配电箱故障报警方法与系统与流程

本发明属于电力系统故障监测与安全预警，具体涉及一种配电箱故障报警方法与系统。

背景技术：

1、在建筑施工工地中，通常布置有数量众多的临时配电箱，用于为各类施工机具和照明设备分配电力。这些配电箱通过多级电缆串联或星形连接构成临时供电网络，分布范围覆盖整个施工区域。在实际运行过程中，由于电缆绝缘受损、接头松动、设备过载或施工机械误触碰等原因，配电线路时常发生短路故障或接地故障，导致相应配电箱内的断路器保护跳闸。

2、发生此类故障跳闸后，由于工地上配电箱数量较多且安装位置分散，部分配电箱可能设置在地下室、楼层角落或被物料临时遮挡，现场值班电工和施工管理人员往往无法在第一时间确定究竟是哪一台配电箱发生了跳闸故障。现有的常见做法是由电工携带工具依次巡查各个配电箱，逐一打开箱门观察断路器状态，直至找到跳闸的电箱为止。当工地规模较大、配电箱层级较多时，这种逐箱开箱排查的方式需要耗费大量的步行往返时间和人力成本。

3、此外，短路或接地故障可能仅造成某一级配电箱跳闸，但受其供电影响的下游设备均已停止工作，而现场人员并不清楚故障点位于供电线路的哪一具体环节，排查过程中常常需要从末端用电设备向电源侧逐级追溯，进一步延长了故障定位的时间。对于依赖连续供电的混凝土浇筑、降水排水等施工工序而言，长时间停工可能带来工程质量隐患和经济损失。

4、为了解决这一问题，行业内曾尝试在配电箱面板上加装简单的机械式指示灯或依靠断路器手柄的物理位置变化来标示跳闸状态，但此类方案依然要求巡检人员走近电箱并仔细观察方能发现异常，在电箱数量众多且布置分散的条件下，并未从根本上减少查找故障电箱所需的时间与劳动强度。因此，如何在配电箱发生短路或接地故障跳闸后的短时间内，使巡检人员无需逐一打开箱门即可远距离快速确定故障电箱的具体位置和编号，成为工地临时用电管理中一个长期存在的实际困难。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

2、本发明还有一个目的是提供一种配电箱故障报警方法，其能够在配电箱发生短路故障或接地故障且断路器跳闸后，使安装于配电箱箱体外壁的声光报警器发出闪光与声音报警信号，令巡检人员在远距离即可直接发现故障电箱所在位置，同时通过无线通信方式将发生故障的配电箱编号实时推送至用户终端小程序，减少因逐箱开箱排查故障电箱所耗费的时间与人力成本。

3、为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种配电箱故障报警方法，其包括以下步骤：

4、s1：在每个配电箱的箱体外壁安装一个具有独立供电电源的声光报警器，将声光报警器的触发信号输入端与故障指示器的报警输出端通过有线连接方式连接；

5、s2：将故障指示器的主机安装于配电箱的前面板，将故障指示器的短路检测传感器套设于配电箱内各相线电缆的外周、接地检测传感器套设于配电箱内三相电缆的外周，短路检测传感器与接地检测传感器分别通过光纤与故障指示器的主机连接；

6、s3：在每个配电箱内安装一个无线通信模块，将无线通信模块与故障指示器的继电器远传信号输出端连接，无线通信模块预存有该配电箱的编号信息；

7、s4：当配电箱内发生短路故障或接地故障且断路器跳闸后，故障指示器检测故障电流并触发报警，通过报警输出端向声光报警器发送触发信号，驱动声光报警器发出频闪范围为1-10hz的闪光报警以及声压级范围为80-120db的声音报警；

8、s5：当故障指示器触发报警时，同时通过继电器远传信号输出端向无线通信模块发送报警触发信号，无线通信模块接收到报警触发信号后，通过4g cat.1通信制式将包含编号信息的故障报警数据包发送至云端服务器；

