CN110501615A - 中压配电网三相型电缆故障定位系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于暂态剩余电流的中压配电网三相型电缆故障定位系统和方法，所述系统包括：终端子系统，用于获取配电网三相型电缆的暂态剩余电流数据；网络子系统，用于终端子系统的远程通信；云计算子系统，用于故障定位；显示模块，用于显示故障定位结果；所述网络子系统分别连接终端子系统和云计算子系统，所述云计算子系统连接显示模块，所述终端子系统包括多个终端，各终端设置在环网柜或配电站外部的三相型电缆上。与现有技术相比，本发明仅通过暂态剩余电流进行中压配电网三相型电缆故障定位，并且通过多个定位鉴别算法确定故障位置，具有定位结果准确度高，方便可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及配电网故障检测领域，尤其是涉及一种仅基于暂态剩余电流的中压配电网三相型电缆故障定位系统和方法。
背景技术
由电源、环网柜、电缆组成的多分支配电网是供电保障的基础设施。而由外部环境与内在质量等原因，造成的配电网三相型电缆相间短路故障会影响到供电的可靠性。一旦电缆发生故障就需要迅速知道故障位置，及早排除故障。
目前常规的电缆故障在线定位方法，基本是“基于电缆相/地线电流的突变比幅法”、“基于故障行波的点对点测距法”等应用电缆检测终端的在线监测方法。由于故障行波以光速在线路上传播，因此，这些方法基本用于长距离的输电线路上，可以在线确定电缆的故障位置。
但因中压配电网的电缆段长短、配电网主干与分支纵横互联、网状多级分布的三相配电网电缆纵横交错，以往基本靠人工离线的排查方法找到故障位置效率低。因此目前需要在停电和开箱门的条件下，通过在中压配电网的三相型电缆上分别安装三相线和接地线的电流、电压数据信息的在线监测装置来了解故障消息，快速准确地识别并定位出中压配电网三相型电缆的相间短路故障时在线监测主要任务。但为了提高配电网的供电可靠性，需要在不开箱门、不停电的条件下，实现中压配电网三相型电缆故障的在线监测装置的安装和故障定位监测。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，而提供一种在不开箱门、不停电的条件下，仅基于暂态剩余电流的中压配电网三相型电缆故障定位系统和方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于暂态剩余电流的中压配电网三相型电缆故障定位系统，包括：
终端子系统，用于获取中压配电网三相型电缆的故障暂态剩余电流波形数据；
网络子系统，用于终端子系统的远程通信；
云计算子系统，用于故障定位；
显示模块，用于显示故障定位结果；
所述网络子系统分别连接终端子系统和云计算子系统，所述云计算子系统连接显示模块，所述终端子系统包括多个终端，各终端设置在环网柜或配电站外部的三相型电缆上。
进一步地，所述网络子系统包括：
低功耗广域物联网，用于终端子系统内各终端间通信；
窄带广域物联网或无线自组网，用于终端子系统和云计算子系统通信。
进一步地，所述终端包括为该终端供电的电源、罗氏线圈感应器、采集器、存储器、嵌入式计算模块、故障电弧鉴别模块和通讯模块，所述采集器连接罗氏线圈感应器和嵌入式计算模块，所述嵌入式计算模块还连接存储器和故障电弧鉴别模块，所述故障电弧鉴别模块连接通讯模块，所述罗氏线圈感应器包括开口罗氏线圈。
进一步地，所述故障电弧鉴别模块为集成有故障电弧鉴别软件的FPGA芯片或CPU。基于电缆短路和接地故障必有故障电弧，电弧必会在线路上产生具有故障电弧特征谐波频谱的特点，通过故障电弧鉴别模块识别出故障电波故障电弧特征，提高对配电网三相型电缆故障的判别准确率。
进一步地，所述通讯模块包括LoRa芯片或LoRa模块，和NB-IOT网卡或MESH网卡。
