(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910521218.4
(22)申请日 2019.06.17
(71)申请人 北京许继电气有限公司
地址 100085 北京市海淀区上地信息产业
基地信息中路3号
申请人 国家电网有限公司
(72)发明人 胡钢中 刘念浩 吕志来 喻宜
周初南
(74)专利代理机构 北京立成智业专利代理事务
所(普通合伙) 11310
代理人 张江涵
(51)Int.Cl.
H02J 13/00(2006.01)
H04L 12/24(2006.01)
(54)发明名称基于边缘计算技术的GIS设备状态智能监控系统及方法(57)摘要一种基于边缘计算技术的GIS设备状态智能监控系统及方法，所述系统包括状态传感器终端、数据节点装置和智能监控中心，状态传感器终端将采集到的状态数据汇集到数据节点装置开展电力物联网边缘计算，并通过传输网路连接到智能监控中心；状态监测传感器终端用于实时数据采集相关状态参量，接受并执行有限的边缘计算任务；所述数据节点装置用于数据的汇集，接受并执行边缘计算任务；所述智能监控中心用于对GIS设备状态进行设备物联管理、智能评估分析及高级应用，并将优化的边缘计算算法模型和SG -CIM 数据模型配置到数据节点装置。本发明构建变电站的断路器GIS设备物联网系统，能提高设备状态评价诊断的自动化、信息化和智能化
水平。权利要求书3页 说明书9页 附图2页CN 110401262 A 2019.11.01
C N 110401262
A
1.基于边缘计算技术的GIS设备状态智能监控系统，其特征是包括状态传感器终端、数据节点装置和智能监控中心，状态传感器终端将采集到的状态数据汇集到数据节点装置开展电力物联网边缘计算，数据结点装置通过传输网路连接到智能监控中心；其中所述状态监测传感器终端用于通过传感器实时采集变电站断路器GIS设备运行的相关状态参量，接受并执行有限的采样频率和数据上传策略的边缘计算任务；所述数据节点装置包括汇聚节点装置和接入节点装置，每一断路器GIS为一节点，所述汇聚节点装置内置边缘物联代理模块，用于对其连接的传感器的数据汇集，接受并执行数据越限告警、数据趋势告警等简单边缘计算任务；所述接入节点装置内置边缘物联代理模块，用于将各级传感器和各节点设备的数据整体汇聚接入传输网络，接受并执行同步计算和复杂算法边缘计算任务；所述智能监控中心用于为变电站断路器GIS设备提供物联网管理、智能评估分析及运检业务高级应用，并将优化的边缘计算算法模型和SG-CIM数据模型配置到数据节点装置用于计算任务。
2.根据权利要求1所述的基于边缘计算技术的GIS设备状态智能监控系统，其特征是状态传感器终端包括：安装于断路器GIS设备的超声局放传感器单元、特高频局放传感器单元、SF6微水含量传感器单元、声响声纹传感器单元、开关分合闸电气特性传感器和设备机械特性传感器单元；所述设备状态传感器终端用于实时数据采集变电站断路器GIS设备运行状态的相关环境量、物理量、状态量和电气量的状态参量。
3.根据权利要求1所述的基于边缘计算技术的GIS设备状态智能监控系统，其特征是所述传输网络包括：现场传感器传输网络和电力传输网络；其中现场传感器传输网络包括无线传感网和有线传输网络，用于实现无线/有线传感器数据上传至网络节点、网络节点设备间的无线/有线组网以及节点设备对传感数据开展边缘计算；所述电力传输网络包括接入控制器和接入网关设备，基于电力网络提供数据传输通道。
4.根据权利要求1所述的基于边缘计算技术的GIS设备状态智能监控系统，其特征是智能监控中心具体包括：物联管理层、应用平台层和数据分析层；
所述物联管理层用于对物联网各类传感器及节点设备进行全域设备管理、协调和监控、以及边缘计算配置；支持MQTT、Modbus、OPC、BACnet、HTTP、TCP/IP主流通信协议方式连接各类传感器终端及节点设备，所述各类传感器终端及节点设备设有独立的设备ID；物联管理层还用于实现网络节点设备边缘计算算法和SG-CIM模型信息远程配置；
所述应用平台层用于管理数据模型、算法模型、各业务管理及高级应用系统，提供微服务的应用服务器软件；提供业务功能及大数据智能分析高级应用，执行大数据量并发计算任务，所述业务功能及高级应用包括以下至少一种：传感器设备数据管理和展示、监测数据展示、断路器GIS设备运行状态分析、大数据智能分析应用及统计报表、报警信息推送；
