CN111257700B - 一种基于边缘计算的配电网单相接地故障定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于边缘计算的配电网单相接地故障定位装置和方法，装置包括：设置在配电网自动化主站的定位计算模块和全网分布式设置的多个测点，各个测点设置有测量装置，测量装置包括安装在输电线上的三相采集模块和安装在电线杆上的汇聚模块，三相采集模块通过北斗/GPS授时实现各个测点同步，实时同步采集电流波形，将录波数据存储在本地，单相接地故障发生时，在本地执行边缘计算处理故障波形，查找故障点波形的波头，并将故障前后多个周波的电流波形及其时间信息传输至汇聚模块；汇聚模块将故障信息数据无线传输至配电网自动化主站的定位计算模块，计算获得融合行波波速，并采用双端行波测距算法以故障信息数据计算得出故障点位置。

Description

一种基于边缘计算的配电网单相接地故障定位装置及方法

技术领域

本发明涉及配电网故障定位技术领域，特别是涉及一种配电网单相接地故障定位装置及方法。

背景技术

现有技术文件1(衡思坤,韦海荣,朱立位,李德众,杨浩.一种配电网单相接地故障定位方法[P].CN103454561A,2013-12-18.)公开了一种配电网单相接地故障定位方法，以电线杆或分支线为节点安装故障指示器，通过故障指示器的翻牌结果作为指示，其效率低，定位精度差。

现有技术2(孙忠耀,徐飞,汤盛润,王亮,赖晓明.一种故障录波器[P].CN203519741U,2014-04-02.)公开了一种故障录波器，然而该故障录波器体积较大，能耗高且不能进行野外部署，只能用在变电站侧进行关口数据录波，对各个分支线的情况不能准确的进行数据描述，存在一定的盲区。

由于瞬态数据采集信息量大，且未来采集速率进一步提升后信息量更大，如果采用集中存储录波信号，将导致网络负载巨大，且网络的稳定性难以满足需求。另外由于架空输电线的电磁辐射环境复杂，对故障定位装置的通信存在一定的干扰。

因此需要一种快速精确定位并能解决片上资源的系统及方法，并且从物理结构、通信机制进行设计抵抗电磁辐射的干扰，提高装置的可靠性和稳定性。

发明内容

解决配电网故障定位装置中高精度定位与有限资源之间的矛盾，基于边缘计算的方法，本地化快速查找故障波形的波头，同时利用高精度时间同步机制，精确定位单相接地故障点。

本发明采用了如下的技术方案：一种基于边缘计算的配电网单相接地故障定位装置，包括：设置在配电网自动化主站的定位计算模块和全网分布式设置的多个测点，各个测点设置有测量装置，测量装置包括安装在输电线上的三相采集模块和安装在电线杆上的汇聚模块，根据配电网拓扑结构，将全网的测量装置划分为多个测量装置组，三相采集模块通过北斗/GPS授时实现各个测点同步，实时同步采集输电线路各个测点每相的电流波形，将录波数据存储在三相采集模块本地，单相接地故障发生时，在三相采集模块本地执行边缘计算处理故障波形，查找故障点波形的波头，并将故障前后多个周波的电流波形及其时间信息传输至汇聚模块；汇聚模块汇总三相采集模块的故障信息数据，对多个三相采集模块的故障信息数据进行横向处理校验，即汇聚模块判断三相采集模块回传的故障信息数据在时间尺度上是否存在偏差，如果存在偏差则需要查漏补缺，召回相应的波头文件，校验通过后，将故障信息数据无线传输至配电网自动化主站的定位计算模块；定位计算模块以多个测量装置组计算得出的行波波速按照权重融合计算融合行波波速，并采用双端行波测距算法以故障信息数据计算得出故障点位置，其中，以如下公式计算融合行波波速，

式中：

i为用于计算行波波速的测量装置组的编号，即，i∈{1,…,n}；

n为用于配电网单相接地故障定位计算的测量装置组的数量；

γ_i为第i测量装置组当前的权重值；

v_i为第i测量装置组计算得出的行波波速；

v_fn为n个测量装置组计算得出的融合行波波速。

优选地，三相采集模块包括：采样单元、存储单元、时间同步单元和数据处理单元。

优选地，所述采样单元包括：罗氏线圈、SAR差分ADC和FIFO，罗氏线圈用于采集输电线路电流，SAR差分ADC与罗氏线圈相连接，时钟发生芯片产生采样时钟信号，用于控制SAR差分ADC的采样频率，以设定的采样频率对电流波形进行采样，进行三相采集模块本地化录波。

优选地，所述设定的采样频率不低于1MHz。

优选地，所述存储单元包括：配置信息存储部件和波形数据存储部件，波形数据存储部件设置在各个测点的三相采集模块内部，实时同步存储各个测点的电流波形，其包括设定容量的SSD或eMMC存储器。