进一步地，所述通讯模块还包括用于和移动终端通信的近场通信模块或蓝牙模块，实现了巡检人员的移动终端与本故障定位系统的终端子系统的现场信息交互。
一种利用上述的系统进行中压配电网三相型电缆故障定位的方法，该方法包括以下步骤：
终端安装步骤：将终端子系统中的各终端设置在环网柜或配电站外部的三相型电缆外护套上；
网络配置步骤：对终端子系统配置网络子系统；
数据获取步骤：云计算子系统获取终端子系统经过网络子系统传输的各终端感知并识别出的三相型电缆故障暂态剩余电流波形数据；故障定位步骤：云计算子系统基于各终端感知并识别出的三相型电缆故障暂态剩余电流波形数据，在预建立的配电网架构上，通过多个故障定位鉴别算法，定位出在配电网架上分布的三相型电缆故障段位置；故障显示步骤：云计算子系统将故障定位结果和预建立的配电网架构显示在显示模块上。
进一步地，所述多个鉴别算法定位为波幅峰值排序鉴别算法、波时谷序排序鉴别算法和终端关联性计算鉴别算法中的至少两种方案。采用至少两种方案确定故障定位结果，且各方案间彼此独立互不影响，提高了本发明故障定位方法的定位结果的准确率和可靠性。
进一步地，所述波幅峰值排序鉴别算法具体为云计算子系统对各终端的暂态剩余电流波形数据的电流波形进行波幅峰值排序，故障位置为波幅峰值最高的两个电流波形分别对应的终端间的三相型电缆的故障段位置。
进一步地，所述波时谷序排序鉴别算法具体为云计算子系统对各终端的暂态剩余电流波形数据的时刻信息数据进行波时谷序排序，故障位置为波时谷序最低的两个电流波形分别对应的终端间的三相型电缆的故障段位置。
进一步地，所述终端关联性计算鉴别算法具体为各相邻终端进行链式传递型故障波通信，云计算子系统基于终端间的链式传递故障波通信信息进行故障定位；
所述各相邻终端进行链式传递故障波通信具体为一终端获取到故障暂态剩余电流波数据，则生成已获取消息，并传送给相邻终端，所述已获取消息包括该终端的位置信息和该终端获取到故障暂态剩余电流波数据的时刻信息；
所述云计算子系统基于终端间链式传递的故障波通信信息进行故障定位具体为，云计算子系统基于终端间链式传递的故障波通信信息，确定故障位置为最早的两个时刻信息分别对应的终端间的三相型电缆段的位置。终端关联性计算方案为区块链式的故障定位方案，通过各终端间的故障通信链，基于故障通信的时刻信息，确定故障位置，该方案无需对故障暂态剩余电流波数据进行识别，与波幅峰值排序鉴别算法和波时谷序排序鉴别算法彼此独立，进一步地提高定位结果的准确率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明仅依赖于发生电缆故障时，中压配电网三相型电缆上出现暂态剩余电流这一稍纵即逝的单一信息数据源，通过终端子系统、网络子系统、云计算子系统和显示模块，在终端子系统中定位故障发生位置的终端，终端子系统各终端设置在环网柜或配电站外部的三相型电缆外护套上，实现不停电、不开箱门安装，定位发生故障的三相型电缆段，因此本发明故障定位系统具有方便可靠的优点。
(2)本发明采用多个定位鉴别算法方案进行故障定位，多个定位方案为波幅峰值排序方案、波时谷序排序方案和终端关联性计算方案中的至少两种方案，进一步提高了故障定位结果的准确性。
(3)本发明波幅峰值排序鉴别算法方案、波时谷序排序鉴别算法方案和终端关联性计算鉴别算法方案彼此间相互独立，不受其它方案影响。
(4)本发明终端通过罗氏线圈感应器获取三相型电缆的暂态剩余电流，罗氏线圈感应器安装在环网柜外部的三相型电缆外护套上，安装时无需将环网柜断电开门，不影响电网的供电可靠性。
(5)本发明终端设有故障电弧鉴别模块，故障电弧鉴别模块基于电缆短路和接地故障必有故障电弧，电弧必会在线路上产生具有故障电弧特征谐波频谱的特点，通过对已提取的故障波形数据进行再识别，提取具有故障电弧特征的波形，滤除属于正常扰动范围的波形，提高对中压配电网三相型电缆故障的判别准确率。
