CN112332543A - 一种配电台区末端数据采集装置及方法 - Google Patents

一种配电台区末端数据采集装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种配电台区末端数据采集装置，与远程计算中心通信连接，包括：传感器单元、供电单元、控制单元以及通讯单元，所述传感器单元采用双通道数据上传方式，分别采集电气量以及非电气量数据，据根据控制单元设定的数据传输方案上传至控制单元；所述供电单元根据控制单元的数据传输方案为传感器单元供电；所述控制单元接收传感器单元上传的数据，根据能量供应以及网络信道分配设定数据传输方案，实现不同类型计算任务的隔离并行处理；本发明还提出了一种配电台区末端数据采集方法，有效满足配变台区海量数据高效、快速、精准的处理需求，可以实现故障的初步判断，保证配电台区的安全稳定运行。

Description

一种配电台区末端数据采集装置及方法
技术领域
本发明涉及配电台区数据采集领域，尤其是涉及一种配电台区末端数据采集装置及方法。
背景技术
配电台区是供电的基本单元，也是供电***中面向电力用户的最后一个环节，因此配电台区的监控管理水平直接决定着用户供电质量和供电可靠性。随着冷、热、气、氢等综合能源和储能、电动汽车充电桩、分布式光伏及用户侧设备等接入配电台区，导致配电网结构趋于复杂多样化，使得传统的数据采集方法无法满足现阶段配电台区的数据采集需求。
传统配电台区的数据采集仅对电压、电流、开关状态等数据进行采集，无法对采集节点的温度、声信号等非电气环境量数据进行采集。
采集后的数据直接上传至远程计算中心进行分析处理后做出智能判断与行动决策，无法满足配变台区海量数据高效、快速、精准的处理需求，而且只能等待远程计算中心的数据处理结果，无法实现故障的初步判断，不利于保证配电台区的安全稳定运行。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，创新提出了一种配电台区末端数据采集装置及方法，有效解决由于传感器数据采集仅为单通道上传导致非电气量数据无法采集的问题，有效满足配变台区海量数据高效、快速、精准的处理需求，可以实现故障的初步判断，保证配电台区的安全稳定运行。
本发明第一方面提供了一种配电台区末端数据采集装置，与远程计算中心通信连接，包括：传感器单元、供电单元、控制单元以及通讯单元，所述传感器单元采用双通道数据上传方式，分别采集电气量以及非电气量数据，并将采集的电气量以及非电气量数据根据控制单元设定的数据传输方案上传至控制单元；所述供电单元的供电输出端与传感器单元的供电输入端连接，用于根据控制单元的数据传输方案为传感器单元供电；所述控制单元接收传感器单元上传的数据，根据能量供应以及网络信道分配设定数据传输方案，并针对不同类型的计算任务进行隔离，实现不同类型计算任务的并行处理；所述控制单元通过通讯单元与远程计算中心通信连接。
可选地，传感器单元采用双通道数据上传方式，分别采集电气量以及非电气量数据，并将采集的电气量以及非电气量数据根据控制单元设定的数据传输方案上传至控制单元具体是：传感器单元将第一通道采集的电气量数据直接上传至控制单元；传感器单元将第二通道采集的非电气量数据进行数据压缩后，根据控制单元设定的数据传输方案上传至控制单元。
可选地，传感器单元包括电气量传感器模块以及非电气量传感器模块，所述电气量传感器模块中的传感器用于采集配电区末端电力设备的电气量数据，所述非电气量传感器模块中的传感器用于采集配电区末端电气设备的非电气量数据。
进一步地，所述供电单元中包括若干供电模块，每个供电模块用于对传感器单元中对应的一传感器进行供电。
进一步地，所述供电模块包括无源取能子模块以及电池，无源取能子模块包括射频能量收集电路、振动能量收集电路以及电容，所述射频能量收集电路用于收集射频能量，并将收集的射频能量转换为电能储存到电容中；所述振动能量收集电路用于收集振动能量，并将收集的振动能量转换为电能储存到电容中；所述电容以及电池共同为对应的传感器供电。
可选地，根据能量供应以及网络信道分配设定数据传输方案具体包括：
获取供电模块的能量供应信息以及传感器的网络信道传输状态；
建立网络信道分配公式：
Figure BDA0002763051230000031
,
其中，n为第n个传感器或供电模块，Bn(t)为传感器n所分配的最优网络信道；N为传感器个数，m为传感器n中某网络信道，M为传感器n中网络信道的个数；Qnm(t)为t时刻第n个传感器中第m网络信道数据队列、En(t)为供电模块n中无源取能部分电量动态队列；Rnm(t)为t时刻第n个传感器中第m网络信道数据队列Qnm(t)的离开速率；ρn为供电模块n的扰动变量，用于保证供电模块n为传感器n的数据传输提供能量；
Figure BDA0002763051230000032
