基于大数据与云计算的配电网设备状态监测与故障诊断关键技术研究-20150302 - 图文

中国南方电网有限责任公司科技项目

申请书及可行性研究报告

项目名称：基于大数据与云计算的配电网设备状态监测与故障诊断关键技术研究

申请单位：

起止时间：2015.3——2017.3

项目负责人：

联系电话：

申请日期：

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填 写 说 明

一、请严格按照要求填写各项。

二、专业类别根据项目所属专业种类中选择。

三、项目摘要应简要说明项目研究内容和预期成果，字数要求500字以内。

四、项目申请单位指提出项目建议与申请的单位或部门，如总部各部门、直属机构、各分子公司及其所属基层单位等。

五、项目分工应主要描述项目申请单位与协作单位的任务划分，项目计划进度安排应按时间段列出研究推进计划，并明确各阶段交付物及标志性里程。

六、科技经费预算支出科目具体解释见附件2。 七、科技成果的成熟度水平评判标准见附件3。

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项 目 简 表 项目基于大数据与云计算的配电网设备状态监测与故障诊断关键技术研究 名称 项 工作单位 目 姓名 负 责 性别 年龄 人 [ ]发电技术 [ ]输电技术 [ ]变电技术 项 [ ]基础性研究 [√]配电网技术 [ ]用电技术 [ ]电网运行技目 [ ]前瞻性研究 术 分 [√]应用性研究 [ ]信息技术 [ ]通信技术 [ ]物资管理技术 类 [ ]电网建设 [ ]继保自动化 [ ]其它 项目起申请经是否重2015年3月—— 2017年3月 600 是 止时间 费总额 点项目 对配电网设备进行在线监测和实施状态检修，可以提高供电可靠性，大幅度降低定期检修所耗费的巨大人力、物力成本。近年来，电网公司针对配电网设备在线监测问题已建成了配电网设备运维基层平台，运行单位逐步结合巡检开展了状态监测，对实施配电网设备在线监测和健康状态评估起到了积极作用。但仍然缺乏一个能够实时智能通讯的平台对配电网设备进行数据收集、实时监测和数据分析，对配电网运行状态评估模型、风险评估模型以及经济评估模型体系的研究也较少。并未真正实现配电网设备的在线监测与优化管理。因此，本项目拟应用云计算技术，以配电网设备振荡波局放检测、超声波与地电波检测、红外测温检测为基础，研究开发配电网设备状态监测与故障诊断“云计算”平台，最终实现对配电网设备的数据收集、实时监测、大数据分析、状态评估、故障诊断和一终端可移动检测等功能，为配电网设备的在线监测与优化管理提供技术支持。项目的实施，对提高电网公司配电网设备的供电可靠性和管理水平、保证电网安全、稳定、经济运行，具有重要的理论和实际意义。研究成果可推广应用于电网公司各地、市电网。 预期成果成熟度水平 项目负责人意见： （签字） 年 月 日 申请单位意见： （公章） 年 月 日 3

8 级（1-9级）

总部部门、直属机构、分子公司意见： （公章） 年 月 日 项目分工与计划进度安排 1、项目相关单位及具体分工 单 位 项目申请单位 协作单位1 协作单位2 协作单位3 具 体 分 工 2、计划进度安排 任务名称 开始时间 完成时间 主要内容及交付项 对局内目前使用的主要厂家的检测装置进行调研，制订配电网设备综合检测终端与检测装置间的数据通讯接口，接口方式拟采用WIFI或USB接口方式；针对多种检测方式，可考虑增加检测装置数据转换接口。对配电网检测装置通讯方式进行深入研究，最终提交配电网检测装置通讯设计报告。 对相对成熟稳定的数据分析算法进行深入研究，并集成于智能检测终端应用中。 配电网检测装置通讯方式研究 2015.3 2015.6 配电网检测装置数据分析算法研究 2015.7 2015.8 4

