一二次融合成套环网箱故障诊断方法及系统与流程

本发明涉及配电网电测量与故障诊断，具体涉及一二次融合成套环网箱故障诊断方法及系统。

背景技术：

1、目前，一二次融合成套环网箱在配电网中应用日益广泛，其将一次设备和二次设备深度融合于同一柜体中，实现了测量、保护、控制、监测等多功能集成。然而，这种融合结构也带来了新的技术问题。

2、其一，一次设备在进行断路器分合闸、隔离开关操作时，会产生强烈的电磁干扰，该干扰经空间耦合或传导路径作用于二次设备，导致电压、电流等电气量采集数据中出现脉冲尖峰、波形畸变等异常，严重污染了二次设备的感知数据。现有处理方式多为简单滤波或人工经验剔除，缺乏系统性的干扰时段精确定位和自动判别手段，导致进入后续诊断环节的数据可靠性不足。

3、其二，环网箱内部设备种类多、电气连接关系复杂，现有故障诊断方法大多依赖人工经验判读或简单的阈值告警，难以实现故障类型的自动判定、故障位置的准确定位以及设备剩余寿命的量化预测。尤其是在缺乏高效数据传输策略的情况下，大量监测数据汇聚后容易造成传输拥塞，关键数据无法得到优先保障，进一步影响故障诊断的时效性和准确性。

4、因此，本发明提出一二次融合成套环网箱故障诊断方法及系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一二次融合成套环网箱故障诊断方法及系统，解决上述技术问题。

2、一二次融合成套环网箱故障诊断方法，所述方法包括如下步骤：

3、步骤s1、采集一二次融合成套环网箱内一次设备运行状态数据和二次设备的电气量数据、状态量数据；

4、根据一次设备动作时序数据，划定一次设备操作产生的电磁干扰在时间轴上的分布区间，形成干扰时间序列；

5、对二次设备采集数据做干扰时段剔除处理，即把时间戳落入所述干扰时间序列内的数据段标为干扰数据段，取出这些数据段的电磁响应特征参数，按固定判别准则做硬阈值判定，剔除被判为受干扰的数据段，余下数据构成有效感知数据集；

6、步骤s2、对有效感知数据集分类分级：分为故障录波数据、状态评估数据、环境与辅助数据三类，再按各类数据对故障诊断的贡献大小和实时性要求划分等级；对高等级数据用独立物理通道传输并辅以双路并行物理链路，对低等级数据则先汇聚再批量发送；

7、步骤s3、为一二次融合成套环网箱构建数字孪生体；设定三级健康指标体系，一级为设备级整体健康度，二级为组件级健康度，三级为参数级可测指标，各级指标用固定权值逐级相乘算得整体健康度，同时取最小值定位短板项；构建反映环网箱内部拓扑和电气连接关系的图结构，制成状态-故障对照索引表，把当前监测数据中的关键状态量拿来跟索引表中的故障特征条目逐一比对，以此确定故障类型、故障位置及影响范围；根据整体健康度评估结果和历史退化趋势，用线性外推法加固定衰减因子推算剩余使用寿命，再结合故障影响范围给出分级预警；

8、步骤s4、将步骤s1至s3得到的干扰识别记录、有效感知数据集、健康度评估结果、故障类型及位置、故障影响范围、预警等级、剩余寿命预测值汇总成结构化诊断报告并输出。

9、作为本发明技术方案的进一步描述，所述步骤s1中：

10、一次设备运行状态数据包括断路器分合闸位置信号、隔离开关位置信号、接地开关位置信号及储能电机工作电流；

11、二次设备电气量数据包括三相电压、三相电流、零序电压、零序电流及频率；

12、二次设备状态量数据包括保护装置动作信号、重合闸信号、告警信号及设备自检状态字。

13、作为本发明技术方案的进一步描述，所述步骤s1具体工作过程包括：

14、步骤s1-1、采集一二次融合成套环网箱内一次设备运行状态数据和二次设备的电气量数据、状态量数据；

15、步骤s1-2、从一次设备的动作时序数据中读取断路器分闸指令发出时刻t1、断路器辅助触点变位时刻t2、隔离开关动作起始时刻t3及隔离开关动作完成时刻t4；

16、步骤s1-3、以t1为起点、t4为终点划定一个连续时间区间，将该区间内进一步划分为三个子区间：合闸暂态区间[t1，t1+δt1]、主燃弧区间[t1+δt1，t2-δt2]、熄弧与恢复区间[t2-δt2，t4]，其中δt1取3~8毫秒，δt2取5~15毫秒，δt1和δt2的具体取值根据断路器型号从预先存储的型号参数表中读取；