(6)本发明终端子系统的各终端通信模块包括近场通信模块或蓝牙模块，实现了巡检人员的移动终端与本故障定位系统的终端子系统的现场信息交互。
附图说明
图1为本发明故障定位系统的结构示意图；
图2为本发明终端子系统的终端安装位置示意图；
图3为本发明终端的结构示意图；
图4为本发明网络子系统的示意图；
图5为本发明包含移动终端的网络子系统的示意图；
图6为本发明配电网三相型电缆故障定位方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例为一种基于暂态剩余电流的中压配电网三相型电缆故障定位系统，该系统包括：
终端子系统10，用于识别获取中压配电网三相型电缆的故障暂态剩余电流波形数据；
网络子系统20，用于终端子系统10的远程通信；
云计算子系统30，用于故障定位；
显示模块40，用于显示故障定位结果；
网络子系统20分别连接终端子系统10和云计算子系统30，云计算子系统30连接显示模块40。
下面对终端子系统10、网络子系统20和显示模块40分别进行详细介绍：
1、终端子系统10
如图2所示，终端子系统10包括多个终端100，各终端100设置在环网柜或配电站外部的三相型电缆外护套上。
如图3所示，终端100包括为该终端供电的电源1、罗氏线圈感应器2、采集器3、存储器4、嵌入式计算模块5、故障电弧鉴别模块6和通讯模块7，采集器3连接罗氏线圈感应器2和嵌入式计算模块5，嵌入式计算模块5还连接存储器4和故障电弧鉴别模块6，故障电弧鉴别模块6连接通讯模块7。
罗氏线圈感应器2由开口罗氏线圈201和积分器202组成，罗氏线圈201为非侵入式的开口罗氏线圈，积分器202为高频积分器202。无需将环网柜断电，将非侵入式的开口罗氏线圈安装在环网柜外部的三相型电缆外护套上，开口罗氏线圈201实时响应三相型电缆剩余电流引起的电磁场变化，这些变化通过高频积分器202的感测转化为数字信号，并发送给采集器3。
采集器3为高速时钟同步的采集器3，可以采用由GPS/北斗导航卫星授时的高速采集器3，通过该采集器3在线采集罗氏线圈感应器2转化的数字信号，并在嵌入式计算模块5的控制系统，生成有时标的三相型电缆剩余电流波数据，并将该数据存入存储器4中。
存储器4以堆栈的方式，存储并更新诸多条具有时标的三相型电缆剩余电流波形数据，并将其合成为有时标的三相型电缆剩余电流波形数据，按其时序推送到嵌入式计算模块5中。
嵌入式计算模块5为CPU。嵌入式计算模块5含有控制存储器4存储的控制软件和对三相型电缆故障剩余电流波形数据鉴别的相关计算软件，识别出具有突变和暂态特性的疑似故障波形数据。对三相型电缆故障剩余电流波形数据鉴别的相关计算软件实现的鉴别举措包括秒级延时躲避和特定频段带通滤波。
本实施例故障电弧鉴别模块6为集成有故障电弧鉴别软件的FPGA芯片。
故障电弧鉴别模块6对经嵌入式计算模块5识别出的具有突变和暂态特性的疑似故障波形数据进行再鉴别，识别出具有故障电弧特征的故障波形数据，该具有故障电弧特征的故障波形数据是包含由三相型电缆相间短路故障引发的暂态剩余电流波形和时刻信息数据组成的数据信息。本实施例通过识别波形的时长、暂态、相位、谐波特征，确定具有故障电弧特征的故障波形数据。
故障电弧鉴别模块基于电缆短路和接地故障必有故障电弧，电弧必会在线路上产生具有故障电弧特征谐波频谱的特点，通过对具有突变和暂态特性的疑似故障波形数据的再识别，提取具有故障电弧特征的波形，滤除属于正常扰动范围的波形，提高对配电网三相型电缆故障的判别准确率。
2、网络子系统20
如图4所示，网络子系统20包括：低功耗广域物联网LoRa，用于终端子系统10内各终端100间通信；窄带广域物联网NB-IOT或无线自组网MESH，用于终端子系统10和云计算子系统30通信。
