用于感测、收集、传输、存储和分发高分辨率电网电测量数据的方法和设备与流程

本发明提供了用于感测、收集、传输、存储和处理来自电网或其他电气设备的高分辨率电测量数据的方法和设备。

背景技术：

电力公司面临许多挑战。持续需要更好的方法：来控制复杂的功率流；诊断问题；为系统运营商提供更好的网络可见性；提升设备性能；提高资产利用率；并计划网络改进。

随着当今电网的迅速发展，配电网络运营商/配电系统运营商(dno/dso)面临着巨大的技术难题，包括：分布式能源产生的可变和不稳定的功率流；有功和无功功率问题；电能质量失真；功率因数不佳；相角稳定性；和电压振荡。这些问题扩展到：减少电损耗；运用合成惯性；电干扰分析；网络安全；和设备状态监控。

电力公司希望改进：网络建模；实时热额定值；给电动汽车充电；负载轮廓感应；拓扑和状态确定；网络拥塞；需求方管理；以及基于储能的服务的计划/处理。发电机(例如公用事业规模的太阳能光伏发电场和风力发电场)具有相关的问题和提高效率的机会。电力的大型商业和工业消费者遭受电能质量问题的困扰。能源供应公司和系统运营商需要关于网络需求、活动拓扑和约束的信息。与许多这些问题相关是通过增加风力发电和太阳能发电的集成来减少碳排放。现有的监视控制和数据采集(scada)系统和传统仪器根本无法完成任务。现有的具有间隔半小时的数据点的家庭级高级计量基础设施(ami)的智能电网计量表性能不足。现代电网需要更好的传感器和数据处理系统。

技术实现要素：

本发明的发明人已经确定，如果可以提供正确的网格或其他监测数据，则可以使用正确的分析工具、模型和软件应用程序直接或间接地解决各种创新机会、挑战和问题。下面公开的是创新的传感器网络，用于监测电力系统、收集高分辨率数据、并将其安全地供给至高级时间序列数据库中。在某些示例中，时间序列数据库可作为基于云存储的数据即服务平台与软件应用程序结合使用，以提供广泛需要的解决方案来应对电力部门面临的众多商业和技术挑战。

发明人已将几种新技术集成到工业级系统中，该系统结合了创新的数据收集传感器硬件和通过安全数据通信与其相连接的高级数据库软件(数据仓库)。当这些技术结合在一起时，最终的系统就能够以改进的详细程度、清晰度和复杂性来检查电网和相关设备的行为。现有的电力公司电网、负荷和发电监控scada系统通常每2-4秒从感测到的信号中提取相对粗略的电气测量值(例如，英国电网的精度为±5-7％的电压、电流测量值)以进行即时检查，但仅仅是每30分钟将一组测量结果保存到数据存储器中。结果是在相对粗略的时间尺度上收集的质量较差的数据。发明人通过结合以高采样率进行的高精度电测量以优选地经由安全遥测技术将大量高分辨率数据流提供到时间序列数据库中，从而对现有技术和装置进行了改进。时间序列数据库比关系数据库更适合于这种高容量测量。这种更高效、更有效的设备将数据采集的容量(预计达到pb级的千万亿数据点)和速率与合适的处理和存储能力相匹配。尽管硬件和数据仓库可以相互独立运行，但它们结合在一起时提供了集成解决方案，其可提供卓越的性能，同时减少所需的设备数量。

neuvillegriddata^tm的griddataunit^tm(gdu)传感器盒将新设计的微同步相位计(μpmu)与电能质量监测器(pqm)独特地结合在一起，其中两个装置共享共同的时间戳标记的方法，以方便有效地组合和比较所收集的数据点。在某些示例中，gdu进一步包括金属外壳；环境条件传感器；不到100纳秒的计时；以及通过冗余/备用通信传播路径的下一代安全遥测技术。所收集、传输、存储和交付的电气测量数据具有相比于现有技术水平的100-100,000倍的改进。在频域中，微同步相位计的功能可提供0.001度的相位测量角精度，使电压和电流测量精确到百万分之2(ppm)。在时域中，电能质量监测器的功能根据iec61000-4-30ed3a类标准以及2-150khz范围内的超谐波，提供了一系列高精度测量。数据点带有全球导航卫星系统(gnss)(例如gps)的时间戳，其时间戳取决于相对于观测到的gnss卫星星座的地球大气状况而具有50-80纳秒的精度。所描述的本发明具有与共享天线阵列和环境传感器有关的设备内的组件的更高效、更有效的布置的特点。本发明还结合了具有多核、多线程能力的协处理器，用于局部节点、比较配对节点、网格网络、模糊计算或边缘处理数据分析处理。neuville的gdu硬件设计明确地但非唯一地在加利福尼亚阿拉米达市的电力标准实验室(powerstandardslab)的gridanalyzer^tm装置的基础上做出了改进。

