一种多回路电气安全同步采样及防护方法与流程

本发明涉及低压配电电气安全防护，具体为一种多回路电气安全同步采样及防护方法。

背景技术：

1、随着工业自动化和智能建筑的快速发展，低压配电系统的电气回路数量日益增多，供电容量和负载类型日趋复杂，对电气安全防护的可靠性、及时性和智能化水平提出了更高要求。目前，多回路配电系统的电气安全监测主要采用两种技术路径：其一，基于独立探测器的分散式保护方案，即在各馈线回路分别安装剩余电流保护器、热继电器、电弧故障检测装置等独立保护设备，各设备独立运行、互不通信，分别依据各自预设的阈值进行判断和动作；其二，基于多回路数据采集装置的集中监测方案，通过多回路电表或数据采集终端对各回路的电压、电流等电气参数进行轮询采样和集中显示，部分方案具备将监测数据上传至后台监控系统的通信功能。在标准规范层面，gb/t 18216系列标准对低压配电系统电气安全防护措施的测量和监控设备提出了明确的技术要求。上述现有方案在一定程度上满足了基本的电气安全监测需求，但各功能模块之间相对独立，缺乏深层次的数据融合与协同联动。

2、然而，上述现有技术方案仍存在以下明显不足。首先，采样与防护功能割裂：现有系统中的数据采集多服务于电能计量或运行监视，而安全防护功能由独立的保护器件完成，两者数据未有效打通，同步采样数据中所蕴含的丰富故障前兆信息（如电压电流的相位关系、各回路电气参数的同步变化趋势等）未能被防护系统充分利用。其次，防护方式被动滞后：现有保护方案多基于单一电气量的阈值触发机制——仅在剩余电流、温度或电流幅值达到预设阈值后才执行跳闸或报警。这种“事后”响应模式对于接触电阻缓慢增大、绝缘材料逐步老化等渐进性故障缺乏提前识别和预警能力，往往等到阈值触发时故障已发展到一定程度。再次，多回路协同分析缺失：现有技术主要关注单回路的独立监测与保护，缺乏对各回路之间协同性特征（如各回路电流不平衡度的同步变化趋势、多回路剩余电流的同时上升规律、谐波畸变率的相位关联等）的系统性分析手段，难以识别绝缘系统整体老化、母线侧异常等单回路监测无法发现的系统性风险。此外，防护策略单一：现有方案通常只有“正常”和“跳闸”两种状态，缺乏根据风险等级进行分级差异化响应的能力，在保障安全的同时难以兼顾供电连续性。上述问题的存在，制约了多回路配电系统电气安全防护水平进一步提升。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种多回路电气安全同步采样及防护方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：第一方面，一种多回路电气安全同步采样及防护方法，包括对配电系统中多个电气回路进行同步采样并计算各回路电气参数的步骤，还包括以下步骤：

3、s1：以统一的采样时钟和采样频率，对配电系统中个电气回路的电压信号和电流信号进行同步采样，获取各回路同一时刻的电压瞬时值和电流瞬时值，；所述采样频率根据当前系统风险等级动态调整，当风险等级低于第一预设等级时采用第一采样频率，当风险等级达到第一预设等级时切换至第二采样频率，，不低于电网基波频率的64倍，不低于电网基波频率的128倍；

4、s2：基于步骤s1获取的各回路同步采样数据，计算每个回路的电气参数，所述电气参数包括电压有效值、电流有效值、功率因数、有功功率、无功功率、谐波畸变率、三相电流不平衡度、零序电流和剩余电流；

5、s3：将步骤s2计算得到的各回路电气参数构建为多回路参数矩阵，提取各回路之间的协同性特征指标，所述协同性特征指标包括各回路电流不平衡度的同步变化趋势相关系数、各回路谐波畸变率的相位关联度、以及各回路剩余电流的矢量和与各分量之间的偏差度；基于所述协同性特征指标计算全局协同性指数，，其中为第回路与第回路参数序列的皮尔逊相关系数；

6、s4：将步骤s2得到的单回路电气参数和步骤s3得到的跨回路协同性特征指标输入安全风险评估模型，输出各回路及配电系统的风险概率值和风险等级；所述安全风险评估模型为基于机器学习预先训练的分类模型；

7、s5：根据步骤s4输出的风险概率值及其时间变化率，执行分级主动防护策略：

8、当低于第一阈值时，维持正常监测状态；

9、当达到且低于第二阈值，且低于第一速率阈值时，发出预警信号并记录异常数据；

10、当达到且低于第三阈值，或低于但超过时，执行降载运行指令或切换至备用回路；

11、当达到，或执行降载运行后仍超过时，执行选择性隔离保护动作，切断风险最高的故障回路；

12、s6：在步骤s5的主动防护动作执行后，继续执行步骤s1至s4，监测防护动作后各回路电气参数和协同性特征指标的变化，若风险概率值未下降至以下，则逐级升级防护策略。