优选地，采用eMMC存储器时，采用2块eMMC存储器构成乒乓缓存，在写入一块缓存信息的同时，另一块持续缓冲采集信息码流。

优选地，存储单元采用流媒体格式或标准录波器文件格式存储电流波形数据。

优选地，所述时间同步单元用于为配电网全网所有测点提供授时信号，实现同步采样，其包括：北斗/GPS双模授时部件；该北斗/GPS双模授时部件通过数据处理单元的RX接口向其发送北斗/GPS时间戳，该北斗/GPS双模授时部件的秒脉冲信号通过逻辑电路分发至各个FIFO芯片数据线和处理单元的一个GPIO接口上，实现SAR差分ADC数据的时间戳标记。

优选地，三相采集模块还包括：电源单元、通信单元及端口保护单元；所述电源单元用于为三相采集模块运行提供电能，其包括：相互连接的CT取电部件，电池部件和电源管理部件；所述通信单元用于进行信息数据传输，其包括至少两个2.4GHz射频通信部件，对现场前后两个方向的区域信号进行覆盖；所述端口保护单元用于对采样单元的模拟采集端口进行保护，其包括：TVS阵列部件。

优选地，所述电源单元还包括：光伏部件，其与电池部件和电源管理部件相连接。

优选地，所述数据处理单元用作主控和数据处理部件，接收时间同步单元的时间同步信号，对采样单元、通信单元实施控制，执行边缘计算处理存储单元中的波形数据，结合时间同步单元赋予的时间戳，形成波形与时间的融合数据。

优选地，所述数据处理单元通过SPI总线对时钟发生芯片进行配置，实现对采样频率的动态配置；通过SPI总线对SAR差分ADC进行配置测试，用于检查电路的完整性；通过GPIO接口接收FIFO状态，并通过GPIO接口控制FIFO的复位状态。

本发明还提供了一种基于边缘计算的配电网单相接地故障定位方法，其使用如前所述的基于边缘计算的配电网单相接地故障定位装置，包括以下步骤：

步骤1，全网各个测点的测量装置通过北斗/GPS授时实现时间同步，通过各个测点测量装置的三相采集模块测得输电线路零序电流，在三相采集模块本地实时录波，并对零序电流值进行监测；

步骤2，通过各个测点测量装置的三相采集模块的数据处理单元判断零序电流是否大于阈值，如果大于阈值执行步骤3，否则返回执行步骤1；

步骤3，通过各个测点测量装置的三相采集模块采集故障线路的行波信号；

步骤4，通过各个测点测量装置的三相采集模块执行边缘计算，确定初始行波波头时刻，三相采集模块通过其通信部件将故障时间点前后多个周波和时间信息发送至汇聚模块；

步骤5，各个测点测量装置的汇聚模块将各个测点的波头时刻发送至配电网自动化主站的定位计算模块，根据各个测点的行波波头时刻和配电网实际拓扑结构，使用配电网中的n个测量装置组的故障信息数据，计算n个行波波速值，n∈{1,…,N}，N为全网测量装置组数量；

