一种基于大数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统和方法与流程

本发明涉及一种数据采集分析系统和方法，尤其涉及一种变压器运行状态数据采集分析系统和方法。
背景技术：
：变压器是电网的主要设备之一，其是保证电力系统安全、可靠、经济、优质运行的关键。变压器具有改变电压等级和分配电能潮流等职责，处于良好运行状态的变压器对于电力系统的安全稳定具有极其重要的作用。在电网中变压器的数量众多，众多的变压器可以构成变压器集群。与单个企业的专用服务器相比，基于大数据的云计算数据平台具有分布式集群服务器，其稳定性相对更高，云平台的数据存贮容量更大，专业的数据备份和数据维护功能更强，扩展性、数据协同性和计算能力更好，更有利于进行变压器集群的状态分析。由此可见，在当前工业互联网和大数据的环境下，基于大数据平台对变压器运行状态的数据进行采集和分析就显得十分必要。基于此，期望获得一种基于大数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统和方法。技术实现要素：本发明的目的之一是提供一种基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统，该系统可以有效采集并分析变压器运行状态数据，从而准确判断变压器的运行状态，其对于变压器的运行维护作用很大，可以产生巨大的经济效益，具有良好的推广前景和应用价值。根据上述发明目的，本发明提出一种基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统，其包括：数据采集模块，其采集变压器的实时电量信号数据；远端数据平台，所述数据采集模块将实时电量信号数据传输给远端数据平台，所述远端数据平台具有实时计算引擎和数据库，所述实时计算引擎实时提取实时电量信号数据的特征数据，并将提取结果存储在所述数据库中。进一步地，在本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统中，上述远端数据平台还具有规则引擎，所述远端数据平台基于所述特征数据和已经存储的变压器运行状态历史数据，启动所述规则引擎对变压器实时运行状态进行分析判断，并将分析判断结果存储在所述数据库中。进一步地，在本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统中，还包括客户端，所述远端数据平台将所述分析判断结果传输至客户端。进一步地，在本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统中，所述远端数据平台将所述分析判断结果以报表的形式传输至客户端。进一步地，在本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统中，所述实时电量信号数据通过mqtt微消息队列传输至远端数据平台。进一步地，在本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统中，所述数据采集模块具有缓冲区，所述数据采集模块采集的实时电量信号数据先存储在所述缓冲区内。进一步地，在本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统中，所述实时计算引擎为flink实时计算引擎。进一步地，在本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统中，所述实时电量信号数据包括变压器的三相电压数据和三相电流数据。进一步地，在本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统中，所述提取实时电量信号数据的特征数据包括下述步骤：数值滤波、求取三相电压电流相量、求取正序、负序和零序特征数据和计算不平衡度。进一步地，在本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统中，所述数据采集模块被设置为：其采集变压器中性点的电流信号in(t)和/或铁芯接地点的电流信号iic(t)，并且在变压器中性点的电流信号in(t)大于第一阈值in和/或铁芯接地点的电流信号iic(t)大于第二阈值iic时，才被触发采集变压器的所述实时电量信号数据。相应地，本发明的另一目的在于提供一种基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析方法，该变压器运行状态数据采集分析方法简单易行，采用该方法可以有效采集并分析变压器运行状态数据，从而准确判断变压器的运行状态，其对于变压器的运行维护作用很大，可以产生巨大的经济效益，具有良好的推广前景和应用价值。根据上述的发明目的，本发明提出了一种基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析方法，其由上述的变压器运行状态数据采集分析系统执行。