现有的关系数据库无法有效地处理来自neuvillegdu网络的达到pb级的千万亿数据点。因此，将诸如被称为伯克利树数据库(berkeleytreedatabase)的时间序列数据库(tsdb)包含于系统中并改造为新颖的时间序列矩阵数据库(tsmdb)，以提供低成本、高度可扩展的基于云或基于专用服务器的解决方案。该伯克利树数据库提供了相比于现有的商业化方法的1400倍的改进。

neuville的新颖的硬件和数据处理结构与电网及其操作组件(例如，变压器、开关设备、逆变器、发电机等)以及其他以纳秒为单位进行时间戳标记的数据一起使用，可以进行多域、多尺度的数据分析，从而实现前所未有的条件监测、操作调整、预测和异常检测。

附图简要说明

下面参照附图以示例的方式详细描述设备和方法，其中：

图1示出了根据示例的用于监测电网并收集高分辨率电测量数据的方法；以及

图2根据示例说明了伯克利树数据库系统的架构。

详细说明

在示例中，该设备包括一个或多个操作对，该操作对包括微同步相位计和电能质量监测器。在一些示例中，该操作对可进一步包括额外的信号分析装置。在示例中，该操作对同时通过微同步相位计方法在频域中处理电源信号以及使用电源质量测量技术在时域中处理电源信号，以收集时域数据点和频域数据点。将一致的时间戳应用于所收集的时域数据点和频域数据点。在一些示例中，通过相同的方法导出应用于所收集的时域数据点和频域数据点的时间戳。在示例中，设备和/或其他相邻设备中的一个或多个操作对可以处理从仪器用互感器的次级输出提取的或直接感测到的不同电源信号。

信号分析器的操作对可以包括以不同固件模式运行的两个相同类型的物理装置(例如，来自加利福尼亚阿拉米达市的电力标准实验室的pqube3(注册商标)装置)。在一些示例中，装置的操作对可以是两种不同类型的信号分析器，它们可以来自同一制造商或不来自同一制造商。在一些示例中，两种根本不同的电信号处理方法的这种操作对可以在单个物理装置中实现，该单个物理装置在其固件内具有功能强大的子功能，也可以在单独的计算装置上进行进一步的软件处理。

常规相位测量单元(pmu)是通常用于高压输电线上的电气测量装置，以1°的精度确定电流和电压的相位角。来自psl的最新设计的μpmu在每个半周期提供了高精度(0.003°)的电流和电压的相位角(δ)测量。小型、紧凑且坚固的pqube3型μpmu提供333倍的精度改进，其成本仅为标准pmu的约十分之一。333倍的典型精度提高使得μpmu对大得多的mv配电网市场特别有用。或者，pqube3装置可以切换固件模式并以每个周期(26/31khz)的512个样本(包括波形和50次谐波)收集电能质量测量值(pqm)。与现有的公用事业scada系统相比，此性能提高了50,000倍。在pqm模式下，它还支持40通道数字示波器，可捕获高达4mhz的干扰事件；2,000个参数触发的电表以2hz采样；超谐波的收集；以及收入级电能测算。所有数据均带有gps时间戳，因此相距甚远的测量点的测量结果同步至100纳秒以下的精度-在现有的基于sntp的系统上对时间维度进行了100,000倍的改进。这使得强大的网络分析技术和节省成本的终端应用程序的范围扩大和增强。板载分析(on-boardanalysis)和报告工具甚至可以使一对μpmu成为强大的电气仪器。当跨电网部署时，网络效应开始生效。根据metcalf定律的出租人变体，μpmu网络的经济价值和技术影响将以非线性指数方式增长。