步骤6，为n个测量装置组分别设置始权重；

步骤7，根据n个测量装置组的权重计算融合行波波速，即以如下的公式计算融合行波波速：

式中：

i为用于计算行波波速的测量装置组的编号，即，i∈{1,…,n}，

n为用于配电网单相接地故障定位计算的测量装置组的数量，

γ_i为第i测量装置组当前的权重值，

v_i为第i测量装置组计算得出的行波波速，

v_fn为n个测量装置组计算得出的融合行波波速；；

步骤8，以融合行波波速，采用双端行波测距算法计算获得故障点位置。

优选地，步骤4所述边缘计算指的是，三相采集模块的数据处理部件将行波信号进行小波变换，取模极大值确定初始行波波头时刻。

优选地，步骤5以如下公式计算n个测量装置组获得的行波波速：

式中：

i为用于计算行波波速的测量装置组的编号，即，i∈{1,…,n}；

n为用于配电网单相接地故障定位计算的测量装置组的数量；

v_i为以第i组测量装置计算得出的行波波速；

l_i为第i组测量装置中故障点同侧的任意两个测量装置之间的距离；

t_i1和t_i2分别为到达上述两个测量装置的时间。

优选地，步骤6，为n个测量装置组分别设置始权重包括：

步骤6.1，首次出现配电网单相接地故障时，为各个测量装置组赋初始权重值，即：

式中：

i为用于计算行波波速的测量装置组的编号，即，i∈{1,…,n}；

n为用于配电网单相接地故障定位计算的测量装置组的数量；

r_io为第i测量装置组的初始权重值；

p_i为第i测量装置组的初始权重值的分子；

q_i为第i测量装置组的初始权重值的分母；

优选地，步骤6，为n个测量装置组分别设置始权重包括：

步骤6.2，自第二次出现配电网单相接地故障开始，在每一次配电网单相接地故障定位计算中以如下公式对用于配电网单相接地故障定位计算的各个测量装置组的权重值进行更新：

式中：

i为用于计算行波波速的测量装置组的编号，即，i∈{1,…,n}；

n为用于配电网单相接地故障定位计算的测量装置组的数量；

为更新后的第i测量装置组的权重；

p_i为前一次权重值的分子；

q_i为前一次权重值的分母；

第二次出现配电网单相接地故障时，δ_i为第i测量装置组第一次定位误差，自第三次出现配电网单相接地故障开始，δ_i为第i测量装置组前两次定位误差之和，δ_j为第j测量装置组第一次定位误差，自第三次出现配电网单相接地故障开始，δ_j为第j测量装置组前两次定位误差之和，误差指的是仅以第i测量装置组的故障信息数据进行定位计算的结果与真实故障位置之间的距离。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，应用了边缘计算的本地化处理方法，查找行波波头，通过秒脉冲信号接入前端采样模块总线中，实现秒脉冲信号直接融入采样数据，将采样数据的时间标记动作提前到了采样传输过程中，配合高精度时钟芯片提供的采样时钟，提高了数据时间戳的精度，保证了各个暂态行波检测设备采样数据的时间统一性，为提高行波定位精度提供了必要的支持。

融合波速综合考虑多端测距装置的故障信息，通过仿真结果和历史数据对各双端测距装置组的权重值进行动态调整，避免系统因忽略参数动态变化而受到的影响，而无法准确获取故障后系统的暂态电气量变化过程，容易导致误判，提高融合决策的可靠性，同时基于历史数据来计算动态权重，在一定程度上考虑了参数的动态变化过程，但如果对过分依赖历史数据，则会产生较大的累计误差，而且也会增加计算量，基于此，选取最近两次的历史数据进行融合计算权重。

附图说明

图1是配电网单相接地故障定位系统示意图；

图2是三相采集模块与汇聚模块的结构示意图；

图3是三相采集模块的功能结构；

图4是同步采样全时录波工作原理图；

图5是配网故障精确定位方法流程。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

实施例1：一种边缘计算的配电网单相接地故障定位装置

本发明提供了一种边缘计算的配电网单相接地故障定位装置，适用于配电网架空输电线路及地下管廊的单相接地故障的快速定位，下文从时间同步机制、数据传输机制进行阐述和明确。如图1所示，以A相为例，示出了三相采集模块与汇聚模块。该边缘计算的配电网单相接地故障定位装置包括：设置在配电网自动化主站的定位计算模块和全网分布式设置的多个测点，各个测点设置有测量装置，测量装置包括安装在输电线上的三相采集模块和安装在电线杆上的汇聚模块，根据配电网拓扑结构，包括但不限于按照支路等，将各个测点的测量装置划分为N个测量装置组，其中N为正整数。

三相采集模块通过北斗/GPS授时实现各个测点时间同步，实时同步采集输电线路各个测点每相的电流波形，将录波数据存储在三相采集模块本地，单相接地故障发生时，在三相采集模块本地执行边缘计算处理故障波形，查找故障点波形的波头，并将故障前后多个周波的电流波形及其时间信息传输至汇聚模块，例如，将故障时间点前后10个周波的电流波形传输至汇聚模块。

汇聚模块汇总三相采集模块的故障信息数据，对三相采集模块的多条故障信息数据进行横向处理校验，判断三相采集模块回传的数据在时间尺度上是否有偏差，如有偏差则需要查漏补缺，从三相采集模块召回相应的波头文件，校验通过后，通过4G通信方式传输到配电网自动化主站。配电网自动化主站的定位计算模块采用双端行波测距算法以故障信息数据计算得出故障点位置。

故障点电流波形的波头本地化处理一方面减轻三相采集模块存储波形文件的压力，另一方面减轻三相采集模块与汇聚模块之间的传输压力，将传输的数据由原来的实时传输更改为只传输故障时间点前后多个(例如，10个)周波的电流波形，确保数据通信的连续性和可靠性，减轻通信压力。

如图2所示，三相采集模块包括：采样单元、存储单元、时间同步单元、数据处理单元、电源单元、通信单元和端口保护单元。

所述采样单元包括：罗氏线圈、SAR差分ADC及FIFO。罗氏线圈适用于较宽频率范围内的交流电流的测量，对导体、尺寸都无特殊要求，具有较快的瞬间反应能力，广泛应用在传统的电流测量装置如电流互感器无法使用的场合，用于电流测量，尤其是高频、大电流测量。逐次逼近寄存器型(SAR)模数转换器(ADC)的采样速率最高可达5Msps，分辨率为8位至18位。SAR架构允许高性能、低功耗ADC采用小尺寸封装，适合对尺寸要求严格的系统。FIFO(First Input First Output)指的是先进先出，FIFO的特点是灵活、方便、高效，适用于高速数据采集、高速数据处理、高速数据传输。

