CN103424662B - 智能电网输电线路故障监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能电网输电线路故障监测系统及方法，智能电网输电线路故障监测系统利用现代嵌入式技术，采用双CPU即ARM配合DSP的结构。其中善于运行管理型任务的ARM处理器负责控制GPRS与上位机通信和人机交互的功能，而适合运行数字信号处理算法的DSP只负责运行故障诊断算法，提高监测系统的数据处理实时快速性，提高故障监测的准确性。智能电网输电线路故障监测方法利用离散小波变换、模极大值判断法确定信号奇异点的方法处理电网暂态信号，提高故障监测准确性。本发明同时可以实现短路、断路和接地故障的监测，并利用GPRS网络配合上位机实现输电线路的在线故障监测。

Description

智能电网输电线路故障监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种智能电网的输电线路，尤其涉及一种智能电网输电线路故障监测系统及故障诊断方法，属于供配电设备技术领域。

背景技术

2010年3月，温家宝总理在全国两会上做政府工作报告时提出“加强智能电网建设”，次年，“推进建设智能电网”纳入国家“十二五”规划纲要，成为国家基本战略。这是进入二十一世纪社会经济水平高速发展对于电力资源的必然要求。根据国际能源大会的定义，智能电网，也就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”。它是建立在集成的，高速双向通信网络基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其特征为具有自愈功能、抵御外部攻击，可以提供满足21世纪用户需求的电能质量的电能，允许各种不同发电形式的接入，有利于电力市场以及资产的优化高效运行。

输电线是电网的重要环节，由于传输距离远、沿途地势复杂、环境和气候条件多变，工业进程的推进各地用电需求在不断攀升，都给输电线路增加了更大的压力。输电线路的状态将直接影响电能的传输，一旦出现故障停电，会给人们的生活带来不便，扰乱企业的正常生产，给国家带来重大的损失。由于电网架空输电线路分支多，结构复杂，利用人工排查故障难度大，工作人员的劳动强度也大，从而浪费大量人力物力。如今，人们通过研究故障机理，希望设计出相应的故障在线监测系统，以提高输电线路故障检测的自动化和现代化水平，及时为线路安全性能提供科学有效的依据，为电力的输送和提高故障排查效率提供条件。现代信息技术的快速发展为我们电力输电线路的在线监测提供了很好的基础。申请号为“201010299033.2”，名称为“输电线路故障检测装置”的专利文献公开了一种用于输电线路故障测距和故障定位的装置，其目的在于实现“人工方式重现故障状态查找故障点”的设想，但该技术方案没有解决定位故障线路需要人工巡线的问题。申请号为“201210531447.2”，名称为“基于暂态信号小波变换的配电网单相接地故障定位方法及定位装置”的专利文献公开的技术方案主要针对于接地故障但是无法解决短路和断路故障的检测，并且由于其采用单处理器单片机方式，实时性和准确性受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能电网输电线路故障监测系统及方法，解决传统的巡线方法无法实现在线监测，需要投入大量的人力、物力，检测准确率低和检测故障种类单一的技术问题。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种智能电网输电线路故障监测系统，包括传感器单元1、信号调理电路2、DSP单元3、ARM单元4、GPRS模块5、键盘6、上位机7、LCD显示器8、电源模块9、第一复位电路10、第一时钟电路11、第一存储电路12、第二时钟电路13、第二存储电路14、第二复位电路15；所述传感器单元1的输出端和信号调理电路2的输入端相连接，所述信号调理电路2的输出端和DSP单元3的输入端相连接，DSP单元3输出端和ARM单元4的输入端相连接，DSP单元3的复位信号输入端和第一复位电路10的输出端相连接，DSP单元3的时钟输入端和第一时钟电路11的输出端相连接，DSP单元3的外扩存储器接口和第一存储电路12输出端相连接，ARM单元4的时钟输入端和第二时钟电路13输出端相连接，ARM单元4的存储器接口和第二存储电路14输出端相连接，ARM单元4的复位信号输入端和第二复位电路15输出端相连接，ARM单元4和LCD显示器8相连接，ARM单元4和键盘6相连接，ARM单元4和GPRS模块5相连接，GPRS模块5和上位机7通信，电源模块9为整个系统的各个模块提供电能。