为传感器n的静态功耗；Δn为传感器n的功耗与传输功率的相关性系数；xnm(t)为t时刻第n个传感器中第m网络信道分配指示变量；pnm(t)为t时刻第n个传感器中第m网络信道的最优传输功率；
Figure BDA0002763051230000033
为传感器n在网络信道m上的最大传输功率；
网络信道分配的约束条件为：
Figure BDA0002763051230000041
Figure BDA0002763051230000042
为传感器n在网络信道m上的最大传输功率；
根据拉格朗日算法以及约束条件求解网络信道分配公式，获得传感器的网络信道分配方案；
建立传感器供电方案公式：
Ln(t)＝min(En(t)-ρn)Dn(t)+(En(t)-ρn)Cn(t)，其中，Cn(t)为供电模块n中无源取能子模块在时刻t的充电量；Ln(t)为传感器n的供电方案；Dn(t)供电模块n中电池部分的能耗；
传感器供电方案的约束条件为：
Figure BDA0002763051230000043
Fn(t)为供电模块n中无源取能子模块在时刻t的放电量，μ为供电模块n的损耗系数；
Figure BDA0002763051230000044
为供电模块n中无源取能子模块电量的最大值；
根据传感器供电方案的约束条件，如果供电模块中无源取能子模块的能量大于第一阈值，确定传感器第一供电方案；如果供电模块中无源取能子模块的能量大于第二阈值且小于第一阈值，确定传感器第二供电方案；如果供电模块中无源取能子模块的能量小于第二阈值，确定传感器第三供电方案。
可选地，传感器单元将第二通道采集的非电气量数据进行数据压缩具体是：
建立数据压缩公式：
Figure BDA0002763051230000051
其中，X为待压缩的信号，U0为扩展系数，δ为扩展函数，
Figure BDA0002763051230000052
为小波函数，L为小波变换的层数，i为尺度，j为偏移，Vi,j为小波系数；
根据数据压缩公式对原有数据进行小波变换；经过小波变换后，原始数据被分解成低频小波系数和各级高频小波系数，对原始数据经过小波变换的高频系数采用压缩感知算法进行数据压缩；
对原始数据经过小波变换的低频系数进一步分为基信号和非基信号，对基信号部分进行直接传输，对非基信号转换为基信号进行传输；其中，基信号为传输数据大于第三阈值的信号，非基信号为传输数据小于第三阈值的信号。
进一步地，控制单元接收到传感器压缩后的非电气量数据后，进行解压缩，具体是：
对压缩后的数据中的高频系数进行重构，对重构的高频系数和原始的低频系数进行小波反变换，得到原始的非电气量数据。
可选地，还包括GPS信号接收单元，所述GPS信号接收单元接收GPS信号，并将GPS信号转换为时钟信号发送给控制单元，控制单元根据时钟信号控制传感器单元进行同步采集。
本发明第二方面提供了一种配电台区末端数据采集方法，基于本发明第一方面所述的配电台区末端数据采集装置的基础上实现的，包括：
控制单元根据能量供应以及网络信道分配设定数据传输方案；
供电单元根据控制单元的数据传输方案为传感器单元供电；
传感器单元采用双通道数据上传方式，将采集的电气量以及非电气量数据根据控制单元设定的数据传输方案上传至控制单元；
控制单元接收传感器单元上传的数据，针对不同类型的计算任务进行隔离，实现不同类型计算任务的并行处理，通过通讯单元与远程计算中心通信连接，将控制单元的数据发送至远程计算中心。
本发明采用的技术方案包括以下技术效果：
1、本发明传感器单元采用双通道数据上传方式，一通道传输电气量数据，另一通道传输温度、声信号等非电气量数据，有效解决由于传感器数据采集仅为单通道上传导致非电气量数据无法采集的问题，有效满足配变台区海量数据高效、快速、精准的处理需求，可以实现故障的初步判断，保证配电台区的安全稳定运行。
2、本发明传感器在传输非电气量数据时，先进行数据压缩，便于提高数据传输速度，降低数据存储空间。
3、本发明技术方案中供电单元包括若干的供电模块，每个供电模块与传感器一一对应，保证了传感器数据传输的电源供应，而且供电包括中不仅包括电池，还包括无源取能子模块，通过无源取能子模块以及电池的配合，共同为传感器的数据传输提供充足电源供应，而且，避免了单一电池形式造成传感器使用寿命不高的问题。
4、本发明技术方案中无源取能子模块中包括射频能量收集电路以及振动能量收集电路，一方面降低了对电池的依赖，另一方面提高了能量的利用效率。
5、本发明技术方案中还包括GPS信号接收单元，GPS信号接收单元接收GPS信号，并将GPS信号转换为时钟信号发送给控制单元，控制单元根据时钟信号控制传感器单元进行同步采集，保证了传感器采集的同步性。
应当理解的是以上的一般描述以及后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚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介绍，显而易见的，对于本领域普通技术人员而言，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为本发明方案中实施例一装置的结构示意图；
