备本体温度；局部放电；环境温湿度。

一种配电变压器状态监测数据采集处理系统，应用于权利要求1-2所述的任一数据采集处理方法，其特征在于：所述传感器单元包括：接触式温度传感器，应用于监测高压A/B/C三相接线温度；接触式温度传感器，应用于监测低压a/b/c三相接线温度；电流传感器，应用于监测低压a/b/c三相电流；电流传感器，应用于监测铁芯接地电流；加速度传感器，应用于检测设备本体振动；可见光-红外测温传感器，应用于监测设备本体温度；超声波信号传感器，应用于监测局部放电情况；温湿度传感器，应用于监测环境温湿度。

优选的，所述终端与所述报警器经网络连接；所述终端包括感知单元实体、工作电源以及智能感知单元，且所述智能感知单元包括数据采集模块以及处理系统软件。

优选的，所述感知单元实体具备1路无线公网、无线专网远程通信接口中的一种；所述感知单元实体还具备4个RS-485以及1个电力线载波通信接口；所述感知单元实体还具备2路以太网，作为终端远程通信接口及本地通信接口；所述感知单元实体还具备北斗功能模块，用于本地地理位置信息的采集和对时。

优选的，所述工作电源使用交流三相四线制供电，额定电压：AC220V/380V，50Hz；允许偏差：-20％～+20％；整机功耗：<20VA。

优选的，所述数据采集和处理系统软件包括主控调度模块、感知数据采集模块、智能数据处理模块、通信模块以及配置处理模块。

优选的，所述主控调度模块用于调度感知数据采集模块、智能数据处理模块、通信模块以及配置处理模块的运行；所述感知数据采集模块通过与步骤S1中的传感器通信获取配电感知数据，采用多线程技术实现多通道状态感知数据的采集，保证各通道的实时性，同时不同感知数据设置为不同采集频度。

优选的，所述智能数据处理模块，用于对采集的数据进行融合、统计、分析计算，得到配电变压器设备运行状态的各种状态参量，并对采集的状态参量即报警信息储存和利用通信模块上传至云平台。

优选的，所述通信模块通过网络实现与云平台的通信，上传配电变压器设备运行状态的各种状态参量，并接收云平台的指令。

本发明的有益之处在于：

本发明中，在经传感器将配电变压器上的实时监测的运行状态量数据通过网络传递至终端时，终端可提前输入各运行状态量的阈值，在终端接收状态量数据后，对接收到的各个数据与其对应的阈值进行比对，若是接收到的状态量数据大于等于阈值，则会通过网络控制对应的报警器报警，并记录接收到的配电变压器运行状态量数据以及报警信息，有利于运维人员及时发现配电变压器运行中存在的安全隐患，若是接收到的状态量数据小于阈值，则将接收到的配电变压器运行状态量直接实时上传至云平台进行记录即可。

本发明采用超声波信号传感器、可见光-红外温度传感器、电流传感器、振动传感器、温度传感器和湿度传感器这六类传感器，实现配电变压器监测状态数据的实时采集，采用智能感知单元对采集数据进行存储、处理和传输，智能感知单元能够根据具体设备监测参量灵活配置，支持多种状态监测参量，包括模拟量、数字量、开关量的测量、存储与边缘计算处理和传输；同时，本发明提供的方案能够实时、准确、全面的采集配电变压器的运行状态信息，为准确分析评判配电变压器健康状态打下基础。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一种实施例的流程图；

图2是本发明中配电变压器状态感知数据采集逻辑设备配置与接线示意图；

图3是本发明中配电变压器智能感知数据获取框图；

图4是本发明中配电设备智能感知单元功能模块框图；

图5是本发明中MQTT通信交互机制图；

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图5所示，一种配电变压器状态监测数据采集处理方法，该处理方法包括以下步骤：

