CN112763860A - 一种输电线路故障和异常放电监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路故障和异常放电监测系统，它包括：监测终端：采集波形，并将采集到的波形分为工频波形、放电电流波形及故障行波电流波形，形成机器码后经无线方式回传到数据中心；数据中心：接收监测终端所回传的波形信息，通过解析的手段还原原始波形数据并保存到对应表结构中，同时原始波形数据进行处理分析，并将分析结果保存；前端展示系统：读取数据中心表结构中的数据内容，并进行直观展示；解决了现有技术在现场采用红外成像仪、激光测距仪等方式进行排查，而视频可视化监测存在监测区域小、耗费流量大、成本高的缺点，人工巡视存在即时性低、工作量大等技术问题。

Description

一种输电线路故障和异常放电监测系统及方法

技术领域

本发明属于输电线路监测技术，尤其涉及一种输电线路故障和异常放电监测系统及方法。

背景技术

输电线路所处环境复杂，经常因各种外界因素导致线路跳闸事故的发生，这类导致线路跳闸的外界因素包含有诸如雷击、外破等原因导致的瞬时性跳闸故障，还有诸如树障、绝缘子污秽、金具浮放电等原因导致的渐发型故障，两者在发展到故障跳闸的过程所耗时存在本质性区别，诸如树障、绝缘子污秽、金具浮放电等原因导致的故障跳闸在跳闸前存在一个较长的预先放电过程，通常根据造成跳闸事故的原因不同耗时在数天到十多天不等。

针对于输电线路瞬时性故障监测，目前输电线路分布式故障监测系统已在电网中得到大面积应用，且取得一定的应用成果，对于雷击故障有着较为良好的监测效果；另一方面，针对于长时性的故障，现有诸如树障、绝缘子污秽、金具浮放电等渐发型故障的监测通常采用视频可视化监测或者传统的人工巡线的方式，在现场采用红外成像仪、激光测距仪等方式进行排查，而视频可视化监测存在监测区域小、耗费流量大、成本高的缺点，人工巡视存在即时性低、工作量大的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种输电线路故障和异常放电监测系统及方法，以解决现有技术在现场采用红外成像仪、激光测距仪等方式进行排查，而视频可视化监测存在监测区域小、耗费流量大、成本高的缺点，人工巡视存在即时性低、工作量大等技术问题。

本发明的技术方案是：

一种输电线路故障和异常放电监测系统，它包括：

监测终端：采集波形，并将采集到的波形分为工频波形、放电电流波形及故障行波电流波形，形成机器码后经无线方式回传到数据中心；

数据中心：接收监测终端所回传的波形信息，通过解析的手段还原原始波形数据并保存到对应表结构中，同时原始波形数据进行处理分析，并将分析结果保存；

前端展示系统：读取数据中心表结构中的数据内容，并进行直观展示。

所述监测终端安装于输电线路本体上，采用耦合取电+太阳能取能的复合功能方法，采集输电线路上存在的异常放电波形、故障波形和工频波形，并通过4G无线通讯手段回传到数据中心。

所述的一种输电线路故障和异常放电监测方法，它包括异常放电事件处理和故障事件处理。

所述异常放电事件处理方法包括：

步骤1、将监测终端采集到的波形分为工频波形与放电电流波形及故障行波电流波形，均为经编码后的机器码，经无线方式回传到数据中心；

步骤2、数据中心对这些原始波形数据进行处理分析，计算出原始波形的幅值、波形时间和波形编号字段，并保存到对应波形表，标记为表结构1；波形根据解析后波形所具备的报文类型分为1类工频波形、2类故障行波电流和3类放电行波电流；

步骤3、通过工频关联行波电流的方法筛选出报文类型为3的有效的波形数据，数据中心在表结构1中出现报文类型为3的第一条波形后延时一段时间后划分为一堆，再对表结构1中所划分的波形堆进行处理，并保存到对应的表结构中，标记表结构2；

步骤4、数据中心将表结构2中的数据按照规则进行放电事件的归类，并将处理后的结果保存到表结构3中；

步骤5、数据中心提取单个放电事件所包含的各波形的幅值、脉宽、波形上升沿时间和波形半波时间作为波形特征参数，采用BP神经网络学习法与原始样本中的波形特征进行比对，确认每一个波形所属的放电类型，选取最大占比的放电类型存在事件表对应的放电类型字段中；