一种智能电网输电线路故障监测系统的监测方法，包括以下步骤：

1)系统开始工作；

2)信号调理，传感器单元采集的信号输入到信号调理电路进行电平搬移和限幅处理；

3)AD采样，经过调理的信号输入到DSP单元进行AD采样操作，采样率为3.2kHz，采样1024点；经过AD采样生成三相电流信号的时间序列分别记为I_a(n)、I_b(n)和I_c(n)；

4)如果I_a(n)、I_b(n)和I_c(n)中存在一个或多个为全零序列，则认为线路发生断路故障跳转到第11）步，否则进行第5）步；

5)计算零序电流，根据第3）步生成的三相电流离散时间序列信号计算离散时间零序电流序列I₀(n)，计算方法为I₀(n)=I_a(n)+I_b(n)+I_c(n)；

6)对第5）步生成的I₀(n)进行离散小波变换，然后求其模极大值；具体步骤如下：

（1）将初始化变量i设置为1，将零序电流I₀(n)作为离散小波的初始输入序列，其中i变量表示小波分解层数；

（2）判断i是否小于4，如果i小于4进行第（3）步，否则跳转到第（4）步；

（3）计算第i层低频近似，分解层数变量i加1，低频近似计算方法具体为求零序电流序列I₀(n)和h₀(n)的卷积和，具体计算公式如下：

$\mathrm{res}\left(j\right)=\underset{k=0}{\mathrm{\Σ}}{h}_0\left(k\right)*I_0(2j+k-1)$

本步骤中使用的符号说明：其中res(n)表示数据缓冲区，用于保存小波变换结果；h₀(n)表示DB10小波低通滤波系数，j表示小波分解结果序列点序号，k表示小波分解第j个点由k个乘积的和num(n)表示小波变换各层结果序列点个数，并且满足下面关系：k＞2*j+1，k＜2*j+1-num[i]；本步骤结束后跳转到第（2）步；

（4）当分解层数变量i=4，说明已经进行了三层小波分解，本步计算第4层高频细节，具体计算方法为求第3层计算结果和DB10小波高通滤波系数h₁(n)的卷积和，其计算公式为：其中k＞2*j+1，k＜2*j+1-num[i]；上式中h₁(n)表示DB10小波高通滤波系数，其他变量记号含义和第（3）步中相同；

（5）求第（4）计算得到的高频细节序列res(j)各项的最大值，记为d_max，d_max为所求的模极大值；

（6）输出模极大值d_max；

7）设定模极大值阈值Th，如果计算得到的模极大值d_max大于实际设定阈值Th则判断为有故障发生，然后进行第8）步，否则线路为正常运行无故障，则跳转到第11）步；

