技术领域
[0001] 本
发明属于局部放电检测技术，具体涉及一种基于物联网边缘计算的局部放电监测装置及方法。
背景技术
[0002] 局部放电是造成绝缘劣化的主要原因，也是绝缘劣化的重要征兆，与绝缘材料的劣化和绝缘体的击穿过程密切相关。通过对电气设备进行局部放电监测，能有效地反映设备内部绝缘的潜伏性
缺陷和故障，是检测电气设备绝缘缺陷的有效手段。而随着新一代电
力系统和
能源互联网的演进，传统的运维检修手段已经无法满足
电网发展的需求，近年来以物联网为代表的新一代技术的发展和渗透为运检模式的转变带来了新思路，将物联网应用到局部放电监测等运检体系中是推进智能运检管理模式变革的战略之一。
[0003] 物联网是感应通信技术、智能采集技术、容器技术、移动通信技术、窄带物联网等信息技术的高度集成和综合运用，它将各种信息传感设备与互联网结合起来形成了一个巨大网络，使更多的设备实现广
覆盖的采集、低成本的接入以及更深入的智能控制，实现资源的智能化识别、
跟踪、监测和管理。随着物联网的发展，信息采集呈爆发式增长，集中式的
云端处理能力已经无法适应大规模物联网设备爆炸性增长的传输需求。随着物联网、传感技术的不断发展和深入推广，即插即用的低功耗无源
传感器成为一大发展趋势，超声智能传感器作为局部放电监测的技术手段之一得到了广泛应用，但在基于物联网的体系应用中还存在以下问题：
[0004] (1)超声智能传感器采集图谱类数据时消耗功率较大，为满足低功耗要求减少了采集图谱的种类，降低了图谱诊断的准确率；
[0005] (2)超声智能传感器的采集频次及时间通过云端主站进行设置，无法通过采集数据的异常情况进行调整，异常数据跟踪能力差；
[0006] (3)由于局部放电产生的
超声波信号范围较大，对于小信号传感器的测量
精度低，对于大信号传感器采集的
波形会失真，传感器测量的准确度较低；采用多级放大
电路可以解决这一问题，但同时对几种放大信号进行处理和传输会消耗一部分功率，降低传感器的功耗性能。
发明内容
[0007] 发明目的：本发明的第一目的在于提供一种基于物联网边缘计算的局部放电监测装置，采用承载边缘计算技术的边缘
节点在
感知端就近提供边缘智能服务，减少数据传输和诊断的网络时延；本发明的另一目的在于提供一种能够降低超声智能传感器在物联网体系应用中的功耗以及提高超声图谱诊断准确性的基于物联网边缘计算的局部放电监测方法。
[0008] 技术方案：本发明的基于物联网边缘计算的局部放电监测装置，包括超声智能传感器和边缘节点，所述边缘节点与云端主站连接：超声智能传感器与边缘节点连接，超声智能传感器用于采集电气设备局部放电时产生的局部放电
超声波信号，并将采集的局部放电超声波信号转换成局部放电超声
波数据后传输至边缘节点；边缘节点，用于收集超声智能传感器采集的局部放电超声波数据，并对局部放电超声波数据进行筛选和分析，根据分析结果调整超声智能传感器的采集策略，将筛选后的局部放电超声波数据上传至云端主站。
[0009] 所述超声智能传感器包括传感单元、调理单元、MCU单元、通信单元和供电单元；其中，
[0010] 传感单元，检测电气设备内部发生局部放电时的局部放电超声波信号；
[0011] 调理单元，将采集的局部放电超声波信号放大、
模数转换，得到局部放电超声波数据；
[0012] MCU单元，接收调理单元转换的局部放电超声波数据，根据边缘节点的指令对超声智能传感器的采集策略进行调整；
[0013] 通信单元，将调整后的局部放电超声波数据传输至边缘节点，接收边缘节点下达的指令，实现局部放电超声波数据的传输和指令的接收；
[0014] 供电单元，为传感单元、调理单元、MCU单元、通信单元提供
电能。
[0015] 所述边缘节点包括通讯单元、处理单元、存储单元和电源单元；
