CN107907796A - 基于LoRa通讯型暂态录波故障分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明为基于LoRa通讯型暂态录波故障分析系统，包括采集单元、汇集单元、LoRa通讯模块和后台服务器，采集单元通过LoRa通讯模块与汇集单元无线连接；汇集单元和采集单元均设有多个，每个汇集单元与至少三个采集单元连接，将来自至少三个采集单元的数据汇合后传输给后台服务器。本发明提高了采集单元与汇集单元通讯的稳定性，多组采集单元共用一个汇集单元进行数据的汇合与传输；此外，还能够根据事先输入的线路拓扑结构，分析线路多点的暂态波形，通过自动分析得到准确的故障信息输出。

Description

基于LoRa通讯型暂态录波故障分析系统

技术领域

本发明涉及配电网络的故障检测分析技术领域，具体为基于LoRa通讯型暂态录波故障分析系统。

背景技术

配电网发生故障或者异常状况时，快速地诊断和确定故障区域、准确地分析故障类型并提供给调度和运行人员完善的解决方案和建议，显得尤为重要。配电网故障诊断与指示不仅能够缩短对用户的停电时间，减少停电的面积以及停电而造成的运营经济成本的浪费；还能够减轻运行和维护人员的劳动强度，削减由于线路和设备维修带来的额外费用。目前市面上配电网故障指示、诊断与定位的产品，主要包括通讯型故障指示器、录波型故障指示器、暂态录波故障定位等几类。

通讯型故障指示器是在传统的翻牌机械故障指示器的基础上改良而来的，在传统的故障指示器内部增加GPRS通讯模块，将线路电流采集值发送给后台服务器，通常这种故障指示器只能识别永久短路造成的停电故障，并且不能定位故障点。

录波型故障指示器是在通讯型故障指示器的基础上增加了录波功能，它不仅能够采集线路电流，还能够对线路电流录波，并且将电流波形传给后台，这些波形是相互独立的。通常运维人员通过阅读这些波形，凭借经验初步判断故障的原因和检修策略。

暂态录波型故障定位与分析系统是在录波型故障指示器的基础上提出来的，包括线路在线录波采集单元、在线录波数据汇集单元、后台故障分析定位系统三部分。当线路发生故障时，三相的3个采集单元把故障瞬间的电流波形和电场波形发送给汇集单元，汇集单元数据处理后打包发送给后台故障分析定位系统，服务器后台通过对整条线路建模、瞬态电流电场波形算法分析得出结论，包括故障类型、故障发生的位置、可能的原因。这为配电网检修提供了理论支撑。

当前国内也有一些厂家在研究暂态故障定位技术，大部分还是沿着故障指示器的思路，把原来单相分析，改为三相分析，三相3个采集单元通过433M FSK短距离无线传输将数据传给汇集单元，汇集单元再将结果传给后台。受限于433M无线通讯的距离(<50米)，每3个采集单元就必须配置1个汇集单元，每个汇集单元都需要配置太阳能电池板、蓄电池、4G通讯模块，这样成本就很高；其次短距离无线通讯受干扰比较严重，导致采集单元掉线，暂态录波数据不全；而且缺乏后台故障分析平台，目前的后台大部分用于波形展示，并没有对波形进行自动分析，依然是靠人工阅读波形，手动分析得出结论。

发明内容

为解决现有技术所存在的技术问题，本发明提供基于LoRa通讯型暂态录波故障分析系统，提高了采集单元与汇集单元通讯的稳定性，多组采集单元共用一个汇集单元进行数据的汇合与传输；此外，还能够根据事先输入的线路拓扑结构，分析线路多点的暂态波形，通过自动分析得到准确的故障信息输出。

本发明采用以下技术方案来实现：基于LoRa通讯型暂态录波故障分析系统，包括采集单元、汇集单元、LoRa通讯模块和后台服务器，采集单元通过LoRa通讯模块与汇集单元无线连接；汇集单元和采集单元均设有多个，每个汇集单元与至少三个采集单元连接，将来自至少三个采集单元的数据汇合后传输给后台服务器。

