CN113708500B - 一种低压用电异常监测系统及方法 - Google Patents

一种低压用电异常监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种低压用电异常监测系统及方法，将低压配电网按层级监测，通过电压、电压、功率的波动的实时测量实现各层异常的监测。应用各层级采集的数据实现电压、电流、功率以及电量的增量比较，获取各层级平衡方程的扰动源，通过对方程的求解获得其补偿参量的大小作为不平衡度，依据阈值的大小判断异常是否发生，其中阈值为低压配电的线路阻抗和线损指标，同时满足数据在时间上的一致性，消除低压电网本身的自耦效应，达到精确分析的目的。

Description

一种低压用电异常监测系统及方法
技术领域
本发明属于电力监测技术领域，具体涉及一种低压用电异常监测系统及方法。
背景技术
用电异常通常分为线路及设备异常，一般因设备老化、损坏造成，在低压配电场合是经常发生的故障现象，安装在各层级设备上的监测装置通过实时监测，按照技术规范规定的判别标准做出判断、报警及指示，通知运维人员及时抢修，缩短停电事件，保障设备正常运行。此外，由于用户一些非一般行为造成的用电异常也较为常见，比如对配电设施的私自改造，造成设备超负荷工作，同时窃电行为也较为常见，这些现象和行为给用户用电造成了较大的安全隐患，一旦发生故障，将造成经济损失，给安全用电带来巨大的影响。同时对供电公司来说，因异常行为的发生带来巨大的经济损失，不便于低碳绿色能源战略的广发推广。
目前在低压配电网运行的主要设备包括配电变压器、低压出线柜、分支箱、表箱、电表、用户负荷等设备，在配电变压器处一般装有配变终端、集中器等监测设备，分支箱和表箱内一般无独立安装的监测装置。为实现用电监测的进一步细化，有的厂家也同步开发了分支箱和表箱监测单元，但尚未大规模推广使用。已安装的监测设备包括配电终端、集中器、电表以及分支箱和表箱监测单元尚处于独立运行状态，各层级的监测数据因采集方式的差异、执行的标准不一致，暂无法做到数据的融合使用，不能充分发挥设备的最大效能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种低压用电异常监测系统及方法，以实现用电异常的实时监测，有效减小故障识别时间，提高故障定位的准确性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种低压用电异常监测系统，包括：
分别安装在低压配电线路各层级节点上的监测装置，通过低压电力线宽带载波通信系统实现各层级数据采集的时间同步；
安装在配电变压器处的监测装置和集中器的交采单元用于采集配电变压器的工况数据，并作为主监测节点数据；
安装在分支箱、表箱及电表的监测装置用于分别同步采集分支箱、表箱及电表的工况数据，并作为子监测节点数据与主监测节点数据汇集到主站控制单元进行数据融合，形成整个低压配电台区的数据链；
所述主站控制单元用于根据子监测节点数据与主监测节点数据获取各层级平衡方程的扰动源，通过对各层级平衡方程的求解获得其补偿参量的大小作为不平衡度，依据不平衡度与预设阈值的大小关系判断是否发生异常。
进一步地，所述主站控制单元还用于根据子监测节点数据与主监测节点数据拟合各层级平衡方程如下：
各层电压变化量＝下一层级电压变化量之和+电压补偿参量
各层电流变化量＝下一层级电流变化量之和+电流补偿参量
各层有功电能变化量＝下一层级有功电能变化量之和+有功电能补偿参量。
进一步地，所述预设阈值为低压配电的线路阻抗和线损指标。
进一步地，所述依据不平衡度与预设阈值的大小关系判断是否发生异常具体包括：
如果所述不平衡度大于预设阈值，则判定线路发生异常；
如果所述不平衡度小于预设阈值，则判定线路处于正常状态；
如果所述不平衡度等于预设阈值，则判定线路处于临界预警状态。
本发明还提供一种低压用电异常监测方法，基于所述的低压用电异常监测系统实施，所述低压用电异常监测方法包括：
步骤S1，对采集的主监测节点数据和子监测节点数据进行数据融合，通过增量分析去除干扰数据；
