一种配电网量测系统的制作方法

本发明涉及配电网监测与量测，具体为一种配电网量测系统。

背景技术：

1、随着分布式新能源和多元负荷的大量接入，配电网结构日趋复杂、设备日益繁多，传统的配电网已呈现出透明化和数字化不足的问题。配电网规划决策长期以来缺乏动态评估机制，规划方案的制定多依赖于静态参数和离线仿真，难以适应配电网运行状态的实时变化。

2、近年来，数字孪生技术为配电网规划的动态评估与优化提供了新的技术路径。数字孪生通过构建与物理配电网高保真映射的虚拟模型，可实现规划方案的在线仿真、动态评估与迭代优化。然而，数字孪生模型的精度和实时性高度依赖于底层量测数据的质量——包括数据的准确性、同步性、完整性和时效性。现有配电网量测系统主要存在以下不足：

3、第一，数据采集维度不足。传统量测系统多以单一电气量（如电流、电压）采集为主，缺乏对配电网拓扑状态、设备运行环境参数（如温度、湿度、振动等）以及空间位置信息的综合感知能力，难以满足数字孪生建模对多源异构数据的需求。

4、第二，数据同步性差。配电网地域分布广泛，现有量测系统多采用各自独立的时钟源，不同量测点之间的数据时间基准不一致。配电网环境复杂，光纤覆盖有限且存在gps/北斗信号不稳定区域，大规模部署高精度同步量测系统的时间同步问题尤为突出。

5、第三，缺乏与数字孪生平台的实时交互机制。现有量测系统多为单向数据上传，无法接收数字孪生平台的反馈指令进行量测策略的动态调整（如采样频率调整、量测重点区域切换等），难以支持规划方案的闭环动态评估。

6、第四，量测数据质量缺乏在线评价与自适应校正能力。传感器漂移、环境干扰等因素会导致量测数据质量下降，而现有装置缺乏对自身量测数据质量的实时评价和自适应校正机制，为此，我们提出一种配电网量测系统。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种配电网量测系统，能够实现多维度、高精度、高同步性的配电网量测数据采集，具备与数字孪生平台的双向实时交互能力和量测数据质量的在线评价与自适应校正功能，可以有效解决背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种配电网量测系统，包括多源异构数据采集模块、高精度同步时钟模块、数据处理与边缘计算模块、通信与交互模块以及本地存储与管理模块；

3、所述高精度同步时钟模块分别与所述多源异构数据采集模块、所述数据处理与边缘计算模块和所述通信与交互模块连接，用于向各模块提供统一频率的同步采样时钟信号及高精度时间基准信息；

4、所述多源异构数据采集模块的数据输出端连接至所述数据处理与边缘计算模块的数据输入端，用于将采集的多维原始量测数据传输至所述数据处理与边缘计算模块进行预处理及特征提取；

5、所述数据处理与边缘计算模块与所述通信与交互模块之间建立双向数据连接，所述数据处理与边缘计算模块将处理后的标准量测数据通过所述通信与交互模块上传至数字孪生平台，且所述通信与交互模块将接收到的平台侧量测策略调整指令传输至所述数据处理与边缘计算模块；

6、所述本地存储与管理模块分别与所述数据处理与边缘计算模块和所述通信与交互模块连接，用于对处理后的量测数据进行本地缓存，并存储装置配置参数及运行日志。

7、进一步的，所述多源异构数据采集模块包括电气量采集子模块和拓扑状态感知子模块；

8、所述电气量采集子模块包括电压互感器、电流互感器和功率测量单元，所述电压互感器和电流互感器的二次侧输出端分别连接至所述功率测量单元的电压采样端和电流采样端，所述功率测量单元用于同步计算电压幅值、电流幅值、有功功率、无功功率及功率因数；

9、所述拓扑状态感知子模块包括布设于各开关设备处的开关状态传感器，所述开关状态传感器的信号输出端连接至所述电气量采集子模块的数据汇聚接口，用于将开关分合闸状态信号与对应位置的电气量数据在时序上进行对齐绑定。