13、在第一方面的一种具体的实施方式中，步骤s1中所述同步采样通过以下方式实现：

14、通过gps或北斗卫星授时模块生成统一的秒脉冲信号，各采样通道以所述秒脉冲信号为基准进行采样时刻同步；

15、当外部对时信号丢失或异常时，自动切换至自同步模式，以电压信号过零点为参考，利用软件锁相环算法生成同步采样触发信号，维持各通道采样同步。

16、在第一方面的一种具体的实施方式中，步骤s1中所述采样频率根据当前系统风险等级动态调整的具体方式为：

17、当风险概率值低于时，采用第一采样频率，其中为电网基波频率；

18、当达到且低于时，采样频率提升至；

19、当达到时，采样频率提升至；

20、采样频率调整后，步骤s4基于更新后的高精度采样数据重新计算风险概率值，若较调整前下降超过预设百分比，则采样频率逐级回调。

21、在第一方面的一种具体的实施方式中，步骤s3中所述全局协同性指数还用于触发预备性防护：

22、当全局协同性指数在连续个采样周期内的下降速率超过预设速率阈值时，其中，在步骤s4的风险评估结果输出之前，即触发步骤s5中的预备性防护动作，所述预备性防护动作包括发出提前预警信号、对备用回路进行预充电、以及增加故障回路的采样密度；

23、步骤s5执行选择性隔离保护动作后，重新执行步骤s1至s3，计算隔离后的全局协同性指数，若，其中为预设恢复系数且，则维持当前防护状态；若，则对风险次高的回路执行进一步隔离。

24、在第一方面的一种具体的实施方式中，步骤s4中所述安全风险评估模型采用在线增量学习机制：

25、将步骤s5的每次主动防护动作执行前的特征向量与步骤s6的防护效果反馈结果组成在线训练样本，其中表示防护动作是否成功消除风险；

26、当累积的在线训练样本数量达到预设批量大小时，触发所述安全风险评估模型的增量更新，利用新样本对模型参数进行微调，；

27、增量更新后的模型对后续采样数据的风险评估结果进行实时校验，若模型输出的风险概率值与步骤s6的实际防护效果反馈之间的偏差持续增大超过预设偏差阈值，则触发全量重训练。

28、在第一方面的一种具体的实施方式中，步骤s5中所述选择性隔离保护动作具体包括：

29、根据步骤s4输出的各回路风险概率值对各回路进行风险排序；

30、识别风险概率值最高且超过第三阈值的回路作为故障回路；

31、向与所述故障回路对应的断路器的脱扣器发送分闸指令，切断所述故障回路；

32、在切断所述故障回路后，重新执行步骤s1至s4，验证其余回路是否恢复正常运行状态。

33、在第一方面的一种具体的实施方式中，步骤s2中所述剩余电流通过以下方式计算：

34、对各回路同步采样的三相电流瞬时值求和，得到该回路的瞬时剩余电流值：；

35、对所述瞬时剩余电流值进行有效值计算，得到剩余电流有效值；

36、将各回路计算得到的剩余电流有效值输入步骤s3，计算各回路剩余电流序列之间的相关系数矩阵和时间序列趋势一致性指标；

37、当所有回路的剩余电流均未超过各自预设的漏电阈值，且各回路剩余电流序列的相关系数矩阵中任意两回路间的相关系数均大于0.7，且各回路剩余电流在连续个采样周期内均呈现单调上升趋势时，，判定为绝缘系统整体老化风险，将各回路的漏电阈值统一下调至原阈值的倍，其中，并生成预防性维护预警信号。

38、在第一方面的一种具体的实施方式中，还包括温度参量融合步骤：

39、在步骤s1中同步采集各回路接线端子或电缆表皮的温度信号；

40、计算各回路在时间窗口内的温度变化率和电流变化率；

41、当超过第一温度变化率阈值且低于第一电流变化率阈值时，判定该回路存在接触电阻异常，标记为接触电阻风险回路；

42、对于标记为接触电阻风险回路的，自动将该回路的采样频率提升至最高档位，将该回路的温度预警阈值下调至正常阈值的80％，并在步骤s4的风险评估中为该回路的温度特征赋予高于正常权重1.5倍的加权系数；

43、当该回路的温度变化率与电流变化率的比值回归至正常范围后，自动解除上述操作。

44、第二方面，一种基于多回路同步采样的主动预测性电气安全防护系统，包括：

45、多回路同步采样单元，用于以统一的采样时钟和采样频率对配电系统中个电气回路的电压信号和电流信号进行同步采样，输出各回路同一时刻的数字采样值；所述多回路同步采样单元包括电压信号调理电路、电流信号调理电路、采样保持电路、模/数转换模块、同步触发模块和中央处理器；

46、电气参数计算单元，与所述多回路同步采样单元连接，用于根据所述数字采样值计算各回路的电气参数，所述电气参数包括电压有效值、电流有效值、功率因数、有功功率、无功功率、谐波畸变率、三相电流不平衡度、零序电流和剩余电流；