步骤6、前端展示系统即可直接读取数据中心的内容进行直观的展示，完成线路异常放电状态的预警。

所述工频关联行波电流的方法为：设备所上传的波形均已授时，根据工频波形计算出各个时间点的相位，在双端诊断时，若某个波形的波头点相位处于工频波形波峰或波谷附近，即有效波形波头相位范围[80°,100°]∪ [260°,280°]时，则判定为该波形有效，否则该波形为无效波形，不进入双端诊断流程。

所述数据中心将表结构2中的数据按照规则进行放电事件的归类的规律原则为：按照时间段归类，按照时间段将表结构2中，同一线路、同一放电杆塔和同一相别的诊断结果划分为一类，归入表结构3中。

表结构1的具体结构为：

表结构1：波形表

表结构2的具体结构为：

表结构2放电诊断表

表结构3的具体结构为：

表结构3放电事件表

表结构1、表结构2和表结构3均相互关联，关联原则为表结构3通过事件起始时间与事件终止时间能查询到表结构2中的数据，表结构2通过诊断波形1编号和诊断波形2编号能查询到表结构1中的数据。

所述故障事件处理的方法包括：

步骤1、监测终端将采集到的波形分为工频波形与放电电流波形及故障行波电流波形经无线方式回传到数据中心；

步骤2、数据中心先对所回传的机器码进行解码操作，得到原始波形数据，并将原始波形数据按照GPS时间顺序保存到数据中心的内存中；

步骤3、筛选出波形标识位2的波形进入双端诊断，并将诊断结果保存到对应的结果表中；

步骤4、根据参与双端诊断的波形特征，对故障原因进行辨识；

步骤5、前端展示系统读取诊断结果进行展示。

步骤4所述根据参与双端诊断的波形特征，对故障原因进行辨识的方法为：①根据波形脉宽判断雷击/非雷击：主波脉宽＞40us的即为非雷击，主波脉宽≤40us的为雷击；雷击故障需继续进行原因辨识，根据主波前是否存在反极性脉冲判断绕击或反击：主波前存在反极性脉冲为反击，主波前不存在反极性脉冲为绕击。

本发明有益效果：

由于目前输电线路监测系统仅能即时、高效监测诸如雷击等瞬时性大信号故障，然而输电线路由于运行环境、金具等结构老化等因素时常会出现线路带缺陷运行的情况，如若不能即时有效处理这类缺陷，则这类缺陷将随着运行时间的增长缓慢加剧，最终发展成跳闸事故。针对于电网中这类“渐发型”缺陷放电，线路运维人员普遍采取定期人工巡线，或根据线路的运行环境和运行经验选择这类故障发生率较高的档距安装视频类监测装置，这种解决方式存在要么工作量极大，效率极低，要么监测范围小的缺陷，故本发明的提出即需针对以上现状及其短处，构建一套可实时在线、广域监测的系统对输电线路雷击、绝缘子污秽、树障等故障进行全面监测；本发明根据行波监测理论，通过直接安装于输电线路本体的监测终端提取故障或异常放电所产生的行波信号，以无线发送的方式传送给后台数据中心服务器，服务器对现场波形进行诊断后，展示在前端展示系统。监测终端可同时实现故障、隐患电流监测，系统也同时可对故障、隐患数据进行处理，实现一系统多用途，不仅能及时发现线路故障及时诊断还可提前发现线路运行中出现的缺陷放电及时预警，使运维人员有针对性的进行检修工作。在故障定位精度上也有大幅度提升，对保证电网的安全运行具有重要意义。

本发明在现有分布式故障监测系统的基础上，结合输电线路实际运行经验，开发一套输电线路故障、异常放电监测系统，该系统基于行波定位理论，通过线路现场设备采集工频信号、行波信号，发送到数据中心处理后，进行展示，可实现实时在线监测线路故障及异常放电的状态，提前预警。

本发明所提及系统可有效避免输电线路故障、异常放电传统监测方式中人工巡视任务工作量大、即时性低等问题，可实时、广域监测输电线路故障、异常放电的情况，在存在异常放电的时候可提前预警，避免因异常放电导致的故障跳闸事件，可大幅减小跳闸概率，提高输电线路的供电可靠性。

