一种具备边缘计算能力的智能站所终端及故障判别方法
阅读说明：本技术 一种具备边缘计算能力的智能站所终端及故障判别方法 (Intelligent station terminal with edge computing capability and fault judgment method ) 是由 张姿姿 马天祥 段昕 姬艳鹏 景皓 贾静然 刘振 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具备边缘计算能力的智能站所终端及故障判别方法,由中央处理器、电源及管理模块、通信模块、线损模块、采集控制模块、操作控制模块和人机交互模块构成；中央处理器、电源及管理模块、通信模块、线损模块和采集控制模块均采用即插即用的模式,方便扩展。本装置安装在配电网开关站、配电室、环网柜、箱式变电站等处的配电终端,具有多线路采集、控制、故障检测等功能,通过对CPU进行分区技术,提高站所终端的运算能力使其具备边缘计算能力；本装置与主站和相邻终端设备通过通信介质连接,利用横、纵多向通信方式,相邻终端的横向通信数据,快速实现故障定位、故障隔离、非故障区域恢复供电,并配合主站纵向通信方式实现三遥功能。(The invention discloses an intelligent station terminal with edge computing capability and a fault judgment method, which are composed of a central processing unit, a power supply and management module, a communication module, a line loss module, an acquisition control module, an operation control module and a man-machine interaction module; the central processing unit, the power supply and management module, the communication module, the line loss module and the acquisition control module are all in a plug-and-play mode, and convenience in expansion is achieved. The device is arranged at a power distribution terminal of a power distribution network switching station, a power distribution room, a ring main unit, a box-type substation and the like, has the functions of multi-line acquisition, control, fault detection and the like, and improves the operational capability of the terminal of the station by carrying out a partition technology on a CPU (central processing unit) so that the terminal has edge computing capability; the device is connected with a main station and adjacent terminal equipment through communication media, and utilizes transverse and longitudinal multi-directional communication modes and transverse communication data of adjacent terminals to quickly realize fault location, fault isolation and power restoration of a non-fault area, and is matched with a main station longitudinal communication mode to realize three remote functions.)
技术领域
本发明涉及一种具备边缘计算能力的智能站所终端及故障判别方法。
背景技术
伴随着配电自动化覆盖率的急速提高，主站将面临分析大量繁冗复杂的数据的状况，急需分布式计算、边缘计算来去中心化来减少主站的数据分析压力；随着5g技术的发展，分布式计算、边缘计算的短时效性将逐渐被满足；环网柜是城市配电网发展的重要部分，监测控制环网柜的站所终端将会大面积安装投运，具备边缘计算能力的智能站所终端及故障判别方法，可利用5g技术、相邻终端通信互通技术快速识别隔离故障，将数据处理结果上传给主站，既提高了故障解决效率，又分担了主站的工作量。
目前，国内生产使用的均为传统的站所终端，不具备边缘计算能力和相邻终端沟通能力。故障发生时，与故障点相关的站所终端将异常信息上报给主站，主站分析计算后，给站所终端下达命令，站所终端收到命令后控制环网柜各线路的分合闸情况。