9、s6：云端服务器将接收到的故障报警数据包解析后，将故障发生时刻的时间戳、编号信息以及故障类型推送至与云端服务器通信连接的用户终端小程序；

10、s7：用户终端小程序接收到推送信息后，在终端屏幕上显示发生故障的配电箱编号以及故障类型，并触发终端本地的振动反馈与声音提示。

11、优选的是，在步骤s2中，故障指示器的主机内部设置有ct取电单元、整流稳压电路、储能电容、电压比较器以及电子开关；

12、ct取电单元的输入端与套设于配电箱内各相线电缆外周的短路检测传感器中的至少一个短路检测传感器二次绕组连接，并且ct取电单元的输入端还与套设于配电箱内三相电缆外周的接地检测传感器的二次绕组连接，用于从短路故障电流或接地故障电流中感应取电；

13、ct取电单元的输出端与整流稳压电路的输入端连接，整流稳压电路的输出端同时与故障指示器的主机内部工作电路供电端、储能电容的正极以及电压比较器的正输入端连接；电压比较器的负输入端接入一参考电压，电压比较器的输出端与电子开关的控制端连接；

14、电子开关的输入端与储能电容的正极连接，电子开关的输出端与无线通信模块的供电输入端连接；

15、在配电箱发生短路故障或接地故障且断路器跳闸之前，ct取电单元通过故障电流感应产生的电能经整流稳压电路为储能电容充电，使储能电容两端电压升高至大于参考电压；

16、当断路器跳闸后，ct取电单元停止输出电能，储能电容向故障指示器的主机内部工作电路供电，且电压比较器在储能电容两端电压下降至低于参考电压之前持续输出高电平，控制电子开关保持导通，将储能电容的电压供给无线通信模块，无线通信模块在储能电容电压下降至无线通信模块的最低工作电压之前完成故障报警数据包的发送。

17、优选的是，在步骤s2中，故障指示器的主机内部还设置有掉电检测电路、窄带物联网通信备份模块以及数据缓存寄存器；

18、掉电检测电路的输入端与整流稳压电路的输出端连接，掉电检测电路的输出端与故障指示器的主机的微控制器中断引脚连接；

19、窄带物联网通信备份模块与微控制器通过串行外设接口连接，窄带物联网通信备份模块预存有该配电箱的编号信息；

20、数据缓存寄存器与微控制器连接；

21、当掉电检测电路检测到整流稳压电路的输出电压下降至第一预设阈值范围2.8-3.0v时，向微控制器发送中断信号，微控制器响应中断信号后，将待发送的配电箱的编号信息以及故障类型写入数据缓存寄存器，并通过串行外设接口启动窄带物联网通信备份模块；

22、窄带物联网通信备份模块采用nb-iot通信制式在储能电容电压下降至窄带物联网通信备份模块的最低工作电压2.1v之前，以单次不确认传输模式向云端服务器发送包含编号信息与故障类型的压缩数据帧，压缩数据帧的数据载荷长度不大于12字节。

23、优选的是，在步骤s2中，故障指示器的主机内部还设置有铁电存储器，铁电存储器通过spi接口与故障指示器的主机的微控制器连接；

24、当掉电检测电路检测到整流稳压电路的输出电压下降至第二预设阈值范围2.5-2.7v时，微控制器先将配电箱的编号信息、故障类型以及当前实时时钟计数值作为一条故障记录写入铁电存储器；

25、铁电存储器采用spi接口进行数据读写，其写入操作在储能电容电压下降至微控制器的最低工作电压之前完成；

26、当配电箱的断路器重新合闸、配电箱恢复供电后，无线通信模块上电初始化完成时，微控制器从铁电存储器中读取故障记录，若故障记录中的故障类型为短路故障或接地故障，则将故障记录与当前恢复供电时刻的时间戳组包，通过无线通信模块以4g cat.1通信制式发送至云端服务器，并在发送成功后清除铁电存储器中的故障记录。