步骤S2，将电压、电流增量变化形成曲线，分析各曲线间的相关系数，得到各层级节点负荷变化和配电变压器输入电压变化；
步骤S3，根据电压、电流的相位关系，对比二者的增量变化，获取功率因数变化的大小，消除用电设备间的补偿关系；
步骤S4，获取主监测节点和各子监测从节点之间的对应关系；
步骤S5，当所述对应关系的不平衡度超过预设阈值时，对多时间点曲线间进行相关度分析，当相关系数一致时做出异常判断，并定位异常节点区段；
步骤S6，对于异常节点区段，在线路上做出节点标志和区段标志，以指示人员进行现场排查。
进一步地，所述步骤S2用于进行数据扰动分析：当节点监测的电量参数变化时，首先分析是输入引起还是负荷变动造成，当负荷变化时在各监测节点采集的电压变化是同时变化的；当输入电压变化时，其在各层级节点引发电流变化是一致的。
进一步地，所述步骤S3用于进行数据去耦：通过功率因数判别，当某一节点功率因数变化时，对应上层节点的功率因数的增量一致。
进一步地，所述步骤S5用于异常判别，具体是通过各层级节点的电压、电流增量变化，计算出各区段的线路和开关设备的综合阻抗，当其超过阈值时做出异常指示，通过主电参数的增量变化方向识别出线路上是否存在异常分支，通过有功电能的增量变化判别是否存在非计量用电行为。
进一步地，所述步骤S5具体包括：
判断表箱监测点和电表的电压、电流、电能的变化量是否平衡，获取最大的补偿量，初步判断某一块的电表的异常数据；
判断分支监测点及下接表箱的电压、电流、电能的变化量是否平衡，获取最大的补偿量，初步判断某一表箱的异常数据；
判断配电变压器监测点及下接分支箱的电压、电流、电能的变化量是否平衡，获取最大的补偿量，初步判断某一分支的异常数据；
根据上述步骤的异常数据，判断出线异常的节点或区段是否存在隶属关系，进而定位异常的位置，同时记录数据。
进一步地，所述步骤S5还包括：
如果所述不平衡度小于预设阈值，则判定线路处于正常状态；
如果所述不平衡度等于预设阈值，则判定线路处于临界预警状态。
实施本发明具有如下有益效果：充分利用现有设备的特点，在此基础上进行优化扩展应用，实现了用电异常的实时监测，减小了投资成本。通过各层级节点的实时监测，数据的去扰、去耦、综合、异常判别及指示实现了用电异常的有效识别和指示，能够有效减小故障识别时间，提高了设备故障及隐患定位的准确性，同时为异常用电行为的识别定位提供了数据支撑，也为规范用电行为、有利于推广低碳绿色能源的建设。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一一种低压用电异常监测系统的架构示意图。
图2是本发明实施例二一种低压用电异常监测方法的流程示意图。
图3是本发明实施例二一种低压用电异常监测方法的另一流程示意图。
图4是本发明实施例中用电异常识别的流程示意图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
本发明将低压电网按层级监测，应用各层级采集的数据实现电压、电流、功率以及电量的增量比较，通过时间有效性判别和功率因数解耦消除低压电网用电设备本身的自耦效应，达到精确分析的目的。
由此，本发明实施例一提供一种低压用电异常监测系统，包括：
分别安装在低压配电线路各层级节点上的监测装置，通过低压电力线宽带载波通信系统实现各层级数据采集的时间同步；
安装在配电变压器处的监测装置和集中器的交采单元用于采集配电变压器的工况数据，并作为主监测节点数据；
安装在分支箱、表箱及电表的监测装置用于分别同步采集分支箱、表箱及电表的工况数据，并作为子监测节点数据与主监测节点数据汇集到主站控制单元进行数据融合，形成整个低压配电台区的数据链；
所述主站控制单元用于根据子监测节点数据与主监测节点数据获取各层级平衡方程的扰动源，通过对各层级平衡方程的求解获得其补偿参量的大小作为不平衡度，依据不平衡度与预设阈值的大小关系判断是否发生异常。
