CN115395643A - 基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置及系统，该装置包括：上行通信模块、下行通信模块、电源模块、故障定位模块、预警模块、管理模块、扩展模块；其中，扩展模块用于根据各低压配电网故障预警定位装置所对应台区内接入设备类别，扩展若干监测数据处理模块；监测数据处理模块用于对台区感知端内设备发送的实时状态信息以及所对应的位置信息进行运行状态的综合分析。本发明利用物联网技术所具备的故障信息采集、故障数据分析处理和无线通信的功能，实现就地的故障特征综合分析，提升故障预警精准度，迅速地分析判断出故障发生的位置，以提高低压配电网的状态监测水平和运维管理水平。
Description
技术领域
本发明涉及低压配电网故障检测技术领域，特别涉及基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置及系统。
背景技术
随着国家经济的发展，人们对电能质量、供电可靠性和故障定位、隔离、抢修等配电网的相关工作提出了更高的要求，如何提高低压配电网故障预警与研判定位准确度，如何满足电网稳定运行需求，是当前亟需解决的问题。
配电网预警是指根据相关实时信息跟踪电网的运行状态，完成对配电网及元件的安全评估，分析配电网的安全隐患，将异常信息向调度人员进行预警，方便相关处理措施的实施，将安全隐患解决在萌芽状态中。据统计，用户停电事故中80％以上都是配电网发生故障导致的，因此，对配电网运行过程中存在的故障风险进行有效的预警，及时采取风险防控措施，对保障供电安全性和可靠性显得尤为重要。但在过去相当长的一段时间内，因为发电、输电系统投资金额巨大，故障后果严重，而配电系统投资金额相对较小，故障也只能造成局部影响的原因，导致当前电力系统预警侧重于对整体大电网和输电网的预警，对配电网的预警关注较少。
低压配电网的故障定位是当低压配电网中出现短路或断线等故障，利用智能系统、装置实现快速判断、确定故障点所在馈线、区段的功能，故障定位是配电网自动化中的核心技术环节。低压配电网网络拓扑复杂，运行状态易受外部因素影响，故障发生的随机性强，但目前故障点的准确定位大多采用人工巡检的方式，故障不易及时排查。
综上可知，低压配电网长期以来对于对其故障预警定位没有有效的技术手段，而采用传统的自动化技术对低压配电网进行故障预警及定位存在技术实现复杂、预警准确率低、故障定位耗时长等缺点。
发明内容
为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，本发明的第一目的是提供基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置，安装在每个台区内，包括上行通信模块、下行通信模块、电源模块、故障定位模块、预警模块、管理模块、扩展模块；其中，
所述上行通信模块用于提供所述管理模块与后台监控中心通信；
所述下行通信模块用于提供所述管理模块与台区感知端通信；
所述电源模块用于为所述上行通信模块、所述下行通信模块、所述故障定位模块、所述预警模块、所述管理模块、所述扩展模块供电；
所述扩展模块用于根据各低压配电网故障预警定位装置所对应台区内接入设备类别，扩展若干监测数据处理模块，将各监测数据处理模块的状态分析结果均送至所述管理模块；
所述管理模块用于接收所述扩展模块中各监测数据处理模块的状态分析结果，并通过所述上行通信模块将所述状态分析结果上传至后台监测中心；所述故障定位模块用于根据所述管理模块发送的状态分析结果进行分级预警，生成预警通知单；
所述预警模块用于根据所述管理模块发送的状态分析结果及所述扩展模块中各监测数据处理模块的位置信息生成故障位置告知单；
所述管理模块还用于接收所述故障定位模块发送的预警通知单及所述预警模块故障位置告知单，并通过所述上行通信模块将所述预警通知单与所述故障位置告知单上传至后台监测中心；
所述监测数据处理模块用于对台区感知端内设备发送的实时状态信息以及所对应的位置信息进行运行状态的综合分析。
进一步地，所述监测数据处理模块包括储能装置监测数据处理模块、电动汽车/自行车充电站监测数据处理模块、分布式光伏监测数据处理模块、低压开关柜监测数据处理模块、低压分支箱监测数据处理模块、台区配电变压器监测数据处理模块、电能监测数据处理模块。
进一步地，所述低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收储能装置内储能装置状态感知单元发送的各电池堆实时状态信息以及储能装置所对应位置信息，所述储能装置监测数据处理模块根据各电池堆实时状态信息以及储能装置所对应位置信息进行状态分析；
所述低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收电动汽车/自行车充电站内电动汽车/自行车充电站状态感知单元发送的各电动汽车/自行车充电桩实时状态信息以及电动汽车/自行车充电站所对应位置信息，所述电动汽车/自行车充电站监测数据处理模块根据各电动汽车/自行车充电桩实时状态信息以及电动汽车/自行车充电站所对应位置信息进行运行状态的综合分析；
所述低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收分布式光伏电站内分布式光伏状态感知单元发送的分布式光伏电站实时状态信息以及其所对应的位置信息，所述分布式光伏监测数据处理模块根据所述分布式光伏电站实时状态信息以及其所对应的位置信息进行运行状态的综合分析；
所述低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收低压开关柜内低压开关柜状态感知单元发送的低压开关柜实时状态信息以及其所对应的位置信息，所述低压开关柜监测数据处理模块根据低压开关柜实时状态信息以及其所对应的位置信息进行运行状态的综合分析；
