一种多物理场耦合云边协同低压配电柜全生命周期智能运维系统的制作方法

本发明属于低压成套配电设备智能监测运维，具体涉及一种融合多物理场数据自适应融合、边缘分级联锁保护、动态自校准数字孪生与全流程闭环运维的低压配电柜智能管控系统，适用于工业厂区、商业综合体、园区配电室低压配电柜的多维度状态感知、故障就地处置、数字孪生动态仿真与全流程预测性运维管控。

背景技术：

1、低压配电柜作为低压配电系统电能分配核心设备，承担着电能中转、分配、保护的核心作用，设备长期运行过程中易出现绝缘劣化、触头虚接、机械分合闸故障、局部放电等隐性缺陷。上述隐患若不能提前识别与干预，极易引发短路、电气火灾、非计划停电等安全事故，造成生产经营重大经济损失。目前，行业内已公开多项低压配电柜智能监测与运维技术方案，能够实现基础数据采集与简单告警功能，但经检索现有核心对比文件可知，现有技术仍存在诸多无法规避的固有技术缺陷，无法满足高精度、低误报、全自动、全周期的智能化运维需求。

2、现有相关主流技术方案主要分为四类，具体技术缺陷如下：

3、第一类为云端集中式电气参数监测方案，代表对比文件cn202511810387.1公开了一种基于云计算的高低压配电柜远程运维管理与控制系统，该方案仅采集电压、电流等基础电气参数，依靠固定阈值实现故障告警，存在监测数据维度单一的问题，未融合触头温升、断路器机械波形、局部放电、柜内环境等多物理场信息，无法实现多维度数据联合诊断；同时该方案采用全量数据上云架构，无边缘本地计算与处置能力，瞬态故障响应滞后，设备正常负载波动极易产生大量无效告警，早期隐性故障漏判、误判问题突出。

4、第二类为单一维度数字孪生校准方案，代表对比文件cn122310869a公开了一种数字孪生驱动的开关柜温度模型动态自校准系统及方法，该方案仅针对设备温度单一维度数据进行孪生模型校准与仿真，仅能实现温度偏差修正，未融合谐波畸变、局部放电、断路器机械特性等多维度故障特征，数据融合维度局限性极强；且仅部署云端校准逻辑，无边缘轻量化仿真与本地故障处置功能，无法实现就地快速故障隔离，运维实时性极差。

5、第三类为边缘故障隔离监测方案，代表对比文件cn121461597b公开了一种基于边缘计算的智能配电系统故障检测与隔离方法，该方案依托边缘计算实现简单故障识别与回路分闸隔离，但仅基于单一电气参数判定故障，无多物理场耦合分析机制；同时未设置分级预警处置逻辑，设备轻微劣化与严重故障无差异化处置，易造成不必要停电，且不具备数字孪生自校准、ai故障溯源、全生命周期工单闭环迭代能力，智能化程度极低。

6、第四类为常规ai诊断与全周期数据管理方案，代表文件cn202510474066、现有商用opc ua运维平台，此类方案可实现基础多模态数据采集、lstm特征提取与设备全周期数据存储，但普遍存在技术短板：数据融合采用固定权重配置，无法适配设备轻重载工况动态调整；无标准化故障图谱匹配阈值与未知故障识别机制；数字孪生模型为静态固化模型，无自动梯度下降自校准流程，无法补偿传感器漂移与设备老化偏差；运维工单仅支持单向派发，无检修复测数据反向迭代模型与知识图谱的闭环优化机制。

7、除此之外，现有行业通用方案普遍存在通信协议碎片化、运维流程割裂的问题，不同厂商传感设备、配电柜主控单元协议不统一，易形成数据孤岛；告警、检修、归档、模型优化各环节相互独立，依赖人工干预，无法实现自动化闭环运维，同时缺少设备唯一数字身份标识，无法实现全生命周期数据溯源与运维经验数字化沉淀。

8、综上，现有各类技术方案均为单一功能模块的零散实现，没有任何一项技术能够同时实现多物理场自适应加权融合诊断、边缘毫秒级就地分级联锁保护、数字孪生定时自动自校准、标准化图谱精准溯源、运维数据全闭环迭代优化，行业亟需一套集成化、自适应、高精准、全闭环的低压配电柜全生命周期智能运维系统。