请结合图1所示，本实施例中低压配电线路包括四个层级：配电变压器-分支箱-表箱-电表，配变变压器作为主监测节点，分支箱、表箱、电表作为子监测节点，它们之间通过线路连接在一起，电能量通过线路在各层设备间流动。因各节点线路和开关存在阻抗，电流流动的时候存在压降，同时又因同层设备间的并联关系，相互之间存在负荷耦合效应。当配电变压器输入电压U0有一个波动ΔU0时，配电变压器的输出同样会有一个波动ΔU0’，此时整个低压配电台区电压会有一个波动值，此波动值将导致整个低压配电台区的电流、功率产生波动，本实施例将它定义为输入性扰动，据此可判断各子监测节点与主监测节点之间的隶属关系。当用电设备启动正常工作后，有一正常的工作电流，因线路阻抗的存在，将在从主节点、分支节点、表箱节点有一压降ΔULi，此压降与线路相关，本实施例将它定义为负荷扰动，即由负荷变化引起，其大小和线路阻抗成正比例，根据主节点的电压变化量ΔULi0与末端节点外其他节点的电压变化量ΔULmdi的差值(该差值即主层电压变化量，其他层电压变化量按此定义)及各层节点的变化量判断用电设备负荷变化的平衡关系，同时因在分支节点和表箱节点存在并接，存在负荷间的容性和感性补偿，即节点的电流变化ΔI是一个复数，在计算平衡时将加入功率因素的增量变化。通过各层级拟合各层节点的多维方程组，维数和分支及电表数量有关，此方程的右边具有一补偿参量，通过改变补偿参量的大小获得方程的平衡，根据补偿参量的大小和相位决定方程的不平衡度是否超标(不平衡度是可设置参数)。
由此，主站控制单元还用于根据子监测节点数据与主监测节点数据拟合各层级平衡方程如下：
各层电压变化量＝下一层级电压变化量之和+电压补偿参量
各层电流变化量＝下一层级电流变化量之和+电流补偿参量
各层有功电能变化量＝下一层级有功电能变化量+有功电能补偿参量。
举例来说，通过安装在在配电变压器、分支箱、表箱处的监测装置，同步采集各节点的电压、电流数据，经计算获得功率、功率因数和电能量的数据，其中表箱同时采集电表的电压、电流、电能量等数据，比较表箱数据和电表数据间的对应关系，即：
ΔU0bx＝∑ΔUidb+aU；
ΔI0bx＝∑ΔIidb+aI；
ΔW0bx＝∑ΔWidb+aW；
ΔU0bx为表箱的电压变化量，ΔI0bx为表箱的电流变化量，ΔW0bx为表箱的有功电能变化量，下标为idb的表示某一块电表的三个对应参量的变化量，aU，aI，aW分别为三个方程的补偿参量。上述三个方程共有三组，分别表示ABC三个相序，其中电流的变量为复数，电压和电能为标量。
同理，分支箱和配电变压器也存在同样的方程组，通过各层级方程组的平衡关系可以获取整个配电台区的平衡关系，进而得到异常发生的节点。本实施例中，预设阈值为低压配电的线路阻抗和线损指标。
需要说明的是，依据不平衡度与预设阈值的大小关系判断是否发生异常具体包括：
如果所述不平衡度大于预设阈值，则判定线路发生异常；
如果所述不平衡度小于预设阈值，则判定线路处于正常状态；
如果所述不平衡度等于预设阈值，则判定线路处于临界预警状态。
电流的表达式中采用复数表示，此值由各相序节点的电流有效值和功率因数计算出，或者直接由电压、电流的相位关系得到，整个系统在配电变压器(台区)，分支箱、表箱处的计算周期为2ms，采取高速FPGA实现，有效值计算延时为微秒级，满足系统计算要求。在电表计量数据读取上采取事件触发的读取方式，当表箱监测到电压电流变化时，即刻读取表计数据处理，以减少存储和缓冲空间的大小。
可以理解的是，本实施例通过低压电力线宽带载波通信系统实现各层级数据采集的时间上的同步，通过解耦算法消除用电设备间的自耦效应。
请同时参照图2和图3所示，本发明实施例二还提供一种低压用电异常监测方法，基于前述本发明实施例一所述的低压用电异常监测系统实施，所述低压用电异常监测方法包括：
步骤S1，对采集的主监测节点数据和子监测节点数据进行数据融合，通过增量分析去除干扰数据；
步骤S2，将电压、电流增量变化形成曲线，分析各曲线间的相关系数，得到各层级节点负荷变化和配电变压器输入电压变化；
步骤S3，根据电压、电流的相位关系，对比二者的增量变化，获取功率因数变化的大小，消除用电设备间的补偿关系；
步骤S4，获取主监测节点和各子监测从节点之间的对应关系；