所述低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收低压分支箱内低压分支箱状态感知单元发送的低压分支箱实时状态信息以及其所对应的位置信息，所述低压分支箱监测数据处理模块根据低压分支箱实时状态信息以及其所对应的位置信息进行运行状态的综合分析；
所述低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收台区配电变压器内台区配电变压器状态感知单元发送的台区配电变压器实时状态信息以及其所对应的位置信息，所述低压分支箱监测数据处理模块根据台区配电变压器实时状态信息以及其所对应的位置信息进行运行状态的综合分析。
进一步地，所述低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收各智能电表发送的数据及智能电表所对应的位置信息，以及各智能电表进线侧的末端感知单元发送的智能电表实时进线侧电压、电流，所述电能监测数据处理模块利用智能电表发送的数据和末端感知单元发送的数据进行台区供电线路运行状态的综合分析。
进一步地，所述电能监测数据处理模块接收到智能电表与末端感知单元上传的数据时，首先判断台区内安装的所有智能电表或末端感知单元是否都有数据上传，若台区内全部智能电表或全部末端感知单元均有数据上传，则判定该低压配电网故障预警定位装置所对应台区内供电线路无故障发生，此时通过各个智能电表及末端感知单元所上传的信息进一步验证用户是否存在窃电行为，若无窃电行为，则状态分析结果定义为正常，若有窃电行为，则状态分析结果定义为异常；否则判定该低压配电网故障预警定位装置所对应台区内供电线路有故障发生，状态分析结果定义为故障，并根据台区供电线路拓扑图，通过改进的量子免疫网络算法进行故障区段的定向检索，找到故障区段具体位置。
进一步地，所述电能监测数据处理模块验证用户是否存在窃电行为包括：
当用户智能电表在预设时间间隔内出现电量值下降或者与正常情况下的值的误差超过预设值时，首先将台区总智能电表的总消耗电量值与各用户的分消耗电量值进行对比，总消耗电量值高于分消耗电量值，且与分消耗电量值之差大于阈值，则判定存在窃电行为；
若存在窃电行为，则将各用户智能电表数据与其进线侧所安装的末端感知单元进行数据比对，以电流、电压、功率因数三个方面作为窃电行为判别指标，通过失压异动监测、断流异动监测、反向电流异动监测、功率因素低异常监测判据，初步筛选出疑似窃电的用户，然后对疑似窃电用户智能电表中的用电数据进行预处理，经过预处理后，将数据作为输入，采用SDAE堆栈去噪自编码器提取用电数据特征，通过递归小波神经网络获得最终的窃电行为诊断结果。
进一步地，所述下行通信模块选用HPLC+RF通信方案，所述上行通信模块选用4G/5G通信方案；
所述扩展模块以插入扩展槽的形式装设在模组化低压配电网故障预警定位装置外壳内。
本发明的第二目的是提供基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位系统，包括：所述的基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置、后台监测中心、客户端、与台区感知端内设备对应的状态感知单元；其中，
所述状态感知单元用于实时获取台区感知端内对应设备的状态信息，并将对应设备的实时状态信息以及所对应的位置信息上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入对应的监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
所述后台监测中心通过立体式、全方位展示台区内配电场所设备实时信息，并以报表形式提供给用户；
所述客户端为用户提供终端应用界面，响应于用户需求查询台区状态数据，并及时根据推送的预警通知单与故障位置告知单安排后续检查工作。
进一步地，所述状态感知单元包括储能装置状态感知单元、电动汽车/自行车充电站状态感知单元、分布式光伏状态感知单元、低压开关柜状态感知单元、低压分支箱状态感知单元、台区配电变压器状态感知单元、末端感知单元。
进一步地，所述储能装置状态感知单元包含储能装置数据采集模块与第一通讯模块，所述第一通讯模块与下行通信模块进行数据传送，所述储能装置数据采集模块与储能装置的若干个电池堆连接，实时获取电池堆状态信息，各电池堆实时状态信息以及储能装置所对应位置信息通过所述第一通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入储能装置监测数据处理模块进行状态分析；
所述电动汽车/自行车充电站状态感知单元包含电动汽车/自行车充电桩数据采集模块与第二通讯模块，所述第二通讯模块与下行通信模块进行数据传送，电动汽车/自行车充电站数据采集模块与若干电动汽车/自行车充电桩连接，实时获取电动汽车/自行车充电桩状态信息，各电动汽车/自行车充电桩实时状态信息以及电动汽车/自行车充电站所对应位置信息通过第二通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入电动汽车/自行车充电站监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
所述分布式光伏状态感知单元包含分布式光伏数据采集模块与第三通讯模块，所述第三通讯模块与下行通信模块进行数据传送，所述分布式光伏数据采集模块与各光伏组件、逆变器连接，实时获取分布式光伏状态信息，分布式光伏电站实时状态信息以及其所对应的位置信息通过第三通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入分布式光伏监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