[0016] 通讯单元，接收超声智能传感器采集的局部放电超声波数据，将超声智能传感器采集的原始局部放电超声波数据传给存储单元，进行本地保存；将经过处理单元处理后的异常局部放电超声波数据上传至云端主站；向超声智能传感器下达调节采集策略的指令；接收云端主站的指令；
[0017] 处理单元，对局部放电超声波数据进行初步诊断，筛选出异常的局部放电超声波数据，将筛选出的异常局部放电超声波数据通过通讯单元上传至云端主站；对局部放电超声波数据进行分析，根据分析结果对超声智能传感器下达调节采集策略的指令；
[0018] 存储单元，对通讯单元接收的原始局部放电超声波数据进行保存，并可通过通讯单元将保存的数据上传至远端主站；
[0019] 电源单元，为通讯单元、处理单元和存储单元提供电能。
[0020] 所述调理单元包含三级放大电路，对局部放电超声波信号进行放大得到X1、X10、X100三种增益，其中，默认增益为X100以保持最高灵敏度。
[0021] 所述X1、X10、X100三种增益对应的最大量程分别为70dB、50dB、30dB。
[0022] 所述超声智能传感器通过LoRa无线通信方式将调整后的局部放电超声波数据传输至边缘节点，实现基于物联网超声局部放电检测的无线化和智能化。
[0023] 一种基于物联网边缘计算的局部放电监测方法，包括以下步骤：
[0024] (a)
数据采集，超声智能传感器按照预先设置的采集时间对局部放电超声信号进行幅值图谱的采集；
[0025] (b)增益调节，边缘节点对采集的幅值图谱数据的幅值和增益量程进行对比，按照
自动调节增益的方法调节超声智能传感器的增益使局部放电超声波信号达到最佳的检测精度；
[0026] (c)异常诊断，增益调节完成后，边缘节点对超声图谱数据的幅值和设定的
阈值进行对比，判断局部放电超声波数据是否异常；
[0027] (d)图谱类型调节，若边缘节点判断局部放电超声波数据异常，则向超声智能传感器下发多图谱采集指令，采集幅值图谱、波形图谱、
相位图谱和飞行图谱；若边缘节点判断局部放电超声波数据无异常，则不调节采集图谱类型；
[0028] (e)数据存储与上传，边缘节点对原始局部放电超声波数据进行本地保存，不上传至云端主站；边缘节点将异常局部放电超声波数据上传至云端主站，云端主站根据局部放电超声波信号的幅值图谱、波形图谱、相位图谱和飞行图谱对电气设备的缺陷进行综合诊断和趋势跟踪。
[0029] 所述边缘节点调节超声智能传感器的采集策略还包括自动调节采集频次，若边缘节点通过阈值比较方法判断出局部放电超声波数据异常，则向超声智能传感器下发调节采集频次指令，缩短采集时间间隔，增加采集次数；若边缘节点判断局部放电超声波数据无异常，则不调节采集频次；通过增加超声智能传感器的采集频次，以收集更多的异常数据进行精确分析和趋势跟踪。
[0030] 所述自动调节增益的方法包括以下步骤：
[0031] (a)采集默认X100增益下的超声幅值图谱数据，将将超声幅值图谱数据上传至边缘节点；
[0032] (b)边缘节点判断超声幅值图谱数据的幅值是否达到X100增益下最大量程的90％，如果幅值超过了X100增益下最大量程的90％，则对超声智能传感器下达调节增益指令，将增益调至X10，如果没有超过，则保持X100增益不变；
[0033] (c)超声智能传感器接收到调节增益指令后，采集X10增益下的超声幅值图谱数据，并将将超声幅值图谱数据上传至边缘节点进行判断，如果超声幅值图谱数据幅值超过了X10增益下最大量程的90％，则对超声智能传感器下达调节增益指令，将增益调至X1，如果没有超过，则保持X10增益不变；
[0034] (d)超声智能传感器接收到调节增益指令后，采集X1增益下的超声幅值图谱数据，并将采集的超声幅值图谱数据上传至边缘节点。
[0035] 所述边缘节点根据局部放电超声波数据的分析结果自动调节超声智能传感器的采集策略，或者根据云端主站的指令调节超声智能传感器的采集策略。