对应地，终端子系统10中各终端100的通讯模块7可以采用LoRa芯片或LoRa模块，和NB-IOT网卡或MESH网卡。本实施例采用具有LoRa芯片和NB-IOT网卡。
3、显示模块40
本实施例采用PC作为显示模块40。
实施例2
如图5所示，本实施例与实施例1的故障定位系统大体相同，不同点在于，显示模块40设置在移动终端50上。移动终端50上设有故障定位app，显示模块40为移动终端50上的屏幕。
对应地，终端子系统10中各终端100的通讯模块7可以采用近场通信NFC模块或蓝牙Bluetoos模块，用于终端子系统10和移动终端50通信。本实施例采用近场通信NFC模块。
实施例3
如图6所示，本实施了为采用实施例1的系统进行中压配电网三相型电缆故障定位的方法，该方法包括以下步骤：
终端安装步骤S1：将终端子系统10中的各终端100设置在环网柜或配电站外部的三相型电缆外护套上；
网络配置步骤S2：对终端子系统10配置网络子系统20；
数据获取步骤S3：云计算子系统30获取终端子系统10经过网络子系统20传输的各终端感知并识别出的三相型电缆故障暂态剩余电流波形数据；
故障定位步骤S4：云计算子系统30基于各终端100感知并识别出的三相型电缆故障暂态剩余电流波形数据，在预建立的配电网架构上，通过多个故障定位鉴别算法方案，定位出在配电网架上分布的三相型电缆故障段位置；
故障显示步骤S5：云计算子系统30将故障定位结果和预建立的配电网架构显示在显示模块40上。
多个定位方案为波幅峰值排序鉴别算法S41、波时谷序排序鉴别算法S42和终端关联性计算鉴别算法S43。
波幅峰值排序鉴别算法S41具体为云计算子系统30对各终端100感知并识别出的三相型电缆故障暂态剩余电流数据的电流波形进行波幅峰值排序，故障位置为波幅峰值最高的两个电流波形分别对应的终端间的三相型电缆段的位置。
波时谷序排序鉴别算法S42具体为云计算子系统30对各终端100感知并识别出的三相型电缆故障暂态剩余电流数据的时刻信息数据进行波时谷序排序，故障位置为波时谷序最低的两个电流波形分别对应的终端间的三相型电缆段的位置。
终端关联性计算鉴别算法S43具体为各相邻终端100进行链式传递故障波通信，云计算子系统30基于终端间的故障通信信息进行故障定位；
各相邻终端进行链式传递故障波通信具体为，一终端100获取到故障暂态剩余电流波数据，则生成已获取消息，并传送给相邻终端100，所述已获取消息包括该终端100的位置信息和该终端100获取到故障暂态剩余电流数据的时刻信息；
云计算子系统30基于终端间链式传递的故障波通信信息进行故障定位具体为，云计算子系统30基于终端100间链式传递的故障波通信信息，确定故障位置为最早的两个时刻信息分别对应的终端100间的三相型电缆的位置。以波幅峰值排序方案S41、波时谷序排序方案S42和终端关联性计算方案S43中至少两个方案共同的故障位置作为故障定位结果，显示模块40上显示有预建立的中压配电网一次线路架构和/或地理信息图，基于故障定位结果，在预建立的中压配电网架构和/或地理信息图上显示发生故障的三相型电缆段的位置。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于暂态剩余电流的中压配电网三相型电缆故障定位系统，其特征在于，包括：
终端子系统(10)，用于获取中压配电网三相型电缆的暂态剩余电流数据；
网络子系统(20)，用于终端子系统的远程通信；
云计算子系统(30)，用于故障定位；
显示模块(40)，用于显示故障定位结果；
所述网络子系统(20)分别连接终端子系统(10)和云计算子系统(30)，所述云计算子系统(30)连接显示模块(40)，所述终端子系统(10)包括多个终端(100)，各终端(100)设置在环网柜或配电站外部的三相型电缆的外护套上。