所述低压开关柜状态感知单元包含低压开关柜数据采集模块与第四通讯模块，第四通讯模块与下行通信模块进行数据传送，所述低压开关柜数据采集模块与开关柜内母线室、断路器室、电缆室、继电器仪表室连接，实时获取低压开关柜内状态信息，低压开关柜实时状态信息以及其所对应的位置信息通过第四通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入低压开关柜监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
所述低压分支箱状态感知单元包含低压分支箱数据采集模块与第五通讯模块，所述第五通讯模块与下行通信模块进行数据传送，所述低压分支箱数据采集模块实时获取低压分支箱状态信息，低压分支箱实时状态信息以及其所对应的位置信息通过第五通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入低压分支箱监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
所述台区配电变压器状态感知单元包含台区配电变压器数据采集模块与第六通讯模块，第六通讯模块与下行通信模块进行数据传送，所述台区配电变压器数据采集模块实时获取台区配电变压器状态信息，台区配电变压器实时状态信息以及其所对应的位置信息通过第六通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入低压分支箱监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
所述末端感知单元包含电表侧数据采集模块与第七通讯模块，所述第七通讯模块与下行通信模块进行数据传送，实时获取的智能电表进线侧电压、电流通过第七通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入电能监测数据处理模块进行运行状态的综合分析。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
为解决低压配电网故障预警与故障定位等技术难题，本发明提供基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置，利用物联网技术所具备的故障信息采集、故障数据分析处理和无线通信的功能，实现就地的故障特征综合分析，提升故障预警精准度，迅速地分析判断出故障发生的位置，以提高低压配电网的状态监测水平和运维管理水平。
本发明将低压配电网故障定位与预警功能集成至同一装置内，所采集的数据仅需处理一遍，即可完成低压配电网定位与预警需求，提高了数据利用率。
本发明将台区内电源、负荷、电力设备、供电线路的参数均纳入装置数据采集范围，实现了台区内数据全感知，扩大了装置功能应用范围，提高了对低压配电网的状态监测水平和运维管理水平。
本发明提供的装置以台区为单位，实现了就地的故障特征综合分析，能够迅速地分析判断出故障发生的位置，且预警精准度也得到了提升。
本发明提供的装置采用模块化设计，可满足各台区内的不同监测需求，使模组化低压配电网故障预警定位装置的监测对象可更灵活地配置。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为实施例1的基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位系统示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例1
基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位系统，如图1所示，包括：基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置、后台监测中心、客户端、与台区感知端内设备对应的状态感知单元；其中，
基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置采用模组化设计，包括上行通信模块、下行通信模块、电源模块、故障定位模块、预警模块、管理模块、扩展模块。每个台区内安装有上述的低压配电网故障预警定位装置。
状态感知单元用于实时获取台区感知端内对应设备的状态信息，并将对应设备的实时状态信息以及所对应的位置信息上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入对应的监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
后台监测中心基于PC WEB软件设计，通过立体式、全方位展示台区内配电场所设备运行状态、安防等实时信息，并以报表形式提供给用户，满足用户针对台区电源、设备、负荷、供电线路运行巡检的全景展示需求。
客户端为用户提供了基于移动WEB、移动APP在内的终端应用界面，用户可根据自身需求查询台区状态数据，并可及时根据推送的预警通知单与故障位置告知单安排后续检查工作，有效降低故障规模等级扩大的可能性。本实施例中，客户端为移动客户端。
本实施例中，状态感知单元包括储能装置状态感知单元、电动汽车/自行车充电站状态感知单元、分布式光伏状态感知单元、低压开关柜状态感知单元、低压分支箱状态感知单元、台区配电变压器状态感知单元、末端感知单元。
在储能装置中安装储能装置状态感知单元，包含储能装置数据采集模块与第一通讯模块，第一通讯模块与低压配电网故障预警定位装置中的下行通信模块进行数据传送，储能装置数据采集模块与储能装置的若干个电池堆连接，实时获取电池堆状态信息，包括SOC、电压、温度、有功功率、无功功率、转换效率等参数。各电池堆实时状态信息以及储能装置所对应位置信息通过第一通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入储能装置监测数据处理模块进行状态分析；
