CN114384374A - 基于边缘计算ftu与故障指示器的故障研判方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及配电自动化故障研判技术领域，公开了一种基于边缘计算FTU与故障指示器的故障研判方法，获取故障录波启动时刻前若干周波和启动时刻后若干周波的录波数据，基于边缘计算FTU汇集的故障波形样本，采用首半波波形研判判据作为区内、区外故障的主判据，样本波形相关性判据用于针对首半波波形研判判据结论的区内和区外录波样本进行校验复核，作为首半波波形研判的辅助判据，进行综合研判，确定发生单相接地故障的位置节点。与现有技术相比，本发明利用两种研判判据相互补充，相互印证，可以最大程度地提高不同单相接地故障环境下故障检测的准确率。

Description

基于边缘计算FTU与故障指示器的故障研判方法及装置

技术领域

本发明涉及配电自动化故障研判技术领域，具体涉及一种基于边缘计算FTU与故障指示器的故障研判方法及装置。

背景技术

目前，国内针对架空线的配网自动化应用模式是以FTU为主设备，故障指示器为辅设备，两者同时接入配网自动化主站。FTU主要负责故障定位与隔离，故障指示器负责辅助故障定位，两者没有互通和交互。且目前故障指示器独立接入主站系统，因其数量众多，带给主站的接入工作量很大，并且设备掉线频发，也增添了很多的维护工作。另外，依托于电流突变判据的故障指示器在算法上存在着接地故障误判的情况，而基于零序电压启动的高精度故障指示器又带来设备数量的增加，接入复杂度增大问题。

现今的配电网采用零序电流进行故障研判精度不高，其原因在于：(1)广泛采用小电流接地方式，单相接地故障发生后，故障线路与正常线路均有零序电流，靠定值启动的方法难以准确检测；(2)经消弧线圈接地方式日渐增多，零序电流功率方向出现了变化，正常线路儿回故障线路的零序电流相位差别很小，增加了选线和定位的困难；(3)线路分支众多，结构复杂，不易获得准确的线路参数；(4)单相接地情况复杂，包括金属性接地、经高阻接地和经电弧接地等多种情况。因此，单纯基于零序电流的单相接地故障定位方法也无法取得较高的准确率。

因此，若能将故障指示器直接接入FTU，由FTU来负责汇集接入主站，且研究一种高可靠性的线路故障研判算法，有效利用馈线终端与故障指示器的上下联动，实现由馈线终端进行故障区段隔离，并下发线路故障命令，由故障指示器进行故障区域的定位，不仅能优化设备配置，降低成本，增强设备的本地处理能力，而且借助于智能联动，还可以大大提高故障检测的准确率，便于快速检修，并且减轻主站接入管理的工作量和压力。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于边缘计算FTU与故障指示器的故障研判方法及装置，以首半波判据为主，样本波形相关性判据为辅，两种算法相互补充，相互印证，以最大化地保证接地判据的正确率。

技术方案：本发明提供了一种基于边缘计算FTU与故障指示器的故障研判方法，所述边缘计算FTU上设置双核中央处理核心单元以及对下通讯模块，所述对下通讯模块与所述故障指示器连接，所述双核中央处理核心单元内设置有故障研判判据，所述故障研判判据包括如下步骤：

步骤1：边缘计算FTU将录波启动时刻的绝对时标下发给故障指示器，并召唤其在此时刻前后的故障录波，所述故障录波包括启动时刻前若干个周波以及启动时刻后若干个周波的录波数据；

步骤2：边缘计算FTU根据故障指示器的相电流录波合成零序电流波形，并叠加边缘计算FTU采集的零序电压波形，形成包括Ua、Ub、Uc、3U0、Ia、Ib、Ic、3I0八个通道的故障录波文件，其中，Ua为A相电压，Ub为B相电压，Uc为C相电压，3U0为零序电压，Ia为A相电流，Ib为B相电流，Ic为C相电流，3I0为零序电流；

步骤3：边缘计算FTU结合自身的录波数据和各个故障指示器的录波数据，采用“多样本波形识别法”进行单相接地故障综合研判，确定发生单相接地故障的位置节点。

进一步地，在获取故障录波之前还包括：

边缘计算FTU和故障指示器在正常运行工况下，均增加北斗/GPS定位模块，其基于卫星精准校时实现两者之间的广域同步；

边缘计算FTU设置接地故障录波启动判据，当接地故障录波启动时，边缘计算FTU记录故障启动时刻的绝对时标。

进一步地，所述接地故障录波启动判据基于零序电压突变量和零序电流突变量，启动判据为：零序电压突变量大于等于边缘计算FTU预设的零序电压突变量定值、零序电流突变量大于等于零序电流突变量定值且两者采用“或”的逻辑关系，任一条件满足即启动单相接地故障录波，并记录录波启动时刻的绝对时标。