图2为本发明方案中实施例一供电模块的结构示意图；
图3为本发明方案中实施例一射频能量收集电路中组合天线的结构示意图；
图4为本发明方案中实施例一中控制模块对接收数据处理的流程示意图；
图5为本发明方案中实施例二中方法的流程示意图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种配电台区末端数据采集装置，与远程计算中心5通信连接，包括：传感器单元1、供电单元2、控制单元3以及通讯单元4，传感器单元1采用双通道数据上传方式，分别采集电气量以及非电气量数据，并将采集的电气量以及非电气量数据根据控制单元3设定的数据传输方案上传至控制单元3；供电单元2的供电输出端与传感器单元1的供电输入端连接，用于根据控制单元3的数据传输方案为传感器单元1供电；控制单元3接收传感器单元1上传的数据，根据能量供应以及网络信道分配设定数据传输方案，并针对不同类型的计算任务进行隔离，实现不同类型计算任务的并行处理；控制单元3通过通讯单元4与远程计算中心5通信连接。
其中，传感器单元1采用双通道数据上传方式，分别采集电气量以及非电气量数据，并将采集的电气量以及非电气量数据根据控制单元3设定的数据传输方案上传至控制单元3具体是：传感器单元1将第一通道采集的电气量数据直接上传至控制单元3；传感器单元1将第二通道采集的非电气量数据进行数据压缩后，根据控制单元3设定的数据传输方案上传至控制单元3。电气量数据包括电压、电流等数据，非电气量数据包括声信号、温度、支路开关状态等。
传感器单元1包括电气量传感器模块11以及非电气量传感器模块12，电气量传感器模块11中的传感器用于采集配电区末端电力设备的电气量数据，非电气量传感器模块12中的传感器用于采集配电区末端电气设备的非电气量数据。传感器可以是无线传感器，通过无线网络将数据上传至控制单元3中。
传感器单元将第二通道采集的非电气量数据进行数据压缩具体是：
建立数据压缩公式：
Figure BDA0002763051230000091
其中，X为待压缩的信号，U0为扩展系数，δ为扩展函数，
Figure BDA0002763051230000092
为小波函数，L为小波变换的层数，i为尺度，j为偏移，Vi,j为小波系数；
根据数据压缩公式对原有数据进行小波变换；经过小波变换后，原始数据被分解成低频小波系数和各级高频小波系数，对原始数据经过小波变换的高频系数采用压缩感知算法进行数据压缩；
对原始数据经过小波变换的低频系数进一步分为基信号和非基信号，对基信号部分进行直接传输，对非基信号转换为基信号进行传输；其中，基信号为传输数据大于第三阈值的信号，非基信号为传输数据小于第三阈值的信号。对非基信号转换为基信号具体可以是：将非基信号部分用与非基信号相关性最强(采用最小二乘法计算基信号和非基信号的差值，差值最小为相关性最强)的基信号来近似线性回归表示，将非基信号对应的用近似线性回归表示的基信号传输至控制单元3，并采用公式
Figure BDA0002763051230000101
计算误差门限es，减少非基信号的近似回归误差率，其中，s(Z)表示非基信号理论值，Ymax表示非基信号采样数据Y的最大值，Ymin表示非基信号采样数据Y的最小值，
Figure BDA0002763051230000102
是非基信号采样数据Y的规范化，
Figure BDA0002763051230000103
通过公式
Figure BDA0002763051230000104
计算的误差门限es为规范化误差，规范误差可以防止幅度较小的误差被幅度较大的误差淹没，减少非基信号的近似回归误差率。
供电单元2中包括若干供电模块21，每个供电模块21用于对传感器单元1中对应的一传感器进行供电。
如图2所示，供电模块21包括无源取能子模块211以及电池212，无源取能子模块211包括射频能量收集电路2111、振动能量收集电路2112以及电容2113，射频能量收集电路2111用于收集射频能量，并将收集的射频能量转换为电能储存到电容2113中；振动能量收集电路2112用于收集振动能量，并将收集的振动能量转换为电能储存到电容2113中；所述电容2113以及电池212共同为对应的传感器供电。优选地，电容2113可以是超级电容，可以储存更多的能量，为传感器供电。