27、优选的是，在步骤s5中，无线通信模块发送的故障报警数据包中还包含故障电流幅值数据与跳闸时刻的时间戳，故障电流幅值数据由故障指示器的主机在检测到故障电流时记录并传递给无线通信模块；

28、在步骤s6中，云端服务器内设置有一故障树分析引擎，故障树分析引擎内预存有工地配电箱拓扑关系表，工地配电箱拓扑关系表记录每个配电箱的编号、上级配电箱编号以及下级配电箱编号的层级关系；

29、当云端服务器在一预设时间窗口范围3秒至5秒内接收到至少两个配电箱发送的故障报警数据包时，故障树分析引擎将所有在预设时间窗口内接收到的故障报警数据包中的配电箱编号、故障电流幅值数据以及时间戳提取出来，依据工地配电箱拓扑关系表构建故障传播路径图，将故障电流幅值最大的配电箱判定为候选根因电箱；若故障电流幅值最大的配电箱为多个，则将其中的拓扑层级最高者判定为根因故障电箱；若拓扑层级仍相同，则将其中时间戳最早者判定为根因故障电箱；

30、在步骤s6中，云端服务器将根因故障电箱的编号以及故障传播路径图一并推送至用户终端小程序；

31、在步骤s7中，用户终端小程序在终端屏幕上以第一显示样式突出显示根因故障电箱的编号，并以第二显示样式按时间顺序或拓扑层级顺序显示其他受影响跳闸的配电箱编号。

32、优选的是，在步骤s2中，故障指示器的主机内部还设置有电压采样电路、相位比较器以及信号选择开关；

33、电压采样电路的输入端通过一电阻分压网络连接至配电箱内各相线电缆的进线端，用于获取与相电压同相位的交流电压信号，且微控制器根据所判定的故障相控制电压采样电路输出对应故障相的电压信号；

34、信号选择开关的第一输入端与短路检测传感器二次绕组的信号输出端连接，信号选择开关的第二输入端与接地检测传感器二次绕组的信号输出端连接，信号选择开关的输出端与相位比较器的第二输入端连接；

35、当故障指示器的主机检测到的故障类型为短路故障时，微控制器根据所判定的故障相控制信号选择开关将对应故障相的短路检测传感器二次绕组的信号输出端接通至相位比较器；

36、当故障指示器的主机检测到的故障类型为接地故障时，微控制器控制信号选择开关将接地检测传感器二次绕组的信号输出端接通至相位比较器；相位比较器的第一输入端与电压采样电路的输出端连接，相位比较器用于判断故障电流相对于电压的相位关系并输出一故障方向标志位，故障方向标志位取值为正方向或反方向；

37、在步骤s5中，无线通信模块发送的故障报警数据包中还包含故障方向标志位；

38、在步骤s6中，云端服务器的故障树分析引擎在将具有最大故障电流幅值且位于故障传播路径图最上游的配电箱判定为根因故障电箱之后，还执行方向校验步骤：提取根因故障电箱对应的故障报警数据包中的故障方向标志位，若故障方向标志位为正方向，则维持根因故障电箱的判定结果；

39、若故障方向标志位为反方向，则故障树分析引擎遍历故障传播路径图中与根因故障电箱相邻的上游配电箱，将相邻上游配电箱中故障电流幅值最大且故障方向标志位为正方向的配电箱重新判定为根因故障电箱，并更新故障传播路径图。

40、优选的是，在步骤s2中，故障指示器的主机内部还设置有电流暂态录波单元、暂态特征存储器以及方向判定逻辑电路；

41、电流暂态录波单元的输入端与信号选择开关的输出端连接，电流暂态录波单元以采样频率范围6.4khz至12.8khz对故障电流波形进行采样并将采样数据存入暂态特征存储器；

42、暂态特征存储器内预存有正方向故障电流暂态波形模板与反方向故障电流暂态波形模板；方向判定逻辑电路的第一输入端与电压采样电路的输出端连接，方向判定逻辑电路的第二输入端与暂态特征存储器的数据输出端连接，方向判定逻辑电路的第三输入端与相位比较器的输出端连接；