在电动汽车/自行车充电站中安装电动汽车/自行车充电站状态感知单元，电动汽车/自行车充电站状态感知单元包含电动汽车/自行车充电桩数据采集模块与第二通讯模块，第二通讯模块与低压配电网故障预警定位装置中的下行通信模块进行数据传送，电动汽车/自行车充电站数据采集模块与若干电动汽车/自行车充电桩连接，实时获取电动汽车/自行车充电桩状态信息，包括充电电压、充电电流、温度等参数。各电动汽车/自行车充电桩实时状态信息以及电动汽车/自行车充电站所对应位置信息通过第二通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入电动汽车/自行车充电站监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
在分布式光伏电站中安装分布式光伏状态感知单元，分布式光伏状态感知单元包含分布式光伏数据采集模块与第三通讯模块，第三通讯模块与低压配电网故障预警定位装置中的下行通信模块进行数据传送，分布式光伏数据采集模块与各光伏组件、逆变器连接，实时获取分布式光伏状态信息，包括电压、电流、温度、湿度、光辐照度、转换效率等参数，分布式光伏电站实时状态信息以及其所对应的位置信息通过第三通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入分布式光伏监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
在低压开关柜安装低压开关柜状态感知单元，低压开关柜状态感知单元包含低压开关柜数据采集模块与第四通讯模块，第四通讯模块与低压配电网故障预警定位装置中的下行通信模块进行数据传送，低压开关柜数据采集模块与开关柜内母线室、断路器室、电缆室、继电器仪表室连接，实时获取低压开关柜内状态信息，包括电气设备温度及母线电压、负荷电流和环境温湿度。低压开关柜实时状态信息以及其所对应的位置信息通过第四通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入低压开关柜监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
在低压分支箱中安装低压分支箱状态感知单元，低压分支箱状态感知单元包含低压分支箱数据采集模块与第五通讯模块，第五通讯模块与低压配电网故障预警定位装置中的下行通信模块进行数据传送，低压分支箱数据采集模块实时获取低压分支箱状态信息，包括环境温湿度以及各路电缆的电压、电流等参数。低压分支箱实时状态信息以及其所对应的位置信息通过第五通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入低压分支箱监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
在台区配电变压器中安装台区配电变压器状态感知单元，台区配电变压器状态感知单元包含台区配电变压器数据采集模块与第六通讯模块，第六通讯模块与低压配电网故障预警定位装置中的下行通信模块进行数据传送，台区配电变压器数据采集模块实时获取台区配电变压器状态信息，包括电压、电流、温度、振动异响等参数。台区配电变压器实时状态信息以及其所对应的位置信息通过第六通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入低压分支箱监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
利用智能电表的联网功能，将电压、电流、表码等数据以及智能电表所对应的位置信息通过低压配电网故障预警定位装置中的下行通信模块进行数据传送。同时在各智能电表进线侧安装末端感知单元，末端感知单元包含电表侧数据采集模块与第七通讯模块。第七通讯模块与低压配电网故障预警定位装置中的下行通信模块进行数据传送。电表侧数据采集模块实时获取智能电表进线侧电压、电流。末端感知单元所采集的数据也通过低压配电网故障预警定位装置中的下行通信模块进行数据传送。电能监测数据处理模块利用智能电表和末端感知单元数据进行台区供电线路运行状态的综合分析。受智能电表、末端感知单元联网情况的影响，通信过程中会发生丢包、延时等错误，为提高状态分析的容错性能，电能监测数据处理模块进行数据处理时智能电表与末端感知单元的通信状态互为印证。
实施例2
基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置，安装在每个台区内，采用模组化设计，包括上行通信模块、下行通信模块、电源模块、故障定位模块、预警模块、管理模块、扩展模块；其中，
上行通信模块用于提供管理模块与后台监控中心通信；本实施例中，上行通信模块选用4G/5G通信方案，无需布线，减少工程施工量以及实施成本。
下行通信模块用于提供管理模块与台区感知端通信；本实施例中，下行通信模块选用HPLC+RF通信方案，无需布线，减少工程施工量以及实施成本。
电源模块用于为上行通信模块、下行通信模块、故障定位模块、预警模块、管理模块、扩展模块稳定供电；
扩展模块用于根据各低压配电网故障预警定位装置所对应台区内接入设备类别，扩展若干监测数据处理模块，将各监测数据处理模块的状态分析结果均送至管理模块；
管理模块用于接收扩展模块中各监测数据处理模块的状态分析结果，并通过上行通信模块将状态分析结果上传至后台监测中心，后台监测中心可进一步将信息推送至各个手机客户端。
故障定位模块与管理模块进行双向信息传输，用于根据管理模块发送的状态分析结果进行分级预警，生成预警通知单；具体地，若状态分析结果为故障，则故障定位模块根据台区感知端内设备如储能装置、电动汽车/自行车充电站、分布式光伏电站、低压开关柜、台区配电变压器、各智能电表位置信息生成故障位置告知单。