[0036] 步骤(d)中，所述多图谱采集指令为除了采集超声幅值图谱数据外，还采集波形图谱、相位图谱和飞行图谱数据；为云端主站进行局部放
电信号类型的诊断提供多样的数据
基础。
[0037] 所述边缘节点将异常局部放电超声波数据上传至云端主站之后，云端主站根据局部放电超声波信号的幅值图谱、波形图谱、相位图谱和飞行图谱对电气设备的缺陷进行综合诊断和趋势跟踪，提高局部放电类型识别的准确性。
[0038] 有益效果：本发明与
现有技术相比，其有益效果在于：(1)通过边缘节点对局部放电超声波数据进行分析，根据分析结果调节超声智能传感器的增益、采集图谱类型，降低了超声智能传感器在物联网体系应用中的功耗，提高了传感器的检测精度和超声图谱诊断的准确性；(2)通过边缘节点对局部放电超声波数据进行异常诊断，筛选出异常的局部放电超声波数据上传至云端主站，减少了上传的数据量，降低了网络的传输压力和诊断的网络时延，提高了业务处理的实时性；(3)通过在超声智能传感器调理电路中设计三级放大电路，扩大传感器的测量范围，提高传感器在不同量程下的检测精度；(4)本方法通过边缘节点调节超声智能传感器的采集频次，对于出现异常数据的设备提高局部放电超声波数据采集频次，密切关注异常数据的变化趋势，为设备故障诊断提供更多的数据
支撑，提高电气设备运行的安全性。
附图说明
[0039] 图1为局部放电监测装置与外部设备连接示意图；
[0040] 图2为局部放电监测装置的结构示意图；
[0041] 图3为局部放电监测装置和云端主站的网络连接图；
[0042] 图4为基于物联网边缘计算的局部放电监测方法；
[0043] 图5为边缘节点调节超声智能传感器增益的方法。
具体实施方式
[0044] 下面将结合具体实施方式和
说明书附图对本发明作进一步详细说明。
[0045] 如图1和图2所示，本发明的监测装置包括超声智能传感器和边缘节点，边缘节点与云端主站连接，超声智能传感器与边缘节点连接，超声智能传感器用于采集电气设备局部放电时产生的局部放电超声波信号，通过LoRa无线通信方式将调整后的局部放电超声波数据传输至边缘节点；超声智能传感器还用于接收边缘节点的采集策略调节指令，根据指令调节自身的采集策略；
[0046] 边缘节点，用于收集超声智能传感器采集的局部放电超声波数据，并对收集的局部放电超声波数据进行筛选和分析，根据分析结果调整超声智能传感器的采集策略，通过无线通信方式将筛选后的异常局部放电超声波数据上传至云端主站。
[0047] 超声智能传感器包括传感单元、调理单元、MCU单元、通信单元和供电单元；其中，传感单元，用于检测电气设备内部发生局部放电时的局部放电超声波信号，实现局部放电信号的采集；调理单元，将采集的局部放电超声波信号进行放大、模数转换等处理，实现超声波信号的放大、
模拟信号与
数字信号的转换；MCU单元，接收调理单元转换的局部放电超声波数据，根据边缘节点的指令对超声智能传感器的采集策略进行调整，实现超声波信号的低功耗采集；通信单元，通过LoRa无线通信方式将调理后的局部放电超声波数据传输至边缘节点，以及接收边缘节点下达的指令，实现局部放电超声波数据的传输和指令的接收；供电单元，采用锂
电池为传感单元、调理单元、MCU单元、通信单元提供电能。传感单元连接接调理单元和MCU单元，调理单元连接MCU单元，MCU单元连接通信单元，供电单元连接传感单元、调理单元、MCU单元和通信单元。
