CN110376489B - 一种智能配电网故障电弧检测系统 - Google Patents

一种智能配电网故障电弧检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能配电网故障电弧检测系统，包括位于负载支路出线端的第一线路采集模块、位于负载端的第二线路采集模块和对比模块，所述对比模块通过网络与第一线路采集模块、第二线路采集模块互联；所述第一线路采集模块和第二线路采集模块分别将所采集的电压及电流有效值、各次谐波含量、时域一阶导数发送至对比模块；所述雾计算单元根据预设的阈值和收到的实时数据判断线路的故障电弧；所述雾计算单元同时接收第二线路采集模块在近负载侧的直接判断结果，根据所述第二线路采集模块和对比模块实测值与所述阈值对比判断故障电弧的结果，将其故障程度划分为多个级别。本发明对硬件要求低，提高了电弧故障检测精度，工程易实现。

Description

一种智能配电网故障电弧检测系统
技术领域
本发明涉及一种智能配电网故障电弧检测系统，属于智能配用电技术领域。
背景技术
电弧燃烧时会伴随着声、光、热及电磁辐射等物理现象。利用上述特征在建筑电气和长线路的故障电弧检测中效果并不好，由于建筑物中线路的主故障位置无法确定，无法安装传感器。同时，配电网的线路中还有大量的正常电弧现象，难以通过物理现象来区分电弧的好坏。当前的配电线路故障电弧检测方法依赖于故障电弧电压电流波形特征，随着变频家电、LED照明灯具、电磁炉等非线性用电设备的增多，导致电路正常工作电流与故障电弧电流波形特征十分相近，严重影响了电弧故障检测的准确性。虽然可以采用傅里叶变换、小波变换、支持向量机以及神经网络等多复杂信号处理方法提高电弧故障检测精度，但这些方法要么对硬件要求相对较高，要么运算非常复杂，很难工程实现。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种智能配电网故障电弧检测系统，对硬件要求低，检测精度高。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的一种智能配电网故障电弧检测系统，包括位于负载支路出线端的第一线路采集模块、位于负载端的第二线路采集模块和对比模块，所述对比模块通过网络与第一线路采集模块、第二线路采集模块互联；所述第一线路采集模块包括断路器执行单元、第一电压-电流采样单元、第一通信单元和第一中央控制单元；所述第二线路采集模块包括负载、多参量故障电弧检测单元、第二电压-电流采样单元、第二通信单元、第二中央控制单元；所述对比模块包括雾计算单元、云计算单元和用户终端；所述第一线路采集模块和第二线路采集模块分别将所采集的电压及电流有效值、各次谐波含量、时域一阶导数发送至对比模块；所述雾计算单元根据预设的阈值和收到的实时数据判断线路的故障电弧；所述雾计算单元同时接收第二线路采集模块在近负载侧的直接判断结果(所述直接判断结果由第二线路采集模块中多参量故障电弧检测单元计算得到)，根据所述第二线路采集模块和对比模块实测值与所述阈值对比判断故障电弧的结果，将其故障程度划分为多个级别。
上述第二线路采集模块通过声、光、热、磁信号对负载侧故障电弧的等级进行判定，具体流程如下：
x1(t)、x2(t)、x3(t)、x4(t)分别表示在t时刻声、光、热、磁各特征分量经标幺化的实测值，x1th、x2th、x3th、x4th分别表示雾计算单元下发给第二线路采集模块的声、光、热、磁各特征分量的标幺化阈值；
当上述4个特征值中有任意2个满足xi(t)>xith，其中，i＝1、2、3、4时，即判断为故障电弧产生，否则认为无故障电弧产生；故障电弧的等级取各判断结果中的最大值，第二线路采集模块将故障电弧等级报至对比模块。
上述第一线路采集模块和第二线路采集模块分别将所采集的电压有效值UA、UB，电流有效值IA、IB，3次谐波电压UA3、UB3，5次谐波电压UA5、UB5，7次谐波电压UA7、UB7，11次谐波电压UA11、UB11，13次谐波电压UA13、UB13，时域一阶导数发送至对比模块，所述雾计算单元根据预设的阈值和收到的实时数据判断线路的故障电弧，具体流程如下：
Step1：
case1如果UA＝UB＝0，报“支路未通电”，结束流程；
case2如果UA＝UB＝(0.9～1.1)UN且IA+IB>0且IB-IA＝0，报“正常状态”，结束流程；
case3如果UA＝UB＝(0.9～1.1)UN且IA+IB>0且IB×IA＝0，报“系统拓扑异常”，结束流程；
case4如果IA>0且IB>0且|IA-IB|≤nIA(0<n<1)同时成立，进入Step2，否则，报“系统拓扑异常”，流程结束；
Step2：
如果UA＝UB＝(0.9～1.1)UN，UN为额定电压，线路部分无故障电弧，结束流程；否则，进入step3；
Step3：
case1如果UA>UB>0且|UAi-UBi|>0(i＝3、5、7、11、13)的个数大于等于L，发生故障电弧，故障程度为I级，流程结束；