预警模块与管理模块进行双向信息传输，用于根据管理模块发送的状态分析结果及扩展模块中各监测数据处理模块的位置信息生成故障位置告知单；具体地，若状态分析结果为异常，则预警模块根据分析结果进一步进行分级预警，生成预警通知单；
管理模块还用于接收故障定位模块发送的预警通知单及预警模块发送的故障位置告知单，并通过上行通信模块将预警通知单与故障位置告知单上传至后台监测中心，后台监测中心可进一步将信息推送至各个手机客户端。
监测数据处理模块用于对台区感知端内设备发送的实时状态信息以及所对应的位置信息进行运行状态的综合分析。
监测数据处理模块包括储能装置监测数据处理模块、电动汽车/自行车充电站监测数据处理模块、分布式光伏监测数据处理模块、低压开关柜监测数据处理模块、低压分支箱监测数据处理模块、台区配电变压器监测数据处理模块、电能监测数据处理模块。
本实施例中，扩展模块以插入扩展槽的形式装设在模组化低压配电网故障预警定位装置外壳内，可根据各装置所对应台区内接入设备类别，向扩展槽内插入储能装置监测数据处理模块、电动汽车/自行车充电站监测数据处理模块、分布式光伏监测数据处理模块、低压开关柜监测数据处理模块、低压分支箱监测数据处理模块、台区配电变压器监测数据处理模块、电能监测数据处理模块，以满足各台区内的不同监测需求，使模组化低压配电网故障预警定位装置的监测对象可更灵活地配置。
低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收储能装置内储能装置状态感知单元发送的各电池堆实时状态信息以及储能装置所对应位置信息，储能装置监测数据处理模块根据各电池堆实时状态信息以及储能装置所对应位置信息进行状态分析；
低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收电动汽车/自行车充电站内电动汽车/自行车充电站状态感知单元发送的各电动汽车/自行车充电桩实时状态信息以及电动汽车/自行车充电站所对应位置信息，电动汽车/自行车充电站监测数据处理模块根据各电动汽车/自行车充电桩实时状态信息以及电动汽车/自行车充电站所对应位置信息进行运行状态的综合分析；
低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收分布式光伏电站内分布式光伏状态感知单元发送的分布式光伏电站实时状态信息以及其所对应的位置信息，分布式光伏监测数据处理模块根据分布式光伏电站实时状态信息以及其所对应的位置信息进行运行状态的综合分析；
低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收低压开关柜内低压开关柜状态感知单元发送的低压开关柜实时状态信息以及其所对应的位置信息，低压开关柜监测数据处理模块根据低压开关柜实时状态信息以及其所对应的位置信息进行运行状态的综合分析；
低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收低压分支箱内低压分支箱状态感知单元发送的低压分支箱实时状态信息以及其所对应的位置信息，低压分支箱监测数据处理模块根据低压分支箱实时状态信息以及其所对应的位置信息进行运行状态的综合分析；
低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收台区配电变压器内台区配电变压器状态感知单元发送的台区配电变压器实时状态信息以及其所对应的位置信息，低压分支箱监测数据处理模块根据台区配电变压器实时状态信息以及其所对应的位置信息进行运行状态的综合分析。
低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收各智能电表发送的数据及智能电表所对应的位置信息，以及各智能电表进线侧的末端感知单元发送的智能电表实时进线侧电压、电流，电能监测数据处理模块利用智能电表发送的数据和末端感知单元发送的数据进行台区供电线路运行状态的综合分析，电能监测数据处理模块进行数据处理时，智能电表与末端感知单元的通信状态互为印证。
因台区内供电线路连接复杂、线路状态受人为窃电行为影响，电能监测数据处理模块内采用了一种考虑窃电行为的低压配电网线路状态分析方案。在接收到智能电表与末端感知单元上传数据时，首先判断台区内安装的所有智能电表或末端感知单元是否都有数据上传，若台区内全部智能电表或全部末端感知单元均有数据上传，则证明该低压配电网故障预警定位装置所对应台区内供电线路无故障发生，此时通过各个智能电表及末端感知单元所上传的信息进一步验证用户是否存在窃电行为，若无窃电行为，则状态分析结果定义为正常，若有窃电行为，则状态分析结果定义为异常；否则，则证明该低压配电网故障预警定位装置所对应台区内供电线路有故障发生，状态分析结果定义为故障，并根据台区供电线路拓扑图，通过改进的量子免疫网络算法进行故障区段的定向检索，找到故障区段具体位置。
电能监测数据处理模块验证用户是否存在窃电行为包括：
用户利用不当手段进行窃电时，用户智能电表中的电流、电量等相关参量会发生变化，当在预设时间间隔内出现电量值下降或者与正常情况下的值的误差超过预设值时，就要对比分析用户是否存在窃电行为。其中，预设时间间隔和预设值均可根据实际需求进行设置，如设置预设时间间隔为24小时等，设置预设值为20千瓦时等。首先将台区总智能电表的总消耗电量值与各用户的分消耗电量值进行对比，总消耗电量值高于分消耗电量值，且与分消耗电量值之差大于阈值，则判定存在窃电行为。
