一种面向电力设备的智能化模型及其实现系统的制作方法

本发明属于电力系统信息化与自动化技术领域，具体涉及一种面向电力设备的智能化模型及其实现系统。

背景技术：

节能环保的需求促使电力系统新能源渗透率逐渐升高，并逐步形成了以分布式发电和储能为基础的现代主动型电力系统。随着电力技术、通信技术和信息处理技术的发展，与现代电力系统相适应的的电力设备监控系统层出不穷，现代电网的监控水平大大提高的同时，电力系统所产生的数据和信息类型也逐渐多样，数据量也随之飞速增长。应用多维度、多层面的数据和信息进行综合分析和处理，必将成为了现代电力系统运行维护的重要手段。

尽管目前电力系统数据和信息数量与种类已较为充足，但电力系统数据管理方式仍旧存在严重的碎片化问题，进而制约了电力系统数据的综合应用。目前，电力系统数据管理常常以系统节点为对象，而非电力设备。这导致在对电力设备进行分析时，管理人员需要从数据库中筛选出与电力设备相关联的节点数据，在进行正确组合后才能获得电力设备的完整数据，因而大大降低了电力系统运行和维护的效率，增加了电网运行人员的工作负担。此外，随着电力系统数据和信息的储量不断增加，碎片化将严重影响对电力设备及电力系统的综合分析。同时，大量和多样的数据与信息对电力系统的通信和处理能力也提出了挑战。因此，在电力系统数据信息爆炸的今天，建立一种高效的、自主的电力系统数据管理和应用模式尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术中的不足，而提出了一种面向电力设备的智能化模型及其实现系统，以电力设备为基本对象构建其智能，从感知、分析、沟通、记忆和行为等方面建立了电力设备的智能体系，在电力设备层面加强了电力设备数据和信息搜集、管理和分析能力。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的。

一种面向电力设备的智能化模型，包含电力设备描述框架及对应的底层支持部分，所述电力设备描述框架包含电力设备自我描述、电力设备状态描述和电力设备环境描述三部分。

所述电力设备自我描述记录了电力设备的自身属性，描述了电力设备类型、电气参数、接口特征、设备连接关系、安装位置等信息，至少包含如下内容：

（a）电力设备类型，指电力设备所属类别；

（b）电力设备电气特性，指电力设备电气参数；

（c）电力设备端口信息，即电力设备的端口数量和结构；

（d）电力设备连接关系，指电力设备端口到电网的映射关系；

（e）电力设备地理位置及归属关系，指电力设备的安装地点和所述电网或变电站等信息。

所述电力设备状态描述，至少包含电力设备的负载情况、损耗情况或健康状况等。

所述电力设备环境描述，包含电力设备所处自然环境的描述和电气环境的描述,其中：

（a）电力设备自然环境描述，记录了电力设备所处环境的时间、温度、湿度、气压、风速、光照等信息；

（b）电力设备电气环境描述，记录了电力设备所处电网的电气状况，包括电网端口电压、电流、功率及其流向、功率因数以及电能质量等的相关信息。

所述底层支持部分包含物理变量提取及其数据化方法、数据分析方法、信息共享通道、数据仓储和调控行为等五方面，分别建立了电力设备的感知、分析、沟通、记忆和行为能力。其中，物理变量提取及其数据化方法将自然环境与电气环境信息转换为可读数据，使得电力设备能够感知环境；数据分析方法是用于电力设备分析和计算的方法集合，使得电力设备能够分析自身状况；按处理对象的不同，数据分析方法可划分为协议集、分析集和感知集三个集合，针对于不同底层支持所获取的数据，数据分析方法通过三个子集分别进行处理，协议集包含通信协议及其相应校验算法，主要完成通信报文解析和数据打包工作，感知集包含处理经由物理量提取和数据化方法所获得数据的算法程序，并完成获取电力设备环境信息的任务，分析集则包含更为综合的分析算法，能够综合电力设备自我描述、状态描述和环境描述的数据进行深入分析；信息共享通道提供电力设备与其他设备或数据中心进行信息交互的渠道，使得电力设备能够与外界进行信息沟通；数据仓储对框架内的信息和数据进行管理和存储，使得电力设备能够记忆自身及环境的历史情况；调控行为使得电力设备能够调控自身运行，使得电力设备具备了一定的行为能力。

