CN110824300A - 一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统 - Google Patents

一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，包括中央处理器，电压/电流采样模块与中央处理器相交互连接，北斗/GPS定位导航模块与中央处理器相交互连接，大容量数据缓冲器与中央处理器相交互连接电源管理模块，第一远距离无线通信器与中央处理器相交互连接，安全加解密模块与中央处理器相交互连接，第二远距离无线通信器与中央处理器相交互连接。本发明解决了配电网故障特征微弱难以有效触发报警和配电自动化主站或配电物联网云平台因接入设备过多导致维护困难、运行效果差的两个难题。

Description

一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统
技术领域
本发明涉及配电物联网领域，尤其涉及一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统。
背景技术
国网2019年工作会议正式提出在坚强智能电网基础上建设泛在电力物联网，共同构成能源流、业务流、数据流“三流合一”的能源互联网。泛在电力物联网包含感知层、网络层、平台层、应用层四层结构，充分应用“大、云、物、移、智”等等现代信息技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，实现状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。
配电物联网是传统工业技术与物联网深度融合产生的一种新型电力网络形态，通过配电设备的全面互联、互通、互操作实现配电网的全面感知、数据融合和智能应用，满足配电网精益化管理，支撑能源互联网发展，是新一代的配电网。具有终端即插即用、设备广泛互联，状态全面感知，应用模式升级，业务快速迭代、资源高效利用的特点。
35kV及以下配电网按中性点不接地方式运行，其主要优点是当系统发生单相瞬间接地故障时，可以自行熄灭电弧；发生单相永久接地时，负荷可以不必立即停电，因此国内35kV及以下配电网大部分都采用这种接地方式。
但它的缺点是发生单相永久接地故障时，很难确认是哪一条线路故障。因故障会引起非接地相电压的升高，而且间歇性弧光接地可能引起电弧过电压，对系统绝缘有威胁，较长时间运行可能会引起接地绝缘击穿发生相间故障。因此需尽快确定故障线路，排除故障。
目前市场已经不少用于配电网故障检测和定位的故障指示器或传感器，但普遍存在以下问题：
1、故障报警启动元件不合理，大部分都是采用电场突变启动或相电流扰动的方式。电场突变启动方式易受外界因素干扰(环境、气候、架空线路排列方式)而频繁误动或拒动；相电流扰动方式易受负荷波动或电动机启动等影响频繁误动。
2、故障指示器、传感器通常直接、或经过汇集单元(一个汇集单元对应一套指示器或传感器)接入配电化自动主站或配电物联网云平台，并上传故障录波数据，由主站或云平台进行故障研判。随着数量的增加，主站或云平台不堪重负。
3、此外，不同厂商、不同类型的故指、传感器所采用的判决算法都不一样，主站或云平台必须针对每种类型都单独部署一套算法，难以维护，实际运行效果极差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，
包括中央处理器，
电压/电流采样模块，与中央处理器相交互连接，用于实现对母线零序电压和中性点接地线电流的采样；
北斗/GPS定位导航模块，与中央处理器相交互连接，用于给母线零序电压和中性点接地线电流采样数据提供精确的时间标签；
大容量数据缓冲器，与中央处理器相交互连接，用于存储在设定时间范围内的实时母线零序电压和中性点接地线电流数据；
电源管理模块，与中央处理器相交互连接，用于实现对中央处理器的供电管理；
第一远距离无线通信器，与中央处理器相交互连接，用于实现边缘计算系统与线路上安装的广域同步智能传感器的数据交互并将故障录波汇集；
安全加解密模块，与中央处理器相交互连接，用于实现接入配电自动化主站的安全认证，及与配电化自动主站之间的交互数据的加解密；
第二远距离无线通信器，与中央处理器相交互连接，用于实现边缘计算系统和配电自动化主站或配电物联网云平台之间的无线数据传输。
优选地，所述的一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，以太网口模块与所述中央处理器相交互连接，用于提供有线通信接入配电自动化主站或配电物联网云平台。
优选地，所述的一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，USB接口模块与所述中央处理器相交互连接，用于实现边缘计算系统的操作系统和应用程序的升级。
优选地，所述的一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，UART接口模块与所述中央处理器相交互连接，用于实现边缘计算系统的操作系统和应用程序的升级，及安全加解密模块安全证书的导入和导出。