SAR差分ADC与罗氏线圈相连接，随三相采集模块在配电网全网分布式地设置，时钟发生芯片产生采样时钟信号，控制SAR差分ADC的采样频率，以1MHz的采样频率在全网各个测点进行存储录波，高采样频率全网录波为行波法精确定位提供数据基础。

本发明还提供了一种基于边缘计算的配电网单相接地故障定位装置的暂态行波故障定位方法，该方法根据行波传输理论实现输电线路故障定位，利用配电线路发生故障时产生的沿线传输的故障行波有固定的传播速度(接近光速)这一特点，通过测量和记录行波到达母线的时间可实现精确故障定位。为了实现暂态行波故障定位，需要基于边缘计算的配电网单相接地故障定位装置对输电线路的三相电流信号进行实时录波。由于瞬态数据采集信息量大，且未来采集速率进一步提升后信息量更大，由此提出对存储单元的改进。

所述存储单元包括：用于存储三相采集模块配置信息数据的配置信息存储部件和用于存储波形数据的波形数据存储部件。存储单元设置在三相采集模块内部，随三相采集模块在配电网全网分布式地将波形信息数据进行本地化存储。配置几百GB到几TB波形信息存储部件，可以连续记录几周到几个月的瞬态数据，例如采用256G以上的波形信息存储部件。记录可以采用流媒体格式，也可以采用标准录波器文件格式，本发明优选采用标准录波器文件格式记录数据。

波形数据存储部件包括大容量SSD或eMMC存储器，用于进行现场录波数据存储管理。固态硬盘(Solid State Disk或Solid State Drive，简称SSD)具有传统机械硬盘不具备的快速读写、质量轻、能耗低以及体积小等特点。嵌入式多媒体卡(Embedded MultimediaCard，简称eMMC)主要用于印刷电路板的嵌入式非易失性存储器系统，优势在于，集成程度高、体积小、重量轻、能耗低。

eMMC储存器只能以存储块为单位逐块的写入信息，这就会造成写入码流中断，为了实现全时录波，避免信息丢失，采用了2块缓存构成乒乓缓存，在写入一块缓存信息的同时，另一块持续缓冲采集信息码流，有效避免录波中断，保证了配网信息采集到完整性。

所述时间同步单元用于为配电网全网所有测点提供授时信号，实现全网高精度同步采样，其包括：北斗/GPS双模授时部件；该北斗/GPS双模授时部件通过数据处理单元的RX接口向其发送北斗/GPS时间戳，该北斗/GPS双模授时部件的秒脉冲信号通过逻辑电路分发至各个FIFO芯片数据线(一般为D0接口)和处理单元的一个GPIO(General Purpose Input/Output，通用输入/输出)接口上，实现SAR差分ADC数据的时间戳标记。

针对传统故障指示器存在的采样频率低、对时误差大的问题，利用北斗/GPS授时技术，通过秒脉冲信号接入前端三相采样模块总线中，实现秒脉冲信号直接融入采样数据，将采样数据的时间标记动作提前到了采样传输过程中，配合高精度时钟芯片提供的采样时钟，提高了数据时间戳的精度，保证了各个暂态行波检测设备采样数据的时间统一性，为提高行波定位精度提供了必要的支持。

使用北斗/GPS同步技术实现全网各个测点配电网信息同步采样，从而有效采集故障发生瞬间的电流改变的信息及其时间关系，这些故障信息数据被传输至配电网自动化主站后可以用多种算法解算故障信息数据，或者交给人工判读，实现快速故障诊断和故障定位。

采用高精度北斗/GPS信号采集技术实现电网的广域分布式同步采样，并持续记录波形数据，实现对分支线电压、电流数据同步采集，支撑配网运行状态估计与稳态分析，全网动态过程记录、事故分析与事故“重演”，电网动态模型辨识和模型校正，暂态稳定预测与控制，电压、频率稳定监视与控制，低频振荡分析及抑制，继电保护、故障定位及线路参数测量，全局(或者全网)反馈控制与系统保护。

应用北斗/GPS高精度授时技术，实现全域配网信息分布式同步采样，应用乒乓双缓冲存储技术，实现持续无间断全时数据录波，将采集的配网瞬态信息就地存储在各节点内部的大容量eMMC存储器内，实现分布式存储技术。从而实现了广域分布式配网运行状态同步采样全时录波，为前文指标体系的提取提供符合要求的信号。