在上述技术方案中，所述面向电力设备的数据管理及应用系统由底层支持部分分别实现电力设备描述框架的各个部分，电力设备描述框架由数据仓储进行数据存储和管理；物理变量提取及其数据化方法提供电力设备环境信息；数据分析方法则提供电力设备状态描述信息；信息共享通道能够增强系统信息共享能力，对电力设备自我描述、环境描述及状态描述进行信息补充；调控行为使得系统能够依据获取的信息和数据对电力设备进行调节或控制。

在上述技术方案中，所述实现系统基于面向电力设备的智能化模型设计，包含硬件和软件部分；所述硬件部分包含中央处理模块、存储模块、通信接收/发送模块、数字与模拟量输入和输出模块。其中，中央处理模块用于控制其他模块，完成计算、分析等功能；存储模块用于保存数据和信息；通信接收/发送模块用于与外界通信；数字与模拟量输入和输出模块用于采集环境信息或向外部发出调控信号。存储器经由存储扩展接口与中央处理模块连接，通信接收/发送模块、数字与模拟量输入和输出模块直接与中央处理模块直接连接。

所述软件部分包含初始化组件、调度组件、数据仓储管理组件和插件库组件。初始化组件用于在系统启动时初始化系统各项功能、初始化硬件各部分；调度组件用于分配和调度系统任务，建立合理的任务队列；数据仓储管理组件用于管理存储器，并为系统查询所需数据；插件库组件用于加载插件程序。

本发明面向电力设备的智能化模型及其实现系统的优点在于：以电力设备为核心对象，从感知、分析、沟通、记忆和行为等四方面建立了电力设备的智能体系，构建了一种电力设备之脑，实现了电力设备相关的信息与数据的高效组织和应用，提高数据应用效率。同时，设计了一种基于所发明的电力设备之脑的实现系统，系统通过可扩展的插件库组件，实现了对数据的高效应用，扩展了电力设备感知、分析、沟通和行为能力，为电力设备建立了智能。

附图说明

图1为本发明面向电力设备的智能化模型结构示意图。

图2为本发明面向电力设备的智能化模型的实现系统的硬件结构示意图。

图3为本发明面向电力设备的智能化模型的实现系统的软件结构示意图。

图4为本发明中数据仓储实现原理。

图5为本发明实现系统的启动过程。

图6为本发明实现系统的任务执行过程。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明原理和实施作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供一种面向电力设备的智能化模型，包含电力设备描述框架及对应的底层支持部分，所述电力设备描述框架包含电力设备自我描述、电力设备状态描述和电力设备环境描述三部分。

所述电力设备自我描述记录了电力设备的自身属性，描述了电力设备类型、电气参数、接口特征、设备连接关系、安装位置等信息，至少包含如下内容：

（a）电力设备类型，指电力设备所属类别；

（b）电力设备电气特性，指电力设备电气参数；

（c）电力设备端口信息，即电力设备的端口数量和结构；

（d）电力设备连接关系，指电力设备端口到电网的映射关系；

（e）电力设备地理位置及归属关系，指电力设备的安装地点和所述电网或变电站等信息。

所述电力设备状态描述，至少包含电力设备的负载情况、损耗情况或健康状况等。

所述电力设备环境描述，包含电力设备所处自然环境的描述和电气环境的描述,其中：

（a）电力设备自然环境描述，记录了电力设备所处环境的时间、温度、湿度、气压、风速、光照等信息；

（b）电力设备电气环境描述，记录了电力设备所处电网的电气状况，包括电网端口电压、电流、功率及其流向、功率因数以及电能质量等的相关信息。

电力设备描述框架将电力设备及其相关数据和信息抽象为一个数据集合，并由其底层支持提供填充这一集合的方法并作为数据载体。所述底层支持部分包含物理变量提取及其数据化方法、数据分析方法、信息共享通道、数据仓储和调控行为等五方面。其中，物理变量提取及其数据化方法将自然环境与电气环境信息转换为可读数据；数据分析方法是用于电力设备分析和计算的方法集合；数据分析方法是对电力设备描述框架所包含的相关信息进行分析的算法集合，按处理对象的不同，数据分析方法可划分为协议集、分析集和感知集三个集合，针对于不同底层支持所获取的数据，数据分析方法通过三个子集分别进行处理，协议集包含通信协议及其相应校验算法，主要完成通信报文解析和数据打包工作，感知集包含处理经由物理量提取和数据化方法所获得数据的算法程序，并完成获取电力设备环境信息的任务，分析集则包含更为综合的分析算法，能够综合电力设备自我描述、状态描述和环境描述的数据进行深入分析；信息共享通道提供电力设备与其他设备或数据中心进行信息交互的渠道；数据仓储对框架内的信息和数据进行管理和存储；调控行为使得电力设备能够调控自身运行。

