一种基于北斗授时和边缘计算的配电网过电压采集方法

1.本发明属于自动化领域，涉及一种基于北斗授时和边缘计算的配电网过电压采集方法。


背景技术：

2.配电网连接用户和输电网，起到将电能转换和消耗的作用。近些年来，随着国家经济建设快速发展，以及新能源、分布式电源的大量接入，电网形态越来越复杂，对供电可靠性的要求也越来越高。因此，配电网在防范化解供电风险，提高设备安全使用率等方面，承担的压力也越来越大。
3.现阶段，过电压采集主要通过工控机和采集卡来完成，并配合以太网进行数据交换，从而实现过电压的在线监测。在实时监测过程中，对某一变电站过电压的监测具有明显的效果。然而，当变电站发生过电压，在获取大规模的实测电压数据时，由于过电压发生的随机性，以及各个变电站监测系统难以做到时间同步；因此，很难获得变电站真实过电压的统计分布规律，无法为设备运行风险评估、绝缘配合等，提供数据支持。基于这一现实，当下需要一种大规模过电压数据获取方案，进而研究配电网电压特性和统计分布规律，以提高电网防范化解供电风险的能力。
4.当前对过电压的测量，常规做法主要有三种。一是，利用分压器进行测量，但分压器无法在电力系统中长期运行；二是，采用运行中容性设备，如套管或电流互感器的末屏进行测量；三是，利用电容式电压互感器进行测量。
5.三种方法各有利弊，在实践使用中，通过对其组合创新均能有效地采集配网过电压，但并不能获得大规模且高质量的实测过电压数据。
6.现有目前针对配电网过电压采集方案还存在以下问题及难点，(1)过电压采集设备在电网中分布广泛，各个模块独立运行，难以做到时间同步，无法准确获取故障时刻，相邻采集设备大规模的过电压数据；(2)对于采集的过电压信息，未做进一步分析；(3)对某些过电压情况，测量数据会出现幅值和波形的失真。
7.针对当下过电压采集系统无法获取大规模、高质量的实测过电压数据的问题，设计了一套实时采集、同步授时、并及数据滤波和波形分析与一体的配电网过电压采集方案。该方案基于北斗系统，通过lora技术与边缘计算的配合，实现过电压同步采集、现场处理和数据推送。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于北斗授时和边缘计算的配电网过电压采集方法。实现过电压大范围的同步采集；实现过电压数据的精确采集；对过电压类型进行实时分类及推送上报。
9.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.一种基于北斗授时和边缘计算的配电网过电压采集方法，该方法包括以下步骤：
11.s1：系统对电网过电压数据进行实时采集，并通过边缘计算就地分析过电压类型阶段；
12.s2：通过北斗授时技术，进行大规模过电压同步采集阶段；
13.s3：进行过电压类型分析；
14.s4：告警推送，大规模过电压数据上传阶段。
15.可选的，所述系统包括依次连接的太阳能电池板、太阳能控制器和负载模块；所述太阳能控制器连接有蓄电池组；
16.所述负载模块包括北斗卫星接收模块、温湿度采集模块、掉电保护模块、自守时模块、串口调试模块、lora通信模块、电源模块和stm32控制模块；
17.所述stm32控制模块分别与北斗卫星接收模块、温湿度采集模块、掉电保护模块、自守时模块、串口调试模块、lora通信模块和电源模块连接；
18.在北斗授时，供应电力给系统，设置初始充电、均衡充电和浮充三种工作状态；太阳能供电系统初次使用时，进入初始充电状态；正常工作时，使用均衡充电方案；当充电完成后，进行浮充；并对当蓄电池组荷电状态soc进行实时管理，当soc》0.9时，充电完成，进入浮充状态；当0.9soc0.2时，蓄电池组正常充电，进入均衡充电状态；当soc《0.2时，蓄电池进入缺电状态，此时断开负载，待蓄电池组恢复正常电量后投入负载；
19.北斗卫星接收模块，接收授时信号；温湿度模块采集当前温湿度数据，维持系统工作环境稳定；电源模块提供12v、5v、3.3v电压，以驱动各电路正常工作；
20.掉电保护模块用于存储系统关机前数据，使处理器不会因为掉电而失去数据；
21.自守时模块用于维持时间，当系统未接收到卫星信号时，依旧能保持系统正常工作；
22.lora通信模块用于过电压采集设备间的信息传递，发送和接收同步采集指令，上传数据。
23.可选的，所述电压同步采集阶段通过lora技术实现；系统采用星型组网模式。
24.可选的，所述边缘计算中，服务器接收到采集设备的过电压数据，与数据库现有过电压模型进行对比，判断边缘采集设备采集到的过电压信号，制定合适的处理方案，并对现存数据库模型进行更新学习；
25.当出现过电压数据时，综合事故点附近所有采集点的数据，总结成为一个归集并单，从而帮助调度人员安排抢修方案。
26.本发明的有益效果在于：改进现有的配电网过电压方案，能够满足配网大面积、高质量的过电压采集，建立更高效、更快速的过电压辅助与辅助决策模型。
27.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
28.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
29.图1为本发明流程图；
30.图2为本发明中系统功能结构图；
31.图3为负载电路结构连接图；
32.图4为边缘设备数据采集与分析结构图；
33.图5为数据分析流程图；
34.图6为终端工作流程图；
35.图7为本发明原理图。
具体实施方式
36.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