进一步地，所述步骤1中故障录波包括启动时刻前4个周波以及启动时刻后8个周波的录波数据。

进一步地，所述多样本波形识别法以首半波波形研判判据为主，样本波形相关性判据为辅；

所述首半波波形研判判据是基于发生接地故障时，故障线路暂态零序电压与零序电流首半波波形方向相反，非故障线路暂态零序电压与零序电流首半波波形方向相同；

所述样本波形相关性判据是基于发生接地故障时，故障点前后零序电流波形的方向差异，通过计算波形样本中零序电流波形的相关性系数，来判断各节点的故障属性。

进一步地，所述样本波形相关性判据具体方法是：样本波形的零序电流波形两两之间运用以下公式进行相关系数计算，然后根据计算结果判断故障属性：

式中：ρ_xy为x、y两个设备节点波形的相关系数，i_0x、i_0y分别为x、y两个节点的零序电流采样值，N为选取用作波形识别的数据计算窗口采样点总数。

进一步地，所述样本波形相关性判据根据相关系数计算结果判断故障属性具体为：当ρ_xy≥ρ_set时，其中ρ_set为设定的正向相关度定值，通常当相关系数大于0.75时，认为两个样本有极大的相似度，两组录波波形故障性质相同，则同为区内故障或同为区外故障；当ρ_xy<ρ_set时，两组录波波形故障性质不同。

进一步地，所述正向相关度定值ρ_set取0.75。

本发明还公开一种利用上述故障研判方法的故障研判装置，包括边缘计算FTU、故障指示器，所述边缘计算FTU包括时标发送模块、故障录波文件获取模块以及零序电压波形采集模块；所述故障指示器包括时标接收模块、故障录波模块；

时标发送模块，用于将录波启动时刻的绝对时标下发给故障指示器；

零序电压波形采集模块，用于边缘计算FTU采集零序电压波形；

故障录波文件获取模块，用于根据故障指示器的相电流录波合成零序电流波形，并叠加边缘计算FTU采集的零序电压波形，形成包括Ua、Ub、Uc、3U0、Ia、Ib、Ic、3I0八个通道的故障录波文件，其中，Ua为A相电压，Ub为B相电压，Uc为C相电压，3U0为零序电压，Ia为A相电流，Ib为B相电流，Ic为C相电流，3I0为零序电流；

时标接收模块，用于接收边缘计算FTU的时标发送模块发送的录波启动时刻的绝对时标；

故障录波模块，用于录波启动时刻进行故障录波，所述故障录波包括启动时刻前若干个周波以及启动时刻后若干个周波的录波数据。

优选地，所述边缘计算FTU的硬件结构具体包括如下：

包括双核中央处理核心单元、电源模块、电流电压采集模块、开出控制模块、开入采集模块、安全模块、对下通讯模块、对上通讯模块；所述电源模块给整个边缘计算FTU提供供电，双核中央处理核心单元为整个边缘计算FTU提供核算算力，电流电压采集模块与双核中央处理核心单元通过SPI总线连接，开出控制模块与双核中央处理核心单元通过GPIO交互，开入采集模块与双核中央处理核心单元通过GPIO交互连接，安全模块与双核中央处理核心单元通过SPI串行总线接口连接，对下通讯模块与双核中央处理核心单元通过SPI串行总线连接，用于与所述故障指示器通讯，对上通讯模块与双核中央处理核心单元通过USB总线接口连接。

有益效果：

1、在正常运行情况下，线路是不产生零序电压的，只有在发生接地故障时，才产生零序电压，通过分析产生零压的绝对时间和其录波波形，可以很好的解决故障指示器定位难的问题，相比于传统的利用零序电流研判故障的方法，其研判精度更高。

2、本发明有效利用边缘计算FTU与故障指示器的上下联动，实现由边缘计算FTU进行故障区段隔离，并下发线路故障命令，由故障指示器进行故障区域的定位，便于快速检修。且部署此联动算法的边缘计算FTU，仍保持原来实时业务的独立性和安全性，对继电保护、馈线自动化(FA)等业务提供有效支撑。

3、本发明利用“样本波形识别法”进行故障研判，以首半波判据为主，样本波形相关性判据为辅，两种算法相互补充，相互印证，以最大化地保证接地判据的正确率。利用首半波判据可以快速判断出故障波形是区内故障还是区外故障，样本波形相关性判据通过计算波形样本中零序电流波形的相关性系数，来判断各节点的故障属性，波形相关性算法用于针对首半波判据结论的区内和区外录波样本进行校验复核，作为首半波算法的辅助判据，综合以上判据可以最大程度地提高不同单相接地故障环境下故障检测的准确率。