优选地，所述采集单元包括取电电路、罗氏线圈、主控MCU、LoRa通讯射频电路、存储电路、积分电路和滤波电路；主控MCU分别与取电电路、滤波电路、存储电路、LoRa通讯射频电路连接，积分电路连接在罗氏线圈与滤波电路之间；取电电路还与LoRa通讯射频电路连接。

优选地，所述罗氏线圈卡在高压母线上。

优选地，所述汇集单元包括蓄电池、太阳能充电电路、主控MCU、GPS电路、LoRa通讯射频电路、4G通讯电路和数据存储电路，主控MCU分别与GPS电路、LoRa通讯射频电路、4G通讯电路、数据存储电路连接，太阳能充电电路为GPS电路、LoRa通讯射频电路、主控MCU供电，蓄电池与太阳能充电电路连接。

优选地，所述后台服务器包括波形数据展示模块、专家库故障分析模块、故障信息输出模块，后台服务器通过移动基站接收汇集单元传送过来的录波波形，并存储；专家库故障分析模块读取录波波形，结合预先输入的线路拓扑结构，通过分析录波波形数据和拓扑结构，得出结论信息；故障信息输出模块将所述结论信息发送出去。

优选地，所述结论信息包括故障类型、故障发生时间、故障发生位置以及造成故障的原因。

优选地，其特征在于，所述专家库故障分析模块包含电网架空线路的各种故障波形的特征；专家库故障分析模块取得监测点采集到的录波波形和监测点的拓扑结构后，通过波形故障识别算法，将录波波形和故障波形的特征进行匹配，得到波形故障结果；通过故障位置定位算法，结合拓扑结构和波形数据，通过比较拓扑结构上各个监测点波形数据的差异，得到故障定位的结果。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、通讯更加稳定，产品具有竞争力。

本发明采用了LoRa通讯取代传统的FSK调制的短距离无线通讯。LoRa是一种长距离、低功耗的局域网无线通讯解决方案，具有无线覆盖范围宽、成本低、星型架构、低功耗等特点。LoRa在传统的无线FSK调制的基础上，创造性的采用了扩频通讯技术，在不增加发射功率的情况下，用过扩频和纠错编码极大的提高了接收灵敏度，大大增加了无线链路预算，从而使有效的通讯距离达到了km级别。扩频通讯比FSK具有更高的灵敏度，在信噪比小于1的情况下还能够稳定通讯，极大的提高了采集单元与汇集单元的无线稳定性。

2、成本更低。

目前市面上的暂态录波产品都是每个监测点包括3个采集单元、1个数据汇集单元，采集单元通常挂在线路上，直接从线路感应取电，汇集单元内部包含4G通讯模块、短距离无线通讯等，工作电流比较大，不能够从线路取电，通常采用太阳能电池和蓄电池结合的方式给汇集单元供电，因此数据汇集单元体积庞大、造价高，由此带来每个在线监测点的成本就很高，不利于线路大批量安装。

本发明改变已有的方式，在一定的区域内多组采集单元通过LoRa通讯将数据传输到中心汇集单元，然后由汇集单元传送给后台。一个中心汇集单元可以把2km覆盖范围内的所有采集单元的数据集中，并且传输到后台，这得益于LoRa通讯具备广覆盖、穿透能力强、低功耗、低成本、链接容量大等优点，这是过去采用433M FSK调制短距离无线通讯所不能达到的，极大的减少了数据汇集单元的安装数量，从而大大的降低了成本，同时也减少了安装时间，降低了安装复杂程度。

3、后台故障分析准确率更高。

通过线路拓扑、数据同步分析，本发明后台分析系统输出准确率达到80％，远高于市面上目前50％的故障准确率平均水平，从而更好的指导供电局对配网线路运维与检修，减少停电时间，产品更具有实用价值。