[0048] 边缘节点包括通讯单元、处理单元、存储单元和电源单元；通讯单元，用于接收超声智能传感器采集的局部放电超声波数据，将超声智能传感器采集的原始局部放电超声波数据传给存储单元进行本地保存，并将经过处理单元处理后的异常局部放电超声波数据上传至云端主站，实现数据的传输；通讯单元向超声智能传感器下达调节采集策略的指令，接收云端主站的指令，实现指令的传输；处理单元，用于对局部放电超声波数据进行初步诊断，筛选出异常的局部放电超声波数据，剔除重复的、无效的数据，将筛选后的异常局部放电超声波数据通过通讯单元上传至云端主站；处理单元对局部放电超声波数据进行分析，根据分析结果自动对超声智能传感器下达调节采集策略的指令；存储单元，对通讯单元接收的原始局部放电超声波数据进行保存，并可通过通讯单元将保存的原始局部放电超声波数据上传至云端主站；电源单元，采用有源供电方式为通讯单元、处理单元和存储单元提供电能；其中，通讯单元连接处理单元和存储单元，电源单元连接通讯单元、处理单元和存储单元。
[0049] 如图2所示，本装置分为超声智能传感器和边缘节点两部分，超声智能传感器由自身的电池供电，边缘节点通过外接电源供电；超声智能传感器安装在电气设备上采集局部放电产生的局部放电超声波信号，并对信号进行放大、模数转换后将数字
信号传输至边缘节点；边缘节点对局部放电超声波数据进行分析诊断，根据分析结果调节超声传感器的增益、采集策略及采集频次，最后将异常的局部放电超声波数据上传至云端主站进行精确分析。
[0050] 如图3所示，超声智能传感器通过LoRa方式连接至边缘节点，且一个边缘节点可以连接多个超声智能传感器；边缘节点通过4G方式连接至云端主站，一个云端主站也可以连接多个边缘节点。
[0051] 超声智能传感器如果仅设计了一级放大电路，当局部放电超声波信号较小时测量精度低、当局部放电超声波信号较大时超出了检测范围、当信号幅值与传感器测量量程接近时监测结果会失真，这些情况都会增大传感器的测量偏差。因此，通过在调理单元中设计三级放大电路可以扩大超声智能传感器的测量范围，并增加传感器的精度。调理单元包含三级放大电路，对局部放电超声波信号进行放大得到X1、X10、X100三种增益，默认增益为X100以保持最高灵敏度，X1、X10、X100三种增益对应的最大量程分别是70dB、50dB、30dB。
[0052] 如图4所示，本发明的基于物联网边缘计算的局部放电监测方法，包括以下步骤：
[0053] (a)数据采集，超声智能传感器按照预先设置的采集时间对局部放电超声信号进行幅值图谱的采集；
[0054] (b)增益调节，边缘节点对采集的幅值图谱数据的幅值和增益量程进行对比，按照自动调节增益的方法调节超声智能传感器的增益使局部放电超声波信号达到最佳的检测精度；
[0055] (c)异常诊断，增益调节完成后，边缘节点对超声图谱数据的幅值和设定的阈值进行对比，判断局部放电超声波数据是否异常；
[0056] (d)图谱类型调节，若边缘节点判断局部放电超声波数据异常，则向超声智能传感器下发多图谱采集指令，除采集幅值图谱外，还采集波形图谱、相位图谱和飞行图谱；若边缘节点判断局部放电超声波数据无异常，则不调节采集图谱类型；
[0057] (e)数据存储与上传，边缘节点对原始局部放电超声波数据进行本地保存，不上传至云端主站；边缘节点将异常局部放电超声波数据上传至云端主站，云端主站根据局部放电超声波信号的幅值图谱、波形图谱、相位图谱和飞行图谱对电气设备的缺陷进行综合诊断和趋势跟踪。
[0058] 超声智能传感器如果同时对不同放大倍数下的局部放电超声波信号进行调理及传输，虽然保证了信号的检测精度却也消耗的一部分功率。因此，本发明通过边缘节点自动调节超声智能传感器的增益，可以降低超声智能传感器消耗的功率，提高低功耗性能。
[0059] 如图5所示，边缘节点自动调节超声智能传感器增益的方法，包括以下步骤：
[0060] (a)采集默认X100增益下的超声幅值图谱数据，将超声幅值图谱数据上传至边缘节点；
[0061] (b)边缘节点判断超声幅值图谱数据的幅值是否达到X100增益下最大量程的90％，如果幅值超过了X100增益下最大量程的90％，则对超声智能传感器下达调节增益指令，将增益调至X10，如果没有超过，则保持X100增益不变；