case2如果UA>UB>0且|UAi-UBi|>0(i＝3、5、7、11、13)的个数大于等于M，发生故障电弧，故障程度为II级，流程结束；
case3如果UA>UB>0且|UAi-UBi|>0(i＝3、5、7、11、13)的个数大于等于N，发生故障电弧，故障程度为III级，流程结束。
上述阈值x1th、x2th、x3th、x4th、L、M、N可通过本地修改，也可以由用户终端通过云服务器通过下发。
上述断路器执行单元为程控断路器，所述第一电压-电流采样单元及第二电压-电流采样单元采集近断路器侧的电气量，为宽频带高采样率的电压、电流传感器及其信号调理电路；所述第一通信单元及第二通信单元为高速无线通信组件，所述第一中央控制单元及第二中央控制单元为数字信号处理器。
上述多参量故障电弧检测单元集成声波、电磁波、弧光、热量传感器和电压-电流传感器。
上述雾计算单元、云计算单元分别为配置在本地、终控室的计算机及其配置的应用程序，所述用户终端为智能手机及其安装的应用程序。
本发明的一种智能配电网故障电弧检测系统对硬件要求低，提高了电弧故障检测精度，工程易实现。
附图说明
图1为故障电弧检测系统图；
图2为故障电弧保护模块拓扑图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1和图2，本发明的故障电弧检测系统包括第一线路采集模块、第二线路采集模块和对比模块。第一线路采集模块位于负载支路的出线端、第二线路采集模块位于负载端，对比模块通过网络与第一线路采集模块和第二线路采集模块互联。为实现所述3类模块的协调工作，本发明还提供了一种故障电弧检测方法。
第一线路采集模块，包括断路器执行单元、电压-电流采样单元、通信单元、中央控制单元。执行单用为程控断路器，电压、电流采样单元分别为宽频带高采样率的电压、电流传感器及其信号调理电路，通信单元为高速无线通信组件，中央控制单元为数字信号处理器。
第二线路采集模块，包括负载、多参量故障电弧检测单元、电压-电流采样单元、通信单元、中央控制单元MCU。负载指功率因数为-1～1且有封闭外壳的用电设备，多参量故障电弧检测单元为声、光、热、磁一体式传感器，电压-电流采样单元、通信单元、中央控制单元MCU与第一线路采集模块中相同。
对比模块，包括雾计算单元、云计算单元和用户终端。雾计算单元、云计算单元分别为配置在本地、终控室的计算机及其配置的应用程序，用户终端为智能手机及其安装的应用程序。
根据第二线路采集模块和对比模块实测值与所述阈值对比判断故障电弧的结果，将其故障程度划分为〇、I、II、III共4级，〇级代表无故障电弧，I级代表发生了短时故障电弧并自动熄灭，II级代表多次发生短时故障电弧或较长时间内发生了轻微的故障电弧，III级代表短时发生了严重的故障电弧。
雾计算单元对4级故障的处理方式为：〇级不做任何处理，I级只上报信息到云服务器供用户查询，II级上报服务器并通知用户请求决策支持，III级直接由雾计算单元向第一线路采集模块下发跳闸指令。
第一线路采集模块、第二线路采集模块、对比模块配合工作，根据故障电弧检测方法共同完成负载侧、线路(断路器与负载之间)的故障电弧监测。第二线路采集模块中传感器所测的声、光、热、磁数据与对应阈值的比较，负载侧故障电弧的严重等级判定流程如下：
x1(t)、x2(t)、x3(t)、x4(t)分别表示在t时刻声、光、热、磁各特征分量经标幺化的实测值，x1th、x2th、x3th、x4th分别表示雾计算单元下发给第二线路采集模块的声、光、热、磁各特征分量的标幺化阈值。当上述4个特征值中有任意2个满足xi(t)>xith(i＝1、2、3、4)时，即判断为故障电弧产生，否则认为无故障电弧产生。故障电弧的等级取各判断结果中的最大值，第二线路采集模块将故障电弧等级报至对比模块。
第一线路采集模块和第二线路采集模块分别将所采集的电压有效值UA、UB，电流有效值IA、IB，3次谐波电压UA3、UB3，5次谐波电压UA5、UB5，7次谐波电压UA7、UB7，11次谐波电压UA11、UB11，13次谐波电压UA13、UB13，时域一阶导数发送至对比模块，雾计算单元根据预先所设阈值和收到的实时数据判断线路的故障电弧，具体流程如下：
Step1：
case1如果UA＝UB＝0，报“支路未通电”，结束流程；
case2如果IA+IB>0且IB-IA＝0，报“正常状态”，结束流程；
case3如果IA+IB>0且IB×IA＝0，报“系统拓扑异常”，结束流程；
case4如果IA>0且IB>0且|IA-IB|≤0.2IA同时成立，进入Step，否则，报“系统拓扑异常”，流程结束。
Step2：
如果UA＝UB＝(0.9～1.1)UN，UN为额定电压，线路部分无故障电弧，结束流程。否则，进入step3；
Step3：
case1如果UA>UB>0且|UAi-UBi|>0(i＝3、5、7、11、13)的个数为0，发生故障电弧，故障程度为I级，流程结束；
