CN112363021B - 一种分布式线路故障检测与定位系统及方法 - Google Patents

一种分布式线路故障检测与定位系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式线路故障检测与定位系统，多个站点分别安装所述系统，其中，所述系统包括：信号采集模块，用于采集待检测区域内线路产生电弧故障所产生的电磁辐射信号；信号分析模块，用于分析采集到的电磁辐射信号的频谱特征，提取特征参数，并将提取出的特征参数分别与预设特征阈值进行比较，判断线路是否发生电弧故障；故障定位模块，用于当判断线路发生电弧故障时，基于到达时间差定位原理确定发生电弧故障的位置。本发明公开了一种分布式线路故障检测与定位方法。本发明能够利用电弧故障产生的电磁辐射信号有效地检测电弧故障，并实现对故障的精确定位。

Description

一种分布式线路故障检测与定位系统及方法
技术领域
本发明涉及电力系统输配电线路技术领域，具体而言，涉及一种分布式线路故障检测与定位系统及方法。
背景技术
电力系统输配电线路是电网的重要组成部分，随着电网规模不断扩大，特别是中压架空线路，存在分支众多，馈线结构复杂等特点，因此对于输配电线路故障检测与定位的智能化提出了更高的要求。针对电力系统故障进行及时、准确的定位，能够大大提升电网运行的安全性、稳定性。现有的输配电线路故障定位技术主要通过采集电压电流等电气量，结合线路模型进行反演，但电网的电气参数容易受系统运行方式、接地方式等因素影响，由此限制了故障检测的准确度与定位误差。输配电线路故障定位主要分为行波法和故障分析法。目前广泛应用的行波故障定位法，容易受到高阻故障难以定位、存在波头检测失败等的限制。而故障分析法的定位精度受限于线路模型的准确度，定位效果较差，且目前都需要将大量传感器安装在一次设备上，投资高，覆盖范围小，存在安装不便与后期维护困难等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式线路故障检测与定位系统及方法，以解决现有技术中对输配电线路电弧故障定位不够有效，故障辨识与定位精度不高，监测故障投资成本大，需停电安装带来安装与维护不便的问题。
本发明提供了一种分布式线路故障检测与定位系统，多个站点分别安装所述系统，其中，所述系统包括：
信号采集模块，用于采集待检测区域内线路产生电弧故障所产生的电磁辐射信号；
信号分析模块，用于分析采集到的电磁辐射信号的频谱特征，提取特征参数，并将提取出的特征参数分别与预设特征阈值进行比较，判断线路是否发生电弧故障，其中，所述特征参数包括特征频段fF、最大峰值点fmax以及第一频段与第三频段的频带能量比重P；
故障定位模块，用于当判断线路发生电弧故障时，基于到达时间差定位原理确定发生电弧故障的位置。
作为本发明进一步的改进，所述信号采集模块包括带宽为30-200MHz，增益为15dB的鞭状天线。
作为本发明进一步的改进，所述信号采集模块还包括：
滤波单元，用于对采集到的电磁辐射信号进行滤波；
放大单元，用于对滤波后的电磁辐射信号进行放大；
数据采集单元，用于对放大后的电磁辐射信号进行采集。
作为本发明进一步的改进，所述滤波单元采用带宽为30-120MHz的带通滤波器，所述放大单元采用增益为15dB的放大器。
作为本发明进一步的改进，所述信号采集模块还包括GPS时间同步单元，用于控制所述数据采集单元采集电磁辐射信号的采样频率。
作为本发明进一步的改进，所述信号分析模块分析采集到的电磁辐射信号的频谱特征，提取特征参数，包括：
通过傅里叶变换算法分析所述采集到的电磁辐射信号的频谱分布和功率谱分布；
提取频谱中的最大峰值点fmax以及所述最大峰值点fmax幅值的A倍处所对应的频率点，确定特征频段fF的上限和下限，其中，fF＝fA+-fA-，fA+为所述特征频段fF的上限，fA-为所述特征频段fF的下限；
根据所述功率谱分布，确定所述第一频段与第三频段的频带能量比重P，其中，
Figure BDA0002776391340000021
E1为第一频段的频带能量，E2为第三频段的频带能量，Fn为采样点频率幅值，Δf为相邻两个采样点的频率差，R为频谱分布的上限和下限之间的频率差值，h1为第一频段的频率起点，h2为第一频段的频率终点。
作为本发明进一步的改进，所述信号分析模块将提取出的特征参数分别与预设特征阈值进行比较，判断线路是否发生电弧故障，包括：
当采集到的电磁辐射信号所提取出的特征频段fF和最大峰值点fmax位于第二频段内，且所述第一频段与第三频段的频带能量比重P不小于预设比重P1时，将该站点确定为参考站点；
当所述多个站点中确定有至少三个参考站点时，判断线路发生电弧故障。
作为本发明进一步的改进，所述第一频段为30-60MHz，所述第二频段为30-100MHz，所述第三频段为30-120MHz，所述预设比重P1为80％。
作为本发明进一步的改进，所述故障定位模块当判断线路发生电弧故障时，基于到达时间差定位原理，确定线路发生电弧故障的位置，包括：
将所述至少三个参考站点中一个站点作为主站点，其他站点作为各非主站点i，其中，i为各非主站点的编号；