17、步骤s1-4、将步骤s1-3中三个子区间合并，向外扩展一个保护裕度δt，δt取10~20毫秒，扩展后形成的连续时间段记作一次设备干扰时间序列；

18、步骤s1-5、逐一检查每组二次设备数据的时间戳，凡时间戳落入所述干扰时间序列内的数据段，整段标记为干扰数据段；

19、步骤s1-6、从步骤s1-5标记出的干扰数据段中截取波形数据，计算波形数据的幅值变化率峰值、谐波总畸变率及工频分量幅值波动范围；

20、步骤s1-7、设定幅值变化率峰值阈值th1、谐波总畸变率阈值th2、工频分量幅值波动范围阈值th3，当幅值变化率峰值＞th1且谐波总畸变率＞th2且工频分量幅值波动范围＞th3同时满足时，将该数据段判为受电磁干扰数据段，予以剔除；

21、步骤s1-8、当步骤s1-7中三个条件不同时满足时，暂不剔除而将该数据段送入缓存区，在缓存区中继续检查该数据段的前后各三个连续数据段，若前后数据段中有两个以上已被判为受干扰数据段，则将该数据段连同前后被判为受干扰的数据段一并剔除；

22、步骤s1-9、所有被判为受干扰并予以剔除的数据段生成干扰识别记录，干扰识别记录至少包含被剔除数据段的起始时间戳、终止时间戳及所对应的三个判定参数值；

23、步骤s1-10、剩余未被剔除的二次设备数据经时间轴对齐后合并，输出有效感知数据集。

24、作为本发明技术方案的进一步描述，所述步骤s2具体工作过程包括：

25、步骤s2-1、将有效感知数据集按来源分流：故障录波装置的数据归入故障录波类，在线监测装置的数据归入状态评估类，传感器数据归入环境与辅助类；

26、步骤s2-2、对故障录波数据类做二次细分：电流突变率超过每周期30%或电压跌落超过额定值20%的录波段标记为触发型录波数据，其余标记为常规录波数据；

27、对状态评估数据类做二次细分：将断路器触头接触电阻、操作机构动作时间、主回路绝缘电阻三项归入核心评估数据，将局部放电量、各连接点温升值、操作次数累计值三项归入一般评估数据；

28、对环境与辅助数据类不做二次细分，整类保留；

29、步骤s2-3、按优先级从高到低排列五个数据子类：触发型录波数据定为第一级，常规录波数据定为第二级，核心评估数据定为第三级，一般评估数据定为第四级，环境与辅助数据定为第五级；

30、步骤s2-4、将数据分类定级后，进行差异化传输。

31、作为本发明技术方案的进一步描述，所述步骤s2-4中差异化传输具体过程包括：

32、步骤s2-41、对第一级数据做如下传输处理：单独占用一路独立物理通道，同时将该路数据复制后经另一条物理链路并行发送，接收端对两路数据进行逐位比对，任一路数据到达即先行交付，两路数据一致则确认无误，两路数据不一致时以先到的一路为准并记录差异日志；

33、对第二级和第三级数据做如下传输处理：共用一路独立物理通道，按时间戳顺序依次发送，不做复制冗余，发送间隔不超过20毫秒；

34、对第四级和第五级数据做如下传输处理：先在本地缓存区中按每100毫秒为一个汇聚窗口进行攒批，每个窗口内的数据按采集时间戳顺序拼接成数据包，窗口结束后统一发送，发送间隔固定为100毫秒；

35、步骤s2-42、所有传输通道均设置独立的发送队列和重试机制，单包发送失败时立即重发，连续重发三次仍失败则将该包存入本地失败队列并生成传输异常记录；

36、接收端按数据等级的不同时效要求分别确认：第一级数据要求200毫秒内到达，第二级和第三级数据要求500毫秒内到达，第四级和第五级数据要求2秒内到达，超时未达的数据包标记为传输丢失并记录丢失清单。

37、作为本发明技术方案的进一步描述，所述步骤s3具体工作过程包括：

38、步骤s3-1、为一二次融合成套环网箱构建数字孪生体，该数字孪生体由几何模型、电气参数模型和拓扑连接关系模型三部分构成，几何模型记录环网箱内各设备的安装位置、外形尺寸及相对空间布局，电气参数模型记录各设备的额定电气参数和操作机构额定行程，拓扑连接关系模型记录各设备之间的电气连接走向、连接点编号及电缆截面规格；

39、步骤s3-2、通过传感器采集三级指标中的各项可测参数，将采集到的各项三级指标实测值分别代入各自评分函数计算得分，各评分函数均为分段线性函数，每个三级指标对应一组固定的分段拐点值，拐点值由设备出厂试验报告和历史运行统计值确定，实测值落在哪个区段即输出对应的分数；