若存在窃电行为，则进一步将各用户智能电表数据与其进线侧所安装的末端感知单元进行数据比对。以电流、电压、功率因数三个方面作为窃电行为判别指标，通过失压异动监测、断流异动监测、反向电流异动监测、功率因素低异常监测等判据，初步筛选出疑似窃电的用户。然后对疑似窃电用户智能电表中的用电数据进行预处理。经过预处理后，将数据作为输入，采用SDAE堆栈去噪自编码器提取用电数据特征，进而通过递归小波神经网络获得最终的窃电行为诊断结果，从而确定计量异常原因，实现精准判别。
基于用电数据的时序特征，预处理的基本步骤包括缺失值处理、异常值处理和归一化处理。对于记录中缺失的数据，可以通过线性插值来恢复，具体表达式为
其中xt∈NAN表示xt是空值或是非数值。为了去除用电序列中的异常点，使用3σ定律来恢复不准确的值：
其中，avg()和std()分别用于计算序列x的均值和标准差。为减小数据中不同属性大小对计算的影响，对异常值处理后的用电序列进行归一化处理，具体表达式如下：
其中min()和max()分别用于计算序列x的最小值和最大值。经过预处理后，将数据作为输入，提取用电数据特征。SDAE堆栈去噪自编码器主要结构由3个同样的降噪自编码器堆叠而成，其中每一个隐层的输入为上一个隐层的输出，将最后一个输出作为重构数据，借此还原出原始数据集的特征，最大限度地表现数据的特点。假设此时经过预处理的数据集为U，通过编码器的编码函数h变换为编码特征y，U与y的转换关系为：y＝hθ(U)＝s(WU+b)，式中s是神经网络的激励函数，此处使用的是Sig-moid函数作为激励函数；θ＝{W,b}为参数集合，之后经过转换得到U的重构数据：
在整个模型的训练过程中，参数θ和θ’会以平均重构误差最小为目标不断优化，最终得到的y是获取了原始数据集U大部分特征的特征提取结果。将经过处理的数据和特征作为递归小波神经网络的输入，经过网络第二层的节点，每个节点的输出通过下列公式计算：
式中，yi表示隶属度函数。网络中第三层每个节点的输出为
第四层是网络的单隐含层，将高斯小波函数作为激活函数，则第四层的每个小波表示为
式中，r表示离散时间，mi(r)表示离散时间为r时的小波平移系数，ni(r)表示离散时间为r时的小波伸缩系数，ω表示反馈增益。则第四层的输出为uo3(y)＝ψi(r)·uo2(y)。将第四层的输出作为第五层的输入，则结合判别指标，输出的精确诊断结果为
上述通过改进的量子免疫网络算法进行故障区段的定向检索的流程是在分层降维的基础上，通过构建一个反应期望故障信息与实际接收信息之间差异的适应度函数，将故障定位问题转化为求解目标函数的最小值问题，其定位具体流程为：
依据台区拓扑结构信息以及智能电表位置信息将网络分成单/双/多端区段，根据台区内电源接入情况将网络划分为有源支路和无源支路。
对于台区内的供电，引入0-1量子编码方式，0表示该智能电表及其所对应进线侧末端感知单元均无数据上传，1表示该智能电表及其所对应进线侧末端感知单元至少一方有数据上传，根据智能电表上传信息的状态、其所对应进线侧末端感知单元上传信息的状态、以及其位置信息形成编码矩阵。
首先检查接收到的智能电表位置信息中属于无源支路的部分。如果某条无源支路及其下游支路中所有节点都没有0编码，则判定该支路上不存在故障点，可以在模型中暂时去除这些节点；如果某条无源支路及其下游支路中任意节点有0编码，则不将其去除。
以多分支节点为边界点进行区域等效模型简化，其中每个等效区域的信息为其代表区域内最靠近主电源的智能电表形成的编码信息。根据各等效区域信息，利用改进量子免疫网络算法进行区域定位，确定线路故障发生的可能区域。若迭代后的某区域状态为1，则判定该区域无故障发生，排除该区域。
对得到的所有故障发生的可能区域进行定向检索，将其他区域的所有节点状态都锁定为正常，仅对指定区域再次利用改进量子免疫网络算法进行故障区段定位。
改进的量子免疫网络算法通过改进适应度函数的方式提高定位精准度。具体改进方式为：受智能电表、末端感知单元联网情况的影响，通信过程中会发生丢包、延时等错误，为提高故障区段定位的容错性能，将信息漏报的畸变因子λi计入故障变量，构建新的故障定位目标函数
式中，K为智能电表总数；Ii为第i个智能电表的状态编码；
为计及信息畸变的智能电表状态编码期望值；ω1、ω2、ω3为权重系数；L为台区供电线路区段总数；lj为区段j的状态编码。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变换。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的权利要求范围之内。本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例。
Claims (10)
1.基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置，安装在每个台区内，其特征在于，包括上行通信模块、下行通信模块、电源模块、故障定位模块、预警模块、管理模块、扩展模块；其中，
所述上行通信模块用于提供所述管理模块与后台监控中心通信；
所述下行通信模块用于提供所述管理模块与台区感知端通信；
所述电源模块用于为所述上行通信模块、所述下行通信模块、所述故障定位模块、所述预警模块、所述管理模块、所述扩展模块供电；
所述扩展模块用于根据各低压配电网故障预警定位装置所对应台区内接入设备类别，扩展若干监测数据处理模块，将各监测数据处理模块的状态分析结果均送至所述管理模块；
所述管理模块用于接收所述扩展模块中各监测数据处理模块的状态分析结果，并通过所述上行通信模块将所述状态分析结果上传至后台监测中心；
所述故障定位模块用于根据所述管理模块发送的状态分析结果进行分级预警，生成预警通知单；
所述预警模块用于根据所述管理模块发送的状态分析结果及所述扩展模块中各监测数据处理模块的位置信息生成故障位置告知单；
所述管理模块还用于接收所述故障定位模块发送的预警通知单及所述预警模块发送的故障位置告知单，并通过所述上行通信模块将所述预警通知单与所述故障位置告知单上传至后台监测中心；