8）小电流接地系统中发生接地故障后，允许设备运行2小时，而系统中一旦发生短路故障继电保护装置在4秒内必须发生动作，切断电路，故延时4秒后再判断；

9）AD再采样，AD采样三相电流信号生成三相电流时间序列信号分别记为I_a(n)、I_b(n)和I_c(n)；

10）判断AD再采样得到的电流时间序列是否有一个或者多个为全零序列，如果是则表明继电保护装置动作，说明发生了短路故障，否则为发生接地故障；

11）结束本轮判断，回到第2）步，进行下一轮判断。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述智能电网输电线路故障监测系统，其中信号调理电路2包括运算放大器U1、运算放大器U2、可调电阻R8、可调电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、二极管D1、二极管D2；所述运算放大器U1的同相输入端作为整个信号调理电路的信号输入端，运算放大器U1的反相输入端和运算放大器U1的输出端相连接，运算放大器U1的正负电源端分别连接12v电源和-12v电源；所述电阻R11的一端和运算放大器U1的输出端相连接，电阻R11另一端和运算放大器U2的同相输入端、可调电阻R8的一端以及电阻R14一端连接在一起；所述可调电阻R8的另一端和电源VCC连接在一起，电阻R14的另一端和电源VSS连接在一起；所述运算放大器U2的反相输入端和电阻R13的一端、二极管D2的阴极连接在一起作为信号调理电路的信号输出端，运算放大器U2的输出端和电阻R10一端连接在一起，运算放大器U2的正负电源端分别接到12v电源和-12v电源；所述电阻R13的另一端接到GND，电阻R10的另一端和二极管D1的阳极、二极管D2的阳极连接在一起；二极管D1的阴极和可调电阻R9的一端、电阻R12的一端连接在一起；可调电阻R9的另一端接到电源VCC，电阻R12的另一端接到GND。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用双CPU即ARM配合DSP的结构，其中善于运行管理型任务的ARM处理器负责控制GPRS与上位机通信和人机交互的功能，而适合运行数字信号处理算法的DSP只负责运行故障诊断算法，提高了监测系统的数据处理实时快速性，提高了故障监测的准确性，利用GPRS网络配合上位机实现了输电线路的在线故障监测；利用离散小波变换、模极大值判断法确定信号奇异点的方法处理电网暂态信号，提高了故障监测准确性；同时可以实现短路、断路和接地故障的监测。

附图说明

图1是本发明系统结构框图；

图2是信号调理电路图；

图3是本发明故障监测算法流程图；

图4是计算模极大值流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，智能电网输电线路故障监测系统，包括传感器单元1、信号调理电路2、DSP单元3、ARM单元4、GPRS模块5、键盘6、上位机7、LCD显示器8、电源模块9、第一复位电路10、第一时钟电路11、第一存储电路12、第二时钟电路13、第二存储电路14、第二复位电路15；所述传感器单元1的输出端和信号调理电路2的输入端相连接，所述信号调理电路2的输出端和DSP单元3的输入端相连接，DSP单元3输出端和ARM单元4的输入端相连接，DSP单元3的复位信号输入端和第一复位电路10的输出端相连接，DSP单元3的时钟输入端和第一时钟电路11的输出端相连接，DSP单元3的外扩存储器接口和第一存储电路12输出端相连接，ARM单元4的时钟输入端和第二时钟电路13输出端相连接，ARM单元4的存储器接口和第二存储电路14输出端相连接，ARM单元4的复位信号输入端和第二复位电路15输出端相连接，ARM单元4和LCD显示器8相连接，ARM单元4和键盘6相连接，ARM单元4和GPRS模块5相连接，GPRS模块5和上位机7通信，电源模块9为整个系统的各个模块提供电能。

如图2所示，智能电网输电线路故障监测系统的信号调理电路2包括运算放大器U1、运算放大器U2、可调电阻R8、可调电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、二极管D1、二极管D2；所述运算放大器U1的同相输入端作为整个信号调理电路的信号输入端，运算放大器U1的反相输入端和运算放大器U1的输出端相连接，运算放大器U1的正负电源端分别连接12v电源和-12v电源；所述电阻R11的一端和运算放大器U1的输出端相连接，电阻R11另一端和运算放大器U2的同相输入端、可调电阻R8的一端以及电阻R14一端连接在一起；所述可调电阻R8的另一端和电源VCC连接在一起，电阻R14的另一端和电源VSS连接在一起；所述运算放大器U2的反相输入端和电阻R13的一端、二极管D2的阴极连接在一起作为信号调理电路的信号输出端，运算放大器U2的输出端和电阻R10一端连接在一起，运算放大器U2的正负电源端分别接到12v电源和-12v电源；所述电阻R13的另一端接到GND，电阻R10的另一端和二极管D1的阳极、二极管D2的阳极连接在一起；二极管D1的阴极和可调电阻R9的一端、电阻R12的一端连接在一起；可调电阻R9的另一端接到电源VCC，电阻R12的另一端接到GND。

各单元实现的功能具体如下：

传感器单元1由电流互感器和电流电压变换电路组成；其中电流互感器检测输电线路中电流，将输电线路中的大电流按照一定的比例转换成小电流，其比例值需要根据实际试验测定设置；电流电压变换电路的功能是将电流信号转换成数字信号处理器可以处理的电压信号。

