CN104391184A - 台变缺相检测和示警装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明率先提出一种台变缺相检测和示警装置，其特征在于：包括连接台变的电流采样及处理电路，连接台变的电压采样及处理电路，连接所述电流采样及处理电路和电压采样及处理电路的模拟信号处理电路，处理器以及执行模块，所述处理器设置有基于人工神经网络的缺相分类模型，利用缺相分类模型对采集的电参量作判别，能准确、及时地发现电网缺相造成的三相输出不平衡的现象，通知技术人员抢修以最大限度降低电网用户由此造成的损失；同时，本发明还提出基于上述装置的缺相检测和示警方法。

Description

台变缺相检测和示警装置及方法

技术领域

本发明涉及高压输电技术领域，具体涉及一种用于10KV供电电网的台变缺相检测和示警装置及方法。

背景技术

在10KV/0.4KV电网中广泛使用柱上台变，当遇到10KV高压线路缺相的故障时，台变的高压跌落式熔断器熔丝的一相或两相断开导致其高压侧缺相，由此引起低压输出全部停电或三相输出不平衡的现象。若发现不及时，时间稍长便会烧毁电网内的各类用电设备，影响生产的连续性，给工农业生产造成重大损失。例如低压侧电网是为水产养殖场地供电的，当出现上述停电或三相输出不平衡的现象时，将造成供氧设备停止工作、甚至烧毁，除直接产生设备损失外，由于长时间的水体缺氧，鱼苗、虾苗等将死亡，造成的间接损失更为巨大。

现有的电网建立中，还未有普及专门用于检测高压缺相并提示险情的装置，这将是高压电网中的重大安全隐患。如图1所示，现有的缺相检测装置电路结构简单，都是由电容、电阻、光耦、电压比较器等元件组成，电路整体的容值较大，即便电网发生缺相，如在电网内有大量三相电动机负载，则在电动机惯性和反电动势的作用下，相的检测点A\B\C会存在虚压，不能真正准确、及时地检测到缺相现象。

在此前提下，发明人寻求一种能够准确判断缺相现象、具有较强抗干扰能力的数学模型，最终定位于新兴的人工神经网络技术。人工神经网络是一种应用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模型，其由大量处理单元互联组成，具有非线性、非局限、性非常定性、非凸性等特点，其是在现代神经科学研究成果的基础上提出的，试图通过模拟大脑神经网络处理、记忆信息的方式进行信息处理。

发明内容

针对背景技术中提及到的情况，本发明率先提出一种应用于10KV电网Δ—Y接法的变压器T中的台变缺相检测和示警装置，准确、及时地发现电网缺相造成的三相输出不平衡的现象，通知技术人员抢修以最大限度降低电网用户由此造成的损失。本发明是通过如下技术方案实现的：

一种台变缺相检测和示警装置，其特征在于：包括

连接台变的电流采样及处理电路，其具有连接电源A相的第一电流输入端，对应设有第一电流信号输出端；连接电源B相的第二电流输入端，对应设有第二电流信号输出端；连接电源C相的第三电流输入端，对应设有第三电流信号输出端；

连接台变的电压采样及处理电路，其具有连接电源A相的第一电压输入端，对应设有第一电压信号输出端；连接电源B相的第二电压输入端，对应设有第二电压信号输出端；连接电源C相的第三电压输入端，对应设有第三电压信号输出端；

处理器，设置有基于人工神经网络的缺相分类模型，利用所述缺相分类模型对获取的电流\电压信号进行分析，判断三相电源各相的供电状态，从而生成相应的控制输出和\或状态记录；以及

执行模块，用于根据所述处理器的控制输出来执行示警动作。

作为本发明的优选方案，所述执行模块包括基于移动通讯网络的通讯单元和\或示警单元，和\或RS232传输单元；所述通讯单元设有SIM卡座，所述示警单元包括示警灯和\或蜂鸣器和\或扬声器。

作为本发明的优选方案，所述处理器为低功耗DSP处理器，其输入端集成有的模数转换及滤波模块，该模块连接所述第一电流信号输出端、第二电流信号输出端、第三电流信号输出端、第一电压信号输出端、第二电压信号输出端和第三电压信号输出端。