10、进一步的，所述多源异构数据采集模块还包括环境参数采集子模块和空间定位子模块；

11、所述环境参数采集子模块包括温度传感器、湿度传感器和振动传感器，所述温度传感器、湿度传感器和振动传感器的输出端通过模数转换接口共同连接至环境数据采集单元，所述环境数据采集单元用于将模拟环境信号转换为数字环境参数；

12、所述空间定位子模块包括gnss定位单元，所述gnss定位单元的输出端连接至所述环境数据采集单元的串行通信接口；

13、所述环境数据采集单元的数据输出端连接至所述多源异构数据采集模块的内部数据总线，用于将所述环境参数和空间位置坐标与所述电气量采集子模块采集的电气量数据和所述拓扑状态感知子模块采集的拓扑状态数据组装为同一数据帧结构。

14、进一步的，所述高精度同步时钟模块包括gnss授时单元、晶振守时单元和时间同步校正单元；

15、所述gnss授时单元的输出端连接至所述时间同步校正单元的第一参考输入端，用于提供标准秒脉冲信号及utc绝对时间信息；

16、所述晶振守时单元的输出端连接至所述时间同步校正单元的第二参考输入端，用于在gnss信号失锁时提供本地高稳时钟信号；

17、所述时间同步校正单元的自适应滤波输出端经由时钟分配缓冲器分别连接至所述多源异构数据采集模块的采样触发端和所述数据处理与边缘计算模块的时间戳标记端，所述时间同步校正单元基于自适应卡尔曼滤波算法对所述晶振守时单元的频率漂移进行在线估计与动态补偿，生成校正后的同步时钟信号，用于向各模块提供同步触发信号。

18、进一步的，所述高精度同步时钟模块还包括ieee 1588精密时间协议同步单元；

19、所述ieee 1588精密时间协议同步单元通过数据总线与所述时间同步校正单元双向连接，用于读取所述时间同步校正单元的本地时钟状态，并基于ieee 1588协议与相邻量测系统进行网络时间同步报文交互；

20、所述ieee 1588精密时间协议同步单元的同步信号输出端连接至所述通信与交互模块，用于将经网络同步修正后的时间基准信息封装至上行通信报文中。

21、进一步的，所述数据处理与边缘计算模块包括数据预处理单元和数据质量在线评价单元；

22、所述数据预处理单元的输入端连接至所述多源异构数据采集模块的数据输出端，所述数据预处理单元用于对接收的原始量测数据依次执行滑动滤波去噪、拉依达准则异常值剔除及三次样条插值缺失值补全处理；

23、所述数据预处理单元的输出端连接至所述数据质量在线评价单元的输入端，所述数据质量在线评价单元用于根据经预处理后的时序量测数据的统计特征，分别计算数据的完整性指标、准确性指标、一致性指标和时效性指标，并对四项指标进行加权融合生成综合质量评分。

24、进一步的，所述数据处理与边缘计算模块还包括自适应校正单元和特征提取单元；

25、所述数据质量在线评价单元的综合质量评分输出端连接至所述自适应校正单元的输入端，所述自适应校正单元根据所述综合质量评分和预设质量阈值区间，动态生成传感器校正系数，并将所述校正系数反馈至所述数据预处理单元的前置校准输入端，以实现量测数据的在线闭环校准；

26、所述数据预处理单元的输出端还同时连接至所述特征提取单元的输入端，所述特征提取单元用于从校准后的量测数据中提取稳态特征量和暂态特征量，所述稳态特征量至少包括电压偏差和三相不平衡度，所述暂态特征量至少包括电压暂降深度、持续时间和谐波畸变率。

27、进一步的，所述通信与交互模块包括数据上传单元、指令接收单元和双向交互协议栈；

28、所述数据上传单元的输入端连接至所述数据处理与边缘计算模块的标准数据输出端，所述数据上传单元的输出端连接至所述双向交互协议栈的上行数据接口，用于将标准量测数据报文按预设周期上传至数字孪生平台；所述标准量测数据报文至少包含量测值、同步时间戳及对应的综合质量评分标签；