因此，亟需提供一种解决上述问题的一种具备边缘计算能力的智能站所终端及故障判别方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种具备边缘计算能力的智能站所终端及故障判别方法，适用于中压台区。通过站所终端的CPU分区技术，提高站所终端的运算能力使其具备边缘计算能力；在此基础上，通过局域通信互通技术，联络故障发生时刻相邻终端的信息，及时隔离故障，缩短故障识别、故障隔离时间，不仅减缓主站分析数据压力，并且不依赖于主站，提高供电可靠性，提高生产效益。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种具备边缘计算能力的智能站所终端及故障判别方法，由中央处理器、电源及管理模块、通信模块、线损模块、采集控制模块、操作控制模块和人机交互模块构成；中央处理器、电源及管理模块、通信模块、线损模块和采集控制模块均采用即插即用的模式，方便扩展。
进一步的，中央处理器采用大规模可编程逻辑阵列FPGA，中央处理器采用SMP架构，将中央处理器进行分区化处理，不同区域处理不同模块的数据，通信模块由中央处理器负责通信模块进程的区域进行分析控制，电源管理模块由中央处理器负责电源管理模块进程的区域进行分析控制，线损模块由中央处理器负责线损模块进程的区域进行分析计算，采集模块由中央处理器负责采集模块进程的区域进行分析计算。
进一步的，通信模块包括与主站通信的纵向通信模块和与相邻终端对等通信的横向通信模块；纵向通信模块和横向通信模块均采用无线通信方式，兼容5/4/3/2G及GPRS/CDMA通信方式；
横向通信采用内容分发网络CDN ,CDN将代理服务器部署在网络边缘，在网络边缘形成微型数据中心；
配电网正常运行时，与主站通信部分负责上传终端信息和下发主站命令，实现终端的三遥功能；当配电网发生故障时，与相邻终端对等通信部分负责终端之间信息传送，实现故障的快速识别、隔离，并将处理结果通过与主站通信部分上送给主站。
进一步的，电源及管理模块为其他模块提供工作电源和控制电源，并控制线路电压电流与后备电源电压电流的使用和交直流转换；线路交流工作电源取自线路TV的二次侧输出，后备电源采用超级电容供电。
进一步的，线损模块集测量、计量、通信于一体，通过电压采集回路、电流采集回路和微控制器测量电压电流功率并计算用电量，联络相邻终端的线损模块电量值求得线路损耗。
进一步的，采集控制模块采用高性能数字信号处理器DSP，将线路电压电流经互感器转换为微小电压电流并通过模数转化装置将其转化为数字信号传送给中央处理器。
进一步的，操作控制模块的操作控制回路包括开关操作方式转换和开关就地操作两部分；
进一步的，开关操作方式转换部分包括转换开关和相应的指示灯，用以选择就地、远方以及闭锁三种开关操作方式；
当选择就地操作方式时，通过面板上的分合闸按钮进行开关分合闸操作；当选择远方操作方式时，通过远方遥控方式进行开关分合闸操作；当选择闭锁操作方式时，当地、远方均不能操作，操作控制模块在站所终端下半部分外侧，开关操作与内部端子接线连接。
进一步的，人机交互模块包括显示屏、操作键盘以及装置运行指示灯；
显示屏与操作键盘用于对配电终端进行当地配置与维护，操作键盘配置与维护数据包括TV/TA接线方式、遥测/遥信/遥控配置参数、故障检测定值、装置编号和通信波特率；显示屏显示电压、电流、功率测量数据；装置运行指示灯用于指示测控单元、后备电源、通信的运行状态以及开关位置状态、线路运行状态。
一种应用智能站所终端的故障判别方法，流程如下：配网正常运行时，电源模块取电供装置运行，采集控制模块、线损模块采集并将信息上报给中央处理器，中央处理器分区域处理信息，并通过通信模块与主站通信部分上传给主站或接收主站下达的命令；发生故障时，本装置采集控制模块采集线路电压电流，上报给中央处理器，并通过通信模块的与相邻终端对等通信部分获取其他终端的采集信息，上报给中央处理器，中央处理器处理数据，识别故障点，并将故障点信息发布给其他终端，调整开关状态，隔离故障点，并将结果通过通信模块与主站通信部分上报给主站，减少主站分析冗余数据，缩短故障隔离时间；若站所中端分析相邻终端数据后不能判定故障点，则立即上报主站。
与现有技术相比，本发明所取得的有益效果如下：
本发明是一种具备边缘计算能力的三遥型智能站所终端，适用于中压台区，本装置是安装在配电网开关站、配电室、环网柜、箱式变电站等处的配电终端，具有多线路采集、控制、故障检测等功能，本装置通过对CPU进行分区技术，提高站所终端的运算能力使其具备边缘计算能力。本装置与主站和相邻终端设备通过通信介质连接，利用横、纵多向通信方式，相邻终端的横向通信数据，快速实现故障定位、故障隔离、非故障区域恢复供电，并配合主站纵向通信方式实现三遥功能。本装置硬件、软件均采用模块化开发，有利于装置功能扩展，减少设备成本。
附图说明
附图1是本发明中央处理器分区原理图；
附图2是本发明通信模块的通信原理图；
附图3是本发明故障判别流程图；
附图4是本发明故障发生处理过程的故障发生点示意图；
附图5是本发明故障发生处理过程的故障隔离示意图；
附图6是本发明故障发生处理过程的非故障区恢复示意图；
附图7是本发明智能站所终端硬件结构原理图；
附图8是本发明智能站所终端外部示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