作为本发明的优选方案，所述电流采样及处理电路包括对应三相电源A相、B相和C相的三组独立的电流采样支路，所述电流采样支路包括连接电源的第一电流输入端和第二电流输入端，第一运算放大器及其外围电路，第二运算放大器及其外围电路和第一稳压输出电路，所述第一电流输入端连接第一运算放大器的反相端，所述第二电流输入端连接第一运算放大器的正相端，所述第一运算放大器的输出端连接第二运算放大器的正相端，所述第二运算放大器的输出端连接所述第一稳压输出电路；所述第一运算放大器采用负反馈，包括由电阻R55和R56串联的第一支路、由电阻R53和电容C38串联的第二支路以及包括电容C37的第三支路，所述第一支路、第二支路和第三支路并联后接于第一运算放大器的反相端和输出端之间；所述第二运算放大器的反相端和输出端之间直接由馈线连接。

作为本发明的优选方案，所述第一稳压输出电路包括串联的二极管D8和二极管D9，所述二极管D8的阴极连接直流电源端，其阳极连接二极管D9的阴极；所述二极管D9两端并联有一电容C41，所述二极管D8和二极管D9的连结点连接该相的电流信号输出端，所述第二运算放大器的输出端连接所述二极管D8和二极管D9的连结点。

作为本发明的优选方案，所述电压采样及处理电路包括对应三相电源A相、B相和C相的三组独立的电压采样支路，所述电压采样支路包括变压器T，第三运算放大器及其外围电路，第四运算放大器及其外围电路和第二稳压输出电路；所述变压器T的初级线圈与连接电源，次级线圈的两端分别连接第三运算放大器的反相端和正相端，所述第三运算放大器的输出端连接第四运算放大器的正相端，所述第四运算放大器的输出端连接所述第二稳压输出电路；所述第三运算放大器采用负反馈，包括由电阻R91和R92串联的第一支路、由电阻R89和电容C69串联的第二支路以及包括电容C68的第三支路，所述第一支路、第二支路和第三支路并联后接于第三运算放大器的反相端和输出端之间；所述第四运算放大器的反相端和输出端之间直接由馈线连接。

作为本发明的优选方案，所述第二稳压输出电路包括串联的二极管D10和二极管D11，所述二极管D10的阴极连接直流电源端，其阳极连接二极管D11的阴极；所述二极管D11两端并联有一电容C72，所述二极管D10和二极管D11的连结点连接该相的电压信号输出端，所述第四运算放大器的输出端连接所述二极管D10和二极管D11的连结点。

作为本发明的优选方案，所述台变缺相检测和示警装置包括用于信息输出的显示屏、用于对装置进行设置和操作的功能按键或键盘。

本发明同时还提供一种台变缺相检测和示警方法，其技术方案具体如下：

一种台变缺相检测和示警方法，其特征在于，包括

缺相分类模型的建立步骤：

1）采集大量的仿真和实验数据，具体包括将电网的三相线电压、三相电流通过计算得到的幅值、相位信息；

2）将所得的电压\电流的幅值、相位信息作为人工神经网络的输入信号，并将缺相故障模式作为人工神经网络的输出信号，对人工神经网络进行训练，生成所需的缺相分类模型；

缺相检测和示警步骤：

a）获取三相电源的实时电压和电流信号，并将其转换成对应的数字量；

b）对上述所获取的电压和电流数字量进行运算，得出三相电源各相的电压幅值和相位、三相电源各相的电流幅值和相位；

c）将上述电压\电流的幅值、相位作为缺相分类模型的输入，由缺相分类模型判断是否存在异常情况，并执行相应的动作。

作为本发明的优选方案，所述动作包括显示动作、报警动作、参量输出动作和短信告知动作中的一种或多种；

所述显示动作，包括对获取的三相电源的电压和电流信息实时显示；

所述报警动作，包括当检测到缺相故障时，通过示警灯和\或蜂鸣器和\或扬声器给与警示；

所述参量输出动作，包括根据判断结构产生对应的参量，输出至其它系统；以及

所述短信告知动作，包括当检测到缺相故障时，通过SIM卡以短信的方式给事先设定好的若干手机号码发送缺相报警信息。

本发明的优越性体现在：

一、综合利用人工神经网络非线性、自组织、自适应、大规模并行处理等优点，对电网三相电源供电状态进行检测，具有较强抗干扰能力，能准确、及时地发现电网缺相造成的三相输出不平衡的现象，通知技术人员抢修以最大限度降低电网用户由此造成的损失。

二、通过神经元模型对不同模式的缺相信息进行训练，训练结果作为缺相分类模型，能够准确的判断低压侧多个单相、相间、三相感性、容性、阻性负载时的缺相故障，彻底解决配网所有缺相问题。