附图说明

图1为边缘计算FTU与故障指示器联动故障研判算法流程图；

图2为接地故障录波启动判据逻辑图；

图3为样本波形识别法逻辑图；

图4为单相接地故障首半波波形示意图；

图5为单相接地故障波形相关性示意图；

图6为边缘计算FTU的结构原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。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发明的保护范围。

本发明公开的基于边缘计算FTU与故障指示器联动故障研判方法流程如图1所示。主要包括如下步骤：

(1)边缘计算FTU和故障指示器在正常运行工况下，在边缘计算FTU和故障指示器沙钢均增加北斗/GPS定位模块，基于卫星精准校时实现广域同步。

(2)边缘计算FTU设置接地故障录波启动判据，当接地故障录波启动时，FTU记录故障启动时刻的绝对时标。

接地故障录波启动判据基于零序电压突变量和零序电流突变量，启动判据为：零序电压突变量大于等于边缘计算FTU预设的零序电压突变量定值、零序电流突变量大于等于零序电流突变量定值且两者采用“或”的逻辑关系，任一条件满足即启动单相接地故障录波，并记录录波启动时刻的绝对时标。参见附图2，图2中的Δ3U0和Δ3I0分别代表零序电压突变量和零序电流突变量计算值，3U0set和3I0set分别代表边缘计算FTU预设的零序电压突变量定值和零序电流突变量定值。

(3)边缘计算FTU将录波启动时刻的绝对时标下发给故障指示器，并召唤其在此时刻前后的故障录波(包括启动时刻前4个周波，启动时刻后8个周波的录波数据)。

(4)边缘计算FTU根据故障指示器的相电流录波合成零序电流波形，并叠加FTU采集的零序电压波形，形成包括Ua、Ub、Uc、3U0、Ia、Ib、Ic、3I0八个通道的故障录波文件，其中，Ua为A相电压，Ub为B相电压，Uc为C相电压，3U0为零序电压，Ia为A相电流，Ib为B相电流，Ic为C相电流，3I0为零序电流。

(5)边缘计算FTU结合自身的录波数据和各个故障指示器的录波数据，采用“多样本波形识别法”进行单相接地故障综合研判，确定发生单相接地故障的位置节点，并上报故障信息至主站。当FTU投入接地故障跳闸功能时，可以动作于跳闸，以快速隔离故障。

“样本波形识别法”是指基于边缘计算FTU本地汇集的FTU自身及故障指示器上送的故障波形样本库进行综合计算、分析而得出判断的接地故障研判算法。“样本波形识别法”以首半波波形研判判据为主，样本波形相关性判据为辅，两种算法相互补充，相互印证，以最大化地保证接地判据的正确率，其算法逻辑如图3所示。

图3中的首半波波形研判判据是基于发生接地故障时，故障线路暂态零序电压与零序电流首半波波形方向相反，非故障线路暂态零序电压与零序电流首半波波形方向相同的原理。利用首半波判据可以快速判断出故障波形是区内故障还是区外故障。如图4所示，图中3U0为发生单相接地故障后的零序电压录波波形，3I0₁和3I0₂分别为故障点上游线路的故障录波波形和故障点下游线路的故障录波波形。图中方框标识的部分即为故障发生后的首半波波形窗口，图中3I0₁与3U0的首半波采样值方向相反(3I0₁为负值、3U0为正值)，所以3I0₁为区内故障，而3I0₂与3U0的首半波采样值方向相同(3I0₂为正值、3U0为正值)，所以3I0₂为区外故障。

图3中的样本波形相关性判据是基于发生接地故障时故障点前后零序电流波形的方向差异，通过计算波形样本中零序电流波形的相关性系数，来判断各节点的故障属性。具体方法是：样本波形的零序电流波形两两之间运用以下公式进行相关系数计算，然后根据计算结果判断故障属性。

式中：ρ_xy为x、y两个设备节点波形的相关系数，i_0x、i_0y分别为x、y两个节点的零序电流采样值，N为选取用作波形识别的数据计算窗口采样点总数。

当ρ_xy≥ρ_set时(其中ρ_set为设定的正向相关度定值，通常当相关系数大于0.75时，也就是ρ_set取0.75时，认为两个样本有极大的相似度)，两组录波波形故障性质相同(同为区内故障或同为区外故障)；当ρ_xy<ρ_set时，两组录波波形故障性质不同。