附图说明

图1是本发明的结构方框图；

图2是专家库故障分析模块的识别流程图；

图3是采集单元的电路原理框图；

图4是汇集单元的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明包括采集单元、汇集单元、LoRa通讯模块和后台服务器，构成一整套的基于LoRa通讯型的暂态录波故障分析系统。其中，采集单元通过LoRa通讯模块与汇集单元无线连接，汇集单元和采集单元均设有多个，每个汇集单元与至少三个采集单元连接，将来自至少三个采集单元的数据汇合后经移动基站传输给后台服务器。

后台服务器主要包括波形数据展示模块、专家库故障分析模块、故障信息输出模块，设有数据库和专家库。后台服务器通过移动基站接收汇集单元传送过来的录波波形数据，并存储，用户通过web网页能够随时查看这些录波波形；专家库故障分析模块读取这些录波波形，结合预先输入的线路拓扑结构，通过分析录波波形数据和拓扑结构，得出结论信息，如故障类型、故障发生时间、故障发生位置以及造成故障的原因；故障信息输出模块通过短信将这些结论信息发送给预先设置的运维人员的手机号码，运维人员得到信息后能够快速进行检修，减少停电时间。

专家库故障分析模块里包含了电网架空线路的各种故障波形的特征。如图2，专家库故障分析模块从接口处取得监测点采集到的录波波形和监测点的拓扑结构后，通过波形故障识别算法，将录波波形和故障波形的特征进行匹配，得到波形故障结果；通过故障位置定位算法，结合拓扑结构和波形数据，通过比较拓扑结构上各个监测点波形数据的差异，得到故障定位的结果；最后推送故障定位、故障识别结果。

采集单元通过取电线圈，采用电磁感应取电的方式从线路获取供电电流，同时通过罗氏线圈采集线路电流值，在故障的情况下对线路电流和电场录波，并通过LoRa通讯射频电路将电流和电场录波数据传送给汇集单元。如图3，采集单元电路主要包括取电电路、罗氏线圈、低功耗主控MCU、LoRa通讯射频电路、存储电路、积分电路和滤波电路；主控MCU分别与取电电路、滤波电路、存储电路、LoRa通讯射频电路连接，积分电路连接在罗氏线圈与滤波电路之间；取电电路还与LoRa通讯射频电路连接。

采集单元电路通过取电电路整流、升压处理，为整个电路供电。取电电路主要是通过卡在高压母线上的取电线圈以电磁感应的方式输出电流，取电部分包括储能超级电容器，这样在线路电流波动时确保供电稳定。采集单元采用了超低功耗的Cortex-M0+处理器作为主控，处理器是整个采集单元的核心，在处理器上运行嵌入式软件，控制取电、电流采集、LoRa通讯等，从而实现采集单元的功能。LoRa通讯射频电路主要包括LoRa无线传输射频芯片与其外围电路，LoRa通讯射频电路接收主控MCU的数据，通过无线发送给汇集单元，同时接收汇集单元传输过来的数据，通过SPI总线传输给主控MCU。采集单元的线路电流检测是通过卡在高压母线上的罗氏线圈采集电流信号，积分电路通过对罗氏线圈输出的信号进行积分处理，滤波电路对积分处理后的信号进行二阶低通滤波处理，输入到主控MCU的内置ADC模块；主控MCU对ADC值经过处理，得到母线电流值。存储电路主要是包括串行存储器，用于存储固件升级文件，线路电流记录，运行配置参数。

汇集单元将后台发送的命令通过LoRa模块分别传送给各采集单元，同时通过LoRa模块接收多组采集单元传送过来的故障录波数据，并通过4G通讯电路将这些录波数据传送给后台服务器。如图4，汇集单元主要包括蓄电池、太阳能充电电路、主控MCU、GPS电路、LoRa通讯射频电路、4G通讯电路和数据存储电路，主控MCU分别与GPS电路、LoRa通讯射频电路、4G通讯电路、数据存储电路连接，太阳能充电电路为GPS电路、LoRa通讯射频电路、主控MCU供电，蓄电池与太阳能充电电路连接。