配电网综合智能检测终端应用研发 带电检测与停电试验数据接入的研究 2015.9 2015.11 对检测终端应用的数据结构、界面UI、功能架构进行设计，配电网综合智能检测终端将基于Windows平台进行研发，拟研发基本功能包括检测类型管理、检测基本参数管理、数据管理、诊断分析、规范标准查询。 对平台和检测设备之间的通讯方式、数据传输速度的优化等课题将要做专门研究。满足检测大数据量通信速率；自动化的处理信道冲突：实现通信系统封闭性，保证数据安全。 选用支持向量机分类模型识别超声波局部放电，在前期采集的数据中选取合适的训练集和测试集，采用不同的核函数及参数结合训练集对支持向量机建模，并对已建好的模型利用测试集进行测试，比较各核函数的优劣，选择最佳的核函数：基于控薪函援术实现红外测温图形智能识别应用。 借助于正态分布、对数正态分布、威布尔分布及指数分布等统计分布曲线，拟合已有历史数据，并评估出设备的局放状态分界点和相关阀值等标准参数。 利用语音处理技术对音频信号进行处理，提取表征局部放电的语音特征参数，选取最佳的特征参数组合，作为局部放电音频信号的特征向量，提高局部放电检测效率。 利用已有的数据，提取特征参数组成特征向量，建立合适的支持向量机分类模型，新晋检测数据加入到数据库中反哺支持向量机分类模型。在此基础上的局放识别系统，可以及时反映开关柜的局放情况并予以专家评估，便于电力试验工作人员综合分析开关柜的绝缘状况。 通过无线网络实现带电检测数据，试验数据的采集、管理，建立诊断知识库、应用各类诊断算法，对相关数据进行分析应用，提供数据交互与共享功能，实现经验共享。平台包括数据中心模块、带电检测模块、综合诊断模块、知识库管理模块、统计分析模块等功能。 编制结题报告，准备结题材料。 2015.12 2016.2 数据模式识别的研究 2016.3 2016.5 基于统计分析算法的规范标准值研究 开关柜局放放电超声波检测技术应用 2016.6 2016.7 2016.8 2016.9 基于支持向量机和数据库的局放识别算法应用 2016.10 2016.11 基于大数据与云计算的配电网设备状态监测与故障诊断关键技术研究 2016.12 2017.1 编制结题报告 2017.2 编写要求： 2017.3 1. 列出分时间段计划研究内容；

2. 分时间段提供成果的内容和形式，要求具有可检查性。

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国内外不少研究机构对配电网设备的在线监测和故障诊断开始了积极的研究。1970 年开始，美国的杜邦公司（I．D．Ouinn）就首先提出了配电网设备状态检修概念。八十年代开始，日本和许多欧洲国家都开始了对检修体制的改革，其发展趋势均为状态检修。例如 Integrated Maintenance System 软件系统，就应用了Intranet、Internet 和 GIS(地理信息系统)等新型计算机技术，较为明显地改变和提高了配电网设备的监督管理水平。但是国外在局部放电在线监测和集成化管理、设备健康状态监测集成化平台化的研究较少。 在国内，河北、山东、浙江、江苏、湖北等电力公司开展了配电网设备状态检修试点工作，支撑和推动了当地的配电网网设备状态检修工作。福建省内部分城市开展了一些配电网网设备状态检修的初步工作，但总体水平相对滞后，处于起步阶段。目前全国已全面启动了配网状态检修工作，已建立起较为完善的配网状态检修管理体系、技术体系和执行体系。2011年，浙江金华公司、山东青岛公司、江苏无锡公司、河北邢台公司、湖北荆州公司成为了五个首批配网状态检修试点单位，目前已全部通过验收，为实现设备检修机制的根本转变奠定了较好的基础。配电网网状态检修大大改善了设备健康状况，提升了配网精益生产管理水平，未来几年将会有很大的发展前景。

测试配电网设备的局部放电是当前对配电网设备进行状态监测和故障诊断的首选方法。配电网设备在长期运行中必然存在电的、热的、化学的及异常状况下形成的绝缘劣化，导致电气绝缘强度降低，甚至发生故障。近年来许多配电网网突发事故，多是由于配电网设备局部放电所致。因此研究测试配电网设备的局部放电特征是目前预防电气设备故障的一种最佳方法。目前，为获取配电网设备的绝缘信息，通常进行离线的周期性试验。由于检测是在停电状态下进行的，因而无法展现绝缘状态在电场、热场和机械应力作用下发生渐变而劣化的过