通过广义互相关估计时延算法获取各非主站点i与主站点1间接收电磁辐射信号的时间差ti1；
根据所述各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1、主站点的坐标值(x1,y1)以及各非主站点i的坐标值(xi,yi)，确定故障点的坐标值(x,y)；
其中，
Figure BDA0002776391340000031
式中，c为光速，t21为非主站点2与主站点间接收电磁辐射信号的时间差，(x2,y2)为非主站点2的坐标值。
作为本发明进一步的改进，所述通过广义互相关估计时延算法获取各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1，包括：
分别对各非主站点i与主站点接收到的电磁辐射信号进行互相关处理，得到各互相关函数；
分别对各互相关函数进行峰值检测，将峰值所在位置对应的时间确定为各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1。
本发明提供了一种分布式线路故障检测与定位方法，所述方法包括：
多个站点分别采集待检测区域内线路产生电弧故障所产生的电磁辐射信号；
对每个站点，分析采集到的电磁辐射信号的频谱特征，提取特征参数，其中，所述特征参数包括特征频段fF、最大峰值点fmax以及第一频段与第三频段的频带能量比重P；
对每个站点，将提取出的特征参数分别与预设特征阈值进行比较，判断线路是否发生电弧故障；
当判断线路发生电弧故障时，基于到达时间差定位原理，确定线路发生电弧故障的位置。
作为本发明进一步的改进，所述多个站点分别通过鞭状天线接收检测待检测区域内线路产生电弧故障所产生的电磁辐射信号，其中，所述鞭状天线的带宽为30-200MHz，增益为15dB。
作为本发明进一步的改进，所述方法还包括：对每个站点，接收到的电磁辐射信号经过滤波、放大后进行数据采集，其中，滤波通过带宽为30-120MHz的带通滤波器实现，放大通过增益为15dB的放大器实现。
作为本发明进一步的改进，所述多个站点分别通过GPS时间同步单元控制数据的采样频率。
作为本发明进一步的改进，所述对每个站点，分析采集到的电磁辐射信号的频谱特征，提取特征参数，包括：
对每个站点，通过傅里叶变换算法分析所述采集到的电磁辐射信号的频谱分布和功率谱分布；
提取频谱中的最大峰值点fmax以及所述最大峰值点fmax幅值的A倍处所对应的频率点，确定特征频段fF的上限和下限，其中，fF＝fA+-fA-，fA+为所述特征频段fF的上限，fA-为所述特征频段fF的下限；
根据所述功率谱分布，确定所述第一频段与第三频段的频带能量比重P，其中，
Figure BDA0002776391340000041
E1为第一频段的频带能量，E2为第三频段的频带能量，Fn为采样点频率幅值，Δf为相邻两个采样点的频率差，R为频谱分布的上限和下限之间的频率差值，h1为第一频段的频率起点，h2为第一频段的频率终点。
作为本发明进一步的改进，所述对每个站点，将提取出的特征参数分别与预设特征阈值进行比较，判断线路是否发生电弧故障，包括：
当采集到的电磁辐射信号所提取出的特征频段fF和最大峰值点fmax位于第二频段内，且所述第一频段与第三频段的频带能量比重P不小于预设比重P1时，将该站点确定为参考站点；
当所述多个站点中确定有至少三个参考站点时，判断线路发生电弧故障。
作为本发明进一步的改进，所述第一频段为30-60MHz，所述第二频段为30-100MHz，所述第三频段为30-120MHz，所述预设比重P1为80％。
作为本发明进一步的改进，所述当判断线路发生电弧故障时，基于到达时间差定位原理，确定线路发生电弧故障的位置，包括：
将所述至少三个参考站点中一个站点作为主站点，其他站点作为各非主站点i，其中，i为各非主站点的编号；
通过广义互相关估计时延算法获取各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1；
根据所述各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1、主站点的坐标值(x1,y1)以及各非主站点i的坐标值(xi,yi)，确定故障点的坐标值(x,y)；
其中，
Figure BDA0002776391340000051
式中，c为光速，t21为非主站点2与主站点间接收电磁辐射信号的时间差，(x2,y2)为非主站点2的坐标值。
作为本发明进一步的改进，所述通过广义互相关估计时延算法获取各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1，包括：
分别对各非主站点i与主站点接收到的电磁辐射信号进行互相关处理，得到各互相关函数；
分别对各互相关函数进行峰值检测，将峰值所在位置对应的时间确定为各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1。
本发明的有益效果为：
本发明利用电弧故障产生的电磁辐射信号有效地检测电弧故障，并能同步在线监测线路的故障情况，以频谱峰值点、特征频段、频带能量所占比重作为特征参数进行电弧故障识别，采用多参数的故障判别手段，能够有效提升线路的故障辨识率，实现对故障的精确定位。