如图5所示，图5中3I0₀、3I0₁为发生单相接地故障时故障点上游的线路录波波形，3I0₂、3I0₃为发生单相接地故障时故障点下游的线路录波波形，从几个波形可以得知，故障点上游的3I0₀、3I0₁录波波形具有相同的变化趋势，具有很大的波形相关性，故障点下游的3I0₂、3I0₃录波波形也具有相同的变化趋势，也具有很大的波形相关性，而区内故障的3I0₀、3I0₁和区外故障的3I0₂、3I0₃的相似度较低，所以可以通过波形相关性算法用于判断样本波形为区内或区外故障的辅助判据。

边缘计算FTU与故障指示器的故障研判方案在边缘计算FTU中以“接地故障联动研判APP”独立的微应用形态存在，以方便部署加载和升级迭代。

边缘计算FTU与故障指示器联动故障研判算法基于边缘计算FTU汇集的故障波形样本，采用首半波波形研判判据作为区内、区外故障的主判据，样本波形相关性判据用于针对首半波波形研判判据结论的区内和区外录波样本进行校验复核，作为首半波波形研判的辅助判据，综合以上判据可以最大程度地提高不同单相接地故障环境下故障检测的准确率。

对于上述公开的基于边缘计算FTU与故障指示器联动故障研判方法对应的研判装置包括：边缘计算FTU、故障指示器。

边缘计算FTU包括时标发送模块、故障录波文件获取模块以及零序电压波形采集模块；所述故障指示器包括时标接收模块、故障录波模块。

时标发送模块，用于将录波启动时刻的绝对时标下发给故障指示器。

零序电压波形采集模块，用于边缘计算FTU采集零序电压波形。

故障录波文件获取模块，用于根据故障指示器的相电流录波合成零序电流波形，并叠加边缘计算FTU采集的零序电压波形，形成包括Ua、Ub、Uc、3U0、Ia、Ib、Ic、3I0八个通道的故障录波文件，其中，Ua为A相电压，Ub为B相电压，Uc为C相电压，3U0为零序电压，Ia为A相电流，Ib为B相电流，Ic为C相电流，3I0为零序电流。

时标接收模块，用于接收边缘计算FTU的时标发送模块发送的录波启动时刻的绝对时标。

故障录波模块，用于录波启动时刻进行故障录波，所述故障录波包括启动时刻前若干个周波以及启动时刻后若干个周波的录波数据。

参加附图6，边缘计算FTU的硬件结构具体包括如下：

包括双核中央处理核心单元、电源模块、电流电压采集模块、开出控制模块、开入采集模块、安全模块、对下通讯模块、对上通讯模块；所述电源模块给整个边缘计算FTU提供供电，双核中央处理核心单元为整个边缘计算FTU提供核算算力，电流电压采集模块与双核中央处理核心单元通过SPI总线连接，开出控制模块与双核中央处理核心单元通过GPIO交互，开入采集模块与双核中央处理核心单元通过GPIO交互连接，安全模块与双核中央处理核心单元通过SPI串行总线接口连接，对下通讯模块与双核中央处理核心单元通过SPI串行总线连接，用于与所述故障指示器通讯，对上通讯模块与双核中央处理核心单元通过USB总线接口连接。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于边缘计算FTU与故障指示器的故障研判方法，所述边缘计算FTU上设置双核中央处理核心单元以及对下通讯模块，所述对下通讯模块与所述故障指示器连接，所述双核中央处理核心单元内设置有故障研判判据，其特征在于，所述故障研判判据包括如下步骤：

步骤1：边缘计算FTU将录波启动时刻的绝对时标下发给故障指示器，并召唤其在此时刻前后的故障录波，所述故障录波包括启动时刻前若干个周波以及启动时刻后若干个周波的录波数据；

步骤2：边缘计算FTU根据故障指示器的相电流录波合成零序电流波形，并叠加边缘计算FTU采集的零序电压波形，形成包括Ua、Ub、Uc、3U0、Ia、Ib、Ic、3I0八个通道的故障录波文件，其中，Ua为A相电压，Ub为B相电压，Uc为C相电压，3U0为零序电压，Ia为A相电流，Ib为B相电流，Ic为C相电流，3I0为零序电流；