优选地，所述的一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，所述中央处理器采用32位高性能处理器。
优选地，所述的一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，该系统安装于变电站内，取变电站内电源、电压互感器PT二次侧零序电压信号和中性点接地线电流。
优选地，所述的一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，该系统安装于变电站外，利用线路已有的馈线终端单元FTU的电源和零序电压二次信号。
优选地，所述的一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，所述北斗/GPS定位导航模块中连续两个北斗/GPS秒脉冲信号时间间隔为1S。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、本发明中的边缘计算系统实现了配电网发生故障(包括短路故障、接地故障)时同一母线段下所有设备的录波汇集和就地判决，最终只需将故障报警和定位结果上传给配电化自动主站或配电物联网云平台。最大程度地减少了主站或云平台地设备接入量和数据传输量，解决了配电化自动主站或配电物联网云平台面临的负荷过重、难以维护的困难。
2、本发明引入的零序电压作为调度判别配网系统是否存在单相接地故障的可靠判据，通过同步技术作为单相接地故障的录波启动时刻，通过这一时刻全网零序电流的情况可以准确进行选线和故障定位，彻底解决了电场触发或相电流突变触发的误报警，漏报警问题。
3、本发明引入的中性点接地线电流突变特别适合作为小电阻接地系统是否存在单相接地故障的可靠判据，通过同步技术作为单相接地故障的录波启动时刻，通过这一时刻全网零序电流的情况可以准确进行选线和故障定位，彻底解决了小电阻接地系统下电场变化微弱，无法报警问题。
4、本发明基于定位导航单元，包括全球定位系统或北斗卫星导航系统，保证了线路各测量点电流和母线零序电压、中性点接地线电流之间的精确同步，误差不超过20微秒。精度同步的数据是确保故障能正确研判的前提。
5、本发明中母线零序电压和中性点接地线电流录波采样支持缓存1小时，可以消除无线网络短时不稳定导致通信中断的影响。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明一实施例的应用示意图。
图2是本发明一实施例的系统功能示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图2所示，
一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，通过监测母线零序电压突变(针对小电流接地系统)或中性点接地线电流(针对小电阻接地系统)突变启动接地故障报警，汇集同一母线区域内所有广域同步智能传感器的故障录波，完成接地故障的研判；该边缘计算单元也响应广域同步智能传感器上报的短路故障报警，完成短路故障的研判。最终短路故障和接地故障的判决结果上传到配电化自动主站或配电物联网云平台。
具体的，中央处理器(CPU)301，该中央处理器301采用32位高性能处理器，接受电源管理模块302的输出作为工作电源，其通过控制电压/电流采样模块305实现对母线零序电压和中性点接地线电流的实时采样，然后缓存在大容量数据缓冲器306中，中央处理器301根据母线零序电压或中性点接地线电流采样值判断是否有故障发生，一旦有故障，则通过控制第一远距离无线通信器303来调取同一时刻线路上广域同步智能传感器的三相电流波形，实现故障录波的汇集；收集故障录波之后，中央处理器301运行故障判决算法实现故障选线和定位，并通过安全加解密模块307和第二远距离无线通信器308上传配电自动化主站或配电物联网云平台。
电源管理模块302，该电源管理模块302输入220V交流电源，内部完成到5V直流电源的转换，进一步生成3.3V、1.8V、1.0V等中央处理器所需要的工作电源。
第一远距离无线通信器3031，用于实现边缘计算单元与线路上安装的广域同步智能传感器进行交互实现故障录波汇集。
北斗/GPS全球定位模块304，北斗/GPS全球定位模块304上电之后就会输出一个精确的秒脉冲信号，该秒脉冲信号会输入到中央处理器301，用于控制电压/电流采样模块，作为采样计数基准。该秒脉冲是一个宽度约为1毫秒周期为1秒的高电平有效地脉冲信号。
电压/电流采样模块305，用于实现对母线零序电压和中性点接地线电流的采样。
大容量数据缓冲器306，用于存储在设定时间范围内的实时母线零序电压和中性点接地线电流数据。
安全加解密模块307，用于实现接入配电自动化主站的安全认证，及与配电化自动主站之间的交互数据的加解密。
第二远距离无线通信器308，用于实现边缘计算系统和配电自动化主站或配电物联网云平台之间的无线数据传输。
以太网口模块309，用于提供一种有线通信的方式接入配电自动化主站或配电物联网云平台之间。
USB接口模块310。用于实现操作系统和应用程序的升级。
UART接口模块311，用于实现操作系统和应用程序的升级，及安全加解密模块安全证书的导入和导出。