case2如果UA>UB>0且|UAi-UBi|>0(i＝3、5、7、11、13)的个数为1或2，发生故障电弧，故障程度为II级，流程结束；
case3如果UA>UB>0且|UAi-UBi|>0(i＝3、5、7、11、13)的个数大于3，发生故障电弧，故障程度为III级，流程结束。
雾计算单元同时接收第二线路采集模块在近负载侧的直接判断结果。
所述阈值可通过本地修改，也可以由用户终端通过云服务器通过下发。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种智能配电网故障电弧检测系统，其特征在于，包括位于负载支路出线端的第一线路采集模块、位于负载端的第二线路采集模块和对比模块，所述对比模块通过网络与第一线路采集模块、第二线路采集模块互联；所述第一线路采集模块及第二线路采集模块均用于采集电压及电流有效值、各次谐波含量和时域一阶；
所述第一线路采集模块包括断路器执行单元、第一电压-电流采样单元、第一通信单元和第一中央控制单元；
所述第二线路采集模块包括负载、多参量故障电弧检测单元、第二电压-电流采样单元、第二通信单元、第二中央控制单元；
所述对比模块包括雾计算单元、云计算单元和用户终端；
所述第一线路采集模块和第二线路采集模块分别将所采集的电压及电流有效值、各次谐波含量、时域一阶导数发送至对比模块；所述雾计算单元根据预设阈值和收到的实时数据判断线路的故障电弧；
所述雾计算单元同时接收第二线路采集模块在近负载侧的直接判断结果，根据所述第二线路采集模块计算结果，对比模块实测值与所述预设阈值将其故障程度划分为多个级别；
所述近负载侧的直接判断结果，由第二线路采集模块通过声、光、热、磁信号对负载侧故障电弧的等级进行判定，具体流程如下：
x1(t)、x2(t)、x3(t)、x4(t)分别表示在t时刻声、光、热、磁各特征分量经标幺化的实测值，x1th、x2th、x3th、x4th分别表示雾计算单元下发给第二线路采集模块的声、光、热、磁各特征分量的标幺化阈值；
当上述4个特征值中有任意2个满足xi(t)>xith，其中，i＝1、2、3、4时，即判断为故障电弧产生，否则认为无故障电弧产生；故障电弧的等级取各判断结果中的最大值，第二线路采集模块将故障电弧等级报至对比模块；
所述第一线路采集模块和第二线路采集模块分别将所采集的电压有效值UA、UB，电流有效值IA、IB，3次谐波电压UA3、UB3，5次谐波电压UA5、UB5，7次谐波电压UA7、UB7，11次谐波电压UA11、UB11，13次谐波电压UA13、UB13，时域一阶导数发送至对比模块，所述雾计算单元根据预设阈值和收到的实时数据判断线路的故障电弧，具体流程如下：
Step1：
case1如果UA＝UB＝0，报“支路未通电”，结束流程；
case2如果UA＝UB＝(0.9～1.1)UN且IA+IB>0且IB-IA＝0，报“正常状态”，结束流程；
case3如果UA＝UB＝(0.9～1.1)UN且IA+IB>0且IB×IA＝0，报“系统拓扑异常”，结束流程；
case4如果IA>0且IB>0且|IA-IB|≤nIA同时成立，进入Step2，否则，报“系统拓扑异常”，流程结束；0<n<1；
Step2：
如果UA＝UB＝(0.9～1.1)UN，UN为额定电压，线路部分无故障电弧，结束流程；否则，进入step3；
Step3：
case1如果UA>UB>0且|UAi-UBi|>0的个数大于等于L，发生故障电弧，故障程度为I级，流程结束，其中，i＝3、5、7、11、13；
case2如果UA>UB>0且|UAi-UBi|>0的个数大于等于M，发生故障电弧，故障程度为II级，流程结束，其中，i＝3、5、7、11、13；
case3如果UA>UB>0且|UAi-UBi|>0的个数大于等于N，发生故障电弧，故障程度为III级，流程结束，其中，i＝3、5、7、11、13。
2.根据权利要求1所述的智能配电网故障电弧检测系统，其特征在于，所述阈值x1th、x2th、x3th、x4th、L、M、N可通过本地修改，也可以由用户终端通过云服务器通过下发。
3.根据权利要求1或2所述的智能配电网故障电弧检测系统，其特征在于，所述断路器执行单元为程控断路器，所述第一电压-电流采样单元及第二电压-电流采样单元采集近断路器侧的电气量，为宽频带高采样率的电压、电流传感器及其信号调理电路；所述第一通信单元及第二通信单元为高速无线通信组件，所述第一中央控制单元及第二中央控制单元为数字信号处理器。
4.根据权利要求1或2所述的智能配电网故障电弧检测系统，其特征在于，所述多参量故障电弧检测单元集成声波、电磁波、弧光、热量传感器和电压-电流传感器。
5.根据权利要求1或2所述的智能配电网故障电弧检测系统，其特征在于，所述雾计算单元、云计算单元分别为配置在本地、终控室的计算机及其配置的应用程序，所述用户终端为智能手机及其安装的应用程序。
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