电力设备描述框架由描述文件实现。对应于电力设备自我描述、状态描述和环境描述三个方面，描述文件分为三段，即自我描述段、状态描述段和环境描述段。各个描述段规定了电力设备描述框架的详细内容与结构。每个描述段下包含若干条电力设备描述内容，并指明了改内容的名称、长度、更新间隔、记录次数，其格式如下：

名称：内容 长度(字节) 更新间隔记录次数；

对于电力设备状态描述和环境描述而言，需要记录所描述内容的变化过程，因此应按照需求设置更新间隔和记录次数；而对于电力设备自我描述而言，其描述内容为电力设备自身属性，无需周期性更新信息，因此其更新间隔设置为0，记录次数设置为0。

以双绕组变压器为例，其描述文件结构如下：

//自我描述段

STYLE：T10s 0;

CAPACITY：1000 2 0s 0

R_V：400 3 0s 0

……

//状态描述段

LOAD_R：0 3 1m 43200

HEALTH_R：0 8 1d 30

……

//环境描述段

V：0 3 1s2592000

I：0 3 1s 2592000

V_H：0 3 3m 14400

TMP: 0 1 1h 720

……

本实施例还提供一种面向电力设备的智能化模型的实现系统，包含硬件部分和软件部分，如图2所示，所述硬件部分包含中央处理模块、存储模块、通信接收/发送模块、数字与模拟量输入和输出模块。其中，中央处理模块用于控制其他模块，完成计算、分析等功能；存储模块用于保存数据和信息；通信接收/发送模块用于与外界通信；数字与模拟量输入和输出模块用于采集环境信息或向外部发出调控信号。存储器经由存储扩展接口与中央处理模块连接，通信接收/发送模块、数字与模拟量输入和输出模块直接与中央处理模块直接连接。

其硬件部分实现了面向电力设备的智能化模型的底层支持部分。

（1）物理变量提取及其数据化。物理变量提取及其数据化的主体部分是数字与模拟量输入模块。其中，模拟量输入由传感器、信号调理和AD采样构成，传感器将物理变量转换为电压或电流信号，经过信号调理、AD采样转后换为中央处模块可读数据；数字量输入则由开关量传感电路和逻辑转换构成，开关量传感电路感知开关量变化，经过逻辑转换后获取开关状态，转换为中央处理模块可读数据。

（2）信息共享通道。信息共享通道由通信接收/发送模块实现，包括通信接收和通信发送两部分。中央处理模块通过通信接收部分从外界获取信息，通过通信发送部分共享自身系统信息。

（3）数据仓储。数据仓储由存储模块实现，包括存储器和存储扩展接口。数据在存储器中装载；也可以通过存储扩展接口扩展额外存储空间。

（4）调控行为。电力设备调控行为由数字与模拟量输出模块实现，其功能包括信号控制和开关控制。其中，数字输出由逻辑转换分别由DA转换和逻辑转换实现，并经过输出信号调理与驱动输出模拟或数字控制信号。

（5）数据分析方法。数据分析方法在中央处理模块中运行。

如图3所示，在本实施例中，面向电力设备的智能化模型的软件部分具体实现了电力设备智能的相应功能，并组织电力设备智能的相关数据，包括初始化组件、数据仓储管理组件、任务调度组件和插件库组件。

（1） 初始化组件。初始化组件包含系统引导、CPU初始化、驱动初始化、系统参数初始化及数据仓储初始化程序。其中，系统引导指示系统启动时所需完成的初始化任务；CPU初始化完成中央处理单元的基本配置，包括时钟、频率、寄存器以及其他中央处理模块功能；驱动初始化用于设置硬件系统各部分工作状态；系统参数初始化用于设置系统运行所需的参数；数据仓储初始化用于检验数据仓储状态，或依照电力设备描述框架的描述文件重新配置数据仓储结构。初始化组件用于在系统启动或复位后将系统软硬件配置为正确工作模式，使系统进入正常运行状态。系统启动或复位后，系统引导按照特定顺序加载其他初始化组件，完成系统启动过程。