将信号分析器的额外的并置操作对合并到该装置中，有助于以经济高效的方式共享共同的电源装置、控制信号、全球导航卫星系统(gnss)天线/信号、防篡改/防盗保护、和/或遥测布置。例如，共享相同的gnss(gps)天线可以节省：采购、安装和维护成本；天线阵列桅杆上的风荷载、重量和空间等等。它还提供了完全相同的时序信号，可确保测量值按照时间顺序的统一性(即完美的时间对齐)。使用两个相邻的gnss(gps)天线的现有解决方案通常会由于仪器漂移和其他导致时间戳发散的细微差异而产生略有不同的结果。

在一些示例中，所述操作对可以通过适当的补偿来实现为通信网络上的逻辑对或功能对，但是该逻辑对或功能对在物理上由形成操作对的每个设备的位置之间的明显距离分开。这种功能允许对出现故障的设备进行动态补偿或对广泛放置的设备进行自适应配置，以适应功能目标或灵活地满足不断变化的条件。

在图1所示的一个示例中，提供了方法200，用于监测电网并收集高分辨率的电测量数据，该方法包括：使用在频域中运行的微同步相位计收集101第一组数据点；使用在时域中运行的电能质量监测器收集102第二组数据点；将同步时间戳应用于103所收集的第一组数据点和第二组数据点。

通过两种不同的方式(频域的同步相位测量和时域的电能质量测量)检查和处理同一电信号，有助于使用两种不同类型的分析技术。两种处理过的信号的组合有助于使用更广泛的既定方法、新技术或新型技术以及尚未设计出的分析方法。

从两种根本不同的方法派生出多个测量的时间同步阵列，为进一步开发和利用创造了分析机会。其中一个分析示例是，通过两种方法得出推定为应该相同或相似的频率、电压和测量值，并在统计公差内检查结果的合理一致性或偏差。缺乏简单的一致性或在一致性中存在随时间推移的分歧/循环表明存在值得进一步检查或纠正的异常情况。

在示例中，设备的操作对在功能上被组合成单个整体装置。这种布置和集成可以在单个电路板上使用集成电路和其他组件，也可以减少电路板的使用数量，这些电路板具有但不限于以下共享的部件：电源、存储器、遥测调制解调器、输入/输出连接器、保护功能(例如保险丝)、以及环境传感器、防篡改或自我状况监测传感器(例如，相对湿度和温度传感器用于检测外壳内的冷凝水和超温操作条件)。这样的整体设计可以配置有用于槽式机架配置和/或容易更换的适当的连接器。在一些示例中，该设备可以包括诸如示波器的附加信号处理装置，并且这些装置可以直接连接或远程操作以促进有线或无线监测所测量的信号。可以通过穿过外壳外部的连接器或耦合器将此类附加设备连接到预先安装在外壳中的整体电导线和探头。此类设备可以通过gdu的电源经由也穿过外壳壁的插座或插头供电。不用时，此类连接器和插头可用盖和/或铰链盖保护。由于不需要制作穿过外壳的新的连接件，因此在需要附加的信号处理功能(例如示波器)时，在设备内实现探针和连接导线就无需破坏设备的完整性。

在示例中，操作对可以基于经由其电能质量测量能力或微同步相位计测量能力的计算来执行电能测算的功能。在一些示例中，将电能质量监测器和微同步相位计测量结果进行比较，以检查合理的一致性，以进一步确保所报告的产生的、传输的、交付的或消耗的电能的量在给定的统计精度公差范围内是正确且准确的。如果一种设备或方法发生故障或变得不可用，它还提供了冗余和多样性。

在一些示例中，该设备还可以包含共享的电源、数据存储和遥测(调制解调器)设备。在示例中，每个操作对也可以都具有其自己单独的且不共享的电源、数据存储和遥测设备。包括该设备的外壳盒可以布置有支持多个操作对的单个电源布置。包括该设备的外壳可以布置有支持多个操作对的单个遥测设备和天线阵列布置。在共享设备的情况下，可以节省成本并简化设计。在一些示例中，将实施系统的冗余和多样性，以避免系统架构中的单点故障。