采用北斗/GPS双模授时还能够避免某些情况下暂时接收不到GPS信号威胁系统安全，北斗授时发展迅速，技术成熟，联合GPS进行冗余备份授时提高了安全性和授时精度。

采用GPS授时信号，同步误差主要来源于控制MCU的同步处理方式，采用中断-再启动A/D模式方法简单，GPS秒脉冲触发MCU中断，中断程序立即启动A/D进行采样，在1秒内用高精度100MHz晶体振荡器提供后续采样脉冲，该时钟短时精度为10^-7s，1秒内误差约为0.1μs，该方法适应性良好，但精度稍差，主要是中断响应的不确定性和采样时钟只有10ksps，从秒脉冲下降沿触发中断到A/D开始响应需要经历较多的步骤，中断响应需要数μs，还要设置A/D通道，缓存通道，DMA通道等等，这些工作都会导致时延而引入误差。采用这个方法，实现定时误差为0.1μs左右。

采用北斗授时信号，主要时钟误差引入在于北斗授时精度和自身时钟块两个主要部分。北斗授时精度是指秒脉冲的上升沿时刻的误差，其一般小于100ns。时钟采用高精度时钟芯片作为ADC采用同步时钟，其误差≤±0.5ppm，保证在1秒内其累计时间误差不大于1us，即≤±0.5μs。加上北斗授时误差，系统时间同步的总误差≤±0.55μs。由于北斗卫星位于赤道上空36000km的静止轨道，高度约为GPS卫星的1.8倍，接收机相对卫星的可工作仰角范围为10°-75°，遮蔽角比GPS小，信号不易被接收机附近的高大物体遮蔽，更加有利于高山地区的环境。

所述数据处理单元用作主控和数据处理部件。执行的控制功能包括但不限于，接收时间同步单元的时间同步信号，对采样单元、通信单元实施控制。通过SPI(SerialPeripheral Interface，串行外设接口)总线对时钟发生芯片进行配置，实现对采样频率的动态配置；通过SPI总线对SAR差分ADC进行配置测试，用于检查电路的完整性；通过GPIO接口接收FIFO状态，并通过GPIO接口控制FIFO的复位等状态。执行的数据处理功能包括但不限于，对存储单元中的波形数据进行边缘计算，结合时间同步单元赋予的时间戳，形成波形与时间信息的融合数据。

所述通信单元用于与汇聚模块进行双向通信，其包括：至少两个2.4GHz射频通信部件，用于对现场前后两个方向的区域信号进行覆盖。

所述电源单元用于为三相采集模块运行提供电能，其包括：相互连接的CT取电部件，电池部件和电源管理部件，优选地，电源单元还包括：光伏部件，其与电池部件和电源管理部件相连接。

所述端口保护单元用于对采样单元的模拟采集端口进行保护，其包括：TVS阵列部件。瞬态电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressor，简称TVS)，是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10^-12s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。

实施例2：一种基于边缘计算的配电网单相接地故障定位方法

行波传播过程中的色散使行波波头能量分散，仅通过行波外观很难确定行波到达时间。色散情况取决于行波的传播距离和线路参数等，行波传播过程中的色散越大，行波波头能量越分散，表示行波到达时间的特征点就越难确定。

小波变换作为数字信号处理的有力工具，具有良好的时频局部化能力，其实质是将小波基按一定的规律和顺序进行延伸平移，将某一时域的信号转化为若干频段的不同信号，因此，小波变换的结果可以反映出行波的极性、幅值信息，电压、电流信号的突变点与小波变换模极大值点始终有一一对应的关系，利用小波变化模极大值检测即可实现行波到达时刻的标定。

由此，针对传统行波法在配网故障测距应用中出现的波头难以识别、波速难以确定等问题，提出了基于边缘计算的配电网单相接地故障定位装置的暂态行波信息融合的配网故障定位方法，采用小波变换取模极大值的方法准确获取行波初始波头时刻，通过基于边缘计算的配电网单相接地故障定位装置，实时计算行波波速，根据各装置测距结果误差大小动态更新其权重值，最后基于双端测距原理实现配网故障的精确定位。

用所选合适小波对行波零模电气量进行变换，将行波零模中的某种外观不明显、位置不易精确确定的特征点，转变为小波变换域的特征明显、位置可精确确定的另一种特征点(要求该特征点为小波变换分析尺度所对应的频带下信号强度最大的时间位置，而且其位置不易受其他干扰的影响等)，然后由小波变换域的这种特征点的位置确定行波到达时间，由行波到达线路两端的时间差即可确定出故障位置。由此，一种新的故障行波到达的时间概念被提出，这就是由行波在小波变换域的特征点位置确定行波到达时间的概念。

而且，对于配电网络，进行信号去噪处理是提高行波测距准确性的必要手段，行波与噪声虽然同样具有奇异性，但随着小波函数尺度因子的增大，两者表现出不同的特性，噪声信号的变换结果会迅速衰减。综合以上特性，在对信号的奇异性检测方面，小波信号具有较高的可靠性。