2.根据权利要求1所述的一种基于暂态剩余电流的中压配电网三相型电缆故障定位系统，其特征在于，所述网络子系统(20)包括：
低功耗广域物联网，用于终端子系统内各终端(100)间通信；
窄带广域物联网或无线自组网，用于终端子系统(10)和云计算子系统(30)通信。
3.根据权利要求1所述的一种基于暂态剩余电流的中压配电网三相型电缆故障定位系统，其特征在于，所述终端(100)包括为该终端供电的电源(1)、罗氏线圈感应器(2)、采集器(3)、存储器(4)、嵌入式计算模块(5)、故障电弧鉴别模块(6)和通讯模块(7)，所述采集器(3)连接罗氏线圈感应器(2)和嵌入式计算模块(5)，所述嵌入式计算模块(5)还连接存储器(4)和故障电弧鉴别模块(6)，所述故障电弧鉴别模块(6)连接通讯模块(7)，所述罗氏线圈感应器(2)包括开口罗氏线圈(201)。
4.根据权利要求3所述的一种基于暂态剩余电流的中压配电网三相型电缆故障定位系统，其特征在于，所述通讯模块(7)包括LoRa芯片或LoRa模块，和NB-IOT网卡或MESH网卡。
5.根据权利要求3所述的一种基于暂态剩余电流的中压配电网三相型电缆故障定位系统，其特征在于，所述通讯模块(7)还包括用于和移动终端通信的近场通信模块或蓝牙模块。
6.一种利用权利要求1所述的系统进行中压配电网三相型电缆故障定位的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
终端安装步骤：将终端子系统(10)中的各终端设置在环网柜或配电站外部的三相型电缆的外护套上；
网络配置步骤：对终端子系统(10)配置网络子系统(20)；
数据获取步骤：云计算子系统(30)获取终端子系统(10)经过网络子系统(20)传输的各终端(100)感知并识别出的三相型电缆故障暂态剩余电流波形数据；
故障定位步骤：云计算子系统(30)基于各终端(100)感知并识别出的三相型电缆故障暂态剩余电流波形数据，在预建立的配电网架构上，通过多个故障定位鉴别算法，定位出在配电网架上分布的三相型电缆故障段位置；
故障显示步骤：云计算子系统(30)将故障定位结果和预建立的配电网架构显示在显示模块(40)上。
7.根据权利要求6所述的中压配电网三相型电缆故障定位的方法，其特征在于，所述多个定位鉴别算法为波幅峰值排序鉴别算法、波时谷序排序鉴别算法和终端关联性计算鉴别算法中的至少两种方案。
8.根据权利要求7所述的中压配电网三相型电缆故障定位的方法，其特征在于，所述波幅峰值排序鉴别算法具体为云计算子系统(30)对各终端的暂态剩余电流数据的电流波形进行波幅峰值排序，故障位置为波幅峰值最高的两个电流波形分别对应的终端间的三相型电缆段的位置。
9.根据权利要求7所述的中压配电网三相型电缆故障定位的方法，其特征在于，所述波时谷序排序鉴别算法具体为云计算子系统(30)对各终端的暂态剩余电流数据的时刻信息数据进行波时谷序排序，故障位置为波时谷序最低的两个电流波形分别对应的终端间的三相型电缆段的位置。
10.根据权利要求7所述的中压配电网三相型电缆故障定位的方法，其特征在于，所述终端关联性计算鉴别算法具体为各相邻终端间进行链式传递型故障波通信，云计算子系统(30)基于终端间的故障波链式传递型通信信息进行故障定位；
所述各相邻终端进行故障通信具体为一终端获取到暂态剩余电流数据，则生成已获取消息，并经低功耗广域物联网传送给相邻终端，所述已获取消息包括该终端的位置信息和该终端获取到暂态剩余电流数据的时刻信息；
所述云计算子系统(30)基于终端间的链式传递型故障波通信信息进行故障定位具体为，云计算子系统(30)基于终端间的链式传递型故障波通信信息，确定故障位置为最早的两个时刻信息分别对应的终端间的三相型电缆段的位置。
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