一种基于全景温升数据的电气配电柜故障预警与智能运维系统的制作方法

本发明涉及电力设备运行状态监测，具体为一种基于全景温升数据的电气配电柜故障预警与智能运维系统。

背景技术：

1、电气配电柜是电力系统中执行电能分配、控制与保护的核心物理节点。配电柜封闭内腔中布置有金属母排、断路器器件以及绝缘隔板等电气物理实体。电气配电柜的长期安全稳定运行是维持局部配电网供电可靠性的基础条件。

2、现有的电气配电柜运行状态监测主要针对发热缺陷与绝缘缺陷展开。现有技术通常在配电柜内部部署红外测温探头或接触式温度传感器以监测接触不良引发的温升异常，同时独立部署超声波传感器阵列以监听绝缘介质劣化产生的局部放电信号。在对局部放电故障进行空间定位时，现有系统提取超声波传感器阵列中各节点接收到放电信号的到达时间差，并基于空气介质中声速恒定以及声波直线传播的物理预设条件构建空间几何方程组，通过求解方程组得出局部放电发声源的三维坐标。

3、然而，在配电柜实际带负荷运行环境中，内部器件发热会在封闭空间中形成非均匀温度梯度。局部放电产生的瞬态超声波在非均匀温度场中传播时，传播速度随空间温度的梯度分布呈现非均匀变化，引发声波传播路径的物理折射与弯曲。现有的局部放电声学定位算法忽略了配电柜内腔实际存在的非均匀温升现象，在空间声速不一致的物理场景下依然采用恒定声速参数与直线传播假定执行时间差求解，导致解算出的局部放电空间坐标产生空间定位误差，使得现场运维人员无法精确锚定发生绝缘劣化的具体物理器件。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于全景温升数据的电气配电柜故障预警与智能运维系统，解决了现有配电柜监测技术中非均匀温升导致声学定位折射误差，以及多物理场耦合状态下故障诊断准度不足、抗噪收敛性差的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于全景温升数据的电气配电柜故障预警与智能运维系统，包括主控单元、信号收发模块、数据采集模块以及声学传感阵列。声学传感阵列包括多个呈空间稀疏拓扑分布于配电柜内腔的宽带超声波收发换能器。

3、主控单元内设有时分复用控制逻辑，时分复用控制逻辑将系统运行周期划分为交替执行的主动探测时隙与被动监听时隙。

4、在主动探测时隙内，主控单元控制信号收发模块激励声学传感阵列发射调制声波，数据采集模块同步记录空间多径混响数据，主控单元从空间多径混响数据中提取真实飞行时间参数构建空间声学反射拓扑矩阵，对配电柜内腔执行三维离散网格划分与声速层析解算以生成三维离散声速标量场，并将三维离散声速标量场转换为三维全景空气温度场，主控单元将三维全景空气温度场代入对流扩散偏微分方程执行逆向流体力学求解运算，生成映射配电柜内腔隐蔽发热源数值的稳定内生热源功率分布矩阵，并提取稳定内生热源功率分布矩阵中数值超出额定运行状态发热功率密度阈值的异常发热空间三维坐标。

5、在被动监听时隙内，信号收发模块切断电信号输出路径，声学传感阵列转入被动接收状态以监听配电柜内腔绝缘劣化引发的目标局部放电波形数据，主控单元提取目标局部放电波形数据的物理到达时间差生成局部放电到达时间差空间矩阵，并调用主动探测时隙生成的三维离散声速标量场作为先验物理参数，对局部放电到达时间差空间矩阵执行耦合三维热声标量场的非线性射线追踪补偿操作，计算得出消除空间温度梯度折射误差后的局部放电真实三维空间坐标。

6、主控单元针对异常发热空间三维坐标与局部放电真实三维空间坐标，在系统内部预置的配电柜三维计算辅助设计模型中执行物理坐标包围盒碰撞检测操作，确立配电柜内部故障物理器件的物理定位参量与故障模式参量，并生成智能运维工单数据包下发排查干预指令。

7、优选的，主控单元依据声学射线追踪计算结果获取理论多径时间延迟量，并将理论多径时间延迟量代入发射节点输出的调制声波时域表达式中生成带有物理延时特征的波形基向量，合并构成数字孪生先验字典矩阵，主控单元将实际采集的空间多径混响数据与数字孪生先验字典矩阵输入正交匹配追踪算法模块，以空间多径混响数据为观测向量，以数字孪生先验字典矩阵为匹配基准执行迭代投影与残差更新运算，并在判定残差数据的能量数值低于预设误差阈值时，依据最终输出的幅度系数以及对应的波形基向量提取多条有效非视距物理反射路径的真实飞行时间参数。

8、优选的，主控单元将配电柜内腔分割为多个立方体离散空间网格并分配独立的三维坐标索引，依据单条空间几何传播轨迹与各个立方体离散空间网格相交形成的贯穿线段长度建立系统权值矩阵，主控单元调用代数重建技术逻辑模块执行迭代逼近求解运算，计算特定传播路径的理论飞行时间数值与真实飞行时间参数之间的飞行时间残差，并提取系统内预设的松弛因子参数。主控单元依据系统权值矩阵中的贯穿线段长度分配比例以及系统内预设的松弛因子参数，将飞行时间残差反向补偿至特定传播路径穿过的各个立方体离散空间网格中完成空间慢度参数数值更新，最终对迭代运算终止时输出的最终空间慢度矩阵执行求倒数运算获取所有立方体离散空间网格的最终声速数值。