技术实现思路

1、发明目的

2、本发明的核心目的是克服现有技术监测维度单一、云端处置延迟、静态孪生模型失真、故障诊断精准度低、运维流程断裂、设备全生命周期数据无法贯通的技术缺陷；提供一种多物理场耦合云边协同低压配电柜全生命周期智能运维系统，实现多维度传感数据自适应加权融合分析、边缘本地毫秒级分级故障隔离、数字孪生模型自动校准、多协议异构设备统一接入、ai精准故障溯源、预测性运维工单全自动闭环迭代，大幅降低故障漏判误判概率，缩短故障处置时长，减少人工巡检投入，全面提升低压配电柜运维智能化与供电可靠性。

3、技术方案

4、一种多物理场耦合云边协同低压配电柜全生命周期智能运维系统，自上而下分为四层层级架构：柜端多物理场感知层、边缘协同计算网关层、云端数字孪生运维平台层、移动端运维终端层；

5、包含电气采集单元、多物理场传感单元、本地执行单元；

6、电气采集单元实时采集低压配电柜各进出线回路电压、电流、谐波畸变率、三相不平衡度、功率因数、有功/无功功率；

7、多物理场传感单元集成无线触头温度传感器、特高频局部放电传感器、断路器分合闸线圈波形采集模块、温湿度传感器、水浸传感器、烟感传感器、柜门红外门禁传感器，同步采集电气之外的机械、绝缘、环境多维度物理信号；

8、本地执行单元包含智能电动分合闸断路器、本地声光报警器、柜内触控显示屏，接收边缘网关下发的就地控制指令，完成本地告警、分闸隔离操作。

9、边缘网关分别与柜端感知层、云端平台双向通信，内设五大功能单元：多协议标准化语义转换单元、多物理场数据融合滤波单元、本地分级预警决策单元、轻量化孪生仿真单元、本地缓存存储单元。

10、1. 多协议标准化语义转换单元

11、内置modbus-rtu、modbus-tcp、iec61850、lora、4g/5g协议解析库，对不同品牌传感终端、低压配电柜控制器异构原始数据统一解析，转换为opc ua标准化语义数据，消除跨设备数据孤岛。

12、2. 多物理场数据融合滤波单元

13、内置时序对齐、联合降噪、自适应加权耦合特征构建三级处理逻辑：

14、（1）时序对齐：统一电气、温度、局部放电、机械波形采集采样时间戳，消除多传感器采集时差；

15、（2）联合降噪：采用卡尔曼滤波滤除传感器零点漂移噪声，小波分层分解剥离工频干扰、瞬时脉冲干扰；

16、（3）自适应加权耦合特征构建：以设备额定负载80%为分界，负载≥80%判定为重载工况，提升温度、局部放电权重；负载＜80%判定为轻载工况，提升谐波、机械波形权重，依据设备实时负载、累计运行时长动态分配四类传感数据权重，加权融合后生成统一“温升-谐波-局部放电脉冲-机械线圈波形”耦合故障特征向量。

17、3. 本地分级预警决策单元

18、设置两级独立处置逻辑，本地计算延迟控制在100ms以内：

19、一级预警（设备轻微劣化风险）：仅本地存储告警记录，向上推送云端检修提醒，不输出分闸指令，维持正常供电；

20、二级预警（短路、严重绝缘击穿、触头烧蚀紧急故障）：立即下发断路器分闸指令隔离故障回路，同时通过iec60870-5协议向上游高压配电设备发送联锁保护信号，阻断故障向上游扩散。

21、4. 轻量化孪生仿真单元

22、部署轻量化设备数字子模型，实时同步柜端感知数据，本地短时仿真设备劣化趋势，输出初步健康评分，同步上传至云端完成全局精准评估。

23、5. 本地缓存存储单元

24、循环存储至少7天完整原始传感数据，低压配电室外网中断时系统维持离线监测、本地预警与故障隔离功能；网络恢复后按时间断点续传缺失数据，保证数据完整性。

25、包含全局数字孪生建模与自校准单元、lstm故障根因溯源单元、全生命周期数据管理单元、预测性运维工单闭环单元、故障知识图谱库单元。

26、1. 全局数字孪生建模与自校准单元

27、为每一台低压配电柜分配全局唯一数字身份id，基于设备出厂三维参数搭建初始静态孪生模型；

28、自校准执行逻辑：每日设备低负载时段自动触发校准流程，采集24小时连续运行传感数据作为样本，以元器件理论标准运行曲线为基准构建损失函数，采用梯度下降算法迭代修正孪生模型内部参数，补偿传感器漂移、金属触头老化带来的模型偏差；基于校准后仿真曲线计算各核心元器件剩余使用寿命。