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程，因而不能对配电网设备的维护检修提供合理的建议，造成了大量的人力、物力和财力的浪费，甚至造成误判，形成大的停电事故。为弥补周期性试验的缺陷，新近发展起来的在线监测方法已受到国内外研究人员和工程技术人员的重视。了解局部放电发射能量的方式能够为局部放电在线监测新方法提供技术支持。研究表明，局部放电采用下列方式发射能量：①电磁能量：无线电波、光、热；②声能：声音、超声波；③气体：臭氧、氮氧化物。因此，局部放电检测按检测的物理量性质分有电检测法和非电检测法。根据局部放电过程中所产生的各种放电现象，相应的出现了基于电磁波产生的瞬时接地电压检测法、超声波检测法、光测法、红外检测法、化学检测法、射频检测法等检测方法，并初步在电网中进行了应用。但是，由于局部放电检测技术受到现场噪音的影响比较大，难免出现误判的情况。因此有必要研究综合超声波，地电波，红外，振荡波，超高频等多种检测方式的局部放电故障诊断方法，在不停电的情况下监测到配电网设备的健康状况，及早发现带病运行的设备，实现配电网设备的在线监测和故障诊断。 由上述分析可知，在现阶段进行配电网设备的局部放电测试需要检修人员同时利用多个设备进行操作，对检修人员的专业操作水平要求高，而且由于配电网设备众多，检修人员需要进行检修的工作量大，检修工作总行程公里数非常大。而且，目前对配电网设备健康状态进行监测没有建立统一的存储和分析平台，供电企业之间一般采用移动储存设备等方式进行所需计算数据的传送。该方法存在着数据占用空间大、传送效率低、不易进行数据管理、无法进行资源共享等诸多不足。同时，对上报的数据，需要花费大量人力进行手动校核、录入等工作，工作效率不高。随着电网的不断发展，迫切要求配电网设备状态监测和故障诊断由单人单设备多次工作模式向智能综合系统工作的模式转变。“云计算”（Cloud Computing）是一种高可靠、高性能且绿

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色经济的新型计算模式，是实现集中建设、集中管理、全局应用要求的创新道路。它可根据客户需要伸缩，通过网络进行访问和使用的计算资源的共享池（例如，网络，服务器，存储，应用程序服务）。它还用最少的管理付出以及与服务供应方在最少的交互，实现了将各种计算资源迅速动态的配置、部署、使用、释放等工作。 在此基础上，云计算使建设与运行维护工作集中到数据中心端，并将软、硬件进行大量虚拟化操作，由此带来的创新建设和管理模式将极大减少相关人力资源的使用量与电力、场地、安保等方面的消耗，带来长远的经济效益。同时，云计算作为计算服务网络分发的新模式，改变了传统C/S模式带来难于维护、难以远程协作等弊端，也避免了B/S模式漏洞百出之不足，大大简化了基于云计算架构的大规模协同工作软件开发，提高了运行性能及用户体验。

因此应用云计算技术，以配电网设备振动波局放检测、超声波与地电波检测、红外测温检测为基础，研究开发配电网设备状态监测与故障诊断“云计算”平台，最终实现对配电网设备进行数据收集、实时监测、大数据分析、状态评估、故障诊断和一终端可移动检测等功能，对于提高电网运行的经济性，实现节能降耗具有非常重要的意义。同时，该“云”平台低运行成本，低管理成本，高可靠性能和极佳的二次拓展性能使本项目具有极高的性价比。综上所述，创新性地进行配电网设备状态监测与故障诊断“云”平台的开发，可以为配电网设备的状态检修工作提供技术支持，从而极大地提高电力企业的经济效益。

2.国外研究机构对本项目的研究情况

国外不少研究机构对配电网设备的在线监测和故障诊断开始了积极的研究。1970 年开始，美国的杜邦公司（I．D．Ouinn）就首先提出了配电网设备状态检修概念。八十年代开始，日本和许多欧洲国家