三、解决现有产品未考虑线路下有多个单相、相间、三相负载之间的互相影响，导致缺相故障判断不准确，以及仅靠电压幅值作为判断依据的数学模型过于简单，对于实时动态变化的负载无能为力的缺陷。

附图说明

图1为现有缺相检测装置的电路结构示意图。

图2为本发明的台变缺相检测和示警装置的接线结构示意图。

图3为本发明的台变缺相检测和示警装置的组成框架示意图。

图4为本发明的电流采样及处理电路的采样支路的结构示意图。

图5为本发明的电压采样及处理电路的采样支路的结构示意图。

图6为本发明的台变缺相检测和示警方法的流程图。

具体实施方式

如下结合附图，对本申请方案作进一步描述：

如图2-3所示，一种台变缺相检测和示警装置，包括

连接台变的电流采样及处理电路10，其具有连接电源A相的第一电流输入端101a，对应设有第一电流信号输出端101b；连接电源B相的第二电流输入端102a，对应设有第二电流信号输出端102b；连接电源C相的第三电流输入端103a，对应设有第三电流信号输出端103b；

连接台变的电压采样及处理电路20，其具有连接电源A相的第一电压输入端201a，对应设有第一电压信号输出端201b；连接电源B相的第二电压输入端202a，对应设有第二电压信号输出端202b；连接电源C相的第三电压输入端203a，对应设有第三电压信号输出端203b；于本实施例当中，所述电流采样及处理电路10和电压采样及处理电路采用LF353D芯片；

处理器40，设置有基于人工神经网络的缺相分类模型，利用所述缺相分类模型对获取的电流\电压信号进行分析，判断三相电源各相的供电状态，从而生成相应的控制输出和\或状态记录；于本实施例当中，所述处理器采用美国Freescale™Semiconductor公司生产的数字处理芯片，型号为MC56F8037V4M67E；该数字处理芯片内含64 KB bytes可编程可电擦除的只读存储器（PEROM）、8bytes的随机存储器（RAM）、通用32位数字处理器和FLASH存储单元，其输入端集成有的模数转换模块和滤波模块；以及

执行模块，用于根据所述处理器40的控制输出来执行示警动作。

所述执行模块包括基于移动通讯网络的通讯单元501，和\或示警单元502，所述通讯单元501设有SIM卡座，所述示警单元502包括示警灯和\或蜂鸣器和\或扬声器。

为最大限度降低由通讯单元501引入的外界干扰，实施时所述处理器40和通讯单元501分别单独供电，从而提高处理器40的运行稳定性。

所述处理器的输入端集成有的模数转换及滤波模块30，该模块30连接所述第一电流信号输出端101b、第二电流信号输出端102b、第三电流信号输出端103b、第一电压信号输出端201b、第二电压信号输出端202b和第三电压信号输出端203b。

如图4所示，所述电流采样及处理电路10包括对应三相电源A相、B相和C相的三组独立且结构相同的电流采样支路，其中A相的电流采样支路包括连接电源的第一电流输入端Ia-和第二电流输入端Ia+，第一运算放大器1011及其外围电路，第二运算放大器1012及其外围电路和第一稳压输出电路1013，所述第一电流输入端Ia-连接第一运算放大器1011的反相端，所述第二电流输入端Ia+连接第一运算放大器1011的正相端，所述第一运算放大器1011的输出端连接第二运算放大器1012的正相端，所述第二运算放大器1012的输出端连接所述第一稳压输出电路1013；所述第一运算放大器1011采用负反馈，包括由电阻R55和R56串联的第一支路、由电阻R53和电容C38串联的第二支路以及包括电容C37的第三支路，所述第一支路、第二支路和第三支路并联后接于第一运算放大器1011的反相端和输出端之间；所述第二运算放大器1012的反相端和输出端之间直接由馈线连接。

所述第一稳压输出电路1013包括串联的二极管D8和二极管D9，所述二极管D8的阴极连接直流电源端，其阳极连接二极管D9的阴极；所述二极管D9两端并联有一电容C41，所述二极管D8和二极管D9的连结点连接所述第一电压信号输出端101b，所述第二运算放大器的输出端连接所述二极管D8和二极管D9的连结点。