所述数据分析层用于提供存储数据库、外部数据接入共享平台，其中所述存储数据库包括以下至少一种：GIS设备信息的属性数据库、GIS设备图形信息数据库、依据基础数据构建的设备数字化模型库、存储设备状态在线监测数据的监测库；其中所述外部接入数据共享平台包含在线监测设备、通信设备、通信协议、通信规约、前置数据接收设备等共享内容，以及电网SG-CIM数据模型信息、电网PMS系统信息、设备缺陷信息、故障案例样本数据集、ERP资源信息、SCADA信息通过数据交换平台提供的数据集内容。
5.根据权利要求1所述的基于边缘计算技术的GIS设备状态智能监控系统，其特征是所述断路器GIS设备的状态传感器终端内置通讯模块和控制模块，其中通讯模块用于实现信
号采样、信号编码/解码、信号发射/接收的功能，通过基于低功耗蜂窝无线传感网、有线传感网络连接到汇聚节点设备；控制模块用于基于接受的边缘计算配置模型，执行有限的采样频率和数据上传策略的边缘计算任务。
6.根据权利要求1所述的基于边缘计算技术的GIS设备状态智能监控系统，其特征在于，所述汇聚节点装置采用基于低功耗微控制单元MCU的硬件架构，汇聚节点装置内置通讯模块和边缘物联代理模块，其中通讯模块实现信号发射/接收、信号编码/解码、及数据中继上传的功能；边缘物联代理模块基于接受的边缘计算配置模型，执行实现数据越限告警、数据趋势告警等简单边缘计算任务。
7.根据权利要求1所述的基于边缘计算技术的GIS设备状态智能监控系统，其特征是所述接入节点装置采用基于嵌入式系统的软硬件架构，接入节点装置内置通讯模块、边缘物联代理模块、及设备接入管理模块；其中通讯模块实现信号发射/接收、信号编码/解码、及数据上传的功能；边缘物联代理模块基于配置的计算算法、SG-CIM数据模型和数据的计算配置模型，通过配置边缘计算模型并就地运算，实现同步计算、复杂算法计算任务；设备接入管理模块实现整体接入区域设备管理，实现与传输网络层的链路连接。
8.根据权利要求1所述的基于边缘计算技术的GIS设备状态智能监控系统，其特征是所述智能监控中心将边缘计算算法配置到数据节点装置，具体流程包括：智能监控中心平台应用层部署数据算法模型模块，通过统一算法I/O接口，实现神经网络等算法模型模块标准化调用，支持边缘计算APP化就地搭载和远程配置。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的基于边缘计算技术的GIS设备状态智能监控系统进行监测分析的方法，其特征是包括以下步骤：
步骤1、完成状态传感器终端、数据节点装置、智能监控中心的边缘计算的参数设置和模型配置；状态传感器终端设置的参数包括采样频率和数据上传策略；汇聚节点装置配置参数包括状态参量预警阈值和简单算法模型数据集；接入节点装置配置参数包括状态偏移预警参量值、复杂算法模型数据集和SG-CIM数据模型数据集；智能监控中心配置复杂神经网络算法模型和SG-CIM数据模型数据集；
步骤2、状态传感器终端依据采样频率完成数据采集，基于数据上传策略将采集数据分别上传至数据汇聚节点装置、数据节点装置、及智能监控中心，完成数据存储任务；
步骤3、汇聚节点装置将状态传感器终端实时采集到的状态参量进行阈值判断，如异常将设备ID、阈值越限信息通过接入节点装置发送到远端的智能监控中心；智能监控中心通过接收到的设备ID、阈值越限信息获取该设备的操作次数履历、带电检测、停电试验、不良工况等数据以及同类同型设备信息，并发送到汇聚节点装置的边缘物联代理模块，边缘物联代理模块基于算法模型数据集进行综合分析，对设备缺陷严重程度和类型进行初步诊断，对于异常设备，主动推送数据越限告警、数据趋势告警等预警信息，并上传至远端的智能监控中心进行更为精确的诊断和分析；
步骤4、接入节点装置将状态传感器实时采集到的SF6微水含量、开关分合闸线圈电流幅值、超声局放幅值和相位等状态参量进行状态偏移异常判断，如异常将设备ID、状态量异常信息发送到远端的智能监控中心；智能监控中心通过接收到的设备ID、状态量异常信息获取断路器GIS设备信息、历史试验
数据及带电检测结果等信息以及同类同型设备信息，并发送到接入节点装置的边缘物联代理模块，边缘代理模块基于融合电网SG-CIM数据模型、
