CN113156261B - 一种串联电弧故障检测、定位方法及系统 - Google Patents

一种串联电弧故障检测、定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种串联电弧故障检测、定位方法及系统，该方法包括包括如下步骤：位于低压线路的监测终端获取线路电压相邻两周波的差分波形，使用FIR滤波器滤除差分波形中的高频噪声，寻找滤波后差分波形的两个过零点，在差分波形的过零点附近使用窗函数获取窗口数据，根据窗口数据的方差的大小判断该窗口内的波形是否是突变点，根据波形是否是突变点判断是否为故障波形差分，监测终端将故障信息上报给集中设备，集中设备用于根据发送故障信息的监测终端的拓扑关系判断串联电弧故障位置。本发明可实现对表前网络线路中的串联电弧故障的检测和故障点定位，从而极大提高了工作人员的维修效率，保证电力系统安全可靠运行。

Description

一种串联电弧故障检测、定位方法及系统
技术领域
本发明涉及电气工程测量领域，具体是一种串联电弧故障检测、定位方法及系统。
背景技术
串联电弧故障是发生在破损线路或线路与设备连接处的故障电弧，串联电弧发生时，其电弧燃烧产生的高温是引发电气火灾的重要因素之一。由于串联电弧发生时，其故障电流与负荷电流在数值上相仿，因此传统的过流保护装置无法对其进行保护。对串联电弧故障的检测包括利用可见光、紫外线、红外线、声音等物理特征量的检测，以及利用电弧发生时的电流电压特征量的检测。现有的检测研究多集中在利用电弧发生时的故障电流特征实现检测，随着在居民用电侧大量非线性负荷的接入，使得传统的利用故障电流时的“零休”特征、电流上升率变大特征、谐波成分增加特征等传统检测方法效果受到了很大影响；现如今，相关领域学者的研究多集中在利用人工智能技术、多特征融合技术实现串联电弧故障检测。这些研究虽然在理论上能够解决串联电弧故障检测的难题，但由于其算法复杂度较高，因此这些方法离实际应用还有一定距离。
使用电流检测的优势在于无论哪个配电支路发生了串联电弧故障，不论故障点距离检测位置多远，只要检测位置处于供电终端，其下设的所有支路发生的串联电弧故障引起的电流变化均会影响供电终端的电流变化。使用电弧发生时对线路电压的影响实现对其上游线路串联电弧故障的检测是电弧检测的另一种思路，文献“负载端电弧故障电压检测与形态小波辨识”(缪希仁、郭碧婷、唐金城、张丽萍)提出了一种通过检测末端电压畸变程度来检测上游线路是否存在串联电弧故障的方法，该方法未考虑非线性负载产生的非线性线路压降对末端电压畸变的影响，文献“基于负载端电压分析的串联故障电弧检测方法”(赵远、张冠英、王尧、顾俏丽)提出了一种将末端电压波形相邻周期做差，滤波后对每个周期的电压波形差做均值以进行判定的方法，该方法认为两个电弧发生时的末端电压差均值一定小于两个无故障末端电压差的均值，由于电弧电压的随机性，其故障末端电压差的正负极性也是随机的，因此仅从均值角度看，该方法有很大的局限性。
基于可见光、紫外线、红外线、声音等物理特征量的检测方法易受外界环境的影响，且这类方法受到安装位置的限制，使其应用受限。上述基于电流故障特征的方法难以实现与非线性负荷电流的特征区分，上述基于电压的检测方法则存在适用面窄的不足。
此外，现有的串联电弧故障检测方法，均为针对表后系统的户内电弧故障检测，现有研究中，针对表前系统低压配电网络的电弧故障检测少有研究。实际上，对配电系统来说，从配电变压器至电表的低压配电网络，具有拓扑结构复杂、线路长的特点，但针对该网络线路的电弧监测目前却是处于空白状态。从供电可靠性和电气火灾的安全角度来看，该网络的监管也应引起足够的重视。尤其是随着高层建筑的不断增加，该问题愈发突出。对表前网络来说，不仅要能够检测到电弧故障是否存在，还要在电弧故障发生时能够对其故障进行及时、准确定位。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明公开了一种串联电弧故障检测、定位方法及系统，其基于末端电压差分波形特征进行串联电弧检测，并在此基础上进行低压配电网络的串联电弧故障点的定位，使用本发明的方法，可实现对表前网络线路中的串联电弧故障的检测和故障点定位，从而极大提高了工作人员的维修效率，保证电力系统安全可靠运行，此外，通过对故障线路的定位，分辨线路故障点处于表前或者表后，还可界定故障责任。