B相和C相的电流采样支路与上述A相的电流采样支路结构相同。

如图5所示，所述电压采样及处理电路20包括对应三相电源A相、B相和C相的三组独立且结构相同的电压采样支路，所述电压采样支路包括变压器T，第三运算放大器2011及其外围电路，第四运算放大器2012及其外围电路和第二稳压输出电路2013；所述变压器T的初级线圈与连接电源，次级线圈的两端分别连接第三运算放大器2011的反相端和正相端，所述第三运算放大器2011的输出端连接第四运算放大器2012的正相端，所述第四运算放大器2012的输出端连接所述第二稳压输出电路2013；所述第三运算放大器2011采用负反馈，包括由电阻R91和R92串联的第一支路、由电阻R89和电容C69串联的第二支路以及包括电容C68的第三支路，所述第一支路、第二支路和第三支路并联后接于第三运算放大器2011的反相端和输出端之间；所述第四运算放大器2012的反相端和输出端之间直接由馈线连接。

所述第二稳压输出电路2013包括串联的二极管D10和二极管D11，所述二极管D10的阴极连接直流电源端，其阳极连接二极管D11的阴极；所述二极管D11两端并联有一电容C72，所述二极管D10和二极管D11的连结点连接所述第一电压信号输出端201b，所述第四运算放大器的输出端连接所述二极管D10和二极管D11的连结点。

B相和C相的电压采样支路与上述A相的电压采样支路结构相同。

所述台变缺相检测和示警装置包括用于信息输出的显示屏60、用于对装置进行设置和操作的功能按键或键盘70。

所述显示屏60采用LCD12864液晶显示模块，它具有微功耗，体积小，显示丰富，超薄轻巧的诸多有点，在各类仪表和低功耗系统中得到了广泛的应用。 显示屏主要用于显示电网的电网电压幅值，电流幅值，时间，GSM信号强度等参数信息以及电网是否存在缺相的状态信息；和提供历史数据查询，根据设定可翻查最近N次故障状态的信息。

一种台变缺相检测和示警方法，包括

缺相分类模型的建立步骤：

1）采集大量的仿真和实验数据，具体包括将电网的三相线电压、三相电流通过计算得到的幅值、相位信息；

2）将所得的电压\电流的幅值、相位信息作为人工神经网络的输入信号，并将缺相故障模式作为人工神经网络的输出信号，对人工神经网络进行训练，生成所需的缺相分类模型；

如图6所示，缺相检测和示警步骤：

a）获取三相电源的实时电压和电流信号，并将其转换成对应的数字量；

b）对上述所获取的电压和电流数字量进行运算，得出三相电源各相的电压幅值和相位、三相电源各相的电流幅值和相位；

c）将上述电压\电流的幅值、相位作为缺相分类模型的输入，由缺相分类模型判断是否存在异常情况，并执行相应的动作。

所述动作包括显示动作、报警动作、参量输出动作和短信告知动作中的一种或多种；

所述显示动作，包括对获取的三相电源的电压和电流信息实时显示；

所述报警动作，包括当检测到缺相故障时，通过示警灯和\或蜂鸣器和\或扬声器给与警示；

所述参量输出动作，包括根据判断结构产生对应的参量，输出至其它系统；以及

所述短信告知动作，包括当检测到缺相故障时，通过SIM卡以短信的方式给事先设定好的若干手机号码发送缺相报警信息。

上述优选实施方式应视为本申请方案实施方式的举例说明，凡与本申请方案雷同、近似或以此为基础作出的技术推演、替换、改进等，均应视为本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种台变缺相检测和示警装置，其特征在于：包括

连接台变的电流采样及处理电路，其具有连接电源A相的第一电流输入端，对应设有第一电流信号输出端；连接电源B相的第二电流输入端，对应设有第二电流信号输出端；连接电源C相的第三电流输入端，对应设有第三电流信号输出端；

连接台变的电压采样及处理电路，其具有连接电源A相的第一电压输入端，对应设有第一电压信号输出端；连接电源B相的第二电压输入端，对应设有第二电压信号输出端；连接电源C相的第三电压输入端，对应设有第三电压信号输出端；

处理器，设置有基于人工神经网络的缺相分类模型，利用所述缺相分类模型对获取的电流\电压信号进行分析，判断三相电源各相的供电状态，从而生成相应的控制输出和\或状态记录；以及

执行模块，用于根据所述处理器的控制输出来执行示警动作。

2.根据权利要求1所述的台变缺相检测和示警装置，其特征在于：所述执行模块包括基于移动通讯网络的通讯单元，和\或示警单元，和\或RS232传输单元；所述通讯单元设有SIM卡座，所述示警单元包括示警灯和\或蜂鸣器和\或扬声器。

3.根据权利要求2所述的台变缺相检测和示警装置，其特征在于：所述处理器为低功耗DSP处理器，其输入端集成有的模数转换及滤波模块，该模块连接所述第一电流信号输出端、第二电流信号输出端、第三电流信号输出端、第一电压信号输出端、第二电压信号输出端和第三电压信号输出端。