综上，如图5所示，本发明还提供了一种基于边缘计算的配电网单相接地故障定位装置的暂态行波信息融合配网故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1，全网各个测点的测量装置通过北斗/GPS授时实现时间同步，通过各个测点测量装置的三相采集模块测得输电线路零序电流，在三相采集模块本地实时录波，并对零序电流值进行监测。

步骤2，通过三相采集模块的数据处理单元判断零序电流是否大于阈值，如果大于阈值执行步骤3，否则返回执行步骤1。

步骤3，通过各个测点测量装置的三相采集模块采集故障线路的行波信号。

步骤4，通过各个测点测量装置的三相采集模块执行边缘计算，确定初始行波波头时刻，三相采集模块通过其通信部件将故障时间点前后多个周波和时间信息发送至汇聚模块；具体地，所述边缘计算指的是，三相采集模块的数据处理单元将行波信号进行小波变换，取模极大值确定初始行波波头时刻。

步骤5，各个测点测量装置的汇聚模块将各个测点的波头时刻发送至配电网自动化主站的定位计算模块，根据各个测点的行波波头时刻和配电网实际拓扑结构，使用配电网中的n个测量装置组的故障信息数据计算n个行波波速值，n∈{1,…,N}。

具体地，各个测量装置组对应的行波波速以如下公式进行计算：

式中：

i为用于计算行波波速的测量装置组的编号，即，i∈1,…,n；

n为用于配电网单相接地故障定位计算的测量装置组的数量；

v_i为以第i组测量装置计算得出的行波波速；

l_i为第i组测量装置中故障点同侧的任意两个测量装置之间的距离；

t_i1和t_i2分别为到达上述两个测量装置的时间。

步骤6，为各个测量装置组赋权重；

具体地，为用于配电网单相接地故障定位计算的n个测量装置组分别设置始权重包括：步骤6.1，首次出现配电网单相接地故障时，为各个测量装置组赋初始权重值，即：

式中：

i为用于计算行波波速的测量装置组的编号，即，i∈{1,…,n}；

n为用于配电网单相接地故障定位计算的测量装置组的数量；

r_io为第i测量装置组的初始权重值；

p_i为第i测量装置组的初始权重值的分子；

q_i为第i测量装置组的初始权重值的分母。

第一次出现配电网单相接地故障时，按照各个测量装置组的初始权重值计算配电网单相接地故障位置，掌握真实故障位置后，可以得到计算获得的故障位置与真实故障位置之间的距离，即定位误差。自第二次出现配电网单相接地故障开始，使用定位误差和权重值的历史数据对权重值进行更新，提高计算的准确性。

具体地，为用于配电网单相接地故障定位计算的各个测量装置组分别设置始权重包括：步骤6.2，自第二次出现配电网单相接地故障开始，在每一次配电网单相接地故障定位计算中以如下公式对用于配电网单相接地故障定位计算的各个测量装置组的权重值进行更新：

式中：

i为用于计算行波波速的测量装置组的编号，即，i∈{1,…,n}；

n为用于配电网单相接地故障定位计算的测量装置组的数量；

为更新后的第i测量装置组的权重；

p_i为前一次权重值的分子；

q_i为前一次权重值的分母；

第二次出现配电网单相接地故障时，δ_i为第i测量装置组第一次定位误差，自第三次出现配电网单相接地故障开始，δ_i为第i测量装置组前两次定位误差之和，δ_j为第j测量装置组第一次定位误差，自第三次出现配电网单相接地故障开始，δ_j为第j测量装置组前两次定位误差之和，误差指的是仅以第i测量装置组的故障信息数据进行定位计算的结果与真实故障位置之间的距离。

步骤7，根据各个测量装置组的权重计算融合行波波速，即以如下公式计算融合行波波速。

式中：

i为用于计算行波波速的测量装置组的编号，即，i∈{1,…,n}；

n为用于配电网单相接地故障定位计算的测量装置组的数量；

γ_i为第i测量装置组当前的权重值；

v_i为第i测量装置组计算得出的行波波速；

v_fn为n个测量装置组计算得出的融合行波波速。

步骤8，配电网自动化主站的定位计算模块以双端行波测距算法计算获得故障点位置。

与现有技术相比，主要是应用了边缘计算的本地化处理方法，查找行波波头，通过秒脉冲信号接入前端采样模块总线中，实现秒脉冲信号直接融入采样数据，将采样数据的时间标记动作提前到了采样传输过程中，配合高精度时钟芯片提供的采样时钟，提高了数据时间戳的精度，保证了各个暂态行波检测设备采样数据的时间统一性，为提高行波定位精度提供了必要的支持。