信号调理电路2由电平搬移电路和限幅电路组成，其功能是将采集到的电网原始信号调理成为可以输入到DSP的幅度有限制的单极性的信号。本电路采用双电源正负12v供电。运算放大器U1构成电压跟随器提高输入电阻。可调电阻R8、电阻R11和电阻R14构成电平搬移电路，将输入的双极性信号抬升变为单极性信号。其中可调电阻R8和电阻R14构成分压电路，可以通过调节电阻R8确定信号抬升的实际幅度，本发明中结合DSP的AD输入信号并保留裕量抬升1.4v。运算放大器U2、可调电阻R9、电阻R10、电阻R12、电阻R13、二极管D1和二极管D2构成限幅电路。其中可调电阻R9和电阻R12分压产生输出信号的最大值信号，结合本发明中使用DSP的输入要求并保留裕量将输出信号的最大值设为2.8v。当经过电平抬升处理的信号超过该最大值时候会被D1的钳位作用而限制为最大值，当经过电平抬升处理的信号小于0v时，由于D2钳位作用而被强制为0v。

DSP单元3、第一复位电路10、第一时钟电路11和第一存储电路12构成DSP工作的最小必需单元。DSP单元3选用TI公司的32位定点数字信号处理器F2812，第一复位电路10采用外接RC电路方式，提供复位信号，第一时钟电路11采用外接30M石英晶振作为时钟源，提供时钟基准，第一存储电路12由外接SDRAM构成，提供数据存储功能。ARM单元4、第二时钟电路13、第二存储电路14、第二复位电路15构成ARM工作的最小必需单元。ARM单元4选用三星公司的ARM9处理器S3C2440，第二时钟电路13使用石英晶振为ARM处理器提供运行时钟；第二存储电路14使用SDRAM易失型存储器用于存储程序运行中的数据、nandflash非易失型存储器用来存储程序；第二复位电路15采用专用复位芯片MAX811提供复位信号。

GPRS模块5是采用GPRSDTU作为数据终端，利用GPRS网络实现实时向上位机7发送故障信息，即ARM单元4接收到DSP单元3采用故障诊断算法判断的故障结果后，将结果利用GPRS模块5通过GPRS网络发送到位于监控室的上位机7。上位机7程序是labview软件编写，其功能是接收GPRS模块5通过GPRS网络发送的故障信息，实时显示线路运行故障状态，为监测人员提供参考信息。同时上位机7会定时向ARM单元4发送查询信号确定整个系统是否处于正常工作状态，如果ARM单元4没有给出应答信号，上位机7则报警表明监测系统出现故障给出应答信号则表明监测系统正常。

键盘6和LCD显示器8实现人机交互界面，接收输入命令和显示故障状态信息。

电源模块9为整个系统的各个单元提供电能。

整个系统的运行过程如下：传感器单元1采集电网信号，将信号输送至信号调理电路2。信号调理电路2接收来至于传感器单元1的信号对它进行电平搬移和限幅处理后输出到DSP单元3。DSP单元3首先将模拟信号转换为数字信号，然后DSP单元3运行故障诊断算法，判断输电线路是否发生故障，及发生什么故障，最后将判断结果输送至ARM单元4中。ARM单元4通过GPRS模块5将故障判断信号发送至位于上位机7，将判断结果显示在LCD显示器8，同时接收来至于键盘6的输入信号。位于监控室的上位机7实时显示输电线路的运行状态，供监控人员参考。

如图3所示为本发明的故障诊断算法流程图。本发明针对于小电流接地系统的输电线短路、断路和接地故障的，本发明中判断电网信号是否发生突是基于小波变换的模极大值法寻找电网的零序电流奇异点。

具体的，基于智能电网输电线路故障监测系统的监测方法，包括以下步骤：

1)系统开始工作；

2)信号调理，传感器单元采集的信号输入到信号调理电路进行电平搬移和限幅处理；

3)AD采样，经过调理的信号输入到DSP单元进行AD采样操作，根据采样定理本发明中使用的采样率为3.2kHz，采样1024点；经过AD采样生成三相电流信号的时间序列分别记为I_a(n)、I_b(n)和I_c(n)；