37.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
38.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。
39.如图1所示，本发明包括以下部分：
40.对电网过电压数据进行实时采集，并通过边缘计算就地分析过电压类型阶段；
41.通过北斗授时技术，进行大规模过电压同步采集阶段；
42.进行过电压类型分析；
43.告警推送，大规模过电压数据上传阶段。
44.1、基于北斗授时的过电压同步采集方式
45.(1)北斗授时
46.北斗应用已在电力系统的多个领域实现落地发展。首先是时间同步应用，北斗卫星导航系统的基本服务是授时系统，精度达到纳秒级别，反应足够迅速，且授时终端还具有双向授时的能力，能够实现长期处于运行状态的数据送达至监控管理系统中，保障设备正常运行的同时还可以实现检测。
47.考虑到过电压采集设备，通常处于光照良好、开阔的地方，本系统采用太阳能蓄电池作为电源，其供能结构，如图2所示。
48.系统的运行需要稳定的电力供应，故需要合理平衡供能模块的出力，设置初始充
电、均衡充电、浮充三种工作状态。太阳能供电系统初次使用时，进入初始充电状态；正常工作时，使用均衡充电方案；当充电完成后，进行浮充。并对当蓄电池组荷电状态(state ofcharge,soc) 进行实时管理，当soc》0.9时，充电完成，进入浮充状态；当0.9soc0.2时，蓄电池组正常充电，进入均衡充电状态；当soc《0.2时，蓄电池进入缺电状态，此时断开负载，待蓄电池组恢复正常电量后投入负载。
49.负载模块主要包括北斗信号接收模块、温湿度采集模块、掉电保护模块、自守时模块、串口调试模块、stm32控制模块等。其连接关系，如图3所示。
50.其中，北斗卫星接收模块，主要接收授时信号；温湿度模块主要采集当前温湿度数据，维持系统工作环境稳定；电源模块提供12v、5v、3.3v电压，以驱动各电路正常工作；掉电保护模块主要用于存储系统关机前数据，使处理器不会因为掉电而失去数据；自守时模块主要用于维持时间，当系统未接收到卫星信号时，依旧能保持系统正常工作；lora通信模块主要用于过电压采集设备间的信息传递，发送和接收同步采集指令，上传数据等。
51.(2)过电压同步采集
52.过电压同步采集，主要通过lora技术实现。lora技术主要特点是低功耗、低成本、组网灵活、接收灵敏度高、抗干扰能力强，非常适合远距离、大量连接等物联网场景。
53.目前lora组网模式，主要分为星型结构和mesh结构；考虑到过电压大规模采集时，数量多、工作量大、巡检不方便的特点，该系统采用星型组网模式。
54.当电力系统出现大规模过电压时，采集系统对实时监测要求较高，采用lora技术可以完成数据的实时监测、无线传输等问题。同时，结合4g/5g网络、电力数据网等通信系统，完成物联网终端与网络间的信息交换。
55.2、基于边缘计算的过电压处理策略
56.(1)边缘设备数据采集与分析模块设计
57.边缘计算是指在网络边缘执行计算的一种新型计算模式，其目是在网络边缘侧实现更高效的智能，缓解中心计算的压力，提供更直接的数据处理方案。
58.目前，过电压采集技术大都通过采集装置实时采集并上传给相关终端，无法实现大面积集中采集，数据实时处理。本系统基于边缘计算，设计了一种大规模、实时处理的过电压采集方案，其结构框图如图4所示。
59.边缘设备数据采集主要承担过电压的采集、分析以及无线传输功能。采集模块通过cpld 控制电路、a/d转换等，实现过电压的采集与存储；数据分析模块是基于边缘计算的过电压处理策略的核心，该模块将采集数据，进行滤波、分析并提取电压特征量，初步判定电压状态，过电压是否产生、产生何种类型过电压等，其数据分析流程，如图5所示。
60.数据分析模块以hht变换为基础，提取过电压特征量，通过与各类过电压特征数据对比，确定当前过电压种类，并通过无线通信模块，将处理后的数据上传，从而缓解中心服务器压力。当过电压产生时，无线通信模块也可向其他采集模块发送集中采集指令，从而实现过电压数据高规模采集。
61.(2)智能分析与辅助决策
62.服务器接收到采集设备的过电压数据，与数据库现有过电压模型进行对比，进一步判断边缘采集设备采集到的过电压信号，制定合适的处理方案，并对现存数据库模型进行更新学习。其工作流程如图6所示。
63.当出现较严重的过电压数据时，综合事故点附近所有采集点的数据，总结成为一个归集并单，从而帮助调度人员有效的安排抢修方案，实现工作效率的有效提升。配电网过电压归集并单方案是依据过电压类型研判的相应规则以及配电网供电路径的拓扑形成的，它自身能够实现对过电压信息的自动合并与收集，从而及时有效的反映过电压信息。依据工作人员的需求，将不同状态下的节点做出分析总结，并电压波形进行记录，并在系统中自行对这些信息作出分析，将具体的发生时间和波形变化情况等进行集中。并在必要时，进行告警。
64.如图7所示，基于上述北斗授时和边缘计算的配电网过电压采集方法，首先通过北斗授时同步时间信息，然后基于lora技术和边缘计算。
65.(1)发送大规模同步采集指令，以采集大规模、高质量过电压数据；
66.(2)对数据进行优化分析，根据上传信息对过电压类型、事故等级、处理方案进行归集并单；
67.(3)以过电压类型以及其他重要的过电压信息作为输入，通过机器学习构建的辅助决策模型进行分析。最后输出辅助决策方案。
68.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。