复杂算法模型数据集进行多源数据融合计算分析，与上述状态量计算分析结果进行历史数据纵向比较，各相设备和同类同型设备横向比较，进一步验证分析结果是否可靠合理，实现对断路器GIS缺陷的主动识别，对内部绝缘缺陷、开关机械缺陷等进行智能研判，对于异常状态每日生成分析报告，主动推送预警至设备运行人员，并上传至远端的智能监控中心进行更为精确的诊断和分析；
步骤5、智能监控中心根据接收到数据节点装置发送的异常设备ID和异常信息，结合设备历史负荷曲线、温度曲线状态、状态评估信息、及同类同型设备信息，依托基于机器学习、深度学习、神经网路等计算模型开展大数据分析，预测设备状态变化趋势；在融合电网SG-CIM数据模型信息、电网PMS系统信息、设备缺陷信息、及故障案例样本数据集的基础上，基于声纹识别、图像识别、设备状态大数据分析等智能分析技术，建立多个设备状态与缺陷之间的关联规则，生成精确的设备状态预告警信息、设备缺陷诊断分析报告、处理策略信息并主动推送设备运行人员；
步骤6、智能监控中心调整状态监控策略，优化神经网络算法模型和SG-CIM数据模型数据集，将阈值调整、状态量调整、边缘计算算法模型、SG-CIM模型数据集远程配置到数据节点装置。
基于边缘计算技术的GIS设备状态智能监控系统及方法
技术领域
[0001]本发明属于电力技术领域，涉及物联网及人工智能技术，为一种基于边缘计算技术 的GIS设备状态智能监控系统及方法。
背景技术
[0002]随着电力技术发展，需要充分应用“大、云、物、移、智”等信通新技术，实现与 新一代电力系统相互渗透和融合，实现电力系统各个环节万物互联、人机交互，打造状 态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的泛在电力物联网，全面承载并贯通电网生 产运行、经营管理、客户服务等业务，支撑能源互联网高效、经济、安全运行。
[0003]随着智能电网的建设发展，电网35KV以上变电站中大量使用气体绝缘组合电器设 备GIS设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、 母线、电缆终端、进出线套管等组合电气设备数量庞大，涉及众多厂家和众多型号，对 设备状态监测以及智能化运维提出了更高的要求。根据设备投运年限统计，断路器GIS 设备的大部分缺陷原因为产品质量不良，主要体现在SF6气体压力异常、断路器GIS设 备运行后6-10年内出现漏气故障发生较多、以及元器件损坏缺陷，多起加热器损坏缺 陷等，电网公司GIS设备断路器运行10年及以上的设备所占比重较大，对GIS设备运 行状态监测、缺陷隐患的监测及预警能力不强。亟需通过电力传感器、无线传感器、人 工智能、边
缘计算等技术，提高SF6气体泄露监测、断路器GIS设备的运行状态监控与 智能诊断水平。
发明内容
[0004]针对现有技术中对于野外变电站的断路器GIS设备的状态监控能力不足、大数据分 析应用滞后的问题，本发明提供一种有效且高效的基于边缘计算技术的GIS设备状态智 能监控系统及方法。
[0005]本发明的技术方案为：基于边缘计算技术的GIS设备状态智能监控系统，包括状态 传感器终端、数据节点装置和智能监控中心，状态传感器终端将采集到的状态数据汇集 到数据节点装置开展电力物联网边缘计算，数据结点装置通过传输网路连接到智能监控 中心；其中所述状态监测传感器终端用于通过传感器实时采集变电站断路器GIS设备运 行的相关状态参量，接受并执行有限的采样频率和数据上传策略的边缘计算任务；所述 数据节点装置包括汇聚节点装置和接入节点装置，每一断路器GIS为一节点，所述汇聚 节点装置内置边缘物联代理模块，用于对其连接的传感器的数据汇集，接受并执行数据 越限告警、数据趋势告警等简单边缘计算任务；所述接入节点装置内置边缘物联代理模 块，用于将各级传感器和各节点设备的数据整体汇聚接入传输网络，接受并执行同步计 算和复杂算法边缘计算任务；所述智能监控中心用于为变电站断路器GIS设备提供物联 网管理、智能评估分析及运检业务高级应用，并将优化的边缘计算算法模型和SG -CIM 数据模型配置到数据节点装置用于计算任务。
[0006]进一步的，状态传感器终端包括：安装于断路器GIS设备的超声局放传感器单元、
说 明 书1/9页CN 110401262 A
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