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都开始了对检修体制的改革，其发展趋势均为状态检修。例如 Integrated Maintenance System 软件系统，就应用了Intranet、Internet 和 GIS(地理信息系统)等新型计算机技术，较为明显地改变和提高了配电网设备的监督管理水平。但是国外在局部放电在线监测和集成化管理、设备健康状态监测集成化平台化的研究较少。虽然美国和日本对“云计算”政府信息平台建设进行了大规模的投资，但尚未有基于大数据与云计算的配电网设备状态监测与故障诊断关键技术研究的研究见于报道。

3.国内研究机构对本项目的研究情况

在国内，河北、山东、浙江、江苏、湖北等电力公司开展了配电网设备状态检修试点工作，支撑和推动了当地的配电网网设备状态检修工作。福建省内部分城市开展了一些配电网网设备状态检修的初步工作，但总体水平相对滞后，处于起步阶段。目前还没有建立基于配电网设备状态的数据信息模型，需要建立一套关于配电网运行状态评估模型、风险评估模型以及经济评估模型体系，提出配电网设备安装状态、风险、经济等多维度的科学评价方法。在局部放电在线监测和集成化管理、设备健康状态监测集成化平台化方面的研究较少。尚未有基于大数据与云计算的配电网设备状态监测与故障诊断关键技术研究的研究见于报道。

4.项目研究的技术关键与难点

（1）与电网公司现有的检测设备数据通讯

项目在多种装置通讯方式的解析上，面临着多种检测方式、检测装置、厂家、通讯协议，造成在多种检测通讯方式解析过程中较大的工作量，同时，由于各厂家协议开发程度不同，又给各通讯方式解析带来了一点困难。在项目实施过程中，本项目会与各检测装置厂家进行技术交流，保证各仪器检测通讯方式的统一，减低通讯方式解析风险。

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（2）各类检测数据算法的解析

由于本身项目设计的算法的跨专业性与集成性，需要对各类检测算法进行深入分析，因此本项目的具体实施过程，需要和有一定研发能力、有配电网设备检测经验的厂家合作完成，保证各类检测算法的有效性，避免智能检测终端，仅完成数据采集，而无法进行数据高级分析的处境。

(3)诊断技术模型的建立

诊断技术模型的建立包括研建立配电网设备健康状态评估模型、风险评估模型以及经济评估模型，提出配电网设备按照状态、风险、经济等多维度进行评估的科学评价方法。 1)配电网设备健康状态评估模型的建立

针对配电网设备特点，建立基于配电网线路的数据模型，将地理信息、设备位置、设备台帐、健康状态检测数据等进行集中呈现，统一调度；并对设备的状态进行状态、风险评估。 2)配电网设备健康状态多维度评估方法的研究

配电网设备的运行可靠性有了很大提高，但随着社会生产的不断发展，负荷的不断增加，设备故障也时有发生。为了更好的保证配电网设备安全可靠的运行，结合各类分析模型与分析方法，对配电网设备在状态、风险、经济等多个角度进行评估。 (4)“云平台”信息系统开发

云系统开发涉及到通讯协同、虚拟桌面、数据存储、计算服务、系统维护、数据汇总、大数据分析、算法管理、权限管理、基本信息维护、软硬件协同开发、云计算平台监控等关键技术，涉及的技术面广、所需投资大、开发时间长、开发难度大。

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三、项目申请单位具备的研究基础和条件

编写要求：

1. 项目负责人的情况介绍，专业、特长、工作量和在本项目中的作用；

2. 项目申请单位在相关研究领域曾开展的工作、曾取得的科研成果、曾获得的荣誉；

3. 项目申请单位在相关研究领域已有的软硬件平台、理论研究环境、实验室条件等。 项目申请单位??