本发明实现了非接触式的线路同步在线监测，无需安装于杆塔、导线等一次设备上，避免了传统方式上的需要停电安装及维护的局限性，同时不受电网系统运行方式以及线路结构的影响，能够有效提升故障辨识和定位精度，大大降低电网的运行成本，有效提升故障在线监测的稳定性与供电可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一示例性实施例所述的架空线路及站点示意图；
图2为本发明一示例性实施例所述的一种分布式线路故障检测与定位系统的结构示意图；
图3为到达时间差(TDOA)定位原理的示意图。
图中，
1、架空线路；2、故障发生位置；3、站点A；4、站点B；5、站点C；6、电磁辐射信号；7、天线；8、滤波单元；9、放大单元；10、GPS天线；11、GPS时间同步单元；12、数据采集单元；13、信号分析模块；14、故障定位模块；15、无线通信单元；16、后台主机；17、信号采集模块；18、后台系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明的描述中，所用术语仅用于说明目的，并非旨在限制本发明的范围。术语“包括”和/或“包含”用于指定所述元件、步骤、操作和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他元件、步骤、操作和/或组件的情况。术语“第一”、“第二”等可能用于描述各种元件，不代表顺序，且不对这些元件起限定作用。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。结合以下附图，这些和/或其他方面变得显而易见，并且，本领域普通技术人员更容易理解关于本发明所述实施例的说明。附图仅出于说明的目的用来描绘本发明所述实施例。本领域技术人员将很容易地从以下说明中认识到，在不背离本发明所述原理的情况下，可以采用本发明所示结构和方法的替代实施例。
本发明实施例所述的一种分布式线路故障检测与定位系统，多个站点分别安装所述系统，其中，所述系统包括：
信号采集模块，用于采集待检测区域内线路产生电弧故障所产生的电磁辐射信号；
信号分析模块，用于分析采集到的电磁辐射信号的频谱特征，提取特征参数，并将提取出的特征参数分别与预设特征阈值进行比较，判断线路是否发生电弧故障，其中，所述特征参数包括特征频段fF、最大峰值点fmax以及第一频段与第三频段的频带能量比重P；
故障定位模块，用于当判断线路发生电弧故障时，基于到达时间差定位原理确定发生电弧故障的位置。
本发明所述系统安装于多个站点(即多个监测站)。举例说明，如图1所示，在三个站点3、4、5(站点A、B、C)分别安装所述系统，三个站点之间铺设架空线路1，在架空线路1中某一位置发生故障时，可以通过三个站点安装的所述系统来实现故障发生位置2的实时检测。可以理解的是，本发明对站点的数量不做具体限制，在实际应用中为了减少定位误差，设置的站点一般大于或等于3个，可根据实际使用环境和需求来适应性设计。
如图2所示，所述系统包括信号采集模块17、信号分析模块13和故障定位模块14，信号采集模块17采集待检测区域内架空线路1产生电弧故障所产生的电磁辐射信号，采集到的电磁辐射信号经信号分析模块13处理，提取特征参数后，根据判断条件来判断架空线路1是否发生故障，在判断架空线路1发生故障时，故障定位模块14基于到达时间差(TDOA)定位原理，通过站点3、4、5接收到电磁辐射信号的时间差来确定发生电弧故障的故障发生位置2。
一种可选的实施方式，所述信号采集模块包括带宽为30-200MHz，增益为15dB的鞭状天线。该天线具有全向性。
一种可选的实施方式，所述信号采集模块还包括：
滤波单元，用于对采集到的电磁辐射信号进行滤波；
放大单元，用于对滤波后的电磁辐射信号进行放大；
数据采集单元，用于对放大后的电磁辐射信号进行采集。
一种可选的实施方式，所述滤波单元采用带宽为30-120MHz的带通滤波器，所述放大单元采用增益为15dB的放大器。
一种可选的实施方式，所述信号采集模块还包括GPS时间同步单元，用于控制所述数据采集单元采集电磁辐射信号的采样频率。利用每个站点设置的GPS时间同步单元控制该站点数据采集单元的采样频率，可以实现多个站点的同步性，实时检测待检测区域输配电线路的故障发生情况，误差可以控制在ns级别，能够有效监测电磁辐射信号到达各非主站点与主站点的时间差，减少定位过程中的误差。
如图2所示，信号采集模块17通过天线7，接收电弧故障产生的电磁辐射信号6，经过滤波单元8、放大单元9后，GPS时间同步单元11控制数据采集单元12的数据采集频率，采样的电磁辐射信号6传送至信号分析模块13。GPS时间同步单元11例如可以通过GPS天线10来实现。