射频能量收集电路2111可以是现有的射频能量收集电路，举例说明如下，射频能量收集电路2111中射频能量接收天线模型可以采用组合天线，以提高射频能量的收集效率，组合天线主要包括进行开槽处理的贴片天线21111、金属环形贴片21112和寄生贴片21113等。将4片进行E型开槽处理的贴片天线21111组成天线阵列(4片进行E型开槽处理的贴片天线21111之间通过之间固定连接，关于之间对称设置)，在天线阵列的四周增加金属环形贴片21112和寄生贴片21113，寄生贴片21113(优选为T型)位于金属圆环贴片21112上内侧(中间位置)，可以通过焊接等方式固定连接，以弥补电流相位差异，将金属环形贴片21112顶部厚度设置相对较窄，增大金属圆环贴片21112顶部的阻抗，抑制右边支路产生的电流，使进行开槽处理的贴片天线21111构成的天线阵列和寄生贴片21113的电流相位满足90°相位差的条件。电流引出可以通过支架中部沿支架下部右侧的开槽处理的贴片天线21111、底部寄生贴片21113、金属环形贴片21112方向引出。
控制单元3中根据能量供应以及网络信道分配设定数据传输方案具体包括：
获取供电模块的能量供应信息以及传感器的网络信道传输状态；
建立网络信道分配公式：
Figure BDA0002763051230000111
,
其中，n为第n个传感器或供电模块，Bn(t)为传感器n所分配的最优网络信道；N为传感器个数，m为传感器n中某网络信道，M为传感器n中网络信道的个数；Qnm(t)为t时刻第n个传感器中第m网络信道数据队列、En(t)为供电模块n中无源取能部分电量动态队列；Rnm(t)为t时刻第n个传感器中第m网络信道数据队列Qnm(t)的离开速率；ρn为供电模块n的扰动变量，用于保证供电模块n为传感器n的数据传输提供能量，可根据经验值进行灵活赋值(可以归一化处理)；
Figure BDA0002763051230000121
为传感器n的静态功耗；Δn为传感器n的功耗与传输功率的相关性系数；xnm(t)为t时刻第n个传感器中第m网络信道分配指示变量，如果网络信道m被分配给传感器n，则xnm(t)＝1，否则xnm(t)＝0；pnm(t)为t时刻第n个传感器中第m网络信道的最优传输功率；
Figure BDA0002763051230000122
为传感器n在网络信道m上的最大传输功率；其中，En(t+1)＝[En(t)-Fn(t)]+Cn(t)，Fn(t)为供电模块n中无源取能子模块在时刻t的放电量，Cn(t)为供电模块n中无源取能子模块在时刻t的充电量；
pnm(t)的计算方法可以是：根据公式
Figure BDA0002763051230000123
计算初始功率序列
Figure BDA0002763051230000124
其中
Figure BDA0002763051230000125
为t时刻第n个传感器中第m网络信道的平均传输功率，T1为传输时间间隔；确定供电模块n无源取能子模块电量曲线的下降段[En(t+n-1),En(t+n)]；求下降段电量[En(t+n-1),En(t+n)]的平均值
Figure BDA0002763051230000126
如果
Figure BDA0002763051230000127
或者
Figure BDA0002763051230000128
则继续计算下一个时刻[En(t+n),En(t+n+1)]的平均值
Figure BDA0002763051230000129
否则停止计算；更新各个时间段的功率值
Figure BDA00027630512300001210
更新后的功率值pnm(t)为传感器n在网络信道m上的最优传输功率；
网络信道分配的约束条件为：
Figure BDA0002763051230000131
Figure BDA0002763051230000132
为传感器n在网络信道m上的最大传输功率；
根据拉格朗日算法以及约束条件求解网络信道分配公式，获得传感器的网络信道分配方案；具体包括：
构建拉格朗日函数：
Figure BDA0002763051230000133
其中，λ1、λ2、λ2为三个约束条件分别对应的拉格朗日算子；
固定拉格朗日算子，对xnm(t)pnm(t)求偏导后，令
Figure BDA0002763051230000134
求解
Figure BDA0002763051230000135
得最优信道分配方案
Figure BDA0002763051230000136
建立传感器供电方案公式：
Ln(t)＝min(En(t)-ρn)Dn(t)+(En(t)-ρn)Cn(t)，其中，Cn(t)为供电模块n中无源取能子模块在时刻t的充电量；Ln(t)为传感器n的供电方案；Dn(t)供电模块n中电池部分的能耗；
传感器供电方案的约束条件为：
Figure BDA0002763051230000141
Fn(t)为供电模块n中无源取能子模块在时刻t的放电量，μ为供电模块n的损耗系数，μ∈(0,1)，具体数值可以根据实际经验灵活赋值；
Figure BDA0002763051230000142
为供电模块n中无源取能子模块电量的最大值；
根据传感器供电方案的约束条件，如果供电模块中无源取能子模块的能量大于第一阈值，确定传感器第一供电方案；如果供电模块中无源取能子模块的能量大于第二阈值且小于第一阈值，确定传感器第二供电方案；如果供电模块中无源取能子模块的能量小于第二阈值，确定传感器第三供电方案；