S1：采集配电变压器的运行状态数据，并经网络传递至终端；

S2：利用终端接收配电变压器的运行状态数据并设定阈值；

S3：比对所述运行状态数据与阈值；

S4：基于比对结果，由终端网络控制报警器报警；

S5：记录终端接收的数据及报警信息，并上传至云平台作为记录。

具体的，在经传感器将配电变压器上的实时监测的运行状态量数据通过网络传递至终端时，终端可提前输入各运行状态量的阈值，在终端接收状态量数据后，对接收到的各个数据与其对应的阈值进行比对，若是接收到的状态量数据大于等于阈值，则会通过网络控制对应的报警器报警，并记录接收到的配电变压器运行状态量数据以及报警信息，有利于运维人员及时发现配电变压器运行中存在的安全隐患，若是接收到的状态量数据小于阈值，则将接收到的配电变压器运行状态量直接实时上传至云平台进行记录即可。

作为本发明的一种实施方式，所述S1中，采集的数据包括利用传感器单元所采集的配电变压器状态量，所述配电变压器状态量来源于配电变压器运行状态监测的数据，其种类包括：高压A/B/C三相接线温度，设置3个测点；低压a/b/c三相接线温度，设置3个测点；低压a/b/c三相电流，设置3个测点；铁芯接地电流，设置1个测点；设备本体振动，设置1个测点；设备本体温度，设置1个测点；局部放电，设置1个测点；环境温湿度，设置1个测点。

一种配电变压器状态监测数据采集处理系统，应用于权利要求1-2所述的任一数据采集处理方法，其特征在于：所述传感器单元包括：接触式温度传感器，应用于监测高压A/B/C三相接线温度，设置3个；接触式温度传感器，应用于监测低压a/b/c三相接线温度，设置3个；电流传感器，应用于监测低压a/b/c三相电流，设置3个；电流传感器，应用于监测铁芯接地电流，设置1个；加速度传感器，应用于检测设备本体振动，设置1个；可见光-红外测温传感器，应用于监测设备本体温度，设置1个；超声波信号传感器，应用于监测局部放电情况，设置1个；温湿度传感器，应用于监测环境温湿度，设置1个；

作为本发明的一种实施方式，所述终端与所述报警器经网络连接；所述终端包括感知单元实体、工作电源以及智能感知单元，且所述智能感知单元包括数据采集模块以及处理系统软件。

其中，各类传感器用于实时采集配电变压器状态原始数据，通过有线或是无线的方式将数据传送至智能感知单元；

智能感知单元对数据进行加工，得到表征设备运行状态的感知数据；

通过网络，智能感知单元将感知数据传送至云平台，同时，数据传输采用MQTT协议，智能感知单元作为信息的发布者；

考虑变压器在线监测需求和实际情况，本实施例配置传感器厂家与型号如下表所示：

表1配电变压器逻辑设备配置列表

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本实施例中所采用的温度传感器和温湿度传感器采样间隔为6分钟；电流传感器采样间隔为4分钟；局放传感器采样间隔为10分钟；振动传感器采样频率为1000Hz，采样时间为0.1秒，采样间隔为6分钟。

作为本发明的一种实施方式，所述感知单元实体具备1路无线公网、无线专网远程通信接口中的一种；所述感知单元实体还具备4个RS-485以及1个电力线载波通信接口；所述感知单元实体还具备2路以太网，作为终端远程通信接口及本地通信接口；所述感知单元实体还具备北斗功能模块，用于本地地理位置信息的采集和对时。

本实施例中使用的智能感知单元主控板基于“国网芯”SCM701主控芯片设计，采用Cortex-A7架构的单芯4核处理器、主频最高可达1.2GHz，外围集成2GB DDR3和4GB FLASH存储器，同时采用枢纽OS为智能终端提供基础的软硬件平台。

智能融合终端对外接口如下：终端远程通信接口：终端具备1路无线公网或无线专网远程通信接口；终端本地通信接口：终端具备4个RS-485以及1个电力线载波通信接口；终端具备2路以太网，既可作终端远程通信接口，也可作为本地通信接口；终端具备4路开关量输入接口，采用无源节点输入；终端具备蓝牙无线传输功能；终端具备北斗功能，用于本地地理位置信息采集和对时，北斗模块内置在终端，即配电变压器内部，独立于远程通信模块和本地通信模块，不受远程通信模块和本地通信模块升级、维护等带来的影响。