传统配电网故障定位技术，监测装置需要安装在一次设备上，且需在停电状态下安装。在检测时，需要在结构复杂的线路中增加检测输电线路的故障电流作为闭锁条件，并将复杂的线路分段来装设大量监测装置，成本大大提升。本发明所述系统以监测电弧故障产生的电磁辐射信号为依据进行故障在线检测与定位，相较于传统配电网故障定位技术，实现了非接触式的线路同步在线检测，所述系统无需安装于杆塔、导线等一次设备上，从而避免了传统方式上的需要停电安装及维护的局限性。同时，本发明不受电网系统运行方式以及线路结构的影响，能够有效提升故障辨识和定位精度，大大降低电网的运行成本，有效提升故障在线监测的稳定性与供电可靠性。
一种可选的实施方式，所述信号分析模块分析采集到的电磁辐射信号的频谱特征，提取特征参数，包括：
通过傅里叶变换算法分析所述采集到的电磁辐射信号的频谱分布和功率谱分布；
提取频谱中的最大峰值点fmax以及所述最大峰值点fmax幅值的A倍处所对应的频率点，确定特征频段fF的上限和下限，其中，fF＝fA+-fA-，fA+为所述特征频段fF的上限，fA-为所述特征频段fF的下限；
根据所述功率谱分布，确定所述第一频段与第三频段的频带能量比重P，其中，
Figure BDA0002776391340000091
E1为第一频段的频带能量，E2为第三频段的频带能量，Fn为采样点频率幅值，Δf为相邻两个采样点的频率差，R为频谱分布的上限和下限之间的频率差值，h1为第一频段的频率起点，h2为第一频段的频率终点。其中，A为大于0的数，可根据实际需求进行设计，本发明对其取值不做具体限定。
一种可选的实施方式，所述信号分析模块将提取出的特征参数分别与预设特征阈值进行比较，判断线路是否发生电弧故障，包括：
当采集到的电磁辐射信号所提取出的特征频段fF和最大峰值点fmax位于第二频段内，且所述第一频段与第三频段的频带能量比重P不小于预设比重P1时，将该站点确定为参考站点；
当所述多个站点中确定有至少三个参考站点时，判断线路发生电弧故障。
优选的，第一频段、第二频段和第三频段位于VHF频段。例如，所述第一频段为30-60MHz，所述第二频段为30-100MHz，所述第三频段为30-120MHz，所述预设比重P1为80％。可以理解的是，第三频段即为带通滤波器的带宽。
如图2所示，信号分析模块13通过傅里叶变换(FFT)算法分析信号频谱，提取其中的特征参数，与预设的特征阈值比较，若信号的特征参数符合要求，则对于该站点来说，可初步认为检测区域内的输配电线路发生了电弧故障。为进一步确保故障检测的准确性，在所述多个站点中的至少两个站点初判发生电弧故障后，即可最终认定线路确实发生电弧故障。
现有技术中基于电磁辐射信号进行电弧故障检测的技术，局限于航空航天供电系统、电动汽车、光伏发电等局部小范围电弧故障检测，难以实现大范围的输配电线路故障检测与定位，且检测电弧故障仅以单一特征参数(电磁辐射信号的特征频率)作为判据，特征频率的阈值范围过大，容易发生误动作、故障辨识率不高。本发明所述系统通过分析天线捕捉到的电磁辐射信号的频谱分布与功率谱分布，以频谱的最大峰值点、特征频段、第一频带能量所占比重作为特征参数进行电弧故障识别，采用多参数的故障判别手段，能够有效提升线路的故障辨识率。
一种可选的实施方式，所述故障定位模块当判断线路发生电弧故障时，基于到达时间差定位原理，确定线路发生电弧故障的位置，包括：
将所述至少三个参考站点中一个站点作为主站点，其他站点作为各非主站点i，其中，i为各非主站点的编号；
通过广义互相关估计时延算法获取各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1；
根据所述各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1、主站点的坐标值(x1,y1)以及各非主站点i的坐标值(xi,yi)，确定故障点的坐标值(x,y)；
其中，
Figure BDA0002776391340000101
式中，c为光速，t21为非主站点2与主站点间接收电磁辐射信号的时间差，(x2,y2)为非主站点2的坐标值。
一种可选的实施方式，所述通过广义互相关估计时延算法获取各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1，包括：
分别对各非主站点i与主站点接收到的电磁辐射信号进行互相关处理，得到各互相关函数；
分别对各互相关函数进行峰值检测，将峰值所在位置对应的时间确定为各非主站点i与主站点1间接收电磁辐射信号的时间差ti1。
可以理解的是，每个站点会对自身采集的电磁辐射信号进行判断。对于一个站点，若该站点采集到的电磁辐射信号所提取的最大峰值点以及特征频段处于第二频段(例如30-100MHz)内，且第一频段(例如30-60MHz)与第三频段(例如30-120MHz)的频带能量比重不小于预设比重(例如80％)时，对于该站点来说，可初步认为检测区域内的输配电线路发生了电弧故障，可以将该站点作为一个参考站点。一旦所有站点中有至少三个参考站点时，可以判断发生线路发生了电弧故障。
在上述基础上，将参考站点中的一个站点作为主站点，其他站点作为非主站点。通过广义互相关估计时延算法获取各非主站点与主站点间接受电磁辐射信号的时间差，即将主站点与任一非主站点分别接收到的电磁辐射信号进行互相关处理，然后对所得的互相关函数进行峰值检测，峰值所在位置主站点与非主站点的时间差。最后，基于到达时间差(TDOA)定位原理，以非主站点与主站点接收电磁辐射信号的时间差确定故障位置坐标。