[0062] (c)超声智能传感器接收到调节增益指令后，采集X10增益下的超声幅值图谱数据，并将超声幅值图谱数据上传至边缘节点进行判断，如果超声幅值图谱数据幅值超过了X10增益下最大量程的90％，则对超声智能传感器下达调节增益指令，将增益调至X1，如果没有超过，则保持X10增益不变；
[0063] (d)超声智能传感器接收到调节增益指令后，采集X1增益下的超声幅值图谱数据，并将超声幅值图谱数据上传至边缘节点。
[0064] 以下用一个算例来说明上述增益调节，设定X1、X10、X100三种增益对应的最大量程分别是70dB、50dB、30dB，例如：超声智能传感器以默认X100增益采集的超声图谱数据幅值为29dB大于27dB，边缘节点对比完成后调节超声智能传感器的增益至X10，超声图谱数据幅值为28dB小于35dB，说明X10是合适的增益。边缘节点通过阈值对比得到X10增益下的超声幅值图谱数据异常后，边缘节点向超声智能传感器下发多图谱采集指令，除采集超声幅值图谱数据外，还采集波形图谱、相位图谱和飞行图谱数据。
[0065] 本发明的边缘节点调节超声智能传感器的采集策略还包括自动调节采集频次，若边缘节点通过阈值比较方法判断出局部放电超声波数据异常，则向超声智能传感器下发调节采集频次指令，缩短采集时间间隔，增加采集次数；若边缘节点判断局部放电超声波数据无异常，则不调节采集频次。通过增加超声智能传感器的采集频次，以收集更多的异常局部放电超声波数据进行精确分析和趋势跟踪。边缘节点可以根据局部放电超声波数据的分析结果自动调节超声智能传感器的采集策略，或者根据云端主站的指令调节超声智能传感器的采集策略。
[0066] 超声智能传感器进行超声局放信号感知时仅对超声幅值图谱进行采集，因为采集超声幅值图谱所消耗功率低且超声幅值图谱可通过阈值比较方法判断出局部放电超声波数据是否异常。运用边缘节点对超声智能传感器采集的超声幅值图谱进行简单的阈值诊断，当判断出局部放电超声波数据有异常时调节超声智能传感器的图谱采集类型，为云端主站进行局部放电信号类型的诊断提供多样的数据基础，提高局部放电类型识别的准确性。本发明仅在超声幅值图谱数据异常后才进行多图谱采集也保证了超声智能传感器的低功耗性能。
[0067] 本领域内的技术人员应明白，本
申请的
实施例可提供为方法、系统、或
计算机程序产品。因此，本申请可采用完全
硬件实施例、完全
软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘
存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0068] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的
流程图和/或方
框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程
数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中
指定的功能的装置。
[0069] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0070] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0071] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行
修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的
权利要求保护范围之内。