9、优选的，主控单元读取环境监测模块发送的初始环境相对湿度参数与初始环境大气压强参数，对标准状态下空气绝热指数与空气摩尔质量执行数值修正，获取实时空气绝热指数与实时空气摩尔质量，主控单元提取三维离散声速标量场中立方体离散空间网格的最终声速数值，并基于理想气体状态方程计算对应的绝对温度数值，绝对温度数值表现为实时空气摩尔质量与最终声速数值平方的乘积除以实时空气绝热指数与普适气体常数的乘积。

10、优选的，主控单元读取上一探测周期存储的历史三维全景空气温度场，结合当前三维全景空气温度场、历史三维全景空气温度场以及系统运行周期步长时间，计算得出时间偏导数代数分量，主控单元提取各个相邻立方体离散空间网格之间的温度差分数值与系统内部预置的配电柜内部流体动力学先验流速矢量分布数据中的流速差分数值，构建空间差分代数分量，主控单元将空间差分代数分量与时间偏导数代数分量按立方体离散空间网格三维坐标索引顺序组装成系统状态演化矩阵，构成以三维全景空气温度场以及空气热物性参数为已知输入参量、以内生热源功率密度为未知输出参量的物理反演基础运算架构。

11、优选的，主控单元调用广义交叉验证算法，提取系统状态演化矩阵的奇异值特征并结合三维全景空气温度场观测向量中的环境背景噪声水平，计算得出动态正则化平衡参数，主控单元构建由数据保真度代数项与正则化惩罚代数项叠加构成的求解目标泛函，正则化惩罚代数项由动态正则化平衡参数以及约束空间二阶导数边界的拉普拉斯离散算子矩阵构成，主控单元将求解目标泛函对各个待求内生热源功率密度元素求偏导数生成正规代数方程组，调用共轭梯度下降算法迭代生成剔除环境背景噪声干扰的稳定内生热源功率分布矩阵。

12、优选的，主控单元针对目标局部放电波形数据执行广义互相关相位变换操作，对目标局部放电波形数据的频域幅值执行白化处理以压制多径物理反射波引发的混响旁瓣干扰，主控单元提取时间基准参考节点的相位变换后波形数据，与其余宽带超声波收发换能器节点的相位变换后波形数据执行时域滑动互相关运算，提取互相关结果序列中的全局极值点对应的滑动时间偏移参量作为物理到达时间差。

13、优选的，主控单元提取相邻立方体离散空间网格之间的声速参数比值，依据声学折射定律在相邻立方体离散空间网格的物理交界面处计算超声波传播方向矢量的折射偏转角度，拼接建立未知三维空间起点至已知三维空间终点之间的曲线传播几何路径，主控单元针对曲线传播几何路径执行离散累加运算，依据贯穿线段长度与空间慢度参数乘积计算生成理论到达时间差，主控单元将实际物理到达时间差与理论到达时间差相减构建非线性残差目标函数，调用高斯牛顿迭代算法依据雅可比偏导数矩阵确定坐标修正梯度分量，更新计算得出局部放电真实三维空间坐标。

14、优选的，主控单元提取系统预设的空间误差容差半径参数，利用空间误差容差半径参数对配电柜三维计算辅助设计模型中物理空间三维包围盒坐标集合的几何边界执行向外膨胀补偿操作，生成补偿后物理空间三维包围盒边界，主控单元将异常发热空间三维坐标以及局部放电真实三维空间坐标与补偿后物理空间三维包围盒边界执行空间交集碰撞匹配运算，建立物理实体映射关联并获取存在异常状态的电气物理器件设备唯一标识码。

15、优选的，系统内部预置有确立功率预警区间、局部放电触发状态与运维响应优先级数值映射关系的故障严重等级评估矩阵，主控单元在故障严重等级评估矩阵中执行优先级阻断判定逻辑，从故障模式参量中提取局部放电状态标识的布尔逻辑数值，在判定局部放电状态标识的布尔逻辑数值为真时，无视内生热源功率密度数值所属的功率预警区间，向电气物理器件赋予最高级别故障严重等级数值，在判定局部放电状态标识的布尔逻辑数值为假时，依据内生热源功率密度数值所属的功率预警区间提取对应的常规故障严重等级数值，主控单元将物理定位参量、故障模式参量、故障严重等级数值以及系统数据库绑定的设备资产信息执行数据结构化拼接操作，生成智能运维工单数据包并经由通信网络接口向外部发送。

16、本发明提供了一种基于全景温升数据的电气配电柜故障预警与智能运维系统。具备以下有益效果：

17、1、本发明通过时分复用控制逻辑统筹主动解算的三维全景空气温度场与被动捕获的局部放电到达时间差，将三维离散声速标量场作为非线性射线追踪补偿的先验物理参数，在离散空间网格交界面处依据声学折射定律执行偏转角度计算与空间步进延伸，实现了对配电柜内腔非均匀温升引发的超声波折射误差进行数值补偿以及提升局部放电真实三维空间坐标定位准确度的效果。

18、2、本发明通过读取配电柜三维计算辅助设计模型模拟声学射线反射轨迹以生成理论多径时间延迟量，将理论多径时间延迟量转化为波形基向量构建数字孪生先验字典矩阵，并将采集的空间多径混响数据输入正交匹配追踪算法模块执行迭代投影与残差更新运算，实现了在配电柜封闭腔体环境下有效剥离声学多径混响干扰以及精确提取有效非视距物理反射路径真实飞行时间参数的效果。

19、3、本发明通过提取空间误差容差半径参数对物理空间三维包围盒坐标集合的几何边界执行向外膨胀补偿操作以弥补空间三维坐标运算误差，结合在故障严重等级评估矩阵中执行基于局部放电状态标识阻断内生热源权重的优先级判定逻辑，实现了消除空间三维坐标交集碰撞比对造成的故障器件漏报缺陷以及避免多维故障特征并发时运维决策指令逻辑冲突的效果。