在一些示例中，来自诸如电流互感器、电压互感器或其他仪表互感器之类的交流(ac)电信号传感器的传导或转换的信号被连接到信号分析器的操作对。直流(dc)电流传感器(例如霍尔效应设备)也可以被连接。这样的传感器信号可以由操作对的两半共享，或者针对操作对中的每个设备分别导出。

在一些示例中，周围环境传感器可以被附接到一个或多个操作对。这种传感器测量外壳内部和/或外部(室外)的温度、相对湿度、大气压力、降水、振动和/或地震活动。其他传感器可以确定地面或高空附近的风速和空气湍流(例如旋转杯或超声型风速计，lidar等)。附加传感器可以确定各个光谱带(ir、可见光和/或uv)上的太阳辐照度。进一步连接的传感器可以确定空气质量的各种属性，例如气溶胶含量、微粒或气态物质含量。可附接其他探测器和传感器，以监测辐射(例如盖革计数器类型的设备)或宇宙射线(例如，μ介子探测器)。其他传感器可能涉及超声波、激光或电磁雷达发射器、接收器或收发器。在一些示例中，环境传感器通过gdu的时间戳功能关联到数据记录。

在一些示例中，附接声学传感器或以其他方式定位声学传感器，以收听被监测的设备(例如，变压器、逆变器、电动机、旋转机械等)。在示例中，声学传感器通过gdu的时间戳功能关联到数据记录。

在示例中，设备部件连接到一个或多个天线，并且可以包括用于一个以上的全球导航卫星系统(gnss)的信号处理/转换器，例如被称为gps的美国全球定位系统。gnss天线接收高精度的位置和定时信息。可用的gnss包括但不限于：称为gps的美国全球定位系统；称为glonass的俄罗斯全球导航卫星系统；中国的北斗导航卫星系统；欧盟的伽利略系统；印度的navic；以及日本的准天顶卫星系统。其它时间和位置信息可能来自其他无线电导航系统，也可能来自外壳内部的时钟，所述无线电导航系统或内部时钟具有足够的稳定性、准确性和同步性。在一些示例中，多个gnss输入被用于提供系统的冗余和多样性。连续监测多个gnss输入之间的相互一致性，可支持检测发散性或其他差异以指示是否存在对一个或多个gnss具有全局或局部/目标区影响的异常、问题、故障、恶意篡改或网络攻击。

在一些示例中，安装在一个或多个高架桅杆上的是与gdu操作对功能(例如遥测通信以及gnss定时和位置数据的获取)相关联的天线阵列。在一些示例中，这包括以下每种类型中的一种或多种：gnss(例如能够获得高精度定时信号的改良gps天线)；全增益和定向蜂窝网络(例如2/3/4/5g)、卫星(例如imarsat或低地球轨道(leo)星座)；定向微波通信链路；全向或定向(例如八木型)射频(rf)；定向光波载体等等。在示例中，天线阵列设置有防护避雷器和对相关频谱透明的封闭防护罩(例如，由塑料(例如，聚丙烯、abs或pvc)或纤维增强塑料(grp玻璃纤维)复合材料制成的罩)。防护罩可保护天线阵列组件免受环境恶化的影响，并防止盗窃。可以通过主电源或通过一个或多个以太网供电(poe电源)电源连接以及网络电缆连接为任何用电桅顶装置(例如收发器、发射器和接收器)供电。可以提供用于辐照度、风、温度、湿度、降水、气压的环境传感器配件。在一些示例中，环境传感器形成一个整体的子组件。天线桅杆和天线阵列也可以为安装一个或多个安全摄像机或其他安全监控传感器提供有利地形位置。在一些示例中，桅杆容纳微蜂窝通信收发器，其他支持遥测的天线和/或wi-fi、wimax、lora和其他lan天线。在一些示例中，桅顶全向天线和一个或多个定向天线在地理上朝向具有最强信号或优选的电信提供商的附近的通信中继/下行链路塔或其他对应的收发器天线。