所述监测数据处理模块用于对台区感知端内设备发送的实时状态信息以及所对应的位置信息进行运行状态的综合分析。
2.根据权利要求1所述的基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置，其特征在于：所述监测数据处理模块包括储能装置监测数据处理模块、电动汽车/自行车充电站监测数据处理模块、分布式光伏监测数据处理模块、低压开关柜监测数据处理模块、低压分支箱监测数据处理模块、台区配电变压器监测数据处理模块、电能监测数据处理模块。
3.根据权利要求2所述的基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置，其特征在于：所述低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收储能装置内储能装置状态感知单元发送的各电池堆实时状态信息以及储能装置所对应位置信息，所述储能装置监测数据处理模块根据各电池堆实时状态信息以及储能装置所对应位置信息进行状态分析；
所述低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收电动汽车/自行车充电站内电动汽车/自行车充电站状态感知单元发送的各电动汽车/自行车充电桩实时状态信息以及电动汽车/自行车充电站所对应位置信息，所述电动汽车/自行车充电站监测数据处理模块根据各电动汽车/自行车充电桩实时状态信息以及电动汽车/自行车充电站所对应位置信息进行运行状态的综合分析；
所述低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收分布式光伏电站内分布式光伏状态感知单元发送的分布式光伏电站实时状态信息以及其所对应的位置信息，所述分布式光伏监测数据处理模块根据所述分布式光伏电站实时状态信息以及其所对应的位置信息进行运行状态的综合分析；
所述低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收低压开关柜内低压开关柜状态感知单元发送的低压开关柜实时状态信息以及其所对应的位置信息，所述低压开关柜监测数据处理模块根据低压开关柜实时状态信息以及其所对应的位置信息进行运行状态的综合分析；
所述低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收低压分支箱内低压分支箱状态感知单元发送的低压分支箱实时状态信息以及其所对应的位置信息，所述低压分支箱监测数据处理模块根据低压分支箱实时状态信息以及其所对应的位置信息进行运行状态的综合分析；
所述低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收台区配电变压器内台区配电变压器状态感知单元发送的台区配电变压器实时状态信息以及其所对应的位置信息，所述低压分支箱监测数据处理模块根据台区配电变压器实时状态信息以及其所对应的位置信息进行运行状态的综合分析。
4.根据权利要求2所述的基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置，其特征在于：所述低压配电网故障预警定位装置通过下行通信模块接收各智能电表发送的数据及智能电表所对应的位置信息，以及各智能电表进线侧的末端感知单元发送的智能电表实时进线侧电压、电流，所述电能监测数据处理模块利用智能电表发送的数据和末端感知单元发送的数据进行台区供电线路运行状态的综合分析。
5.根据权利要求4所述的基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置，其特征在于：所述电能监测数据处理模块接收到智能电表与末端感知单元上传的数据时，首先判断台区内安装的所有智能电表或末端感知单元是否都有数据上传，若台区内全部智能电表或全部末端感知单元均有数据上传，则判定该低压配电网故障预警定位装置所对应台区内供电线路无故障发生，此时通过各个智能电表及末端感知单元所上传的信息进一步验证用户是否存在窃电行为，若无窃电行为，则状态分析结果定义为正常，若有窃电行为，则状态分析结果定义为异常；否则判定该低压配电网故障预警定位装置所对应台区内供电线路有故障发生，状态分析结果定义为故障，并根据台区供电线路拓扑图，通过改进的量子免疫网络算法进行故障区段的定向检索，找到故障区段具体位置。
6.根据权利要求5所述的基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置，其特征在于，所述电能监测数据处理模块验证用户是否存在窃电行为包括：
当用户智能电表在预设时间间隔内出现电量值下降或者与正常情况下的值的误差超过预设值时，首先将台区总智能电表的总消耗电量值与各用户的分消耗电量值进行对比，总消耗电量值高于分消耗电量值，且与分消耗电量值之差大于阈值，则判定存在窃电行为；
若存在窃电行为，则将各用户智能电表数据与其进线侧所安装的末端感知单元进行数据比对，以电流、电压、功率因数三个方面作为窃电行为判别指标，通过失压异动监测、断流异动监测、反向电流异动监测、功率因素低异常监测判据，初步筛选出疑似窃电的用户，然后对疑似窃电用户智能电表中的用电数据进行预处理，经过预处理后，将数据作为输入，采用SDAE堆栈去噪自编码器提取用电数据特征，通过递归小波神经网络获得最终的窃电行为诊断结果。
7.根据权利要求1所述的基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置，其特征在于：所述下行通信模块选用HPLC+RF通信方案，所述上行通信模块选用4G/5G通信方案；
所述扩展模块以插入扩展槽的形式装设在模组化低压配电网故障预警定位装置外壳内。