如图2所示，信号分析模块13通过傅里叶变换(FFT)算法分析电磁辐射信号的频谱分布和功率谱分布，提取其中的最大峰值点fmax以及所述最大峰值点fmax幅值的0.3倍处所对应的频率点，确定特征频段fF的上限和下限，其中fF＝f30％+-f30％-。获取第三频段30-120MHz的信号功率谱后，计算第一频段30-60MHz的频带能量E[30-60]及其占第三频段30-120MHz的频带能量E[30-120](即总能量)的比重P。
其中，计算第一频段30-60MHz的频带能量E[30-60]和比重P的公式如下：
Figure BDA0002776391340000111
Figure BDA0002776391340000112
假设图1中的三个站点3、4、5(站点A、B、C)采集到的电磁辐射信号所提取的最大峰值点以及特征频段处于30-100MHz内，且30-60MHz频带能量占总能量的比重不小于80％，则将三个站点3、4、5都作为参考站点，判定架空线路1发生了电弧故障。在定位时，如图3所示，将三个站点中的站点A作为主站点，站点B、C作为非主站点2、3。此时，信号分析模块13向故障定位模块14发送一个定位信号。
故障定位模块14接收到信号分析模块13发送来的信号后，通过广义互相关估计时延算法获取站点B和站点A接收电磁辐射信号的时间差t21以及站点C和站点A接收电磁辐射信号的时间差t31，并基于到达时间差(TDOA)定位原理，计算出电弧故障的位置坐标。其中，故障定位模块14通过无线通信单元15(例如4G、5G、WIFI等通讯方式)与后台主机16进行通信，可以理解的是，后台主机16主要用于根据各参考站点的位置坐标来确定故障发生位置2，即参与故障点坐标的具体计算过程。无线通信单元15和后台主机16组成了后台系统18。
后台主机16在计算故障点的坐标值(x,y)时，通过如下数学模型：
Figure BDA0002776391340000121
其中，主站点(站点A)的坐标值为(x1,y1)，非主站点2(站点B)的坐标值为(x2,y2)，非主站点3(站点C)的坐标值为(x3,y3)，c为光速。
通过求解上述式子，便可求出故障点的坐标值(x,y)即故障发生位置2。
在求解过程中可能会出现超定方程组，可以通过chan算法或者泰勒级数算法解算方程组，确定故障点的位置。
本发明实施例所述的一种分布式线路故障检测与定位方法，所述方法包括：
多个站点分别采集待检测区域内线路产生电弧故障所产生的电磁辐射信号；
对每个站点，分析采集到的电磁辐射信号的频谱特征，提取特征参数，其中，所述特征参数包括特征频段fF、最大峰值点fmax以及第一频段与第三频段的频带能量比重P；
对每个站点，将提取出的特征参数分别与预设特征阈值进行比较，判断线路是否发生电弧故障；
当判断线路发生电弧故障时，基于到达时间差定位原理，确定线路发生电弧故障的位置。
本发明所述方法用于对多个站点之间铺设的架空线路1上的故障位置进行实时检测。可以理解的是，本发明对站点的数量不做具体限制，在实际应用中为了减少定位误差，设置的站点一般大于或等于3个，可根据实际使用环境和需求来适应性设计。
传统配电网故障定位技术，监测装置需要安装在一次设备上，且需在停电状态下安装。在检测时，需要在结构复杂的线路中增加检测输电线路的故障电流作为闭锁条件，并将复杂的线路分段来装设大量监测装置，成本大大提升。本发明所述方法以监测电弧故障产生的电磁辐射信号为依据进行故障在线检测与定位，相较于传统配电网故障定位技术，实现了非接触式的线路同步在线检测，不受传统方式需要停电安装及维护的局限性。同时，本发明不受电网系统运行方式以及线路结构的影响，能够有效提升故障辨识和定位精度，大大降低电网的运行成本，有效提升故障在线监测的稳定性与供电可靠性。
一种可选的实施方式，所述多个站点分别通过鞭状天线接收检测待检测区域内线路产生电弧故障所产生的电磁辐射信号，其中，所述鞭状天线的带宽为30-200MHz，增益为15dB。可以理解的是，每个站点通过一根具有全向性的鞭状天线里实现电磁辐射信号的接收。
一种可选的实施方式，所述方法还包括：对每个站点，接收到的电磁辐射信号经过滤波、放大后进行数据采集，其中，滤波通过带宽为30-120MHz的带通滤波器实现，放大通过增益为15dB的放大器实现。带通滤波器对采集到的电磁辐射信号进行滤波，放大器对滤波后的电磁辐射信号进行放大，数据采集单元对放大后的电磁辐射信号进行采集。
一种可选的实施方式，所述多个站点分别通过GPS时间同步单元控制数据的采样频率。利用每个站点设置的GPS时间同步单元控制该站点数据采集单元的采样频率，可以实现多个站点的同步性，实时检测待检测区域输配电线路的故障发生情况，误差可以控制在ns级别，能够有效监测电磁辐射信号到达各非主站点与主站点的时间差，减少定位过程中的误差。
一种可选的实施方式，所述对每个站点，分析采集到的电磁辐射信号的频谱特征，提取特征参数，包括：
对每个站点，通过傅里叶变换算法分析所述采集到的电磁辐射信号的频谱分布和功率谱分布；