一种串联电弧故障检测、定位方法，包括如下步骤：位于低压线路的监测终端获取线路电压相邻两周波的差分波形，使用FIR滤波器滤除差分波形中的高频噪声，寻找滤波后差分波形的两个过零点，在差分波形的过零点附近使用窗函数获取窗口数据，根据窗口数据的方差的大小判断该窗口内的波形是否是突变点，根据波形是否是突变点判断是否为故障波形差分，监测终端将故障信息上报给集中设备，集中设备用于根据发送故障信息的监测终端的拓扑关系判断串联电弧故障位置。
进一步的，所述方法具体实施步骤包括：
在低压配电网络获取其网络拓扑的基础上，对低压分支线路安装多个监测终端；
监测终端获取线路电压的相邻两个周波的波形数据；
对两个周波的波形数据进行差分，得到差分波形；
使用FIR滤波器，滤除差分波形中的高频噪声；
寻找滤波后差分波形的两个过零点；
分别在每个周波的三个过零点对应的差分波形中获取3个窗口数据，分别计算3个窗口内的波形数据的方差σ2；
若某个窗口内的数据方差超过设定阈值α，则认为该窗口内含有一个突变点；
计算三个窗口内的突变点的总数量；
三个窗口内的突变点数量≥1，则认为该波形是故障波形差分得到；否则认为是正常波形的差分得到；
监测终端利用无线通信方式上报自身的故障信息。
进一步的，3个窗口中，中间窗口宽度为第一和第三窗口宽度的2倍，窗口宽度为设定阈值。
进一步的，监测终端上报的故障信息为开关量。
进一步的，所述集中设备根据发送故障信息的监测终端的拓扑关系判断串联电弧故障位置，具体为：
提前获得集中设备监控网络下的拓扑关系，接受监测终端发来的故障信息，根据发送故障信息的监测终端的拓扑关系判断串联电弧故障位置，串联电弧故障位置的判定逻辑为：(1)首先对各个发来故障信息的监测终端按照其在网络中的所处层级进行归类；(2)找到其中的最上游的监测终端；(3)故障点在最上游监测终端的上游邻近支路。
一种串联电弧故障检测及定位系统，包括安装于低压分支线路的多个监测终端以及与多个监测终端通信连接的集中设备；
所述监测终端用于获取线路电压相邻两周波的差分波形，使用FIR滤波器滤除差分波形中的高频噪声，寻找滤波后差分波形的两个过零点，在差分波形的过零点附近使用窗函数获取窗口数据，根据窗口数据的方差的大小判断该窗口内的波形是否是突变点，根据波形是否是突变点判断是否为故障波形差分，并将故障信息上报给集中设备；
所述集中设备用于根据发送故障信息的监测终端的拓扑关系判断串联电弧故障位置。
进一步的，所述集中设备为网关。
进一步的，串联电弧故障位置的判定逻辑为：(1)首先对各个发来故障信息的监测终端按照其在网络中的所处层级进行归类；(2)找到其中的最上游的监测终端；(3)故障点在最上游监测终端的上游邻近支路。
本发明以串联电弧故障发生时线路电压中的故障特征为检测判据，并依据配电网络各监测点的拓扑关系实现对串联电弧故障的定位，与利用电弧发生时的可见光、红外、紫外等特征量作为判断的依据进行检测定位的方法相比，本发明所提供方法的可靠性更高、成本更低。
附图说明
图1所示为串联电弧故障的典型电压电流波形；
图2所示为故障周波差分电压波形图；
图3所示为正常周波差分电压波形图；
图4所示为本发明配电网络结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
图1为串联电弧故障的典型电压电流波形，电弧发生时，电弧电压和电流均具有随机特性，反映在末端压降上，使其末端电压波形也具有随机特性。电弧电压的随机特性表现为其每个周波的电弧起弧、熄弧的断相角存在随机性；以及其燃弧时间长短的随机性。对低压配电线路来说，电弧燃烧时的燃弧电压主要是两个电极的近阳极和近阴极压降组成，对铜棒和碳棒来说，该值近似为十几伏不变。