步骤S5，当所述对应关系的不平衡度超过预设阈值时，对多时间点曲线间进行相关度分析，当相关系数一致时做出异常判断，并定位异常节点区段；
步骤S6，对于异常节点区段，在线路上做出节点标志和区段标志，以指示人员进行现场排查。
具体地，步骤S1进行物理关联性分析：因低压宽带载波通信系统存在串扰现象，造成某些层级的节点数据有串扰现象，所以通过增量分析去除干扰数据，所述的增量分析指因负荷的波动会造成整个台区的电压、电流变化，而此变化对其他台区影响较小。
步骤S2进行数据扰动分析：当节点监测的电量参数变化时，首先分析是输入引起还是负荷变动造成，因线路各层级有一定的阻抗，当负荷变化时在各节点监测的电压变化是同时变化的，同时因负载的存在，当输入电压变化时，其在各层级节点引发电流变化是一致的。
步骤S3进行数据去耦：当负荷变化时，因无功负荷有容性和感性的不同，二者可相互抵消，造成一些层级节点的电压、电流变化不一致，对数据的一致性造成影响，对此优选功率因数判别，当某一节点功率因数变化时，对应上层节点的功率因数的增量一致。
步骤S4进行数据综合：对各层级节点的主电参数进行综合整理，获取主监测节点和各子监测从节点之间的对应关系。
步骤S5进行用电异常判别：通过各层级节点的电压、电流增量变化，计算出各区段的线路和开关设备的综合阻抗，当其超过阈值时做出异常指示，通过主电参数的增量变化方向识别出线路上是否存在异常分支，通过有功电能的增量变化判别是否存在非计量用电行为。
在电流相位的变化中，根据基尔霍夫节点电流原理，其在某一节点的向量和为零的特点，进行高速合成和补偿得到电流不平衡度，同理运用高斯定理计算三相电场的不平衡度，即在某一三相四线节点其电压向量和为零，计算得到因线路阻抗而造成的电压跌落补偿量。
节点间的同步计算，对于相邻的两个节点简化为一个死端口网络，输入或输出的电压、电流波动与该网络的内部构造相关，即ΔU/ΔI与节点区段的等效阻抗成比例，通过四象限的识别，计算网络的输入输出阻抗，据此判断线路的阻抗有无异常变化。
请再参照图4所示，步骤S5进行用电异常识别具体包括：
步骤S51，主节点电压、电流、功率、电量变化量统计，即配电变压器的数据采集与分析，获取其电参数的变化量的曲线；
步骤S52，从节点电压、电流、功率、电量变化量统计，即分支箱、表箱、电表的数据采集与分析，获取其电参数的变化量的曲线；
步骤S53，表箱-电表数据增量平衡判断，判断表箱监测点和电表的电压、电流、电能的变化量是否平衡，获取最大的补偿量，初步判断某一块的电表的异常数据；
步骤S54，分支-表箱数据增量平衡判断，判断分支监测点及下接表箱的电压、电流、电能的变化量是否平衡，获取最大的补偿量，初步判断某一表箱的异常数据；
步骤S55，配电变压器-分支数据增量平衡判断，判断配电变压器监测点及下接分支箱的电压、电流、电能的变化量是否平衡，获取最大的补偿量，初步判断某一分支的异常数据；
步骤S56，台区异常综合研判，根据上述步骤S53-S55的异常数据，判断出线异常的节点或区段是否存在隶属关系，进而定位异常的位置，同时记录数据。
进一步地，所述步骤S5还包括：
如果所述不平衡度小于预设阈值，则判定线路处于正常状态；
如果所述不平衡度等于预设阈值，则判定线路处于临界预警状态。
本实施例按照分层平衡判断减小了节点计算工作量，提高了系统运行速度。
通过上述说明可知，本发明带来的有益效果在于：充分利用现有设备的特点，在此基础上进行优化扩展应用，实现了用电异常的实时监测，减小了投资成本。通过各层级节点的实时监测，数据的去扰、去耦、综合、异常判别及指示实现了用电异常的有效识别和指示，能够有效减小故障识别时间，提高了设备故障及隐患定位的准确性，同时为异常用电行为的识别定位提供了数据支撑，也为规范用电行为、有利于推广低碳绿色能源的建设。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种低压用电异常监测系统，包括：
分别安装在低压配电线路各层级节点上的监测装置，通过低压电力线宽带载波通信系统实现各层级数据采集的时间同步；
安装在配电变压器处的监测装置和集中器的交采单元用于采集配电变压器的工况数据，并作为主监测节点数据；