本发明所述的基于大数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统和方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：本发明所述的基于大数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统可以有效采集并分析变压器运行状态数据，从而准确判断变压器的运行状态，其对于变压器的运行维护作用很大，可以产生巨大的经济效益，具有良好的推广前景和应用价值。在一些优选的实施方式中，本发明所述的基于大数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统还可以基于得到的变压器运行状态数据，经大数据分析后，给出有针对性的提示意见。相应地，本发明所述的基于大数据平台的变压器运行状态数据采集分析方法，由上述的变压器运行状态数据采集分析系统执行，其同样具有上述的优点以及有益效果。附图说明图1为本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统在一种实施方式下的结构方框图。图2显示了本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统在一种实施方式下的数据采集模块采集变压器实时电量信号数据的结构示意图。图3示意性地显示了图2中数据采集模块采集实时电量信号的步骤流程图。图4示意性地显示了在一种实施方式下实时电量信号数据通过mqtt微消息队列传输至远端数据平台的推送流程。图5示意性地显示了在一种实施方式下datav数据展示及提示流程图。具体实施方式下面将结合说明书附图和具体的实施例对所述的基于大数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统和方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。图1为本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统在一种实施方式下的结构方框图。如图1所示，在本实施方式中，本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统可以包括：数据采集模块和远端数据平台。其中，数据采集模块可以高速精准的采集变压器的实时电量信号数据，并将实时电量信号数据传输给远端数据平台。需要说明的是，在本实施方式中，远端数据平台具有：实时计算引擎、规则引擎和数据库。其中，远端数据平台中的实时计算引擎能够实时提取实时电量信号数据的特征数据，并将得到的提取结果存储在远端数据平台的数据库中。相应地，远端数据平台也可以基于上述特征数据和已经存储的变压器运行状态历史数据，启动其中的规则引擎对变压器实时运行状态进行分析判断，并将分析判断结果也存储在数据库中。继续参阅图1可见，在本实施方式中，数据采集模块采集得到的实时电量信号数据可以通过消息队列遥测传输(mqtt)微消息队列的方式传输至远端数据平台，远端数据平台通过采用flink实时计算引擎进行实时电量信号数据的特征数据的提取，而后再将所提取的特征数据导入到规则引擎中进行变压器运行状态分析，最后可以将分析结果反馈至用户侧，给予变压器运行状态的提示。此外，需要注意的是，数据采集模块还可以具有缓冲区(buffer)，数据采集模块采集的实时电量信号数据先存储在缓冲区内。另外，数据采集模块还可以具有mqtt微消息队列上送接口当然，在某些实施方式中，本发明所述的变压器运行状态数据采集分析系统还可以包括有客户端，系统中的远端数据平台可以将所分析判断结果以报表的形式传输至客户端，以给予变压器运行状态的提示。图2显示了本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统在一种实施方式下的数据采集模块采集变压器实时电量信号数据的结构示意图。如图2所示，在本实施方式中，变压器可以包括：变压器铁芯1、y接法绕组2、δ接法绕组3、变压器铁芯接地4和变压器中性点接地5。需要说明的是，在电力变压器的运行状态中，三相潮流负荷的对称性和变压器是否出现局部放电，是其中两个重要的指标。当变压器处于静态稳定状态时，电力变压器三相电压或电流的幅值大小应该相等，而相位则按相序分别相差120°，其三相绕组的中性点没有电流。但是由于电力负荷的随机性，若电网没有实现完全换位而导致输电线路参数不对称，亦或是变压器处于非正常状态，则均会导致三相电力潮流时常处于不对称状态，这时变压器中性点的电流不为零，变压器中性点会出现电流信号in(t)。同理，当变压器处于静态稳定状态时，变压器铁芯1的接地点同样也没有电流。但是，若变压器绕组中发生局部放电，则变压器绕组和铁芯之间的分布电容会形成耦合通路，放电产生的高频电流信号会通过铁芯接地点，铁芯接地点会出现电流信号iic(t)，放电频率主要在40-300khz之间。由此可见，通过采集变压器中性点和/或铁芯接地点的电流，便可以有效感知变压器的运行状态。继续参阅图2，在本实施方式中，本发明所述的数据采集模块可以配合变压器和传感器对变压器的实时电量信号数据进行采集。在图2中，变压器和δ接法绕组3的接线省略。当变压器中性点出现电流信号in(t)和/或铁芯接地点出现电流信号iic(t)时，会触发数据采集模块外部中断，采集变压器中性点和/或铁芯接地点电流信号。