29、2. lstm故障根因溯源单元

30、将边缘网关上传的自适应加权多物理场耦合特征向量作为lstm网络输入，网络输出故障类型、故障精确柜体回路位置；将输出特征向量与故障知识图谱标准样本做相似度匹配，设定匹配相似度阈值85%；

31、若相似度≥85%，直接锁定对应故障类型；若相似度＜85%，判定为新型未知故障，自动存入待标注故障样本库，待人工标注后更新知识图谱；多故障特征叠加时，按照故障危害等级权重排序输出首要故障根因，并匹配对应标准处置方案。

32、3. 全生命周期数据管理单元

33、以设备唯一数字身份id为索引，关联存储设备出厂参数、投运验收记录、定期巡检记录、故障维修记录、元器件更换台账、报废归档全流程数据，形成可完整追溯的数据链条。

34、4. 预测性运维工单闭环单元

35、根据设备健康评分、元器件剩余寿命自动生成计划性检修工单，结合各运维班组当日负荷完成智能派单；运维人员现场检修完成后上传检修照片、复测运行数据，数据上传后即时同步更新故障知识图谱，并即时反向迭代优化云端孪生模型局部仿真参数，形成“预警告警-工单派发-现场检修-模型迭代”完整闭环联动逻辑。

36、5. 故障知识图谱库单元

37、存储各类低压配电柜典型故障耦合特征、标准检修流程、设备维修备件型号；新故障样本、检修方案自动更新图谱，实现运维经验数字化沉淀。

38、包含手机app、平板运维终端，与云端平台无线通信；功能包含实时分级告警推送、三维数字孪生可视化查看、运维工单接收与回填、远程下发低压配电柜分合闸控制指令、历史故障记录查询。

39、1. 系统增设柜内图像识别模块，联动柜体内置摄像头采集实时画面，采用yolo轻量化目标检测算法识别柜门异常开启、线缆破损、柜内异物堆积可视化隐患，识别结果作为新增特征与多物理场自适应加权耦合特征向量联合开展故障诊断；

40、2. 云端平台内置电能质量优化算法模块，基于全回路谐波、三相不平衡数据生成无功补偿、负载均衡调节策略，下发至边缘网关执行，同步实现安全运维与节能降耗。

41、有益效果

42、1. 本发明通过多物理场时序对齐、联合降噪、自适应动态加权耦合特征联合分析，摒弃现有技术单一参数、固定阈值的简陋判断模式，可有效识别早期隐性绝缘、触头虚接故障，大幅降低无效告警与故障漏判现象，减少运维人员人工甄别工作量，解决了现有技术故障诊断精准度低的行业痛点。

43、2. 采用云边分层协同架构，边缘网关完成本地数据处理、故障判定与就地隔离，故障处置响应延迟控制在100ms以内，远优于传统云端集中处置方案；同时设置轻重故障分级处置机制，区分设备劣化风险等级，避免轻微设备波动引发无计划停电，大幅提升供电连续性与稳定性。

44、3. 相较于现有静态孪生模型、单一维度校准技术，本发明具备定时自动梯度下降自校准逻辑，可全天候自适应补偿传感器漂移、元器件老化造成的模型偏差，彻底解决仿真模型失真问题，设备健康度、剩余寿命仿真评估准确度显著提升。

45、4. 设置多协议标准化语义转换单元，兼容市面主流工业通信协议，实现异构设备数据统一标准化接入，彻底消除数据孤岛，无需定制改造各类传感设备，大幅降低配电室智能化改造适配成本。

46、5. 依托设备唯一数字身份构建全生命周期追溯数据链，搭配自动化工单闭环与数字化故障知识图谱，以预测性检修替代传统定期人工巡检，实现运维经验数字化沉淀，规避人员经验流失问题，大幅减少现场人工巡检频次，缩短故障排查与处置时长。

47、6. 配置边缘网关本地离线缓存与断点续传机制，在外网中断场景下仍可独立完成监测、告警、故障隔离，适配无稳定外网的户外配电房、偏远厂区配电室使用，系统适配性与运行稳定性大幅提升。