其中，第一阈值为供电模块21的无源取能子模块211的能量充分满足对应传感器的两次以上的数据传输，对应的第一供电方案为：
Figure BDA0002763051230000143
第二阈值为供电模块21的无源取能子模块211的能量仅满足对应传感器的当前的数据传输，但不满足下一次的数据传输，第二阈值大小小于第一阈值，对应的第二供电方案为：
Figure BDA0002763051230000151
当供电模块21的无源取能子模块211的能量不满足对应传感器的当前的数据传输，需要使用电池212进行供电，对应的第三供电方案为：
Figure BDA0002763051230000152
控制单元3在考虑能量供应和网络信道分配的基础上，完成数据传输方案的设定，控制单元3将数据传输方案发送给供电单元2和传感器单元1，供电单元根据设定的数据传输方案供电，传感器单元1根据设定的数据传输确定网络信道，进行数据上传。
控制单元3接收到传感器压缩后的非电气量数据后，进行解压缩，具体是：
对压缩后的数据中的高频系数进行重构，对重构的高频系数和原始的低频系数进行小波反变换，得到原始的非电气量数据。
其中，对压缩后的数据中的高频系数进行重构可以通过基于Haar小波分解的MFBP算法(压缩感知重构算法)实现，也可以通过其他解压重构算法实现，本发明在此不做限制。举例说明，基于Haar小波分解的MFBP算法可以为：
S11，输入测量向量y，测量矩阵
Figure BDA00027630512300001617
变步长s，向前步长α，向后步长β，迭代停止阈值ε；
S12，令初始残差r0＝y，初始支撑集Ω0大小(初始支撑集元素个数)L＝s，初始索引集
Figure BDA0002763051230000161
迭代次数t＝1；
S13，计算初始残差r0与测量矩阵
Figure BDA0002763051230000162
的内积，选取内积绝对值最大的L项对应的索引值构成当前索引集Ωadd；
S14，根据公式T＝Ω∪Ωadd计算获得合并索引集T。
S15，根据
Figure BDA0002763051230000163
计算合并索引集T的重构信号
Figure BDA0002763051230000164
(其中
Figure BDA0002763051230000165
为合并索引集T对应的测量矩阵
Figure BDA0002763051230000166
的列向量)，选取
Figure BDA0002763051230000167
值最大的L项对应的索引值构成当前支撑集Ω1。
S16，根据公式
Figure BDA0002763051230000168
计算最终的重构信号
Figure BDA0002763051230000169
其中
Figure BDA00027630512300001610
为当前支撑集Ω1对应的测量矩阵
Figure BDA00027630512300001611
的列向量，再通过公式
Figure BDA00027630512300001612
计算当前残差rnew，其中
Figure BDA00027630512300001613
为测量矩阵
Figure BDA00027630512300001614
的转置矩阵；若满足||rnew||2≤ε时，则停止迭代，输出
Figure BDA00027630512300001615
若满足||rnew||2≤||r0||2(||r0||2为初始残差r0的L2范数，||rnew||2为当前残差rnew的L2范数)时，跳转至步骤S17；若满足||rnew||2≥||r0||2时，跳转至步骤S18。
S17，更新初始支撑集Ω0＝Ω1，跳转至步骤S16。
S18，更新步长，如果size(T)≤β×H(size(T)为合并索引集T的中索引值个数，y＝H×1，H为测量矩阵
Figure BDA00027630512300001616
的测量值)，则L＝L+α×s；否则L＝L+s，然后跳转至步骤S15。
重构出非电气量数据的高频系数后，对重构的高频系数和原始的低频系数进行小波反变换，最后进行整合处理，得到最终的重构数据。
控制单元3可以采用220V供电，内置边缘计算软件平台，采用双通道数据接收各传感器采集的数据，数据接收完毕后，再采用任务调度法完成数据传输方案设定、电气量分析以及非电气量分析等计算任务，同时部署多个程序对不同种类的计算任务(电气量数据以及非电气量数据)进行隔离，各个程序通过创建虚拟根目录文件***，隔离其它程序的虚拟文件***，实现不同计算任务的并行处理。
其中，如图4所示，任务调度法可以为：
S21：判定计算任务是否需要在控制单元内完成，如果不在，则执行步骤S22；如果需要在控制单元内完成，则跳转到步骤S23；
S22，将数据上传至远程计算中心；