40、步骤s3-3、计算各组件健康度，各组件健康度由该组件所包含的各项三级指标得分按固定权值相乘并归一化得到，然后对每个组件的三级指标取最小值定位出该组件的最低得分项，将该组件健康度减去一个固定扣减值，扣减值与最低得分项相关，扣减后的数值为该组件的最终健康度得分；再以各组件最终健康度按固定权值相乘并归一化，得到设备级整体健康度作为一级指标输出。

41、作为本发明技术方案的进一步描述，所述步骤s3具体工作过程还包括：

42、步骤s3-4、构建反映环网箱内部拓扑结构和电气连接关系的节点-支路图，该图为无向图，节点代表各一次设备，支路代表电气连接线，每条支路记录其额定载流量和实测电流值；按图逐条支路检查实测电流与额定载流量的偏差，偏差超过预设固定门槛值的支路标记为异常支路，异常支路两端节点标记为嫌疑节点；读取预存在本地数据库中的故障类型-特征对照表，将嫌疑节点所对应设备的当前实测电气特征量与对照表中的各行进行匹配，匹配成功则判定该节点发生对应类型的故障，输出故障类型和故障定位结果；

43、步骤s3-5、从所有匹配成功的嫌疑节点出发，沿节点-支路图向相邻支路做搜索，搜索时只扩展标记为异常支路的路径，遇到正常支路或边界节点即停止该方向扩展，将所有搜索到的异常支路和经过的节点纳入故障影响范围；从当前时刻向前倒推，取连续若干个历史整点时刻的整体健康度数值，用最小二乘法做一元线性拟合得到健康度随时间变化的斜率，按该斜率向未来延伸直至健康度降至预设阈值，将所需时间长度乘以固定衰减因子得到剩余使用寿命预测值；

44、步骤s3-6、将整体健康度与剩余使用寿命预测值相乘，归一化后得到综合预警评分，按综合预警评分所在分值区间设定四级预警信号并输出，预警信号生成后同步记录触发时刻、触发时的整体健康度分数和剩余寿命预测值。

45、一二次融合成套环网箱故障诊断系统，所述系统包括：

46、数据采集模块，采集一次设备运行状态数据和二次设备的电气量数据、状态量数据；

47、干扰处理模块，根据一次设备动作时序划定电磁干扰时间序列，将时间戳落入该序列的二次设备数据段标记为干扰数据段，提取电磁响应特征参数并按固定判别准则判定，剔除受干扰数据段后输出有效感知数据集；

48、数据分级传输模块，将有效感知数据集按故障录波数据、状态评估数据、环境与辅助数据三类划分等级，高等级数据用独立物理通道辅以双路并行链路传输，低等级数据汇聚后批量发送；

49、数字孪生体构建与健康评估模块，为一二次融合成套环网箱构建包含几何模型、电气参数模型和拓扑连接关系模型的数字孪生体，采集三级指标可测参数代入分段线性评分函数得分，各组件健康度由三级指标得分按固定权值相乘并归一化得到，取最小值定位短板项做扣减后，再按固定权值相乘归一化得到设备级整体健康度；

50、故障诊断与预警模块，构建节点-支路图，将实测电流与额定载流量偏差超过预设门槛值的支路标记为异常支路，其两端节点为嫌疑节点，将嫌疑节点的实测电气特征量与预存故障类型-特征对照表匹配输出故障类型及位置，沿异常支路扩展搜索得到故障影响范围，取连续历史整体健康度值做线性拟合外推并乘以固定衰减因子得到剩余寿命预测值，再与整体健康度相乘归一化后按分值区间输出分级预警信号；

51、诊断报告生成模块，将干扰识别记录、有效感知数据集、整体健康度及短板项、故障类型及位置、故障影响范围、预警等级、剩余寿命预测值整合为结构化诊断报告并输出。

52、本发明的有益效果：本发明通过依据一次设备动作时序精确划定电磁干扰时间区间，结合三重门限联合判定与邻域补判机制，实现对受干扰二次数据的自动识别与剔除，有效提升了感知数据集的纯净度和可靠性，解决了因电磁干扰导致数据污染进而影响后续诊断准确性的问题。本发明通过对有效感知数据分类分级并采用差异化的传输策略，确保触发型录波等高价值数据通过双路并行物理链路可靠传输，解决了监测数据在有限传输资源下关键信息无法优先保障的问题。本发明通过构建数字孪生体，建立三级健康指标体系并采用固定权值逐级相乘和短板扣减方式评估整体健康度，同时利用节点-支路图电流偏差检测和预存故障特征对照表匹配实现故障类型的自动判定和故障位置的准确定位，通过线性外推加固定衰减因子实现剩余寿命的量化预测，整个诊断过程全部基于固定阈值、固定权值和查表匹配等确定性规则，计算过程清晰透明、判定依据可追溯，便于现场运维人员快速掌握设备状态并制定检修决策。