步骤3：边缘计算FTU结合自身的录波数据和各个故障指示器的录波数据，采用“多样本波形识别法”进行单相接地故障综合研判，确定发生单相接地故障的位置节点。

2.根据权利要求1所述的基于边缘计算FTU与故障指示器的故障研判方法，其特征在于，在获取故障录波之前还包括：

边缘计算FTU和故障指示器在正常运行工况下，均增加北斗/GPS定位模块，其基于卫星精准校时实现两者之间的广域同步；

边缘计算FTU设置接地故障录波启动判据，当接地故障录波启动时，边缘计算FTU记录故障启动时刻的绝对时标。

3.根据权利要求2所述的基于边缘计算FTU与故障指示器的故障研判方法，其特征在于，所述接地故障录波启动判据基于零序电压突变量和零序电流突变量，启动判据为：零序电压突变量大于等于边缘计算FTU预设的零序电压突变量定值、零序电流突变量大于等于零序电流突变量定值且两者采用“或”的逻辑关系，任一条件满足即启动单相接地故障录波，并记录录波启动时刻的绝对时标。

4.根据权利要求1所述的基于边缘计算FTU与故障指示器的故障研判方法，其特征在于，所述步骤1中故障录波包括启动时刻前4个周波以及启动时刻后8个周波的录波数据。

5.根据权利要求1所述的基于边缘计算FTU与故障指示器的故障研判方法，其特征在于，所述多样本波形识别法以首半波波形研判判据为主，样本波形相关性判据为辅；

所述首半波波形研判判据是基于发生接地故障时，故障线路暂态零序电压与零序电流首半波波形方向相反，非故障线路暂态零序电压与零序电流首半波波形方向相同；

所述样本波形相关性判据是基于发生接地故障时，故障点前后零序电流波形的方向差异，通过计算波形样本中零序电流波形的相关性系数，来判断各节点的故障属性。

6.根据权利要求5所述的基于边缘计算FTU与故障指示器的故障研判方法，其特征在于，所述样本波形相关性判据具体方法是：样本波形的零序电流波形两两之间运用以下公式进行相关系数计算，然后根据计算结果判断故障属性：

式中：ρ_xy为x、y两个设备节点波形的相关系数，i_0x、i_0y分别为x、y两个节点的零序电流采样值，N为选取用作波形识别的数据计算窗口采样点总数。

7.根据权利要求6所述的基于边缘计算FTU与故障指示器的故障研判方法，其特征在于，所述样本波形相关性判据根据相关系数计算结果判断故障属性具体为：当ρ_xy≥ρ_set时，其中ρ_set为设定的正向相关度定值，通常当相关系数大于0.75时，认为两个样本有极大的相似度，两组录波波形故障性质相同，则同为区内故障或同为区外故障；当ρ_xy<ρ_set时，两组录波波形故障性质不同。

8.根据权利要求7所述的基于边缘计算FTU与故障指示器的故障研判方法，其特征在于，所述正向相关度定值ρ_set取0.75。

9.一种基于权利要求1-8任一所述的故障研判方法的故障研判装置，包括边缘计算FTU、故障指示器，其特征在于，所述边缘计算FTU包括时标发送模块、故障录波文件获取模块以及零序电压波形采集模块；所述故障指示器包括时标接收模块、故障录波模块；

时标发送模块，用于将录波启动时刻的绝对时标下发给故障指示器；

零序电压波形采集模块，用于边缘计算FTU采集零序电压波形；

故障录波文件获取模块，用于根据故障指示器的相电流录波合成零序电流波形，并叠加边缘计算FTU采集的零序电压波形，形成包括Ua、Ub、Uc、3U0、Ia、Ib、Ic、3I0八个通道的故障录波文件，其中，Ua为A相电压，Ub为B相电压，Uc为C相电压，3U0为零序电压，Ia为A相电流，Ib为B相电流，Ic为C相电流，3I0为零序电流；

时标接收模块，用于接收边缘计算FTU的时标发送模块发送的录波启动时刻的绝对时标；

故障录波模块，用于录波启动时刻进行故障录波，所述故障录波包括启动时刻前若干个周波以及启动时刻后若干个周波的录波数据。

10.根据权利要求9所述的故障研判装置，其特征在于，所述边缘计算FTU的硬件结构具体包括如下：

包括双核中央处理核心单元、电源模块、电流电压采集模块、开出控制模块、开入采集模块、安全模块、对下通讯模块、对上通讯模块；所述电源模块给整个边缘计算FTU提供供电，双核中央处理核心单元为整个边缘计算FTU提供核算算力，电流电压采集模块与双核中央处理核心单元通过SPI总线连接，开出控制模块与双核中央处理核心单元通过GPIO交互，开入采集模块与双核中央处理核心单元通过GPIO交互连接，安全模块与双核中央处理核心单元通过SPI串行总线接口连接，对下通讯模块与双核中央处理核心单元通过SPI串行总线连接，用于与所述故障指示器通讯，对上通讯模块与双核中央处理核心单元通过USB总线接口连接。

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