解决了现有技术在现场采用红外成像仪、激光测距仪等方式进行排查，而视频可视化监测存在监测区域小、耗费流量大、成本高的缺点，人工巡视存在即时性低、工作量大等技术问题。

附图说明

图1为本发明系统组成示意图；

图2为本发明监测终端组成示意图；

图3为本发明方法流程示意图。

具体实施方式

本发明针对现有树障、绝缘子污秽、金具浮放电等渐发型故障的监测通常采用视频可视化监测或者传统的人工巡线的方式，在现场采用红外成像仪、激光测距仪等方式进行排查，而视频可视化监测存在监测区域小、耗费流量大、成本高的缺点，人工巡视存在即时性低、工作量大的缺点，提及一种输电线路故障、异常放电监测系统及方法，系统主要包含三部分，各部分的功能如下：

监测终端——安装于输电线路本体上，采用耦合取电+太阳能取能的复合功能方法，采集输电线路上存在的异常放电波形、故障波形和工频波形，并通过4G等无线通讯手段回传到数据中心，其结构示意图如图2所示；

数据中心——接收监测终端所回传的波形信息，通过解析的手段还原原始波形数据，并保存到对应表结构中，同时，通过相关线程对该数据进行处理分析，并将分析结果保存；

前端展示系统——读取数据中心相关表结构中的数据内容，并进行直观展示；前端展示系统包括台式机或智能移动终端等。

本专利方法可将监测终端采集到的波形数据进行处理分析，并将分析结果保存，方便前台展示系统的读取与展示，该方法具体实现流程如图3所示，下面按先后步骤就该方法中数据的处理流程及方法进行具体介绍。、

异常放电事件处理流程

1)监测终端采集到的波形分为工频波形与放电电流波形及故障行波电流波形，均为经编码后的机器码，经无线方式回传到数据中心；

2)数据中心先对所回传的机器码进行解码操作，得到原始波形数据，并将原始波形数据按照GPS时间顺序保存到数据中心的内存中；

3)数据中心的线程1对这些原始波形数据进行处理分析，计算出原始波形的幅值、波形时间、波形编号等相关字段，并保存到对应波形表(此处标记表结构1，该表结构具体包含字段见表1所示)，该波形根据解析后波形所具备的报文类型分为1-工频波形、2-故障行波电流、3-放电行波电流；

4)经步骤3后，波形已进行保存(即图2中的缓存)，通过工频关联行波电流的方法筛选出报文类型为3其中有效的波形数据，数据中心的线程2 在表结构1中出现报文类型为3的第一条波形后延时一段时间后(目的在于等监测终端采集的数据回传完毕，根据不同地点可设置不同时间，本专利建议设定30分钟)，划分为一堆，再对表结构1中所划分的波形堆进行处理，该线程主要是将波形进行双端GPS诊断，并保存到对应的表结构中(此处标记表结构2，具体字段见表2)；

工频关联行波电流筛选波形：设备所上传的波形均已授时，根据工频波形可计算出各个时间点的相位，根据高压放电理论可知，间隙放电一般集中于工频源信号的波峰或波谷附近，故在双端诊断时，若某个波形的波头点相位处于工频波形波峰或波谷附近(本专利建议有效波形波头相位范围 [80°,100°]∪[260°,280°])，则判定为该波形有效，否则该波形为无效波形，不进入双端诊断流程。

双端诊断规则：同一个波形堆中，同线路编号、同一相别、不同DTUID 的波形进行双端诊断。

5)经过步骤4后，终端所采集到的波形已经进行了双端诊断，此时，数据中心线程3将表结构2中的数据按照一定规则进行放电事件的归类(本专利建议按照时间段归类)，并将处理后的结果保存到表结构3中；

放电事件归类原则：本专利建议，按照时间段(例如选取一个自然月)，将表结构2中，同一线路、同一放电杆塔、同一相别的诊断结果划分为一类，归入表结构3中。

6)经过步骤5后，放电事件表中含有多个放电事件，每一个放电事件对应多个放电结果表中的放电结果，此时后台程序会提取单个放电事件所包含的各波形的幅值、脉宽、波形上升沿时间、波形半波时间等波形特征参数，采用BP神经网络学习法与原始样本中的波形特征进行比对，确认每一个波形所属的放电类型，选取最大占比的放电类型存在事件表对应的放电类型字段中。