融合波速综合考虑多端测距装置的故障信息，通过仿真结果和历史数据对各双端测距装置组的权重值进行动态调整，避免系统因忽略参数动态变化而受到的影响，而无法准确获取故障后系统的暂态电气量变化过程，容易导致误判，提高融合决策的可靠性，同时基于历史数据来计算动态权重，在一定程度上考虑了参数的动态变化过程，但如果对过分依赖历史数据，则会产生较大的累计误差，而且也会增加计算量，基于此，选取最近两次的历史数据进行融合计算权重。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种基于边缘计算的配电网单相接地故障定位装置，包括：设置在配电网自动化主站的定位计算模块和全网分布式设置的多个测点，各个测点设置有测量装置，测量装置包括安装在输电线上的三相采集模块和安装在电线杆上的汇聚模块，根据配电网拓扑结构，将全网的测量装置划分为多个测量装置组，其特征在于：

三相采集模块通过北斗/GPS授时实现各个测点同步，实时同步采集配电网各个测点输电线每相的电流波形，将录波数据存储在三相采集模块本地，单相接地故障发生时，在三相采集模块本地执行边缘计算处理故障波形，查找故障点波形的波头，并将故障前后多个周波的电流波形及其时间信息传输至汇聚模块；

汇聚模块汇总三相采集模块的故障信息数据，对多个三相采集模块的故障信息数据进行横向处理校验，即汇聚模块判断三相采集模块回传的故障信息数据在时间尺度上是否存在偏差，如果存在偏差则需要查漏补缺，召回相应的波头文件，校验通过后，将故障信息数据无线传输至配电网自动化主站的定位计算模块；

定位计算模块以多个测量装置组计算得出的行波波速按照权重融合计算融合行波波速，并采用双端行波测距算法以故障信息数据计算得出故障点位置，其中，以如下公式计算融合行波波速，

式中：

i为用于计算行波波速的测量装置组的编号，即，i∈{1,…,n}；

n为用于配电网单相接地故障定位计算的测量装置组的数量；

γ_i为第i测量装置组当前的权重值；

v_i为第i测量装置组计算得出的行波波速；

v_fn为n个测量装置组计算得出的融合行波波速。

2.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障定位装置，其特征在于，

三相采集模块包括：采样单元、存储单元、时间同步单元和数据处理单元。

3.根据权利要求2所述的配电网单相接地故障定位装置，其特征在于，

所述采样单元包括：罗氏线圈、SAR差分ADC和FIFO，罗氏线圈用于采集输电线路电流，SAR差分ADC与罗氏线圈相连接，时钟发生芯片产生采样时钟信号，用于控制SAR差分ADC的采样频率，以设定的采样频率对电流波形进行采样，进行三相采集模块本地化录波。

4.根据权利要求3所述的配电网单相接地故障定位装置，其特征在于，

所述设定的采样频率不低于1MHz。

5.根据权利要求2至4任一项所述的配电网单相接地故障定位装置，其特征在于，

所述存储单元包括：配置信息存储部件和波形数据存储部件，波形数据存储部件设置在各个测点的三相采集模块内部，实时同步存储配电网各个测点的电流波形，其包括设定容量的SSD或eMMC存储器。

6.根据权利要求5所述的配电网单相接地故障定位装置，其特征在于，

采用eMMC存储器时，采用2块eMMC存储器构成乒乓缓存，在写入一块缓存信息的同时，另一块持续缓冲采集信息码流。

7.根据权利要求2至4中任一项所述的配电网单相接地故障定位装置，其特征在于，

存储单元采用流媒体格式或标准录波器文件格式存储电流波形数据。

8.根据权利要求2至4中任一项所述的配电网单相接地故障定位装置，其特征在于，

所述时间同步单元用于为配电网全网所有测点提供授时信号，实现同步采样，其包括：北斗/GPS双模授时部件；该北斗/GPS双模授时部件通过数据处理单元的RX接口向其发送北斗/GPS时间戳，该北斗/GPS双模授时部件的秒脉冲信号通过逻辑电路分发至各个FIFO芯片数据线和处理单元的一个GPIO接口上，实现SAR差分ADC数据的时间戳标记。

9.根据权利要求2至4中任一项所述的配电网单相接地故障定位装置，其特征在于，

三相采集模块还包括：电源单元、通信单元及端口保护单元；

所述电源单元用于为三相采集模块运行提供电能，其包括：相互连接的CT取电部件，电池部件和电源管理部件；

所述通信单元用于进行信息数据传输，其包括至少两个2.4GHz射频通信部件，对现场前后两个方向的区域信号进行覆盖；

所述端口保护单元用于对采样单元的模拟采集端口进行保护，其包括：TVS阵列部件。

10.根据权利要求9所述的配电网单相接地故障定位装置，其特征在于，

所述电源单元还包括：光伏部件，其与电池部件和电源管理部件相连接。

11.根据权利要求2至4、10中任一项所述的配电网单相接地故障定位装置，其特征在于，

所述数据处理单元用作主控和数据处理部件，接收时间同步单元的时间同步信号，对采样单元、通信单元实施控制，执行边缘计算处理存储单元中的波形数据，结合时间同步单元赋予的时间戳，形成波形与时间的融合数据。