43、在步骤s5中，当相位比较器输出的故障方向标志位为无效状态或电压采样电路检测到的交流电压幅值低于一预设阈值10v时，方向判定逻辑电路从暂态特征存储器中读取故障发生后前半个周波内的故障电流暂态采样数据，将故障电流暂态采样数据与正方向故障电流暂态波形模板进行第一相关度计算、与反方向故障电流暂态波形模板进行第二相关度计算，若第一相关度大于第二相关度，则输出正方向作为故障方向标志位，若第二相关度大于第一相关度，则输出反方向作为故障方向标志位，若第一相关度等于第二相关度，则输出正方向作为故障方向标志位，并将该故障方向标志位替代相位比较器输出的故障方向标志位写入故障报警数据包中。

44、优选的是，在步骤s5中，当相位比较器输出的故障方向标志位为有效状态且电压采样电路检测到的交流电压幅值大于或等于预设阈值范围的上限值20v时，方向判定逻辑电路从暂态特征存储器中读取故障发生后前半个周波内的故障电流暂态采样数据作为当前次故障的暂态样本，根据相位比较器输出的故障方向标志位的取值，将暂态样本存入暂态特征存储器中与取值对应的正方向模板缓存区或反方向模板缓存区；

45、方向判定逻辑电路对正方向模板缓存区内存储的至少五次最近故障的暂态样本进行滑动加权平均运算，将运算结果替换暂态特征存储器内预存的正方向故障电流暂态波形模板，并对反方向模板缓存区内存储的至少五次最近故障的暂态样本进行滑动加权平均运算，将运算结果替换暂态特征存储器内预存的反方向故障电流暂态波形模板。

46、一种配电箱故障报警系统，包括多个配电箱、安装于每个配电箱的故障检测报警装置、云端服务器以及用户终端小程序；

47、故障检测报警装置包括安装于配电箱箱体外壁的具有独立供电电源的声光报警器、安装于配电箱前面板的故障指示器主机、套设于配电箱内各相线电缆外周的短路检测传感器、套设于配电箱内三相电缆外周的接地检测传感器以及安装于配电箱内的无线通信模块；

48、声光报警器的触发信号输入端与故障指示器主机的报警输出端通过有线连接方式连接，无线通信模块与故障指示器主机的继电器远传信号输出端连接，无线通信模块预存有该配电箱的编号信息，短路检测传感器与接地检测传感器分别通过光纤与故障指示器主机连接；

49、故障指示器主机内部设置有ct取电单元、整流稳压电路、储能电容、电压比较器、电子开关、掉电检测电路、窄带物联网通信备份模块、数据缓存寄存器、微控制器、铁电存储器、电压采样电路、相位比较器、信号选择开关、电流暂态录波单元、暂态特征存储器以及方向判定逻辑电路；

50、ct取电单元的输入端与短路检测传感器的二次绕组以及接地检测传感器的二次绕组连接，ct取电单元的输出端与整流稳压电路的输入端连接，整流稳压电路的输出端同时与故障指示器主机的内部工作电路供电端、储能电容的正极以及电压比较器的正输入端连接；

51、电压比较器的负输入端接入一参考电压，电压比较器的输出端与电子开关的控制端连接，电子开关的输入端与储能电容的正极连接，电子开关的输出端与无线通信模块的供电输入端连接；

52、掉电检测电路的输入端与整流稳压电路的输出端连接，掉电检测电路的输出端与微控制器的中断引脚连接，窄带物联网通信备份模块与微控制器通过串行外设接口连接，窄带物联网通信备份模块预存有该配电箱的编号信息，数据缓存寄存器与微控制器连接，铁电存储器通过spi接口与微控制器连接；