7)经过步骤6后，监测终端所回传的放电事件已诊断完成，前端展示部分即可直接读取数据中心的内容进行直观的展示，完成线路异常放电状态的预警。

由于监测终端与前端展示部分均不具备复杂流程的数据分析与诊断功能，因此本专利提出一种方法，该方法在数据中心完成，并将处理结果保存到对应表结构中，方便前端展示系统的读取，实现线路异常放电事件的监测与预警，规避传统监测方式的缺点，提高电网的供电可靠性。

表1波形表

流水号	波形编号	波形时间	波形报文	幅值	处理时间
						...
...

流水号：后台程序按波形进入缓存的顺序自动生成；

波形编号：后台程序按照每个波形上传的GPS时间等基础信息自动生成一个编号；

波形时间：下位机GPS单元赋予；

幅值：后台程序根据下位机所上传的波形计算；

处理时间：后台处理波形的具体系统时间；

表2放电诊断表

流水号：后台程序按波形进入双端诊断程序的顺序自动生成；

诊断波形1/2编号：进入双端诊断存在结果的两个波形编号；

放电幅值：进入诊断的两波形中，取幅值较大的波形幅值赋予该字段内容；

放电位置：双端定位所定位的结果；

放电量：幅值较大的诊断波形，放电脉宽持续过程中，幅值随时间的积分；

放电时间：幅值较大波形的GPS时间；

相别：参与诊断的波形对应的终端安装的相别；

表3放电事件表

流水号：后台程序按波形进入事件表顺序自动生成；

事件起始时间：该事件中GPS时间最早的波形所对应的GPS时间；

事件终止时间：该事件中GPS时间最晚的波形所对应的GPS时间；

放电事件幅值：事件中幅值最大的波形幅值作为该字段内容：

放电位置：事件中双端诊断的定位结果；

放电相别：与放电诊断表中的相别字段保持一致；

放电次数：该事件所包含表结构2放电诊断表的条数；

放电类型：根据BP神经网络识别的放电事件类型；

备注：表结构1、表结构2、表结构3均相关联，关联原则：表结构3 通过事件起始时间与事件终止时间可查询到表结构2中的数据，表结构2通过诊断波形1编号、诊断波形2编号可查询到表结构1中的数据。

故障事件处理流程

因输电线路分布式故障诊断系统已运行成熟，故本专利针对故障事件的处理流程仅作概述：

1)监测终端采集到的波形分为工频波形与放电电流波形及故障行波电流波形，均为经编码后的机器码，经无线方式回传到数据中心；

2)数据中心先对所回传的机器码进行解码操作，得到原始波形数据，并将原始波形数据按照GPS时间顺序保存到数据中心的内存中；

3)程序筛选出波形标识位2的波形进入双端诊断，并将诊断结果保存到对应的结果表中；

4)根据参与双端诊断的波形特征，对故障原因进行辨识；

辨识原则：①根据波形脉宽判断雷击/非雷击：主波脉宽＞40us的即为非雷击，主波脉宽≤40us的为雷击；

②雷击故障需继续进行原因辨识，根据主波前是否存在反极性脉冲判断绕击/反击：主波前存在反极性脉冲为反击，主波前不存在反极性脉冲为绕击。

5)前端展示系统读取诊断结果进行展示。

Claims (9)

1.一种输电线路故障和异常放电监测系统，它包括：

监测终端：采集波形，并将采集到的波形分为工频波形、放电电流波形及故障行波电流波形，形成机器码后经无线方式回传到数据中心；

数据中心：接收监测终端所回传的波形信息，通过解析的手段还原原始波形数据并保存到对应表结构中，同时原始波形数据进行处理分析，并将分析结果保存；

前端展示系统：读取数据中心表结构中的数据内容，并进行直观展示。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路故障和异常放电监测系统，其特征在于：所述监测终端安装于输电线路本体上，采用耦合取电+太阳能取能的复合功能方法，采集输电线路上存在的异常放电波形、故障波形和工频波形，并通过4G无线通讯手段回传到数据中心。