智能感知单元的操作系统提供容器管理技术，虚拟的独立运行环境，能够通过对终端部分物理资源(CPU、内存、磁盘、网络资源等)的划分和隔离，屏蔽本容器中应用软件与其他容器或操作系统的相互影响。运行在容器中的软件，可单独快速开发、自由扩展。操作系统平台为边缘计算终端研发的系统级平台，配电设备智能感知硬件产品的研发系统为Linux3.10。其中操作系统核心技术指标如下：系统版本：OS_V04.025；操作系统内核(kernel)：Linux3.10.108；容器技术：Docker version 18.09.6；镜像文件大小：1.05G；支持的通信协议：TCP/IP、HTTPS、MQTT；支持的容器个数：≥5；单容器多APP：支持；系统软件升级：支持；大支持flash：7.62GB；最大支持DDR：4GB；多核CPU：支持；内置MQTT Broker：mosquitto version 1.4.8，mosquitto is an MQTT v3.1 broker；内置SQLite数据库：版本3.11.0。

作为本发明的一种实施方式，所述工作电源使用交流三相四线制供电，额定电压：AC220V/380V，50Hz；允许偏差：-20％～+20％；整机功耗：<20VA；

具体的，感知单元使用交流三相四线制供电，在系统故障(三相四线供电时任断二相电)时，交流电源可供终端正常工作。其中电源技术参数如下：额定电压：AC220V/380V，50Hz；允许偏差：-20％～+20％；满足终端上电、断电、电源电压缓慢上升或缓慢下降过程中，均不应误动或误发信号的要求，且当电源恢复正常后自动恢复正常运行；满足电源恢复后保存数据不丢失，内部时钟正常运行；满足电源由非有效接地系统或中性点不接地系统的三相四线配电网供电时，在接地故障及相对地产生10％过电压的情况下，没有接地的两相对地电压将会达到1.9倍的标称电压，维持4小时，终端不出现损坏。供电恢复正常后终端正常工作，保存数据无改变；整机功耗：<20VA。终端采用超级电容作为后备电源，并集成于终端内部。当终端主电源故障时，超级电容能自动无缝切入，并维持终端正常工作至少3分钟，具备三次上报数据至主站的能力；失去工作电源，终端保存各项设置值和记录数据不少于1年；超级电容免维护时间不少于8年。

作为本发明的一种实施方式，所述数据采集和处理系统软件包括主控调度模块、感知数据采集模块、智能数据处理模块、通信模块以及配置处理模块；

具体的，智能感知单元基于嵌入式系统开发，操作系统为Linux系统，开发采用C++语言，基于面向对象技术设计，保证了系统运行效率，经过长期的运行测试，系统运行安全稳定。

作为本发明的一种实施方式，所述主控调度模块用于调度感知数据采集模块、智能数据处理模块、通信模块以及配置处理模块的运行；所述感知数据采集模块通过与步骤S1中的传感器通信获取配电感知数据，采用多线程技术实现多通道状态感知数据的采集，保证各通道的实时性，同时不同感知数据设置为不同采集频度；模块支持485/232、以太网等多种通信方式，支持Modbus等通信规约。

作为本发明的一种实施方式，所述智能数据处理模块，用于对采集的数据进行融合、统计、分析计算，得到配电变压器设备运行状态的各种状态参量，并对采集的状态参量即报警信息储存和利用通信模块上传至云平台；具体的，按照参量类型可分为遥测、遥信、计算类型(自定义计算公式)和其他类型(二进制、字符串等)，实现状态参量的本地存储及为通信模块提供上报数据。

作为本发明的一种实施方式，所述通信模块通过网络实现与云平台的通信，上传配电变压器设备运行状态的各种状态参量，并接收云平台的指令；该模块与云平台通信使用TCP连接，应用MQTT协议，保证了通信的可靠性和安全性。此外，智能感知单元还包括本地数据库设计，本地数据库存储各传感器历史通信报文及各状态参量的历史数据。存储量根据系统参数设置。数据库各表定义为：