（2） 数据仓储管理组件。数据仓储管理组件对电力设备智能所产生的信息和数据进行管理，包括数据索引和数据映射管理程序两部分。数据索引是数据仓储结构的记录，指定了数据仓储各个片区所在的地址范围、片区包含信息的名称、类型、长度以及信息存储的起始位置、起始时间和更新速度等信息。依据数据索引，信息和数据能够被准确映射到数据仓储中。数据映射管理程序用于管理数据映射关系，它依据数据索引为数据映射提供准确数据来源，并为数据映射结果指定存储位置。

（3） 调度组件。调度组件用于解决电力设备智能处理数据计算和分析任务中的资源抢占冲突问题，包含任务调度程序和任务信息列表两部分。其中，任务调度程序用于安排任务队列；任务信息列表记录了任务名称、执行频率、任务优先级等信息。任务调度程序依据信息的更新频率，调度对应分析方法运行，从而保证信息及时更新；当任务需同时进行时，任务调度程序则根据优先级调整任务顺序，从而达到合理利用系统资源、防止任务冲突的目的。

（4） 插件库组件。插件库组件包含插件加载程序、驱动插件库和数据分析插件库。其中，插件加载程序用于加载插件库中插件到系统运行，插件库包含若干插件程序，实现电力设备智能的相关算法、通信协议以及设备驱动等功能，包含执行相应功能的函数和参数，并依据功能的不同分别构成数据分析插件库和驱动插件库；在进行驱动初始化时，系统通过插件加载程序从驱动插件库中加载硬件对应插件，驱动硬件系统正确运行；在进行数据和信息处理时，系统通过插件加载程序调用数据分析插件库中的对应插件并嵌入系统运行，完成相应的信息和数据处理任务。

如图4所示， 本实施例中数据仓储实现原理。考虑到分析计算总是以填充电力设备描述框架为核心，因此建立数据映射管理程序，实现到电力设备描述框架的直接映射。数据映射管理程序将数据分析方法抽象为数据映射关系，形成由原始数据（即采样数据和通信数据）到电力设备描述框架的映射以及电力设备描述框架内的数据之间的映射。

数据映射管理程序依据数据索引，为系统内所加载的插件分配其所需原始数据的地址及插件分析结果的存放地址。其中，数据分析方法中的感知集包含的相关插件从采样数据缓存获取原始数据，各插件取得所需数据进行分析计算后，直接将最终结果存入电力设备环境描述片区，实现采样数据到电力设备环境描述的直接映射；数据分析方法中的协议集包含的相关插件从通信报文缓存获取原始数据，各插件取得所需数据并按照通信协议解析通信报文内容后，直接将通信报文所包含的信息存入电力设备环境描述片区或电力设备状态描述片区，实现采样数据到电力设备环境描述和状态描述的直接映射；数据分析方法中的分析集包含的相关插件从电力设备自我描述片区、环境描述片区和状态描述片区获取原始数据，各插件取得所需数据并进行分析计算后，直接将最终结果存入电力设备环境描述片区或电力设备状态描述片区，实现采样数据到电力设备环境描述和状态描述的直接映射。

对于需要记录其变化历史的信息，数据映射管理根据系统内的时序，并依据数据索引定义的变量长度、更新间隔时间、起始地址等信息计算出该信息当前的存储位置，并分配给系统所加载的插件，其计算方法为：

实际地址=上次分配地址+变量长度/存储单元长度

当一个更新间隔时间过去后，系统告知数据映射管理程序。系统映射管理程序依照上述计算方法更新此次需分配给系统所加载插件的地址。其中，当系统映射管理程序首次分配地址时，上次分配地址即为变量起始地址。

如图5、6所示，本实施例面向电力设备的智能化模型的实现系统，其软件部分运行包含两个过程，即系统启动过程和任务执行过程。

（1）系统启动过程

系统启动过程用于建立任务执行所需的运行环境。系统启动后，首先执行系统引导，系统进入初始化过程。初始化过程中，系统对CPU进行配置，并执行驱动程序初始化系统硬件，以及初始化系统参数。上述初始化过程完成后，系统检测是否已经建立数据索引，若未建立数据索引，则依据描述文件初始化数据仓储，为电力设备描述分配存储空间。建立数据索引后，系统读取任务信息列表，并根据任务信息列表需求加载相应插件。上述步骤执行完毕后，系统建立任务队列。至此，系统启动过程结束，等待任务执行。

（2）任务执行过程

系统任务启动后，系统依据任务信息列表从数据仓储对应位置查询所需数据，执行任务的对应插件利用这些数据进行计算或分析，所得到的分析结果依照数据索引更新到数据仓储指定位置。