S23：判定控制单元中是否有相应计算任务进程缓存(控制单元中当前有其他计算任务正在进行)，如果没有相应计算任务进程缓存，则跳转到步骤S24；如果有相应计算任务缓存则跳转到步骤S26；
S24：进入计算状态，控制单元通过cgroups(Linux内核的一个功能，用来限制、控制与分离一个进程组的资源(如CPU、内存、磁盘输入输出等))对计算任务进行内存资源分配和程序匹配，保证计算任务能够进入到相应的程序中完成数据计算。
S25：计算完成后，将计算数据上传到远程计算中心，远程计算中心可根据计算结果对配电台区进行及时维护。
S26：进入等待状态，实时检测当前计算任务是否完成，如果没完成，继续执行步骤S26；如果完成，跳转到步骤S24。
控制单元3能够对电能质量指标、配变异响和电缆开关触头异常情况进行初步判断，而且，通过不同类型任务隔离并行处理，缩减数据处理时间，有助于快速掌握故障信息，大大提高了配电台区综合管理水平。
进一步的，控制单元3可以对接收的电气量数据进行分析，主要是进行电能质量指标的分析，其方法为：在数据接收完毕后，采用快速傅里叶变换进行电气量的谐波分析，获得电压偏差、频率偏差、电压/电流三相不平衡度、电压谐波畸变率等指标。
进一步的，控制单元3还可以对接收的电非气量数据进行分析，非电气量分析主要包括配变异响分析和电缆开关触头异常分析，其方法为：在数据接收完毕后，采用小波变换对温度、声音等非电气量进行时频特征的提取；由于配变故障时会产生人耳难分辨的声波，分析频谱，找到声音异常点，作为配变故障点，实现配变故障的初步判断；电缆开关故障时，会导致开关触头温度异常，分析频谱，找到温度异常点，作为电缆开关故障点，实现电缆开关故障的初步判断。
通讯单元4可以支持多种通信方式，包括RS232、RS485、4G/5G无线网络、宽带电力载波、微功率无线通讯，也可以是其他通信方式，本发明在此不做限制，通讯单元4接收控制单元3的计算数据并将计算数据上传至远程计算中心5。
优选地，本发明实施例中的配电台区末端数据采集装置还包括GPS信号接收单元6，GPS信号接收单元6接收GPS信号，并将GPS信号转换为时钟信号发送给控制单元3，控制单元3根据时钟信号控制传感器单元1进行同步采集。
本发明传感器单元采用双通道数据上传方式，一通道传输电气量数据，另一通道传输温度、声信号等非电气量数据，有效解决由于传感器数据采集仅为单通道上传导致非电气量数据无法采集的问题，有效满足配变台区海量数据高效、快速、精准的处理需求，可以实现故障的初步判断，保证配电台区的安全稳定运行。
本发明传感器在传输非电气量数据时，先进行数据压缩，便于提高数据传输速度，降低数据存储空间。
本发明技术方案中供电单元包括若干的供电模块，每个供电模块与传感器一一对应，保证了传感器数据传输的电源供应，而且供电包括中不仅包括电池，还包括无源取能子模块，通过无源取能子模块以及电池的配合，共同为传感器的数据传输提供充足电源供应，而且，避免了单一电池形式造成传感器使用寿命不高的问题。
本发明技术方案中无源取能子模块中包括射频能量收集电路以及振动能量收集电路，一方面降低了对电池的依赖，另一方面提高了能量的利用效率。
本发明技术方案不仅能够对配电台区的输配电设备进行数据采集，还能对风电、光伏、储能、电动汽车充电桩等接入电网的新能源设备进行数据采集；根据数据性质(电气量、非电气量)不同，设置了双通道数据上传/接收方式，大大提高了数据传输效率；控制单元中内置边缘计算软件平台，在末端侧就能够对电能质量指标、配变异响和电缆开关触头异常情况进行初步判断，缩减数据处理时间，有助于快速掌握故障信息，大大提高了配电台区综合管理水平。
实施例二
如图5所示，本发明技术方案还提供了一种配电台区末端数据采集方法，基于实施例一的基础上实现的，包括：
S31，控制单元根据能量供应以及网络信道分配设定数据传输方案；
S32，供电单元根据控制单元的数据传输方案为传感器单元供电；
S33，传感器单元采用双通道数据上传方式，将采集的电气量以及非电气量数据根据控制单元设定的数据传输方案上传至控制单元；
S34，控制单元接收传感器单元上传的数据，针对不同类型的计算任务进行隔离，实现不同类型计算任务的并行处理，通过通讯单元与远程计算中心通信连接，将控制单元的数据发送至远程计算中心。
本发明传感器单元采用双通道数据上传方式，一通道传输电气量数据，另一通道传输温度、声信号等非电气量数据，有效解决由于传感器数据采集仅为单通道上传导致非电气量数据无法采集的问题，有效满足配变台区海量数据高效、快速、精准的处理需求，可以实现故障的初步判断，保证配电台区的安全稳定运行。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种配电台区末端数据采集装置，与远程计算中心通信连接，其特征是，包括：传感器单元、供电单元、控制单元以及通讯单元，所述传感器单元采用双通道数据上传方式，分别采集电气量以及非电气量数据，并将采集的电气量以及非电气量数据根据控制单元设定的数据传输方案上传至控制单元；所述供电单元的供电输出端与传感器单元的供电输入端连接，用于根据控制单元的数据传输方案为传感器单元供电；所述控制单元接收传感器单元上传的数据，根据能量供应以及网络信道分配设定数据传输方案，并针对不同类型的计算任务进行隔离，实现不同类型计算任务的并行处理；所述控制单元通过通讯单元与远程计算中心通信连接。