53、电压采样电路的输入端通过一电阻分压网络连接至配电箱内各相线电缆的进线端，信号选择开关的第一输入端与短路检测传感器二次绕组的信号输出端连接，信号选择开关的第二输入端与接地检测传感器二次绕组的信号输出端连接，信号选择开关的输出端与相位比较器的第二输入端连接，相位比较器的第一输入端与电压采样电路的输出端连接；

54、电流暂态录波单元的输入端与信号选择开关的输出端连接，电流暂态录波单元的输出端与暂态特征存储器的数据输入端连接，暂态特征存储器内预存有正方向故障电流暂态波形模板与反方向故障电流暂态波形模板，方向判定逻辑电路的第一输入端与电压采样电路的输出端连接，方向判定逻辑电路的第二输入端与暂态特征存储器的数据输出端连接，方向判定逻辑电路的第三输入端与相位比较器的输出端连接；

55、无线通信模块通过4g cat.1通信制式与云端服务器通信连接，窄带物联网通信备份模块通过nb-iot通信制式与云端服务器通信连接，云端服务器内设置有一故障树分析引擎，故障树分析引擎内预存有工地配电箱拓扑关系表，工地配电箱拓扑关系表记录每个配电箱的编号、上级配电箱编号以及下级配电箱编号的层级关系，云端服务器与用户终端小程序通信连接。

56、本发明至少包括以下有益效果：

57、第一、本发明方法使得每个配电箱均配置了具有独立供电电源的声光报警器以及与之有线连接的故障指示器，短路检测传感器和接地检测传感器分别套设于相线电缆与三相电缆外周并通过光纤与故障指示器主机相连。当配电箱内发生短路或接地故障引起断路器跳闸后，声光报警器以1hz至10hz的频闪范围和80db至120db的声压级发出报警信号，巡检人员在较远距离即可直接发现故障电箱所在位置而无需逐一打开箱门查看。同时，无线通信模块通过4g cat.1通信制式将预存的配电箱编号信息以故障报警数据包形式发送至云端服务器，云端服务器将故障发生时刻的时间戳、编号信息及故障类型推送至用户终端小程序，小程序在终端屏幕上显示故障配电箱编号与故障类型并触发振动与声音提示，使得未在现场的管理人员亦能即时获知故障电箱的具体编号，缩短了从故障发生到人员响应之间的时间间隔。

58、第二、ct取电单元从短路检测传感器和接地检测传感器的二次绕组获取故障电流并感应取电，在断路器跳闸前利用故障电流能量为储能电容充电，使储能电容两端电压高于参考电压。断路器跳闸后，主电源已失电，ct取电单元停止输出，储能电容转而向故障指示器主机内部工作电路供电，电压比较器在储能电容电压下降至参考电压之前持续输出高电平以保持电子开关导通，将储能电容电压供给无线通信模块。无线通信模块利用该短暂电能完成故障报警数据包的发送，从而在配电箱完全失电的条件下仍能将故障编号和类型上报至云端服务器，避免了因断电导致远程报警功能丧失。

59、第三、本发明方法在步骤s2中还增设了掉电检测电路、窄带物联网通信备份模块及数据缓存寄存器。掉电检测电路监测整流稳压电路的输出电压，当电压下降至2.8-3.0v的第一预设阈值范围内时触发微控制器中断，微控制器将配电箱编号信息及故障类型写入数据缓存寄存器并启动窄带物联网通信备份模块。该模块采用nb-iot通信制式，在储能电容电压降至2.1v之前以单次不确认传输模式向云端服务器发送数据载荷不超过12字节的压缩数据帧。相比4g cat.1通信制式下完整的搜网与注册流程，nb-iot通信具有更短的启动和发送耗时，在弱信号覆盖边缘区域也能在有限储能时间内完成数据上报，降低了因通信延迟导致的数据丢失概率。