提取频谱中的最大峰值点fmax以及所述最大峰值点fmax幅值的A倍处所对应的频率点，确定特征频段fF的上限和下限，其中，fF＝fA+-fA-，fA+为所述特征频段fF的上限，fA-为所述特征频段fF的下限；
根据所述功率谱分布，确定所述第一频段与第三频段的频带能量比重P，其中，
Figure BDA0002776391340000141
E1为第一频段的频带能量，E2为第三频段的频带能量，Fn为采样点频率幅值，Δf为相邻两个采样点的频率差，R为频谱分布的上限和下限之间的频率差值，h1为第一频段的频率起点，h2为第一频段的频率终点。其中，A为大于0的数，可根据实际需求进行设计，本发明对其取值不做具体限定。
一种可选的实施方式，所述对每个站点，将提取出的特征参数分别与预设特征阈值进行比较，判断线路是否发生电弧故障，包括：
当采集到的电磁辐射信号所提取出的特征频段fF和最大峰值点fmax位于第二频段内，且所述第一频段与第三频段的频带能量比重P不小于预设比重P1时，将该站点确定为参考站点；
当所述多个站点中确定有至少两个参考站点时，判断线路发生电弧故障。
优选的，第一频段、第二频段和第三频段位于VHF频段。例如，所述第一频段为30-60MHz，所述第二频段为30-100MHz，所述第三频段为30-120MHz，所述预设比重P1为80％。可以理解的是，第三频段即为带通滤波器的带宽。
本发明所述方法通过傅里叶变换(FFT)算法分析信号频谱，提取其中的特征参数，与预设的特征阈值比较，若信号的特征参数符合要求，则对于该站点来说，可初步认为检测区域内的输配电线路发生了电弧故障。为进一步确保故障检测的准确性，在所述多个站点中的至少三个站点初判发生电弧故障后，即可最终认定线路确实发生电弧故障。
现有技术中基于电磁辐射信号进行电弧故障检测的技术，局限于航空航天供电系统、电动汽车、光伏发电等局部小范围电弧故障检测，难以实现大范围的输配电线路故障检测与定位，且检测电弧故障仅以单一特征参数(电磁辐射信号的特征频率)作为判据，特征频率的阈值范围过大，容易发生误动作、故障辨识率不高。本发明所述系统通过分析天线捕捉到的电磁辐射信号的频谱分布与功率谱分布，以频谱的最大峰值点、特征频段、第一频带能量所占比重作为特征参数进行电弧故障识别，采用多参数的故障判别手段，能够有效提升线路的故障辨识率。
一种可选的实施方式，所述当判断线路发生电弧故障时，基于到达时间差定位原理，确定线路发生电弧故障的位置，包括：
将所述至少三个参考站点中一个站点作为主站点，其他站点作为各非主站点i，其中，i为各非主站点的编号；
通过广义互相关估计时延算法获取各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1；
根据所述各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1、主站点的坐标值(x1,y1)以及各非主站点i的坐标值(xi,yi)，确定故障点的坐标值(x,y)；
其中，
Figure BDA0002776391340000151
式中，c为光速，t21为非主站点2与主站点间接收电磁辐射信号的时间差，(x2,y2)为非主站点2的坐标值。
一种可选的实施方式，所述通过广义互相关估计时延算法获取各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1，包括：
分别对各非主站点i与主站点接收到的电磁辐射信号进行互相关处理，得到各互相关函数；
分别对各互相关函数进行峰值检测，将峰值所在位置对应的时间确定为各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1。
可以理解的是，每个站点会对自身采集的电磁辐射信号进行判断。对于一个站点，若该站点采集到的电磁辐射信号所提取的最大峰值点以及特征频段处于第二频段(例如30-100MHz)内，且第一频段(例如30-60MHz)与第三频段(例如30-120MHz)的频带能量比重不小于预设比重(例如80％)时，对于该站点来说，可初步认为检测区域内的输配电线路发生了电弧故障，可以将该站点作为一个参考站点。一旦所有站点中有至少三个参考站点时，可以判断发生线路发生了电弧故障。
在上述基础上，将参考站点中的一个站点作为主站点，其他站点作为非主站点。通过广义互相关估计时延算法获取各非主站点与主站点间接受电磁辐射信号的时间差，即将主站点与任一非主站点分别接收到的电磁辐射信号进行互相关处理，然后对所得的互相关函数进行峰值检测，峰值所在位置主站点与非主站点的时间差。最后，基于到达时间差(TDOA)定位原理，以非主站点与主站点接收电磁辐射信号的时间差确定故障位置坐标。
举例说明，如图1所示，三个站点3、4、5(站点A、B、C)之间铺设架空线路1，三个站点分别通过傅里叶变换(FFT)算法分析采集到的电磁辐射信号的频谱分布和功率谱分布，提取其中的最大峰值点fmax以及所述最大峰值点fmax幅值的0.3倍处所对应的频率点，确定特征频段fF的上限和下限，其中fF＝f30％+-f30％-。获取第三频段30-120MHz的信号功率谱后，计算第一频段30-60MHz的频带能量E[30-60]及其占第三频段30-120MHz的频带能量E[30-120](即总能量)的比重P。其中，计算第一频段30-60MHz的频带能量E[30-60]和比重P的公式如下：