2.根据权利要求1所述的配电台区末端数据采集装置，其特征是，传感器单元采用双通道数据上传方式，分别采集电气量以及非电气量数据，并将采集的电气量以及非电气量数据根据控制单元设定的数据传输方案上传至控制单元具体是：传感器单元将第一通道采集的电气量数据直接上传至控制单元；传感器单元将第二通道采集的非电气量数据进行数据压缩后，根据控制单元设定的数据传输方案上传至控制单元。
3.根据权利要求1所述的配电台区末端数据采集装置，其特征是，传感器单元包括电气量传感器模块以及非电气量传感器模块，所述电气量传感器模块中的传感器用于采集配电区末端电力设备的电气量数据，所述非电气量传感器模块中的传感器用于采集配电区末端电气设备的非电气量数据。
4.根据权利要求3所述的配电台区末端数据采集装置，其特征是，所述供电单元中包括若干供电模块，每个供电模块用于对传感器单元中对应的一传感器进行供电。
5.根据权利要求4所述的配电台区末端数据采集装置，其特征是，所述供电模块包括无源取能子模块以及电池，无源取能子模块包括射频能量收集电路、振动能量收集电路以及电容，所述射频能量收集电路用于收集射频能量，并将收集的射频能量转换为电能储存到电容中；所述振动能量收集电路用于收集振动能量，并将收集的振动能量转换为电能储存到电容中；所述电容以及电池共同为对应的传感器供电。
6.根据权利要求4所述的配电台区末端数据采集装置，其特征是，根据能量供应以及网络信道分配设定数据传输方案具体包括：
获取供电模块的能量供应信息以及传感器的网络信道传输状态；
建立网络信道分配公式：
Figure FDA0002763051220000021
,
其中，n为第n个传感器或供电模块，Bn(t)为传感器n所分配的最优网络信道；N为传感器个数，m为传感器n中某网络信道，M为传感器n中网络信道的个数；Qnm(t)为t时刻第n个传感器中第m网络信道数据队列、En(t)为供电模块n中无源取能部分电量动态队列；Rnm(t)为t时刻第n个传感器中第m网络信道数据队列Qnm(t)的离开速率；ρn为供电模块n的扰动变量，用于保证供电模块n为传感器n的数据传输提供能量；
Figure FDA0002763051220000035
为传感器n的静态功耗；Δn为传感器n的功耗与传输功率的相关性系数；xnm(t)为t时刻第n个传感器中第m网络信道分配指示变量；pnm(t)为t时刻第n个传感器中第m网络信道的最优传输功率；
Figure FDA0002763051220000031
为传感器n在网络信道m上的最大传输功率；
网络信道分配的约束条件为：
Figure FDA0002763051220000032
Figure FDA0002763051220000033
为传感器n在网络信道m上的最大传输功率；
根据拉格朗日算法以及约束条件求解网络信道分配公式，获得传感器的网络信道分配方案；
建立传感器供电方案公式：
Ln(t)＝min(En(t)-ρn)Dn(t)+(En(t)-ρn)Cn(t)，其中，Cn(t)为供电模块n中无源取能子模块在时刻t的充电量；Ln(t)为传感器n的供电方案；Dn(t)供电模块n中电池部分的能耗；
传感器供电方案的约束条件为：
Figure FDA0002763051220000034
Fn(t)为供电模块n中无源取能子模块在时刻t的放电量，μ为供电模块n的损耗系数；
Figure FDA0002763051220000041
为供电模块n中无源取能子模块电量的最大值；
根据传感器供电方案的约束条件，如果供电模块中无源取能子模块的能量大于第一阈值，确定传感器第一供电方案；如果供电模块中无源取能子模块的能量大于第二阈值且小于第一阈值，确定传感器第二供电方案；如果供电模块中无源取能子模块的能量小于第二阈值，确定传感器第三供电方案。
7.根据权利要求2所述的配电台区末端数据采集装置，其特征是，传感器单元将第二通道采集的非电气量数据进行数据压缩具体是：
建立数据压缩公式：
Figure FDA0002763051220000042
其中，X为待压缩的信号，U0为扩展系数，δ为扩展函数，
Figure FDA0002763051220000043
为小波函数，L为小波变换的层数，i为尺度，j为偏移，Vi,j为小波系数；
根据数据压缩公式对原有数据进行小波变换；经过小波变换后，原始数据被分解成低频小波系数和各级高频小波系数，对原始数据经过小波变换的高频系数采用压缩感知算法进行数据压缩；