根据上述分析，有故障时的两个相邻周波的末端电压差分近似等于两个周波的电弧电压差分；而无故障时的末端电压差分则主要为负荷电流波动产生的波动压降，如图2、3所示。
如图2所示，对故障周波差分来说，由于故障点串联电弧故障电压的随机特性，两次电弧出现起弧的起始相角导致两故障周波差分波形会出现突变点，在时域中近似表现为一个在电压过零点附近具有突变点的直线，并伴有一定的噪声干扰；在频域中则表现为高频成分较多、工频和直流成分较少。
如图3所示，线路处于正常运行状态下，线路上游负荷波动对相邻两周波电压波形产生的影响主要是波动压降。两周波差分数据在时域中表现为幅值很小的正弦波，并伴有一定的噪声干扰；在频域中表现为高频成分较少，当有明显波动时，该波形以工频成分为主，当无波动时，该波形近似为一条直线。
根据波形对比，可通过识别过零点附近有无突变点实现对上述两种波形的识别。其基本思路即在取得线路电压相邻两周波的差分数据后，首先使用FIR滤波器滤除高频噪声，之后在差分波形的过零点附近使用窗函数获取局部数据，此后分析该窗口内数据的方差，根据方差的大小判断该窗口内的波形是否是突变点，若该波形是突变点，则认为是故障波形差分，若不是突变点，则认为是正常波形差分。本发明所涉及的阈值即窗口内取样数据的方差σ2。
由于本发明在对窗口数据进行方差识别之前首先进行了FIR低通滤波，因此滤除了高频噪声对判定的干扰，因此对方差σ2设置阈值即可实现对波形类型的区分，达到检测上游线路中串联电弧故障的目的。
上述提供了一种基于末端电压差分实现上游线路存在串联故障电弧的识别方法，基于该方法，可实现对低压配电网络中的故障点的准确定位。在低压配电网络获取其网络拓扑的基础上，通过对低压分支线路安装多个监测终端，利用各监测终端感受其上游线路是否存在串联故障电弧，再根据各监测点的相互位置关系即可实现对电弧故障点的定位。
如图4所示，Uo、Uo1、Uo2、Uo3、Uo4、Uo5、Uo6、Uo7、Uo8分别表示线路中不同位置的监测点。串联电弧故障发生于图4所示位置，UO3、UO4、UO5、UO6、UO7、UO8监测点同时检测到串联电弧故障，UO3、UO4、UO5、UO6、UO7、UO8监测点分别以无线通信方式将其上游故障信息传给网关或其它具备高运算能力的集中设备)。监测点UO6、UO7、UO8检测到串联电弧故障表示故障点位于这三个监测点上游线路，即线路1、2、4、5、6中；监测点UO3、UO4、UO5检测到串联电弧故障表示故障点位于线路1、2中，取交集部分，排除线路4、5、6；由于监测点UO1未发送故障信息，表明UO1上游线路未出现串联电弧故障，即1号线路未出现故障，因此可以将串联电弧故障点确定在2号线路。
本发明实施例具体实施步骤如下：
1、串联电弧故障检测(针对于低压线路监测终端)
(1)获取线路电压的相邻两个周波的波形数据；
(2)对两个周波的波形数据进行差分，得到ΔU波形；
(3)使用FIR滤波器，滤除ΔU中的高频噪声干扰；
(4)寻找滤波后ΔU波形的两个过零点；
(5)分别在每个周波的三个过零点对应的ΔU波形中获取3个窗口数据，其中，中间窗口宽度为第一和第三窗口宽度的2倍，窗口宽度为设定阈值。例如，每个ΔU周波由200个采样点组成，则每10个点即1ms。若窗口宽度设为4ms，则第一过零点右侧、第三过零点左侧窗口宽度分别为2ms，中间的第二过零点窗口宽度使用4ms。
(6)分别计算3个窗口内的波形数据的方差σ2；
(7)若某个窗口内的数据方差超过设定阈值α，则认为该窗口内含有一个突变点；
(8)计算三个窗口内的突变点的总数量；
(9)若三个窗口内的突变点数量≥1，则认为该波形是故障波形差分得到；否则认为是正常波形的差分得到；
(10)监测终端利用无线通信方式(如wifi)上报自身的故障信息，上报信息为开关量(有故障或无故障)。
2、串联电弧故障定位(针对网关设备)
(1)提前获得其监控网络下的拓扑关系；
(2)接受有关监测节点(监测终端)发来的故障信息；
(3)根据发送故障信息的监测节点(监测终端)的拓扑关系判断串联电弧故障位置。
串联电弧故障位置的判定逻辑为：(1)首先对各个发来故障信息的监测节点按照其在网络中的所处层级进行归类；(2)找到其中的最上游的监测节点；(3)故障点在最上游监测节点的上游邻近支路。