本发明中该系统安装于变电站内，取变电站内电源、电压互感器PT二次侧零序电压信号和中性点接地线电流。
本发明中该系统安装于变电站外，利用线路已有的馈线终端单元FTU的电源和零序电压二次信号。
如图1所示，本发明的故障检测和定位的方法，其具体步骤如下：
1、当边缘计算系统101检测到母线零序电压或中性点接地线电流发生突变时，边缘计算系统101记录下相应的电压或电流波形，并利用北斗/GPS全球定位系统输出的时间信息打上时标。
2、边缘计算系统101向同一母线段下线路上安装的广域同步智能传感器102发出调取同一时刻三相电流波形的命令，完成故障录波的汇集和存储。
3、边缘计算系统101将三相电流波形合成零序电流波形，调用故障研判算法实现故障的本地判决。
4、边缘计算系统101将故障报警信息和定位结果上传给配电自动化主站或配电物联网云平台103。
本发明至少具有以下优点：
1、本发明中的边缘计算系统实现了配电网发生故障(包括短路故障、接地故障)时同一母线段下所有设备的录波汇集和就地判决，最终只需将故障报警和定位结果上传给配电化自动主站或配电物联网云平台。最大程度地减少了主站或云平台地设备接入量和数据传输量，解决了配电化自动主站或配电物联网云平台面临的负荷过重、难以维护的困难。
2、本发明引入的零序电压作为调度判别配网系统是否存在单相接地故障的可靠判据，通过同步技术作为单相接地故障的录波启动时刻，通过这一时刻全网零序电流的情况可以准确进行选线和故障定位，彻底解决了电场触发或相电流突变触发的误报警，漏报警问题。
3、本发明引入的中性点接地线电流突变特别适合作为小电阻接地系统是否存在单相接地故障的可靠判据，通过同步技术作为单相接地故障的录波启动时刻，通过这一时刻全网零序电流的情况可以准确进行选线和故障定位，彻底解决了小电阻接地系统下电场变化微弱，无法报警问题。
4、本发明基于定位导航单元，包括全球定位系统或北斗卫星导航系统，保证了线路各测量点电流和母线零序电压、中性点接地线电流之间的精确同步，误差不超过20微秒。精度同步的数据是确保故障能正确研判的前提。
5、本发明中母线零序电压和中性点接地线电流录波采样支持缓存1小时，可以消除无线网络短时不稳定导致通信中断的影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，其特征在于：
包括中央处理器，
电压/电流采样模块，与中央处理器相交互连接，用于实现对母线零序电压和中性点接地线电流的采样；
北斗/GPS定位导航模块，与中央处理器相交互连接，用于给母线零序电压和中性点接地线电流采样数据提供精确的时间标签；
大容量数据缓冲器，与中央处理器相交互连接，用于存储在设定时间范围内的实时母线零序电压和中性点接地线电流数据；
电源管理模块，与中央处理器相交互连接，用于实现对中央处理器的供电管理；
第一远距离无线通信器，与中央处理器相交互连接，用于实现边缘计算系统与线路上安装的广域同步智能传感器的数据交互并将故障录波汇集；
安全加解密模块，与中央处理器相交互连接，用于实现接入配电自动化主站的安全认证，及与配电化自动主站之间的交互数据的加解密；
第二远距离无线通信器，与中央处理器相交互连接，用于实现边缘计算系统和配电自动化主站或配电物联网云平台之间的无线数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，其特征在于：以太网口模块与所述中央处理器相交互连接，用于提供有线通信接入配电自动化主站或配电物联网云平台。
3.根据权利要求1所述的一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，其特征在于：USB接口模块与所述中央处理器相交互连接，用于实现边缘计算系统的操作系统和应用程序的升级。
4.根据权利要求1所述的一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，其特征在于：UART接口模块与所述中央处理器相交互连接，用于实现边缘计算系统的操作系统和应用程序的升级，及安全加解密模块安全证书的导入和导出。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，其特征在于：所述中央处理器采用32位高性能处理器。
6.根据权利要求5所述的一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，其特征在于：该系统安装于变电站内，取变电站内电源、电压互感器PT二次侧零序电压信号和中性点接地线电流。
7.根据权利要求5所述的一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，其特征在于：该系统安装于变电站外，利用线路已有的馈线终端单元FTU的电源和零序电压二次信号。
8.根据权利要求1所述的一种用于配电网故障检测和定位的边缘计算系统，其特征在于：所述北斗/GPS定位导航模块中连续两个北斗/GPS秒脉冲信号时间间隔为1S。
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