项目协作单位——广西西大优能电气科技有限公司，成立于2014年10月，注册资本1050万元，前身是具有30余年历史的广西大学电力系统最优化研究所。公司主要从事电力系统最优运行及相关技术研发与工程应用，涉及：在线最优潮流、水火电力系统最优潮流、满足互联电网CPS新标准的最优AGC控制、电力系统最优稳定控制、电力系统运行极限、电压稳定、状态估计、无功优化、基于Internet的新一代县级电网调度自动化技术、配电网网自动化、智能电网与新能源开发、发电厂经济调度、并行与分布计算技术等。

依托广西大学多学科综合优势，公司组建了一支由教授、博士以及年轻教师、工程师构成的专业化队伍。公司现有员工97人，其中教授2名，副教授5名，博士15人，硕士78人。公司依托广西大学建立的研发中心拥有RTDS实时数字仿真器，电力云计算平台，电网调度自动化实时仿真与在线监控一体化平台，电力系统高级应用软件开发平台，以及BPA、PSASP、EMTDC等先进仿真分析软件，可为电力系统安全稳定和经济运行提供强有力的技术支持。

广西大学电力系统最优化研究所有着多年的调度自动化项目开发

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和维护经验，所开发的新一代电网调度自动化系统采用最先进的Internet 中间件技术和中间件技术，面向县级调度及中小型地调，在统一的平台上集调度自动化、配网自动化、电网分析软件、调度管理及配网管理等功能于一体，是新一代电力企业自动化应用支撑平台。系统不仅完全具备国标《县级电网调度自动化功能规范》所规定的各项功能，满足电力系统调度运行的要求，还增加了用户管理、地理信息、系统对时、短信服务、移动办公等功能。该系统获得4 项专利：

2010.12.08 ZL 200810073867.4 实现电网调度自动化方法 2009.07.29 ZL 20082113506.3 2009.07.29 ZL 20082113507.8 2009.08.05 ZL 20082113429.1 2011.03.16 ZL 20110038985.3 电网调度自动化控制装置 网络单向通信控制装置 调度子站通信集成服务器 发明专利 实用新型 实用新型 实用新型 实现电力系统暂态稳定域可视发明专利 化的方法 配网自动化是研究所专注的重要领域，所承担的智能配电网网系统关键技术研究项目，配合广西电网公司已有和拟建的配电网网信息、生产管理系统，对比各个系统的特点，研究整合配电网网智能化运行的生产管理系统关键技术，提出一套配电网网生产管理系统建设实施方案，开发一套智能配电网网生产管理系统数据测试分析软件。该项目成果已应用于广西电网钦州供电局的配网管理自动化系统。

研究所对电力高级应用软件的开发也有着诸多经验，其中与清华大学卢强院士团队共同研发的上海电网AEMS 系统首次实现了最优潮流的在线应用，并被美国著名的GE 公司嵌入其EMS 系统中，走向世界。开发的7个优化应用软件还嵌入南瑞OPEN-3000EMS 系统，应用于苏丹国家电网调度中心，是中国电力行业首个出口软件，项目实施过程中接受了世界上著名的德国监理拉梅尔国际咨询公司（Lahmeyer International）的监督、考核，并获得了SAT（现场测试）证书，通

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过了后期AVT（可靠性测试）。

此外，研究所还围绕交直流水火电力系统安全、稳定、经济运行和新能源开发利用等广西电力工业急需解决的重大技术问题，在电力系统最优运行的新理论及相关技术、大规模复杂电力系统的可靠性和稳定控制、大规模新能源接入智能电网关键技术等方向进行了原创性的学术和应用研究，取得了一系列可喜的成果。

四、项目研究内容、技术路线与实施方案

1. 项目研究内容的详细说明

主要研究内容 1.1 配电网设备综合智能检测终端技术研究 (1)配电网检测装置通讯方式的研究 对局内目前使用的主要厂家的检测装置进行调研，制订配电网设备综合检测终端与检测装置间的数据通讯接口方式；针对多种检测方式，研究检测装置数据转换接口方式；对配电网检测装置通讯方式进行深入研究，并对配电网检测装置通讯方式进行设计研究。 (2)配电网检测装置数据分析算法研究 对相对成熟稳定的数据分析算法进行深入研究，研究开发智能设备集成检测终端。 (3)配电网综合智能检测终端应用研发 对不同的作业模式进行业务分析；对检测终端应用的数据结构、界面UI、功能架构进行研究和设计；研发基于Windows平台的配电网综合智能检测终端。研究检测类型管理（切换到相应的检测方式，应用将自动切换通讯方式）、检测基本参数管理、数据管理、诊断分析（包括各检测方式的单一诊断，针对同一设备的不同检测方式的综合诊断）、规程标准查询（提供国际、国家、行业、企业各种行业规范、试验流程查询）等基本功能在检测终端的实现。 1.2 配电网设备状态监测与故障诊断“云计算”平台研究 1.2.1 带电检测与停电试验数据接入的研究 研究如何通过4G网络技术实现远程数据采集，研究检测装置的接入标准；对平台和检测设备之间的通讯方式、数据传输速度的优化等进行专门研究。研究自动化的处理信道冲突，实现通信系统封闭性，保证数据安全的方法。考虑系统未来的扩展性，对智能检测装置、非智能检测装置的数据结构进行研究。 1.2.2 专家诊断方法的研究 18