如图1、2、7和8所示，一种具备边缘计算能力的智能站所终端，由中央处理器、电源及管理模块、通信模块、线损模块、采集控制模块、操作控制模块和人机交互模块构成；中央处理器、电源及管理模块、通信模块、线损模块和采集控制模块均采用即插即用的模式，方便扩展。
进一步的，本装置中央处理器采用大规模可编程逻辑阵列（FPGA），提高运算效率。本装置中央处理器采用SMP架构，将中央处理器进行分区化处理，不同区域处理不同模块的数据，通信模块由中央处理器负责通信模块进程的区域进行分析控制，电源管理模块由中央处理器负责电源管理模块进程的区域进行分析控制，线损模块由中央处理器负责线损模块进程的区域进行分析计算，采集模块由中央处理器负责采集模块进程的区域进行分析计算，各个区域的运算速度互不影响，以提高CPU的整体运算速度。
进一步的，通信模块分为与主站通信纵向通信模块的和与相邻终端对等通信的横向通信模块。均采用无线通信方式，兼容市面上主流通信方式（5/4/3/2G、GPRS/CDMA等）。其中，横向通信采用内容分发网络（CDN） ,CDN将代理服务器部署在网络边缘，在网络边缘形成微型数据中心，借助高速的通信技术，降低网络延时，提高网络利用率，实现高效稳定的数据传输效果。 配电网正常运行时，与主站通信部分负责上传终端信息、下发主站命令实现终端的三遥功能，当配电网发生故障时，与相邻终端对等通信部分负责终端之间信息传送，实现故障的快速识别、隔离，并将处理结果通过与主站通信部分上送给主站。
进一步的，电电源及管理模块为其他模块提供工作电源和控制电源，并控制线路电压电流与后备电源电压电流的使用和交直流转换。本装置的交流工作电源通常取自线路TV的二次侧输出，后备电源采用超级电容供电。
进一步的，线损模块集测量、计量、通信于一体，通过电压采集回路、电流采集回路、微控制器等测量电压电流功率并计算用电量，联络相邻终端的线损模块电量值求得线路损耗。
进一步的，采集控制模块由模拟量插板、开关量插板、控制量插板组成，数量可以根据实际需要进行配置，以满足不同实际需求。采集控制模块采用高性能数字信号处理器（DSP），将线路电压电流经互感器转换为微小电压电流并通过模数转化装置将其转化为数字信号传送给中央处理器。
进一步的，操作控制模块，操作控制回路包括开关操作方式转换和开关就地操作两部分。开关操作方式转换部分由转换开关和相应的指示灯组成，用以选择就地、远方以及闭锁三种开关操作方式。当选择就地操作方式时，可通过面板上的分合闸按钮进行开关分合闸操作；当选择远方操作方式时，可通过远方遥控方式进行开关分合闸操作；当选择闭锁操作方式时，当地、远方均不能操作。操作控制模块在站所终端下半部分外侧，开关操作与内部端子接线连接。
进一步的，人机交互模块，包括显示屏、操作键盘以及装置运行指示灯。显示屏与操作键盘用于对配电终端进行当地配置与维护，包括TV/TA接线方式、遥测/遥信/遥控配置参数、故障检测定值、装置编号、通信波特率等，显示电压、电流、功率等测量数据；装置运行指示灯用于指示测控单元、后备电源、通信的运行状态以及开关位置状态、线路运行状态，便于操作、维护。
本装置软件配置灵活方便，可通过维护软件配置实现目前各种运行方式，完成多回线全电量测量，包括直流信号量、交流电压、相电流、零序电流、频率、谐波数据等基本电参数，同时计算有功功率、无功功率、功率因数数据。
本装置具有故障电流检测功能，故障检测以回线为单位，实现三段过流保护、过负荷告警、零序电流保护、涌流闭锁、四次重合闸、PT断线/失压告警、过压告警、以及电源备投等功能。可以根据实际需要，增加扩展相应的功能。
本装置采用双向优化模型结合深度学习算法，横纵向优化模型结合粒子群算法，发生故障时，快速定位并隔离故障，同时提供最佳负荷转供路径，保证非故障区域迅速恢复供电。
本装置具备历史数据循环存储能力，电源失电后保存数据不丢失，具备完备的自恢复电路设计，确保设备正常工作，防止死机。具备历史数据循环存储能力，电源失电后保存数据不丢失。具备通信接口监视功能，可监视通信模块状态，IP地址等。
如图3所示，一种应用智能站所终端的故障判别方法，流程如下：配网正常运行时，电源模块取电供装置运行，采集控制模块、线损模块采集并将信息上报给中央处理器，中央处理器分区域处理信息，并通过通信模块与主站通信部分上传给主站或接收主站下达的命令；发生故障时，本装置采集控制模块采集线路电压电流，上报给中央处理器，并通过通信模块的与相邻终端对等通信部分获取其他终端的采集信息，上报给中央处理器，中央处理器处理数据，识别故障点，并将故障点信息发布给其他终端，调整开关状态，隔离故障点，并将结果通过通信模块与主站通信部分上报给主站，减少主站分析冗余数据，缩短故障隔离时间；若站所中端分析相邻终端数据后不能判定故障点，则立即上报主站。
以图4-6的线路图及短路故障为例，装置在故障发生的处理流程，图中CB1、CB2 为出口断路器，FS1-FS7 为环网柜及架空线断路器，LSW1 为联络开关。故障发生在箭头处，环网柜1匹配的智能站所终端和环网柜2、环网柜3匹配的站所终端通讯，判断出故障点在三台环网柜之间，FS2、FS3、FS5跳闸，故障点隔离成功。FS6失电跳闸，单侧失电联络开关LSW1合闸，FS6得电合闸，非故障区恢复供电。
以上所述实例表达了本发明的优选实施例，描述内容较为详细和具体，但并不仅仅局限于本发明；特别指出的是，对于本领域的研究人员或技术人员来讲，在不脱离本发明的结构之内，系统内部的局部改进和子系统之间的改动、变换等，均属于本发明的保护范围之内。