其中，采样方式可以采用勒贝格采样(lebesguesampling，ls)模式，当然也可以称为事件驱动采样。这种采样方式可以通过判别状态变量的导数是否大于发生事件的阈值，从而确定是否启动实时电量信号数据的采样。例如在本实施方式中，可以提前预设好第一阈值in以及第二阈值iic。当在变压器中性点的电流信号in(t)大于第一阈值in和/或铁芯接地点的电流信号iic(t)大于第二阈值iic时，才被触发采集变压器的实时电量信号数据。为了更好的说明本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统中的数据采集模块采集实时电量信号数据的过程，以变压器中性点出现电流信号in(t)为例，进一步地进行说明。变压器中性点出现电流信号in(t)，in(t)是连续时间的非线性函数：在上述公式(1)中，f是表征变压器中性点电流信号变化过程的函数，c(t)是表征变压器运行的控制变量。需要说明的是，对in(t)采样的过程，就是将其离散化的过程。在离散化过程中，假设配合数据采集模块采集数据的传感器连续两次观测的最小时间间隔为τ，则离散化后，可以构建勒贝格采样序列为：在上述公式(2)中，k表示时间序列，k+1表示k时间序列后的下一个时间序列，m表示数据采集点之间的间隔时间，其为正整数。构建阈值函数in(tk)，阈值函数in(tk)可以和上一个采样时刻的变压器中性点电流信号有关，也可以将其定义为一个常数，其是本领域内技术人员根据不同的变压器的特性所设定的阈值函数，该阈值函数可以用于公式(3)，以判别是否要启动对三相电压和三相电流的采样。而后，启动数据采集模块中的判别公式(3)，判别状态变量的导数是否大于发生事件的阈值来确定是否启动实时电量的采样，公式(3)如下所示：f(in(tk),c(tk))·mτ＝|in(tk+1)-in(tk)|≥in(tk)(3)预设好第一阈值in以及第二阈值iic，当在变压器中性点的电流信号in(t)大于第一阈值in和/或铁芯接地点的电流信号iic(t)大于第二阈值iic时，数据采集模块被触发采集变压器的实时电量信号数据。需要说明的是，通过变压器套管出线端的电压互感器(pt)和电流互感器(ct)，连续采集l个周波的电压、电流信号，每个周波采k点数据，共采集6×l×k个数据。在实际操作时，可根据实际工程需要调整l、k的数值。例如，假设l＝10，k＝128，则该次操作将采集7680个样本数据。每个周波的时间(t)由电网的频率决定。我国电网的频率是50hz，且电网频率的波动范围不大于±0.2hz，所以一般t介于20±0.08ms之间。通过变压器数据采集模块的定时器，可以很精确的测出电网的即时频率，从而确定总采样周期(lt)。在总采样周期中，实时电量信号数据需要进行分批采集，每批可以控制为6个。在本实施方式中，如图2所示，数据采集模块有6个信号采样通道，分别对应三相电压和三相电流，数据采集模块所采集的实时电量信号数据包括变压器的三相电压数据和三相电流数据，每次共采集l×k批，各批之间的间隔可以控制为δt，其间隔时间δt如公式(4)所示：图3示意性地显示了图2数据据采集模块采集实时电量信号的步骤流程图。如图3所示，图3中的p、q分别表示外层循环变量和内层循环变量。数据采集模块所采集的三相电压数据和三相电流数据可以按采样先后存放在数据采集模块的缓冲区(buffer)中，缓冲区单元变量为x。在本实施方式中，各相的电压电流集合彼此相差6个单元，各个周波之间的同位信号彼此相差6kr个单元，r∈[0,1,…,l-1]。数据采集模块所采集的实时电量信号数据需要传输至远端数据平台，为了保证数据的实时性，在本实施方式中可以通过mqtt微消息队列进行数据上传，实时电量信号数据的推送流程如图4所示。图4示意性地显示了在一种实施方式下实时电量信号数据通过mqtt微消息队列传输至远端数据平台的推送流程。如图4所示，在本实施方式中，数据采集模块所采集到的实时电量信号数据可以通过mqtt微消息队列传输至远端数据平台，且远端数据平台中的实时计算引擎为flink实时计算引擎。当数据采集模块完成采样后，实时电量信号数据可以接入mqtt的c语言客户端，c语言客户端中的软件包(softwaredevelopmentkit，sdk)能够先完成创建资源的工作。mqtt微消息队列本身并不提供消息数据持久化功能，具体的消息存储和消息数据持久化可以通过配置消息存储实例来实现。mqtt的c语言客户端中的软件包创建资源后，通过物联网端口可以获取接入点，将消息推送到远端数据平台，远端数据平台能够使用flink实时计算引擎去获取消息，从而实现整个实时电量信号数据的推送流程。本发明所述的基于数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统可以采用flink实时计算引擎进行变压器电量实时特征的提取，其能够以实时电量信号数据为基础，完成数值滤波，求取三相电压电流相量，求取正序、负序和零序特征数据，计算不平衡度等工作。结合参阅图2和图3，需要说明的是，在本实施方式中，数值滤波可以采用均值滤波法，以消除采样通道引入的随机噪声信号，仅以a相电压序列为例：在上述公式(5)中，ua(p)表示a相电压序列。