表2SensorMessageRecord(传感器报文历史记录)

表3YC_HIS(遥测数据历史记录)

表4YX_HIS(遥信数据历史记录)

表5CALC_HIS(CALC数据历史记录)

表6OTHER_HIS(OTHER数据历史记录)

关于通信协议的设计：

1)体系架构

配电设备智能感知单元APP通过MQTT与云主站通信。MQTT采用发布/订阅机制完成信息交互，实现一对多消息分发，图4为交互机制示意图。

在信息交互过程中，MQTT协议将参与方划分为三种身份，分别是：发布者、代理和订阅者。

MQTT发布者发布应用消息给其它相关的客户端。

MQTT订阅者订阅以请求接收相关的应用消息，取消订阅以移除接收应用消息的客户端。

MQTT代理(MQTT-Broker)MQTT代理的主要作用就是接收来自客户端的网络连接，接收客户端发布的应用消息，处理客户端的订阅和取消订阅请求，转发应用消息给符合条件的客户端订阅等。

其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息的代理是服务器端。

MQTT客户端MQTT客户端定义为使用MQTT协议的设备或应用程序，它具备以下功能：发布其他客户端可能会订阅的信息；订阅其它客户端发布的消息；退订或删除应用程序的消息；断开与服务器端的连接；

MQTT服务器端MQTT服务器端定义为位于客户端之间，处理客户端请求，并转发客户端消息的设备或应用程序，它具备以下功能：接受来自客户端的网络连接；接受客户端发布的应用信息；处理来自客户端的订阅和退订请求；向订阅的客户端转发应用程序消息；

2)MQTT消息体

MQTT传输的消息体可分为两部分，分别为：主题和消息载荷。主题即消息的类型，订阅者订阅后，就会收到该主题的消息载荷；消息载荷即消息的内容，是指订阅者具体要使用的数据。

3)MQTT协议应用

1、云主站与智能感知单元APP通信的MQTT协议使用版本号：3.1.1。

2、云主站与智能感知单元APP通信的QoS采用0(最多一次)。

注：MQTT提供三种等级的QoS服务质量：

0：“最多一次”，操作环境所能提供的最大努力分发消息。消息可能会丢失。1：“至少一次”，保证消息可以到达，但是可能会重复。2：“仅一次”，保证消息只到达一次。

3、部署原则：

a.MQTT broker部署在云主站服务器，端口号为1883；

b.智能感知单元APP作为MQTT的客户端，通过与MQTT broker连接，通过发布消息、订阅消息实现与主站应用通信；

c.主站应用作为MQTT的客户端，通过与MQTT broker连接，通过发布消息、订阅消息实现与智能感知单元APP通信。

4)客户端与服务器端连接

服务器端创建用户，设置口令分配给客户端。客户端根据用户名、口令连接服务器。

表7MQTT协议主题

本发明中，在经传感器将配电变压器上的实时监测的运行状态量数据通过网络传递至终端时，终端可提前输入各运行状态量的阈值，在终端接收状态量数据后，对接收到的各个数据与其对应的阈值进行比对，若是接收到的状态量数据大于等于阈值，则会通过网络控制对应的报警器报警，并记录接收到的配电变压器运行状态量数据以及报警信息，有利于运维人员及时发现配电变压器运行中存在的安全隐患，若是接收到的状态量数据小于阈值，则将接收到的配电变压器运行状态量直接实时上传至云平台进行记录即可。

本发明采用超声波信号传感器、可见光-红外温度传感器、电流传感器、振动传感器、温度传感器和湿度传感器这六类传感器，实现配电变压器监测状态数据的实时采集，采用智能感知单元对采集数据进行存储、处理和传输，智能感知单元能够根据具体设备监测参量灵活配置，支持多种状态监测参量，包括模拟量、数字量、开关量的测量、存储与边缘计算处理和传输；同时，本发明提供的方案能够实时、准确、全面的采集配电变压器的运行状态信息，为准确分析评判配电变压器健康状态打下基础。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。