（1） 数据模式识别的研究 对信号特征参数的提取和数据模式识别进行研究；研究支持向量机分类模型识别超声波局部放电的方法；研究基于控制图技术的红外测温图形智能识别技术。 （2） 基于统计分析算法的规范标准值研究 在收集大量历史数据的基础上，利用统计分布曲线，拟合已有历史数据特性，研究配电网设备的局放状态分界点和相关阀值等标准参数。 （3） 关柜局部放电超声波检测技术研究 应用语音处理技术对音频信号进行处理，研究表征局部放电的语音特征参数提取方法，以提高局部放电检测效率。 (4)基于支持向量机和数据库的局放识别算法研究 研究相关数据库的构建方法；研究建立合适的支持向量机分类模型，使得新晋检测数据加入到数据库中反哺支持向量机分类模型。 (5)配电网设备诊断知识库功能的研发 研究检测数据库井动态更新方法；研究数据信息的归档和整理方法，以达到智能分析电力设备绝缘状态的目的。 1.2.3 配电网设备状态监测与故障诊断“云计算”平台的研发 研究通过无线网络实现对配电网设备的带电检测；研究建立诊断知识库、应用各类诊断算法，对相关数据进行分析处理，研究数据交互与共享能力实现的方法；研究平台的关键功能模块，包括数据中心模块、带电检测模块、集合诊断模块，知识库管理模块、统计分析模块等功能。 2主要技术难点 （1）与电网公司现有的检测设备数据通讯 项目在多种装置通讯方式的解析上，面临着多种检测方式、检测装置、厂家、通讯协议，造成在多种检测通讯方式解析过程中较大的工作量，同时，由于各厂家协议开发程度不同，又给各通讯方式解析带来了一点困难。在项目实施过程中，本项目会与各检测装置厂家进行技术交流，保证各仪器检测通讯方式的统一，减低通讯方式解析风险。 （2）各类检测数据算法的解析 由于项目设计的算法具有跨专业性与集成性的特点，需要对各类检测算法进行深入分析，因此本项目的具体实施过程，需要和有一定研发能力、有配电网设备检测经验的厂家合作完成，保证各类检测算法的有效性，避免智能检测终端，仅完成数据采集，而无法进行数据高级分析的处境。 (3)诊断技术模型的建立 诊断技术模型的建立包括研建立配电网设备健康状态评估模型、风险评估模型以及经济评估模型，提出配电网设备按照状态、风险、经济等多维度进行评估的科学评价方法。 (4)“云平台”信息系统开发 云系统开发涉及到通讯协同、虚拟桌面、数据存储、计算服务、系统维护、数据汇总、大数据分析、算法管理、权限管理、基本信息维护、软硬件协同开发、云19

计算平台监控等关键技术，涉及的技术面广、所需投资大、开发时间长、开发难度大。 2. 项目研究拟采用的技术路线 2.1总体架构

系统总体采用平台化结构，基于IEC 61970标准和SOA架构，在基础平台上构建不同业务应用的系统框架，并实现平台和应用的匹配以及备应用的一体化建设，应用功能采用模块化方式开发，在统一接口标准的基础上，实现应用功能在支撑平台上的“即插即用”，同时能把应用包装成服务功能，为其他应用提供功能服务。

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图1 配电网设备状态监测与故障诊断“云计算”平台部署架构

平台系统基于4G网络传输技术，具备检测及试验数据采集、储存、

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