安装在分支箱、表箱及电表的监测装置用于分别同步采集分支箱、表箱及电表的工况数据，并作为子监测节点数据与主监测节点数据汇集到主站控制单元进行数据融合，形成整个低压配电台区的数据链；
所述主站控制单元用于根据子监测节点数据与主监测节点数据获取各层级平衡方程的扰动源，通过对各层级平衡方程的求解获得其补偿参量的大小作为不平衡度，依据不平衡度与预设阈值的大小关系判断是否发生异常。
2.根据权利要求1所述的低压用电异常监测系统，其特征在于，所述主站控制单元还用于根据子监测节点数据与主监测节点数据拟合各层级平衡方程如下：
各层电压变化量＝下一层级电压变化量之和+电压补偿参量
各层电流变化量＝下一层级电流变化量之和+电流补偿参量
各层有功电能变化量＝下一层级有功电能变化量之和+有功电能补偿参量。
3.根据权利要求1所述的低压用电异常监测系统，其特征在于，所述预设阈值为低压配电的线路阻抗和线损指标。
4.根据权利要求1所述的低压用电异常监测系统，其特征在于，所述依据不平衡度与预设阈值的大小关系判断是否发生异常具体包括：
如果所述不平衡度大于预设阈值，则判定线路发生异常；
如果所述不平衡度小于预设阈值，则判定线路处于正常状态；
如果所述不平衡度等于预设阈值，则判定线路处于临界预警状态。
5.一种低压用电异常监测方法，基于如权利要求1所述的低压用电异常监测系统实施，所述低压用电异常监测方法包括：
步骤S1，对采集的主监测节点数据和子监测节点数据进行数据融合，通过增量分析去除干扰数据；
步骤S2，将电压、电流增量变化形成曲线，分析各曲线间的相关系数，得到各层级节点负荷变化和配电变压器输入电压变化；
步骤S3，根据电压、电流的相位关系，对比二者的增量变化，获取功率因数变化的大小，消除用电设备间的补偿关系；
步骤S4，获取主监测节点和各子监测从节点之间的对应关系；
步骤S5，当所述对应关系的不平衡度超过预设阈值时，对多时间点曲线间进行相关度分析，当相关系数一致时做出异常判断，并定位异常节点区段；
步骤S6，对于异常节点区段，在线路上做出节点标志和区段标志，以指示人员进行现场排查。
6.根据权利要求5所述的低压用电异常监测方法，其特征在于，所述步骤S2用于进行数据扰动分析：当节点监测的电量参数变化时，首先分析是输入引起还是负荷变动造成，当负荷变化时在各监测节点采集的电压变化是同时变化的；当输入电压变化时，其在各层级节点引发电流变化是一致的。
7.根据权利要求5所述的低压用电异常监测方法，其特征在于，所述步骤S3用于进行数据去耦：通过功率因数判别，当某一节点功率因数变化时，对应上层节点的功率因数的增量一致。
8.根据权利要求5所述的低压用电异常监测方法，其特征在于，所述步骤S5用于异常判别，具体是通过各层级节点的电压、电流增量变化，计算出各区段的线路和开关设备的综合阻抗，当其超过阈值时做出异常指示，通过主电参数的增量变化方向识别出线路上是否存在异常分支，通过有功电能的增量变化判别是否存在非计量用电行为。
9.根据权利要求8所述的低压用电异常监测方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
判断表箱监测点和电表的电压、电流、电能的变化量是否平衡，获取最大的补偿量，初步判断某一块的电表的异常数据；
判断分支监测点及下接表箱的电压、电流、电能的变化量是否平衡，获取最大的补偿量，初步判断某一表箱的异常数据；
判断配电变压器监测点及下接分支箱的电压、电流、电能的变化量是否平衡，获取最大的补偿量，初步判断某一分支的异常数据；
根据上述步骤的异常数据，判断出线异常的节点或区段是否存在隶属关系，进而定位异常的位置，同时记录数据。
10.根据权利要求5所述的低压用电异常监测方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：
如果所述不平衡度小于预设阈值，则判定线路处于正常状态；
如果所述不平衡度等于预设阈值，则判定线路处于临界预警状态。
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