4)如果I_a(n)、I_b(n)和I_c(n)中存在一个或多个为全零序列，则认为线路发生断路故障跳转到第11）步，否则进行第5）步；

5)计算零序电流，根据第3）步生成的三相电流离散时间序列信号计算离散时间零序电流序列I₀(n)，计算方法为I₀(n)=I_a(n)+I_b(n)+I_c(n)；

6)对第5）步生成的I₀(n)进行离散小波变换，然后求其模极大值；离散小波变换可以看做将原始信号通过一系列的高通和低通滤波器组，将高通滤波器获得的结果称为高频细节，将通过低通滤波器获得的结果称为低频近似；Db小波是在工程中应用最为广泛的小波函数族，记为DbN小波系，其中N表示小波序号；本算法中取N=10即以Db10小波分解的基函数，分解到第4层；离散小波计算方法使用Mallat算法，Mallat算法是由Mallat和Meyer提出的一种正交小波变换的塔式结构快速算法，在本发明中结合实际应用对其改进；如图4所示，具体过程如下：

（1）将初始化变量i设置为1，将零序电流I₀(n)作为离散小波的初始输入序列，其中i变量表示小波分解层数；

（2）判断i是否小于4，如果i小于4进行第（3）步，否则跳转到第（4）步；

（3）计算第i层低频近似，分解层数变量i加1，低频近似计算方法具体为：求零序电流序列I₀(n)和h₀(n)的卷积和，本算法根据实际应用对传统Mallat算法进行了改进,对于传统Mallat算法中在降采样阶段中会被舍弃的部分不进行计算，提高算法执行速度，具体计算公式如下：

$\mathrm{res}\left(j\right)=\underset{k=0}{\mathrm{\Σ}}{h}_0\left(k\right)*I_0(2j+k-1)$

本步骤中使用的符号说明：其中res(n)表示数据缓冲区，用于保存小波变换结果；h₀(n)表示DB10小波低通滤波系数，j表示小波分解结果序列点序号，k表示小波分解第j个点由k个乘积的和num(n)表示小波变换各层结果序列点个数，并且满足下面关系：k＞2*j+1，k＜2*j+1-num[i]；本步骤结束后跳转到第（2）步；

（4）当分解层数变量i=4，说明已经进行了三层小波分解，本步计算第4层高频细节，具体计算方法为求第3层计算结果和DB10小波高通滤波系数h₁(n)的卷积和，其计算公式为：，其中k＞2*j+1，k＜2*j+1-num[i]；上式中h₁(n)表示DB10小波高通滤波系数，其他变量记号含义和第（3）步中相同；

（5）求第（4）计算得到的高频细节序列res(j)各项的最大值，记为d_max，d_max为所求的模极大值；

（6）输出模极大值d_max；

7）根据实际不同的输电线路，经过实际试验数据，设定模极大值阈值Th，如果计算得到的模极大值d_max大于实际设定阈值Th则判断为有故障发生，然后进行第8）步，否则线路为正常运行无故障，则跳转到第11）步；