4.根据权利要求1所述的台变缺相检测和示警装置，其特征在于：所述电流采样及处理电路包括对应三相电源A相、B相和C相的三组独立的电流采样支路，所述电流采样支路包括连接电源的第一电流输入端和第二电流输入端，第一运算放大器及其外围电路，第二运算放大器及其外围电路和第一稳压输出电路，所述第一电流输入端连接第一运算放大器的反相端，所述第二电流输入端连接第一运算放大器的正相端，所述第一运算放大器的输出端连接第二运算放大器的正相端，所述第二运算放大器的输出端连接所述第一稳压输出电路；所述第一运算放大器采用负反馈，包括由电阻R55和R56串联的第一支路、由电阻R53和电容C38串联的第二支路以及包括电容C37的第三支路，所述第一支路、第二支路和第三支路并联后接于第一运算放大器的反相端和输出端之间；所述第二运算放大器的反相端和输出端之间直接由馈线连接。

5.根据权利要求4所述的台变缺相检测和示警装置，其特征在于：所述第一稳压输出电路包括串联的二极管D8和二极管D9，所述二极管D8的阴极连接直流电源端，其阳极连接二极管D9的阴极；所述二极管D9两端并联有一电容C41，所述二极管D8和二极管D9的连结点连接该相的电流信号输出端，所述第二运算放大器的输出端连接所述二极管D8和二极管D9的连结点。

6.根据权利要求1所述的台变缺相检测和示警装置，其特征在于：所述电压采样及处理电路包括对应三相电源A相、B相和C相的三组独立的电压采样支路，所述电压采样支路包括变压器T，第三运算放大器及其外围电路，第四运算放大器及其外围电路和第二稳压输出电路；所述变压器T的初级线圈与连接电源，次级线圈的两端分别连接第三运算放大器的反相端和正相端，所述第三运算放大器的输出端连接第四运算放大器的正相端，所述第四运算放大器的输出端连接所述第二稳压输出电路；所述第三运算放大器采用负反馈，包括由电阻R91和R92串联的第一支路、由电阻R89和电容C69串联的第二支路以及包括电容C68的第三支路，所述第一支路、第二支路和第三支路并联后接于第三运算放大器的反相端和输出端之间；所述第四运算放大器的反相端和输出端之间直接由馈线连接。

7.根据权利要求6所述的台变缺相检测和示警装置，其特征在于：所述第二稳压输出电路包括串联的二极管D10和二极管D11，所述二极管D10的阴极连接直流电源端，其阳极连接二极管D11的阴极；所述二极管D11两端并联有一电容C72，所述二极管D10和二极管D11的连结点连接该相的电压信号输出端，所述第四运算放大器的输出端连接所述二极管D10和二极管D11的连结点。

8.根据权利要求1-7任一项所述的台变缺相检测和示警装置，其特征在于：包括用于信息输出的显示屏、用于对装置进行设置和操作的功能按键或键盘。

9.一种台变缺相检测和示警方法，其特征在于，包括

缺相分类模型的建立步骤：

1）采集大量的仿真和实验数据，具体包括将电网的三相线电压、三相电流通过计算得到的幅值、相位信息；

2）将所得的电压\电流的幅值、相位信息作为人工神经网络的输入信号，并将缺相故障模式作为人工神经网络的输出信号，对人工神经网络进行训练，生成所需的缺相分类模型；

缺相检测和示警步骤：

a）获取三相电源的实时电压和电流信号，并将其转换成对应的数字量；

b）对上述所获取的电压和电流数字量进行运算，得出三相电源各相的电压幅值和相位、三相电源各相的电流幅值和相位；

c）将上述电压\电流的幅值、相位作为缺相分类模型的输入，由缺相分类模型判断是否存在异常情况，并执行相应的动作。

10.根据权利要求9所述的台变缺相检测和示警方法，其特征在于：所述动作包括显示动作、报警动作、参量输出动作和短信告知动作中的一种或多种；

所述显示动作，包括对获取的三相电源的电压和电流信息实时显示；

所述报警动作，包括当检测到缺相故障时，通过示警灯和\或蜂鸣器和\或扬声器给与警示；

所述参量输出动作，包括根据判断结构产生对应的参量，输出至其它系统；以及

所述短信告知动作，包括当检测到缺相故障时，通过SIM卡以短信的方式给事先设定好的若干手机号码发送缺相报警信息。