在示例中，设备的外壳由金属制成或设备的外壳具有导电涂层或类似材料特性以在设备周围形成法拉第笼，以排除射频干扰(rfi)、电磁干扰(emi)或类似的辐射(尤其是与电网频率为50/60/400hz的交流电源电路相关的辐射)通过辐射或传导而进入外壳而妨碍或干扰其中所含设备的正常运行。可以通过适当的导电压盖/垫圈和环绕的铁氧体磁珠或其他有效方式来保护进入外壳的电线或其他导电路径。通过用高导热性的金属或其他材料制成外壳，内部产生的热量可以更容易地通过辐射和对流消散。如果有残留的热量积聚并导致外壳内部温度过高，那么可能会妨碍gdu正常运行，并使诸如电容器之类的元件退化，从而导致错误的操作、停机或缩短使用寿命。在一些示例中，外壳由钢或铝制成。金属外壳经久耐用；通常具有更长的使用寿命，更能抵抗紫外线和其他不良影响导致的降解。金属外壳还具有比塑料外壳更高的防火等级。金属外壳还具有高度的物理入侵防护功能，可防止灰尘、水和探测工具或手指进入。现有的封装微同步相位计的方法使用聚碳酸酯塑料盒，该聚碳酸酯塑料盒价格较低且易于修改，但易受emi/rfi问题和热积聚的影响。

在示例中，该设备具有外壳，该外壳具有可铰接的可拆装盖或盖子。在一些示例中，外壳具有一体的锁定装置或搭扣锁。在一些示例中，外壳具有在外壳被打开、移动或被篡改时检测、记录和通过数据传输警告中央操作中心的机构。对于包含电气装置(如微同步相位计和电能质量监测器或其他设备)的机柜、外壳或其他结构，防篡改安全功能(如光电池和环境传感器(温度、相对湿度(rh)、大气压力、倾斜、振动))可检测到外壳的打开、干扰或移动。触发器可以在内部安装到外壳上，也可以集成到电路板上，其位置应使摄像机能够从开口中拍摄出场景的图像-推定是在打开机柜的人员的图像。在一些示例中，实施了能够检测出偏离正常模式的学习软件并通过一种或多种数据通信方式以及在记录的数据文件中添加注释的方式发送警报。在示例中，该系统包括对外壳进行物理入侵检测：打开、gps位置移动、外壳内部温度或湿度条件的突然变化、对外壳打开的光电池检测、倾斜/撞击等。

在一些示例中，该设备利用分布式网格雾式蜂巢数据处理，其中操作对的每个节点能够在本地独立地处理数据和/或与其他gdu节点一起以及可选地与其他数据存储器一起协作地处理数据。这样的系统有助于分析处理任务或结果(例如本地状态确定)的拓扑相邻节点之间的共享。可以使用具有一个或多个处理器的协同处理器，其具有一个或多个：计算核心、图形处理单元(gpu)、浮点处理单元(fpu)。这样的协同处理器可能能够进行多线程处理或可能不能够进行多线程处理。这种网格化、边缘处理或雾计算功能可以执行与gdu收集的网格数据、设备状态监测输入或其他信息有关的各种处理和分析功能，以服务于需要计算能力的非电气目的。

在已知的时间序列矩阵数据库(tsbd)中，每个记录的值(科学测量值、金融交易量等)与从一个纪元开始参考点开始的时间戳或时间标记配对，从而得到由测量值或所赋值与时间或时间顺序的值相配对而组成的“元组”。neuville通过在单行条目中并入与单个时间戳匹配的多个测量值来改进此数据阵列的结构；不是元组，而是多元组。作为较大的neuville设备的一部分，这可确保从一个或多个电源信号以一体且统一的时间戳来实现多个同时测量(例如电压、安培数和频率)的对齐化记录(定性保证)。因此，形成时间序列矩阵数据库(tsmdb)的数据结构具有更高的存储空间效率、更快的速度，并且更适合于时间对齐的测量值或量化值或条件状态(例如开关位置)的处理和分析加工。