Figure BDA0002776391340000161
Figure BDA0002776391340000162
假设图1中的三个站点3、4、5(站点A、B、C)采集到的电磁辐射信号所提取的最大峰值点以及特征频段处于30-100MHz内，且30-60MHz频带能量占总能量的比重不小于80％，则将三个站点3、4、5都作为参考站点，判定架空线路1发生了电弧故障。在定位时，如图3所示，将三个站点中的站点A作为主站点，站点B、C作为非主站点2、3。
通过广义互相关估计时延算法获取站点B和站点A接收电磁辐射信号的时间差t21以及站点C和站点A接收电磁辐射信号的时间差t31，并基于到达时间差(TDOA)定位原理，计算出电弧故障的位置坐标。
在计算故障点的坐标值(x,y)时，通过如下数学模型：
Figure BDA0002776391340000171
其中，主站点(站点A)的坐标值为(x1,y1)，非主站点2(站点B)的坐标值为(x2,y2)，非主站点3(站点C)的坐标值为(x3,y3)，c为光速。
通过求解上述式子，便可求出故障点的坐标值(x,y)即故障发生位置2。
在求解过程中可能会出现超定方程组，可以通过chan算法或者泰勒级数算法解算方程组，确定故障点的位置。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
此外，本领域普通技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本领域技术人员应理解，尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (14)

1.一种分布式线路故障检测与定位系统，其特征在于，多个站点分别安装所述系统，其中，所述系统包括：
信号采集模块，用于采集待检测区域内线路产生电弧故障所产生的电磁辐射信号；
信号分析模块，用于分析采集到的电磁辐射信号的频谱特征，提取特征参数，并将提取出的特征参数分别与预设特征阈值进行比较，判断线路是否发生电弧故障，其中，所述特征参数包括特征频段fF、最大峰值点fmax以及第一频段与第三频段的频带能量比重P，包括：
通过傅里叶变换算法分析所述采集到的电磁辐射信号的频谱分布和功率谱分布；
提取频谱中的最大峰值点fmax以及所述最大峰值点fmax幅值的A倍处所对应的频率点，确定特征频段fF的上限和下限，其中，fF＝fA+-fA-，fA+为所述特征频段fF的上限，fA-为所述特征频段fF的下限；
根据所述功率谱分布，确定所述第一频段与第三频段的频带能量比重P，其中，
Figure FDA0003588709030000011
E1为第一频段的频带能量，E2为第三频段的频带能量，Fn为采样点频率幅值，Δf为相邻两个采样点的频率差，R为频谱分布的上限和下限之间的频率差值，h1为第一频段的频率起点，h2为第一频段的频率终点；
当采集到的电磁辐射信号所提取出的特征频段fF和最大峰值点fmax位于第二频段内，且所述第一频段与第三频段的频带能量比重P不小于预设比重P1时，将该站点确定为参考站点；当所述多个站点中确定有至少三个参考站点时，判断线路发生电弧故障，所述第一频段为30-60MHz，所述第二频段为30-100MHz，所述第三频段为30-120MHz，所述预设比重P1为80％；
故障定位模块，用于当判断线路发生电弧故障时，基于到达时间差定位原理确定发生电弧故障的位置。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述信号采集模块包括带宽为30-200MHz，增益为15dB的鞭状天线。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述信号采集模块还包括：
滤波单元，用于对采集到的电磁辐射信号进行滤波；
放大单元，用于对滤波后的电磁辐射信号进行放大；
数据采集单元，用于对放大后的电磁辐射信号进行采集。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述滤波单元采用带宽为30-120MHz的带通滤波器，所述放大单元采用增益为15dB的放大器。
5.如权利要求3所述的系统，其中，所述信号采集模块还包括GPS时间同步单元，用于控制所述数据采集单元采集电磁辐射信号的采样频率。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述故障定位模块当判断线路发生电弧故障时，基于到达时间差定位原理，确定线路发生电弧故障的位置，包括：
将所述至少三个参考站点中一个站点作为主站点，其他站点作为各非主站点i，其中，i为各非主站点的编号；
通过广义互相关估计时延算法获取各非主站点i与主站点1间接收电磁辐射信号的时间差ti1；