29、所述指令接收单元的输出端连接至所述数据处理与边缘计算模块的策略控制输入端，所述指令接收单元的输入端连接至所述双向交互协议栈的下行指令接口，用于接收所述数字孪生平台下发的量测策略调整指令，所述量测策略调整指令至少包括采样频率调整指令、量测通道切换指令和量测重点区域指示指令；

30、所述指令接收单元与所述数据上传单元通过所述双向交互协议栈的内部优先级仲裁总线连接，用于确保下行指令的优先解析与执行。

31、进一步的，所述双向交互协议栈内置mqtt协议栈和coap协议栈，并配置有协议自适应选择单元；

32、所述协议自适应选择单元的监测输入端连接至所述通信与交互模块的网络状态反馈端，用于获取当前通信网络的信号质量参数和丢包率；

33、所述协议自适应选择单元的切换控制输出端连接至所述双向交互协议栈的模式切换输入端，用于根据所述信号质量参数和丢包率动态选择mqtt协议或coap协议作为当前传输协议；

34、所述数据上传单元与所述指令接收单元通过所述双向交互协议栈进行数据报文的格式转换、压缩加密及收发优先级调度，实现所述数据处理与边缘计算模块与所述数字孪生平台之间的双向实时通信。

35、进一步的，所述本地存储与管理模块包括环形缓存单元、配置管理单元和自诊断单元；

36、所述环形缓存单元的写入端连接至所述数据处理与边缘计算模块的数据备份输出端，所述环形缓存单元的读取端连接至所述通信与交互模块的补传请求输入端，所述环形缓存单元用于按照先进先出原则循环缓存预设时间窗口内的量测数据，并在通信链路恢复时响应补传指令；

37、所述配置管理单元分别与所述多源异构数据采集模块的参数配置端、所述高精度同步时钟模块的时钟配置端和所述通信与交互模块的网络配置端连接，用于存储并向各模块下发装置配置参数；

38、所述自诊断单元的监测输入端分别连接至所述多源异构数据采集模块的状态反馈端、所述高精度同步时钟模块的锁定状态端和所述通信与交互模块的链路状态端，用于实时监测各模块运行状态，且所述自诊断单元的告警输出端连接至所述通信与交互模块的上行告警接口，用于在监测到异常时主动生成告警报文并上报至数字孪生平台。

39、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本配电网量测系统，具有以下好处：

40、1、本发明集成了电气量采集、拓扑状态感知、环境参数采集和空间定位等多源异构数据采集功能，通过内部数据总线将各子模块采集的数据组装为同一数据帧结构，为数字孪生模型提供了比传统量测系统更丰富、更全面的数据输入，显著提升了数字孪生模型的保真度。

41、2、通过gnss授时、高稳晶振守时和自适应卡尔曼滤波校正的多重冗余设计，结合ieee 1588精密时间协议同步单元，实现了装置自身时间基准与相邻量测系统之间的全网统一时间同步。时间同步校正单元基于自适应卡尔曼滤波算法对晶振频率漂移进行在线估计与动态补偿，有效解决了数字孪生状态估计和动态潮流仿真的同步误差问题。

42、3、装置内置的数据质量在线评价单元能够实时评估量测数据的完整性、准确性、一致性和时效性，生成综合质量评分；自适应校正单元根据质量评分动态生成传感器校正系数并反馈至数据预处理单元的前置校准输入端，实现量测数据的在线闭环校准，有效补偿传感器漂移和环境干扰引入的误差，确保了数字孪生模型输入数据的可靠性。

43、4、装置不仅能够通过通信与交互模块将量测数据实时上传至数字孪生平台，还能通过指令接收单元接收平台的反馈指令动态调整量测策略，实现了量测系统与数字孪生平台的闭环协同，支持规划方案的动态评估与迭代优化。

44、5、本发明所述装置能够持续、稳定地为数字孪生模型提供高质量实时数据，使配电网规划评估从传统的静态、离线模式转变为动态、在线模式，有效解决了配电网规划决策缺乏动态评估机制的问题。