8.基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位系统，其特征在于，包括：如权利要求1至7任一项所述的基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位装置、后台监测中心、客户端、与台区感知端内设备对应的状态感知单元；其中，
所述状态感知单元用于实时获取台区感知端内对应设备的状态信息，并将对应设备的实时状态信息以及所对应的位置信息上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入对应的监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
所述后台监测中心通过立体式、全方位展示台区内配电场所设备实时信息，并以报表形式提供给用户；
所述客户端为用户提供终端应用界面，响应于用户需求查询台区状态数据，并及时根据推送的预警通知单与故障位置告知单安排后续检查工作。
9.根据权利要求8所述的基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位系统，其特征在于：所述状态感知单元包括储能装置状态感知单元、电动汽车/自行车充电站状态感知单元、分布式光伏状态感知单元、低压开关柜状态感知单元、低压分支箱状态感知单元、台区配电变压器状态感知单元、末端感知单元。
10.根据权利要求9所述的基于全数据采集和状态感知的低压配电网故障预警定位系统，其特征在于：所述储能装置状态感知单元包含储能装置数据采集模块与第一通讯模块，所述第一通讯模块与下行通信模块进行数据传送，所述储能装置数据采集模块与储能装置的若干个电池堆连接，实时获取电池堆状态信息，各电池堆实时状态信息以及储能装置所对应位置信息通过所述第一通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入储能装置监测数据处理模块进行状态分析；
所述电动汽车/自行车充电站状态感知单元包含电动汽车/自行车充电桩数据采集模块与第二通讯模块，所述第二通讯模块与下行通信模块进行数据传送，电动汽车/自行车充电站数据采集模块与若干电动汽车/自行车充电桩连接，实时获取电动汽车/自行车充电桩状态信息，各电动汽车/自行车充电桩实时状态信息以及电动汽车/自行车充电站所对应位置信息通过第二通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入电动汽车/自行车充电站监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
所述分布式光伏状态感知单元包含分布式光伏数据采集模块与第三通讯模块，所述第三通讯模块与下行通信模块进行数据传送，所述分布式光伏数据采集模块与各光伏组件、逆变器连接，实时获取分布式光伏状态信息，分布式光伏电站实时状态信息以及其所对应的位置信息通过第三通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入分布式光伏监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
所述低压开关柜状态感知单元包含低压开关柜数据采集模块与第四通讯模块，第四通讯模块与下行通信模块进行数据传送，所述低压开关柜数据采集模块与开关柜内母线室、断路器室、电缆室、继电器仪表室连接，实时获取低压开关柜内状态信息，低压开关柜实时状态信息以及其所对应的位置信息通过第四通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入低压开关柜监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
所述低压分支箱状态感知单元包含低压分支箱数据采集模块与第五通讯模块，所述第五通讯模块与下行通信模块进行数据传送，所述低压分支箱数据采集模块实时获取低压分支箱状态信息，低压分支箱实时状态信息以及其所对应的位置信息通过第五通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入低压分支箱监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
所述台区配电变压器状态感知单元包含台区配电变压器数据采集模块与第六通讯模块，第六通讯模块与下行通信模块进行数据传送，所述台区配电变压器数据采集模块实时获取台区配电变压器状态信息，台区配电变压器实时状态信息以及其所对应的位置信息通过第六通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入低压分支箱监测数据处理模块进行运行状态的综合分析；
所述末端感知单元包含电表侧数据采集模块与第七通讯模块，所述第七通讯模块与下行通信模块进行数据传送，实时获取的智能电表进线侧电压、电流通过第七通讯模块上传至低压配电网故障预警定位装置后，进入电能监测数据处理模块进行运行状态的综合分析。
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| 唐冬来;付世峻;尚忠玉;游传强;倪平波;: "电网末端智能系统技术研究与应用", 电子世界, no. 12, 23 June 2018 (2018-06-23), pages 145 - 146 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116881639A (zh) * | 2023-07-10 | 2023-10-13 | 国网四川省电力公司营销服务中心 | 一种基于生成对抗网络的窃电数据合成方法 |
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