根据所述各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1、主站点的坐标值(x1,y1)以及各非主站点i的坐标值(xi,yi)，确定故障点的坐标值(x,y)；
其中，
Figure FDA0003588709030000021
式中，c为光速，t21为非主站点2与主站点间接收电磁辐射信号的时间差，(x2,y2)为非主站点2的坐标值。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述通过广义互相关估计时延算法获取各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1，包括：
分别对各非主站点i与主站点接收到的电磁辐射信号进行互相关处理，得到各互相关函数；
分别对各互相关函数进行峰值检测，将峰值所在位置对应的时间确定为各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1。
8.一种分布式线路故障检测与定位方法，其特征在于，所述方法包括：
多个站点分别采集待检测区域内线路产生电弧故障所产生的电磁辐射信号；
对每个站点，分析采集到的电磁辐射信号的频谱特征，提取特征参数，其中，所述特征参数包括特征频段fF、最大峰值点fmax以及第一频段与第三频段的频带能量比重P，包括：
对每个站点，通过傅里叶变换算法分析所述采集到的电磁辐射信号的频谱分布和功率谱分布；
提取频谱中的最大峰值点fmax以及所述最大峰值点fmax幅值的A倍处所对应的频率点，确定特征频段fF的上限和下限，其中，fF＝fA+-fA-，fA+为所述特征频段fF的上限，fA-为所述特征频段fF的下限；
根据所述功率谱分布，确定所述第一频段与第三频段的频带能量比重P，其中，
Figure FDA0003588709030000031
E1为第一频段的频带能量，E2为第三频段的频带能量，Fn为采样点频率幅值，Δf为相邻两个采样点的频率差，R为频谱分布的上限和下限之间的频率差值，h1为第一频段的频率起点，h2为第一频段的频率终点；
对每个站点，将提取出的特征参数分别与预设特征阈值进行比较，判断线路是否发生电弧故障，包括：当采集到的电磁辐射信号所提取出的特征频段fF和最大峰值点fmax位于第二频段内，且所述第一频段与第三频段的频带能量比重P不小于预设比重P1时，将该站点确定为参考站点；当所述多个站点中确定有至少三个参考站点时，判断线路发生电弧故障；
当判断线路发生电弧故障时，基于到达时间差定位原理，确定线路发生电弧故障的位置。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述多个站点分别通过鞭状天线接收检测待检测区域内线路产生电弧故障所产生的电磁辐射信号，其中，所述鞭状天线的带宽为30-200MHz，增益为15dB。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括：对每个站点，接收到的电磁辐射信号经过滤波、放大后进行数据采集，其中，滤波通过带宽为30-120MHz的带通滤波器实现，放大通过增益为15dB的放大器实现。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述多个站点分别通过GPS时间同步单元控制数据的采样频率。
12.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一频段为30-60MHz，所述第二频段为30-100MHz，所述第三频段为30-120MHz，所述预设比重P1为80％。
13.如权利要求8所述的方法，其中，所述当判断线路发生电弧故障时，基于到达时间差定位原理，确定线路发生电弧故障的位置，包括：
将所述至少三个参考站点中一个站点作为主站点，其他站点作为各非主站点i，其中，i为各非主站点的编号；
通过广义互相关估计时延算法获取各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1；
根据所述各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1、主站点的坐标值(x1,y1)以及各非主站点i的坐标值(xi,yi)，确定故障点的坐标值(x,y)；
其中，
Figure FDA0003588709030000041
式中，c为光速，t21为非主站点2与主站点间接收电磁辐射信号的时间差，(x2,y2)为非主站点2的坐标值。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述通过广义互相关估计时延算法获取各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1，包括：
分别对各非主站点i与主站点接收到的电磁辐射信号进行互相关处理，得到各互相关函数；
分别对各互相关函数进行峰值检测，将峰值所在位置对应的时间确定为各非主站点i与主站点间接收电磁辐射信号的时间差ti1。
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