12.根据权利要求2至4中任一项所述的配电网单相接地故障定位装置，其特征在于，

所述数据处理单元通过SPI总线对时钟发生芯片进行配置，实现对采样频率的动态配置；通过SPI总线对SAR差分ADC进行配置测试，用于检查电路的完整性；通过GPIO接口接收FIFO状态，并通过GPIO接口控制FIFO的复位状态。

13.一种基于边缘计算的配电网单相接地故障定位方法，其使用如权利要求1至12中任一项所述的基于边缘计算的配电网单相接地故障定位装置，其特征在于包含以下步骤：

步骤1，全网各个测点的测量装置通过北斗/GPS授时实现时间同步，通过各个测点测量装置的三相采集模块测得输电线路零序电流，在三相采集模块本地实时录波，并对零序电流值进行监测；

步骤2，通过各个测点测量装置的三相采集模块的数据处理单元判断零序电流是否大于阈值，如果大于阈值执行步骤3，否则返回执行步骤1；

步骤3，通过各个测点测量装置的三相采集模块采集故障线路的行波信号；

步骤4，通过各个测点测量装置的三相采集模块执行边缘计算，确定初始行波波头时刻，三相采集模块通过其通信部件将故障时间点前后多个周波和时间信息发送至汇聚模块；

步骤5，各个测点测量装置的汇聚模块将各个测点的波头时刻发送至配电网自动化主站的定位计算模块，根据各个测点的行波波头时刻和配电网实际拓扑结构，使用配电网中的n个测量装置组的故障信息数据，计算n个行波波速值，n∈{1,…,N}，N为全网测量装置组数量；

步骤6，为n个测量装置组分别设置始权重；

步骤7，根据n个测量装置组的权重计算融合行波波速，即以如下的公式计算融合行波波速：

式中：

i为用于计算行波波速的测量装置组的编号，即，i∈{1,…,n}，

n为用于配电网单相接地故障定位计算的测量装置组的数量，

γ_i为第i测量装置组当前的权重值，

v_i为第i测量装置组计算得出的行波波速，

v_fn为n个测量装置组计算得出的融合行波波速；

步骤8，以融合行波波速，采用双端行波测距算法计算获得故障点位置。

14.根据权利要求13所述的一种基于边缘计算的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，

步骤4所述边缘计算指的是，三相采集模块的数据处理部件将行波信号进行小波变换，取模极大值确定初始行波波头时刻。

15.根据权利要求13或14所述的一种基于边缘计算的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，

步骤5以如下公式计算n个测量装置组获得的行波波速：

式中：

i为用于计算行波波速的测量装置组的编号，即，i∈{1,…,n}；

n为用于配电网单相接地故障定位计算的测量装置组的数量；

v_i为以第i组测量装置计算得出的行波波速；

l_i为第i组测量装置中故障点同侧的任意两个测量装置之间的距离；

t_i1和t_i2分别为到达上述两个测量装置的时间。

16.根据权利要求13或14所述的一种基于边缘计算的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，

步骤6，为n个测量装置组分别设置始权重包括：

步骤6.1，首次出现配电网单相接地故障时，为各个测量装置组赋初始权重值，即：

式中：

i为用于计算行波波速的测量装置组的编号，即，i∈{1,…,n}；

n为用于配电网单相接地故障定位计算的测量装置组的数量；

r_io为第i测量装置组的初始权重值；

p_i为第i测量装置组的初始权重值的分子；

q_i为第i测量装置组的初始权重值的分母。

17.根据权利要求13或14所述的一种基于边缘计算的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，

步骤6，为n个测量装置组分别设置始权重包括：

步骤6.2，自第二次出现配电网单相接地故障开始，在每一次配电网单相接地故障定位计算中以如下公式对用于配电网单相接地故障定位计算的各个测量装置组的权重值进行更新：

式中：

i,j为用于计算行波波速的测量装置组的编号，即，i,j∈{1,…,n}；

n为用于配电网单相接地故障定位计算的测量装置组的数量；

为更新后的第i测量装置组的权重；

p_i为前一次权重值的分子；

q_i为前一次权重值的分母；

第二次出现配电网单相接地故障时，δ_i为第i测量装置组第一次定位误差，自第三次出现配电网单相接地故障开始，δ_i为第i测量装置组前两次定位误差之和，δ_j为第j测量装置组第一次定位误差，自第三次出现配电网单相接地故障开始，δ_j为第j测量装置组前两次定位误差之和，误差指的是仅以第i测量装置组的故障信息数据进行定位计算的结果与真实故障位置之间的距离。

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