如图2所示，tsdb系统可以基于伯克利树数据库btrdb200构建以提供以下功能：

-与运行时间序列数据的最佳商用解决方案相比，它的运行速度独特地快了1,400倍；

-可以收集和存储多个并发的高带宽、无序数据流；

-每秒5300万次插入和1.19亿次查询的展示吞吐量，达到2.9压缩率；

-一台服务器可以处理1,000个μpmu传感器节点；

-在200毫秒内可以在34亿个数据点的范围内定位个别电压骤降；

-在易于扩展的标准amazonweb服务器上轻松实施；

-还可灵活处理电气、金融、物联网、过程、环境和许多其他类型的带时间标记的数据。

对于电网数据，这种新型的tsdb结构允许进行多尺度数据分析，从而能够在影响电力传输和分配网性能的跨电压、电流和时间的尺度范围内进行预测和异常检测。

超高效的数据引擎需要少于5,000行代码。neuville正在通过应用程序编程接口(api)、安全遥测链接、收益机制、访问控制和其他专有增强功能将其商业化。

大多数tsdb仅限于毫秒精度，因此不适合同步相位计数据。多数tsdb也不太适合neuville想要处理的巨量电网数据(容纳千万亿数据点的10的15次方字节(petabytes))。btrdb为这两个重大挑战提供了解决方案。

在一些示例中，该设备包括集成系统，该集成系统由电传感器、外壳中的信号分析器的操作对、apn加vpn安全遥测、以及用于接收、存储和检索收集到的时间序列数据的时间序列数据库组成。

系统中实现的时间序列数据库可以具有应用程序编程接口(api)，该应用程序编程接口可促进与第三方软件、系统和硬件设备的交互；费用收入收集和记录软件及数据库机制；访问安全性；以及普遍支持对所收集和存储的网格数据进行传播的“数据即服务”方法。遥测软件包可提供安全、可靠的电力系统测量结果传输。

软件和相关通信以及数据结构和安全功能允许对gdu信号处理功能和设备操作对以及数据存储处理、安全功能、自条件监测和遥测进行远程或本地的配置和管理。在某些示例中，软件和相关功能能够监测和管理广泛地理区域中的一系列设备，并且在示例中，进行监视并对检测到的对操作对配置、固件、存储的数据、数据存储机制、分析结果、控制功能、消息传递、安全功能、外壳、天线阵列和/或遥测设置的任何篡改提供警报。

微同步相位计和电能质量监测器的操作对可遵循并执行符合iec或其他技术标准的固件功能/数据格式化。这使其他开放标准的粘附软件、固件、系统和硬件之间的技术互操作性成为可能。

在示例中，该设备被附接到三相电路以用于监测目的，但是它也可以与三相系统的仅两相一起工作，或者与单相系统、双相系统一起工作。已制定的固定方式可以是放置电流和电压互感器，以便它们感测目标电流并通过其次级输出提供成比例的信号。收益级感应式互感器是最好的，但在某些情况下可以使用罗戈夫斯基线圈(rogowskicoil)和其他类型的互感器。防护等级的互感器也可以被使用，但其提供的性能有所降低。对于低电压情况，可以直接检测电压。对于中压和高压应用，可放置中间仪表互感器，或者在已有安装的情况下进行改装，以便通过gdu连接的高精度电流互感器和提供至操作对的电压输入，来感测承载有比例信号(通常为120v和5a)的仪表互感器的次级输出引线。这样的高精度电流互感器可以是开孔型也可以是分芯型。gdu包括合适的电源和互联网宽带接入。

与已知的包含微同步相位计的系统不同，为了使该设备适合并安全地安装在公用变电站、发电厂或其他电力设施中并进行操作，该装置合并了以下一项或多项内容，有或无冗余：

-隔离开关或多个开关，使系统断电并将其与外部信号、数据和遥测连接断开，包括用于隔离交流和直流电源的开关布置；

-l型浪涌保护装置加上2型浪涌保护装置(spd)，或者组合的l+2型浪涌保护装置；

-漏电保护器(rcd)型电气保护；

-具有足够容量和耐用性的单一或冗余开关电源，可将输入的交流总输电线电源或寄生获得的电源转换为合适的直流电压电源；

-缓冲式短时电容式不间断供电电源；

-更长寿命的电池类型的不间断供电电源(ups)，带有电池管理模块；和/或

-通过操作对来监测输入的电源和产生的直流电源的布置。

上面公开的设备可以在能源发电厂实施，以提供关于发电设备和电力网络的状态的高度准确的信息。此类信息可用于制定运营决策，以最大程度地利用能源发电厂。在一些示例中，所公开的设备用于优化太阳能发电场或风力发电场的使用。