同理可得ub(p)，uc(p)电压序列和ia(p)，ib(p)，ic(p)电流序列，其中，p＝0,1,2,……,k-1。需要说明的是，三相电压相量和三相电流相量要分别计算它们的幅值和相角。在本算法中，电压和电流相量的幅值，由它们的有效值来表示，其计算公式如(6)式所示，以a相电压幅值ua为例：同理，按上述公式(6)可得其他向量的幅值ub，uc，ia，ib和ic。按本发明算法的规定，a相电压相量的相角为0°，即：以a相电压序列ua(p)中第一个导数大于零的过零点为基准，其序列号为p，其他电压电流序列中第一个导数大于零的过零点的序号为q，则有如下判别式：在上述公式(8)中，θ表示相角。例如，b相电压序列中第一个导数大于零的过零点的序号为q，若有p-q<0，则b相电压滞后于a相电压，滞后的角度为正，其表达式如(9)式所示：在上述公式(9)中，若有p-q＝0，则表示a相电压与b相电压同相；若有p-q>0，则b相电压超前于a相电压，其相角为负，其表达式仍由公式(9)所示。将a相电压以外的各相序列逐一与a相电压序列比较，并调用公式(9)式，即可得到完整的三相电压相量和三相电流相量：在得到完整的三相电压相量和三相电流相量之后，进行a相、b相和c相到正序(1)、负序(2)、零序(0)电压和电流的变换。以电压变换为例，其变换公式如(11)所示：在公式(11)中，a表示旋转变换算子，a＝ej120°，a2＝ej240°，a算子的幅值为1，相角是120°。同理，由公式(11)的变换矩阵，可得电流的正序、负序和零序分量不再赘述。需要说明的是，在静态电路中，电压和电流只有正序分量，而没有负序和零序分量，不平衡性越大，则负序和零序分量越大。据此，可以有效计算不平衡度，定义变压器三相电压和三相电流的不平衡度ηu和ηi分别为：在上述公式(12)中，u1表示正序电压的幅值，u2表示负序电压的幅值，u0表示零序电压的幅值；同理，i1表示正序电流的幅值，i2表示负序电流的幅值，i0表示零序电流的幅值。此外，需要注意的是，在本实施方式中，特征数据经提取后，所得计算结果可以存放在大数据平台的mysql数据库中，其数据的格式如表1所示：表1列出了采集模块向大数据平台发送的数据格式。表1.字段名称数据类型数据说明备注t_idint整型变压器的唯一性标志trigger_idlogic逻辑型触发标志g_currentfloat浮点实型接地点电流component_idtinyint微整型正负零序分量标识ui_idlogic逻辑型电压电流表示amplitudefloat浮点实型幅值anglefloat浮点实型相位unbalance_idlogic逻辑型不平衡度标识unbal_degreefloat浮点实型不平衡度sampling_datedatetime日期型采样时标需要说明的是，在本实施方式中，本发明所述的变压器运行状态数据采集分析系统中的远端数据平台在得到本次特征数据后，可以结合已经存储的变压器运行状态历史数据，启动规则引擎，对变压器实时运行状态进行分析判断。远端数据平台在数据分析时，若需要a相、b相和c相的数据，可以通过公式(13)，以电压变换为例，将特征数据逆变为abc相的数据。相应地，电流变换原理同上，不再赘述。远端数据平台通过大数据分析，可以较全面地掌握变压器的运行状况以及绝缘老化程度。将分析判断结果存储在数据库中，然后可以通过数据可视化服务datav将分析的结果推送给客户端。图5示意性地显示了在一种实施方式下datav数据展示及提示流程图。需要说明的是，据可视化服务datav具有较强的自定义组件开发工具和交互配置能力，其支持绘制各类基础图表，能够接入echarts、antv-g2等第三方图表库，支持数据多层叠加，对接mysql数据库后，可以便捷的设计和发布一个三维的可视化报表，将分析判断结果以报表的形式传输至客户端。datav发送的提示对于变压器的运行维护作用很大，例如：变压器绕组的局部放电反映了变压器绕组绝缘逐渐老化及损坏的过程，是一个较长期的发展过程。在这个过程中，放电的间隙越来越短，放电的电流越来越大。大数据分析模块可以依据这种变化规律，结合变压器的负载情况，给出提示意见，安排进一步的详细检测，或决定进行检修。再例如：如果电压的不平衡性相对严重，可能是变压器某一相的潮流偏重，或是这一相的无功负载偏大，经大数据分析后，可以给出有针对性的提示意见，进行负荷转移或无功补偿。综上所述可以看出，本发明所述的基于大数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统可以有效采集并分析变压器运行状态数据，从而准确判断变压器的运行状态，其对于变压器的运行维护作用很大，可以产生巨大的经济效益，具有良好的推广前景和应用价值。在一些优选的实施方式中，本发明所述的基于大数据平台的变压器运行状态数据采集分析系统还可以基于得到的变压器运行状态数据，经大数据分析后，给出有针对性的提示意见。相应地，本发明所述的基于大数据平台的变压器运行状态数据采集分析方法，由上述的变压器运行状态数据采集分析系统执行，其同样具有上述的优点以及有益效果。需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。当前第1页12