60、第四、当掉电检测电路检测到整流稳压电路输出电压下降至2.5-2.7v的第二预设阈值范围时，微控制器将配电箱编号、故障类型及实时时钟计数值作为一条故障记录写入铁电存储器。铁电存储器采用spi接口供电与数据读写，写入速度较快且功耗较低，可在储能电容电压下降至微控制器最低工作电压之前完成存储操作。配电箱断路器重新合闸恢复供电后，无线通信模块初始化完成，微控制器从铁电存储器中读取此前未成功上报的故障记录，与当前恢复供电时刻的时间戳组包后通过4g cat.1通信制式补传至云端服务器，并在发送成功后清除该记录。如此，即便nb-iot单次传输因信号盲区或瞬时强电磁干扰而失败，故障信息也不会永久丢失，待供电恢复后仍能追溯和上报。

61、第五、云端服务器内预存有工地配电箱拓扑关系表，该表记录了各配电箱的编号及其上下级层级关系。当云端服务器在3秒至5秒的预设时间窗口内收到至少两个配电箱的故障报警数据包时，故障树分析引擎提取各数据包中的配电箱编号、故障电流幅值及时间戳，依据拓扑关系表构建故障传播路径图，并将其中故障电流幅值最大且位于传播路径最上游的配电箱判定为根因故障电箱。云端服务器将根因故障电箱的编号和故障传播路径图一并推送至用户终端小程序，小程序以第一显示样式突出显示根因故障电箱，以第二显示样式按时间或层级顺序显示其他跳闸电箱。由此，当上级故障引发多个下级配电箱几乎同时跳闸时，管理人员无需在海量并发报警中逐一分析即可快速锁定故障源头，避免误判方向。

62、第六、电压采样电路通过电阻分压网络连接至配电箱内各相线电缆的进线端以获取与相电压同相位的交流电压信号。信号选择开关根据微控制器检测到的故障类型将短路检测传感器或接地检测传感器的二次绕组信号接通至相位比较器。相位比较器判断故障电流相对于电压的相位关系并输出正方向或反方向的故障方向标志位，该标志位随故障报警数据包一并发送至云端服务器。云端服务器的故障树分析引擎在初步判定根因故障电箱后，进一步提取该电箱的故障方向标志位进行校验：若标志位为正方向则维持原判定；若为反方向，则遍历相邻上游配电箱中故障电流幅值最大且方向标志位为正方向的电箱并将其重新判定为根因故障电箱。在工地临时线路阻抗分布不均或拓扑关系表未及时更新的情况下，该方向校验环节可校正单纯依赖电流幅值和预存拓扑关系可能产生的误判。

63、第七、电流暂态录波单元以6.4khz至12.8khz的采样频率对故障电流波形进行采样并存入暂态特征存储器，存储器内预存有正方向与反方向故障电流暂态波形模板。当相位比较器输出的故障方向标志位无效或电压采样电路检测到的交流电压幅值低于10v的预设阈值时，方向判定逻辑电路读取故障发生后前半个周波内的电流暂态采样数据，分别与正方向模板和反方向模板进行相关度计算，以相关度较高的一侧作为故障方向输出，并将该方向标志位替代相位比较器原输出值写入故障报警数据包中。在金属性短路故障导致电压跌落过深、相位比较器难以可靠工作的情况下，该方法仍能借助电流暂态波形特征提供有效的方向信息，保障根因校验环节的连续运行。

64、第八、当相位比较器输出的故障方向标志位有效且电压采样电路检测到的交流电压幅值不低于20v时，方向判定逻辑电路将本次故障发生后前半个周波内的电流暂态采样数据作为暂态样本，根据相位比较器输出的方向标志位存入正方向或反方向模板缓存区。对于正方向模板缓存区内存储的至少五次最近故障的暂态样本，方向判定逻辑电路执行滑动加权平均运算并将运算结果替换预存的正方向故障电流暂态波形模板，对反方向模板缓存区亦作相同处理。随着工地配电线路实际运行数据的积累，正反向模板得以在线更新并逐步收敛于当前线路的暂态响应特征，后续在电压缺失条件下依赖暂态波形判向时，相关度计算的准确性得以维持。

65、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。