对原始数据经过小波变换的低频系数进一步分为基信号和非基信号，对基信号部分进行直接传输，对非基信号转换为基信号进行传输；其中，基信号为传输数据大于第三阈值的信号，非基信号为传输数据小于第三阈值的信号。
8.根据权利要求7所述的配电台区末端数据采集装置，其特征是，控制单元接收到传感器压缩后的非电气量数据后，进行解压缩，具体是：
对压缩后的数据中的高频系数进行重构，对重构的高频系数和原始的低频系数进行小波反变换，得到原始的非电气量数据。
9.根据权利要求1-8任一所述的配电台区末端数据采集装置，其特征是，还包括GPS信号接收单元，所述GPS信号接收单元接收GPS信号，并将GPS信号转换为时钟信号发送给控制单元，控制单元根据时钟信号控制传感器单元进行同步采集。
10.一种配电台区末端数据采集方法，其特征是，基于权利要求1-9任一所述的配电台区末端数据采集装置的基础上实现的，包括：
控制单元根据能量供应以及网络信道分配设定数据传输方案；
供电单元根据控制单元的数据传输方案为传感器单元供电；
传感器单元采用双通道数据上传方式，将采集的电气量以及非电气量数据根据控制单元设定的数据传输方案上传至控制单元；
控制单元接收传感器单元上传的数据，针对不同类型的计算任务进行隔离，实现不同类型计算任务的并行处理，通过通讯单元与远程计算中心通信连接，将控制单元的数据发送至远程计算中心。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090097623A1 (en) * 2007-10-10 2009-04-16 Gowrishankar Bharadwaj Remote Patient Handset and System for Remote Collection of Bio-Metric Data and Device Control
US20120310559A1 (en) * 2011-05-31 2012-12-06 Cisco Technology, Inc. Distributed data collection for utility grids
CN105071536A (zh) * 2015-08-19 2015-11-18 江苏省电力公司扬州供电公司 一种智能配电台区***
CN106129997A (zh) * 2016-06-24 2016-11-16 桂林航天电子有限公司 多通道智能配电装置及其运行方法
CN106655521A (zh) * 2017-02-24 2017-05-10 国家电网公司 配电台区智能管理***
CN106655487A (zh) * 2016-09-28 2017-05-10 国网山东省电力公司梁山县供电公司 一种配电网络智能安全全方位预警与控制***
CN108565964A (zh) * 2017-12-30 2018-09-21 中国电力科学研究院有限公司 一种配电终端及其使用方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090097623A1 (en) * 2007-10-10 2009-04-16 Gowrishankar Bharadwaj Remote Patient Handset and System for Remote Collection of Bio-Metric Data and Device Control
US20120310559A1 (en) * 2011-05-31 2012-12-06 Cisco Technology, Inc. Distributed data collection for utility grids
CN105071536A (zh) * 2015-08-19 2015-11-18 江苏省电力公司扬州供电公司 一种智能配电台区***
CN106129997A (zh) * 2016-06-24 2016-11-16 桂林航天电子有限公司 多通道智能配电装置及其运行方法
CN106655487A (zh) * 2016-09-28 2017-05-10 国网山东省电力公司梁山县供电公司 一种配电网络智能安全全方位预警与控制***
CN106655521A (zh) * 2017-02-24 2017-05-10 国家电网公司 配电台区智能管理***
CN108565964A (zh) * 2017-12-30 2018-09-21 中国电力科学研究院有限公司 一种配电终端及其使用方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王金丽等: "中低压配电网统一数据采集与监控***设计和实现", 《电力***自动化》 *

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