3.如权利要求1所述的一种输电线路故障和异常放电监测方法，其特征在于：它包括异常放电事件处理和故障事件处理。

4.根据权利要求3所述的一种输电线路故障和异常放电监测方法，其特征在于：所述异常放电事件处理方法包括：

步骤1、将监测终端采集到的波形分为工频波形与放电电流波形及故障行波电流波形，均为经编码后的机器码，经无线方式回传到数据中心；

步骤2、数据中心对这些原始波形数据进行处理分析，计算出原始波形的幅值、波形时间和波形编号字段，并保存到对应波形表，标记为表结构1；波形根据解析后波形所具备的报文类型分为1类工频波形、2类故障行波电流和3类放电行波电流；

步骤3、通过工频关联行波电流的方法筛选出报文类型为3的有效的波形数据，数据中心在表结构1中出现报文类型为3的第一条波形后延时一段时间后划分为一堆，再对表结构1中所划分的波形堆进行处理，并保存到对应的表结构中，标记表结构2；

步骤4、数据中心将表结构2中的数据按照规则进行放电事件的归类，并将处理后的结果保存到表结构3中；

步骤5、数据中心提取单个放电事件所包含的各波形的幅值、脉宽、波形上升沿时间和波形半波时间作为波形特征参数，采用BP神经网络学习法与原始样本中的波形特征进行比对，确认每一个波形所属的放电类型，选取最大占比的放电类型存在事件表对应的放电类型字段中；

步骤6、前端展示系统即可直接读取数据中心的内容进行直观的展示，完成线路异常放电状态的预警。

5.根据权利要求4所述的一种输电线路故障和异常放电监测方法，其特征在于：所述工频关联行波电流的方法为：设备所上传的波形均已授时，根据工频波形计算出各个时间点的相位，在双端诊断时，若某个波形的波头点相位处于工频波形波峰或波谷附近，即有效波形波头相位范围[80°,100°]∪[260°,280°]时，则判定为该波形有效，否则该波形为无效波形，不进入双端诊断流程。

6.根据权利要求4所述的一种输电线路故障和异常放电监测方法，其特征在于：所述数据中心将表结构2中的数据按照规则进行放电事件的归类的规律原则为：按照时间段归类，按照时间段将表结构2中，同一线路、同一放电杆塔和同一相别的诊断结果划分为一类，归入表结构3中。

7.根据权利要求4所述的一种输电线路故障和异常放电监测方法，其特征在于：表结构1的具体结构为：

表结构1：波形表

流水号 波形编号 波形时间 波形报文 幅值 处理时间 ... ...

表结构2的具体结构为：

表结构2 放电诊断表

表结构3的具体结构为：

表结构3 放电事件表

表结构1、表结构2和表结构3均相互关联，关联原则为表结构3通过事件起始时间与事件终止时间能查询到表结构2中的数据，表结构2通过诊断波形1编号和诊断波形2编号能查询到表结构1中的数据。

8.根据权利要求3所述的一种输电线路故障和异常放电监测方法，其特征在于：所述故障事件处理的方法包括：

步骤1、监测终端将采集到的波形分为工频波形与放电电流波形及故障行波电流波形经无线方式回传到数据中心；

步骤2、数据中心先对所回传的机器码进行解码操作，得到原始波形数据，并将原始波形数据按照GPS时间顺序保存到数据中心的内存中；

步骤3、筛选出波形标识位2的波形进入双端诊断，并将诊断结果保存到对应的结果表中；

步骤4、根据参与双端诊断的波形特征，对故障原因进行辨识；

步骤5、前端展示系统读取诊断结果进行展示。

9.根据权利要求8所述的一种输电线路故障和异常放电监测方法，其特征在于：步骤4所述根据参与双端诊断的波形特征，对故障原因进行辨识的方法为：①根据波形脉宽判断雷击/非雷击：主波脉宽＞40us的即为非雷击，主波脉宽≤40us的为雷击；雷击故障需继续进行原因辨识，根据主波前是否存在反极性脉冲判断绕击或反击：主波前存在反极性脉冲为反击，主波前不存在反极性脉冲为绕击。

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