本发明实施例还包括一种串联电弧故障检测及定位系统，包括安装于低压分支线路的多个监测终端以及与多个监测终端通信连接的集中设备；
所述监测终端用于获取线路电压相邻两周波的差分波形，使用FIR滤波器滤除差分波形中的高频噪声，寻找滤波后差分波形的两个过零点，在差分波形的过零点附近使用窗函数获取窗口数据，根据窗口数据的方差的大小判断该窗口内的波形是否是突变点，根据波形是否是突变点判断是否为故障波形差分，并将故障信息上报给集中设备；
所述集中设备用于根据发送故障信息的监测终端的拓扑关系判断串联电弧故障位置。其中，串联电弧故障位置的判定逻辑为：(1)首先对各个发来故障信息的监测终端按照其在网络中的所处层级进行归类；(2)找到其中的最上游的监测终端；(3)故障点在最上游监测终端的上游邻近支路。
所述集中设备可为网关。
本发明实施例具有如下有益效果：
(1)使用了末端电压差分时的突变特征进行检测，比使用末端电压差分后的均值的方法可靠性更好；
(2)仅利用末端电压过零点附近数据窗口内的波形数据进行检测，可以避免波形中其它部分波动造成的干扰，因此准确性更好；
(3)使用窗口内的数据的方差作为突变点是否存在的检测依据，计算量小，可保证实时性；
(4)利用末端线路分支多的特点，多个同级监测点即使只有一个上报故障信息，对网关来说其信息量已足够，因此对网络的故障定位需求来说，其可靠性高；
(5)通过在低压配电网络中安装多个监测点，以网络拓扑为基础，各监测点只有在其上游线路发生故障后才向网关发送故障信息，其它节点不发送信息，因此降低了通信数据量；
(6)网关根据上报故障信息的节点的位置和拓扑信息，可以准确实现故障定位；
(7)通过在电表内安装监测节点，可以监测表前线路是否发生了故障，由此实现了故障责任的界定研判；
(8)利用末端电压进行上游线路的串联电弧故障检测，可以克服非线性负荷对电流方法的影响，因此可靠性和适用性更高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种串联电弧故障检测及定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
在低压配电网络获取其网络拓扑的基础上，对低压分支线路安装多个监测终端；
监测终端获取线路电压的相邻两个周波的波形数据；
对两个周波的波形数据进行差分，得到差分波形；
使用FIR滤波器，滤除差分波形中的高频噪声；
寻找滤波后差分波形的两个过零点；
分别在每个周波的三个过零点对应的差分波形中获取3个窗口数据，分别计算3个窗口内的波形数据的方差
Figure 91863DEST_PATH_IMAGE002
；
若某个窗口内的数据方差超过设定阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，则认为该窗口内含有一个突变点；
计算三个窗口内的突变点的总数量；
三个窗口内的突变点数量≥1，则认为该波形是故障波形差分得到；否则认为是正常波形的差分得到；
监测终端利用无线通信方式上报自身的故障信息。
2.如权利要求1所述的串联电弧故障检测及定位方法，其特征在于：3个窗口中，中间窗口宽度为第一和第三窗口宽度的2倍，窗口宽度为设定阈值。
3.如权利要求1所述的串联电弧故障检测及定位方法，其特征在于：监测终端上报的故障信息为开关量。
4.如权利要求1所述的串联电弧故障检测及定位方法，其特征在于：集中设备根据发送故障信息的监测终端的拓扑关系判断串联电弧故障位置，具体为：
提前获得集中设备监控网络下的拓扑关系，接受监测终端发来的故障信息，根据发送故障信息的监测终端的拓扑关系判断串联电弧故障位置，串联电弧故障位置的判定逻辑为：（1）首先对各个发来故障信息的监测终端按照其在网络中的所处层级进行归类；（2）找到其中的最上游的监测终端；（3）故障点在最上游监测终端的上游邻近支路。
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