8）小电流接地系统中发生接地故障后，允许设备运行2小时，而系统中一旦发生短路故障继电保护装置在4秒内必须发生动作，切断电路，故延时4秒后再判断；

9）AD再采样，AD采样三相电流信号生成三相电流时间序列信号分别记为I_a(n)、I_b(n)和I_c(n)；

10）判断AD再采样得到的电流时间序列是否有一个或者多个为全零序列，如果是则表明继电保护装置动作，说明发生了短路故障，否则为发生接地故障；

11）结束本轮判断，回到第2）步，进行下一轮判断。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种智能电网输电线路故障监测系统的监测方法，智能电网输电线路故障监测系统包括传感器单元(1)、信号调理电路(2)、DSP单元(3)、ARM单元(4)、GPRS模块(5)、键盘(6)、上位机(7)、LCD显示器(8)、电源模块(9)、第一复位电路(10)、第一时钟电路(11)、第一存储电路(12)、第二时钟电路(13)、第二存储电路(14)、第二复位电路(15)；所述传感器单元(1)的输出端和信号调理电路(2)的输入端相连接，所述信号调理电路(2)的输出端和DSP单元(3)的输入端相连接，DSP单元(3)输出端和ARM单元(4)的输入端相连接，DSP单元(3)的复位信号输入端和第一复位电路(10)的输出端相连接，DSP单元(3)的时钟输入端和第一时钟电路(11)的输出端相连接，DSP单元(3)的外扩存储器接口和第一存储电路(12)输出端相连接，ARM单元(4)的时钟输入端和第二时钟电路(13)输出端相连接，ARM单元(4)的存储器接口和第二存储电路(14)输出端相连接，ARM单元(4)的复位信号输入端和第二复位电路(15)输出端相连接，ARM单元(4)和LCD显示器(8)相连接，ARM单元(4)和键盘(6)相连接，ARM单元(4)和GPRS模块(5)相连接，GPRS模块(5)和上位机(7)通信，电源模块(9)为整个系统的各个模块提供电能；

其特征在于，监测方法包括以下步骤：

1)系统开始工作；

2)信号调理，传感器单元采集的信号输入到信号调理电路进行电平搬移和限幅处理；

3)AD采样，经过调理的信号输入到DSP单元进行AD采样操作，采样率为3.2kHz，采样1024点；经过AD采样生成三相电流信号的时间序列分别记为I_a(n)、I_b(n)和I_c(n)；

4)如果I_a(n)、I_b(n)和I_c(n)中存在一个或多个为全零序列，则认为线路发生断路故障跳转到第11)步，否则进行第5)步；

5)计算零序电流，根据第3)步生成的三相电流离散时间序列信号计算离散时间零序电流序列I₀(n)，计算方法为I₀(n)＝I_a(n)+I_b(n)+I_c(n)；

6)对第5)步生成的I₀(n)进行离散小波变换，然后求其模极大值；具体步骤如下：

(1)将初始化变量i设置为1，将零序电流I₀(n)作为离散小波的初始输入序列，其中i变量表示小波分解层数；

(2)判断i是否小于4，如果i小于4进行第(3)步，否则跳转到第(4)步；

(3)计算第i层低频近似，分解层数变量i加1，低频近似计算方法具体为求零序电流序列I₀(n)和h₀(n)的卷积和，具体计算公式如下：

$res\left(j\right)=\underset{k=0}{\Σ}{h}_0\left(k\right)*I_0(2j+k-1)$

本步骤中使用的符号说明：其中res(j)表示数据缓冲区，用于保存小波变换结果；h₀(k)表示DB10小波低通滤波系数，j表示小波分解结果序列点序号，k表示小波分解第j个点由k个乘积的和num(n)表示小波变换各层结果序列点个数，并且满足下面关系：k＞2*j+1，k＜2*j+1-num[i]；本步骤结束后跳转到第(2)步；

(4)当分解层数变量i＝4，说明已经进行了三层小波分解，本步计算第4层高频细节，具体计算方法为求第3层计算结果和DB10小波高通滤波系数h₁(n)的卷积和，其计算公式为：上式中h₁(k)表示DB10小波高通滤波系数，其他变量记号含义和第(3)步中相同；

(5)求第(4)计算得到的高频细节序列res(j)各项的最大值，记为d_max，d_max为所求的模极大值；

(6)输出模极大值d_max；

7)设定模极大值阈值Th，如果计算得到的模极大值d_max大于实际设定阈值Th则判断为有故障发生，然后进行第8)步，否则线路为正常运行无故障，则跳转到第11)步；

8)小电流接地系统中发生接地故障后，允许设备运行2小时，而系统中一旦发生短路故障继电保护装置在4秒内必须发生动作，切断电路，故延时4秒后再判断；

9)AD再采样，AD采样三相电流信号生成三相电流时间序列信号分别记为I_a(n)、I_b(n)和I_c(n)；

10)判断AD再采样得到的电流时间序列是否有一个或者多个为全零序列，如果是则表明继电保护装置动作，说明发生了短路故障，否则为发生接地故障；

11)结束本轮判断，回到第2)步，进行下一轮判断。