由于汇集单元是安装固定在杆塔上，不像采集单元是挂在母线上取电，汇集单元主要依靠太阳能供电，白天太阳能充足，太阳能电池板给蓄电池充电，同时给其它模块供电，晚上没有太阳，蓄电池给其它模块供电，太阳能充电电路控制蓄电池充电与放电，防止过充过放，同时给其它模块提供稳定的电源。

汇集单元的主控部分采用高性能的32位Cortex-M3内核的微处理器，在微处理器上运行汇集单元嵌入式软件，实现充放电控制、LoRa通讯控制，GPS定位控制等功能，是整个汇集单元的核心。GPS电路采用了Ublox的GPS定位模块NEO-6M，通过外置的陶瓷GPS天线，实现GPS定位，主控MCU与GPS电路采用串口通讯，通过串口命令与数据实现交互，从而获取定位信息。LoRa通讯射频电路主要是LoRa的无线射频电路，把主控MCU需要传送给采集单元的数据转换成无线信号发送给采集单元，同时捕获采集单元传送过来的无线信号，转换成二进制数据传给主控MCU。4G通讯电路的主要功能是与后台服务器通讯，汇集单元通过4G通讯电路将采集的数据发送给后台服务器，后台服务器将配置数据通过4G通讯电路下发给汇集单元，4G通讯电路主要包括4G通讯模组、SIM卡等。数据存储电路主要是存储升级固件文件，运行配置参数。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于LoRa通讯型暂态录波故障分析系统，其特征在于，包括采集单元、汇集单元、LoRa通讯模块和后台服务器，采集单元通过LoRa通讯模块与汇集单元无线连接；汇集单元和采集单元均设有多个，每个汇集单元与至少三个采集单元连接，将来自至少三个采集单元的数据汇合后传输给后台服务器。

2.根据权利要求1所述的基于LoRa通讯型暂态录波故障分析系统，其特征在于，所述采集单元包括取电电路、罗氏线圈、主控MCU、LoRa通讯射频电路、存储电路、积分电路和滤波电路；主控MCU分别与取电电路、滤波电路、存储电路、LoRa通讯射频电路连接，积分电路连接在罗氏线圈与滤波电路之间；取电电路还与LoRa通讯射频电路连接。

3.根据权利要求2所述的基于LoRa通讯型暂态录波故障分析系统，其特征在于，所述罗氏线圈卡在高压母线上。

4.根据权利要求1所述的基于LoRa通讯型暂态录波故障分析系统，其特征在于，所述汇集单元包括蓄电池、太阳能充电电路、主控MCU、GPS电路、LoRa通讯射频电路、4G通讯电路和数据存储电路，主控MCU分别与GPS电路、LoRa通讯射频电路、4G通讯电路、数据存储电路连接，太阳能充电电路为GPS电路、LoRa通讯射频电路、主控MCU供电，蓄电池与太阳能充电电路连接。

5.根据权利要求1所述的基于LoRa通讯型暂态录波故障分析系统，其特征在于，所述汇集单元安装固定在杆塔上。

6.根据权利要求1所述的基于LoRa通讯型暂态录波故障分析系统，其特征在于，所述后台服务器包括波形数据展示模块、专家库故障分析模块、故障信息输出模块，后台服务器通过移动基站接收汇集单元传送过来的录波波形，并存储；专家库故障分析模块读取录波波形，结合预先输入的线路拓扑结构，通过分析录波波形数据和拓扑结构，得出结论信息；故障信息输出模块将所述结论信息发送出去。

7.根据权利要求6所述的基于LoRa通讯型暂态录波故障分析系统，其特征在于，所述结论信息包括故障类型、故障发生时间、故障发生位置以及造成故障的原因。

8.根据权利要求6所述的基于LoRa通讯型暂态录波故障分析系统，其特征在于，所述专家库故障分析模块包含电网架空线路的各种故障波形的特征；专家库故障分析模块取得监测点采集到的录波波形和监测点的拓扑结构后，通过波形故障识别算法，将录波波形和故障波形的特征进行匹配，得到波形故障结果；通过故障位置定位算法，结合拓扑结构和波形数据，通过比较拓扑结构上各个监测点波形数据的差异，得到故障定位的结果。