47、跨回路协同特征提取单元，与所述电气参数计算单元连接，用于根据各回路的电气参数构建多回路参数矩阵，提取各回路之间的协同性特征指标并计算全局协同性指数；

48、安全风险评估单元，与所述电气参数计算单元和所述跨回路协同特征提取单元连接，内置预先训练的安全风险评估模型，用于根据单回路电气参数和跨回路协同性特征指标输出各回路及系统的风险概率值和风险等级；

49、主动防护执行单元，与所述安全风险评估单元连接，用于根据所述风险概率值及其时间变化率执行分级主动防护策略，包括预警输出、降载控制指令输出和选择性隔离保护指令输出；

50、防护效果反馈单元，与所述主动防护执行单元和所述多回路同步采样单元连接，用于在主动防护动作执行后监测各回路电气参数和协同性特征指标的变化，并根据监测结果决定是否升级防护策略。

51、在第二方面的一种具体的实施方式中，所述主动防护执行单元包括：

52、分级预警模块，用于根据风险等级输出不同级别的声光报警信号或远程通知；

53、降载控制模块，用于向配电系统的功率调节装置输出降载指令；

54、选择性隔离模块，用于向与各回路对应的断路器的脱扣器输出分闸指令，实现单回路选择性切断；

55、所述分级预警模块、降载控制模块和选择性隔离模块根据风险等级逐级或组合启动；

56、所述系统还包括人机交互单元和通信单元，所述人机交互单元用于实时显示各回路的电气参数、协同性特征指标、风险概率值和风险等级，并接收用户对防护策略阈值的配置输入；所述通信单元用于将各回路的电气参数、协同性特征指标、风险概率值和风险等级上传至云端服务器或上位监控系统，并接收云端服务器下发的模型更新参数或阈值配置指令。

57、本发明的有益效果为：

58、1.本发明通过多回路同步采样单元以统一的采样时钟和采样频率对各回路电压、电流及温度信号进行同步采集，从根本上保证了各回路电气参数计算和矢量合成的相位一致性，有效消除了非同步采样带来的功率计算误差和剩余电流矢量偏差问题，为后续故障识别提供了精确的数据基础。同时，本发明建立了跨回路协同特征提取机制，通过构建多回路参数矩阵并计算相关系数矩阵，定量提取各回路之间的协同性特征，进而得到反映系统整体运行状态的全局协同性指数。该机制突破了传统技术仅关注单回路电气参数阈值判断的局限，将感知维度从“点”扩展至“面”，使系统能够从各回路参数变化的同步一致性程度中捕捉单回路监测无法发现的系统级异常前兆。在此基础上，当全局协同性指数下降速率超过预设阈值时，系统在风险评估模型输出结果之前即触发预备性防护动作，实现了从“被动响应”到“提前预判”的跨越，有效压缩了故障响应的时间延迟。此外，采样频率根据系统风险等级自适应调整的机制，使得系统在正常运行状态下以较低采样频率运行以降低数据吞吐量和计算负担，在风险升高时自动提升采样频率以获取更精细的监测数据，实现了系统资源消耗与监测精度需求之间的动态平衡；

59、2.本发明构建了“风险评估—分级防护—效果反馈—模型进化”的完整智能闭环。安全风险评估模型融合单回路电气参数、跨回路协同特征和温度等多源信息进行综合判别，其决策依据较传统单一电气量阈值判断更为全面和准确；模型通过在线增量学习机制利用每次防护动作的实际效果反馈持续更新，使模型能够适应设备老化、环境变化和负载特性演变等长期漂移因素，长期运行后判别准确率持续提升。分级主动防护策略根据风险概率值及其变化速率执行差异化的防护动作，在低风险阶段仅输出预警信号，在风险持续升高时执行降载或备用切换，仅在风险达到最高等级或降载无效时执行选择性隔离，该机制在保障电气安全的同时最大限度地维持了供电连续性，避免了传统单一阈值保护中“一触即跳”导致的非必要停电。选择性隔离执行后通过重新计算全局协同性指数并与隔离前对比来定量验证隔离效果，若协同性未恢复则继续隔离次高风险回路，形成了“决策执行—效果验证—策略修正”的闭环控制，有效防止了单次隔离无效导致事故扩大的风险。进一步地，剩余电流联合预警机制通过分析多回路剩余电流的相关系数矩阵和趋势一致性，能够在各回路剩余电流均未超过单回路漏电阈值的状态下提前识别绝缘系统整体老化风险，并将各回路漏电阈值自适应下调以提升监测灵敏度，将传统单回路阈值触发式的“事后跳闸”转变为多回路趋势判别式的“事前维护”；温度参量融合与电流变化率的交叉校验机制能够在电流无明显变化的情况下通过温度异常上升识别接触电阻故障，有效弥补了单一电气量监测无法检测机械性接触故障的盲区，同时温度特征权重的自适应调整和温度阈值的动态下调使得高风险回路获得差异化的监测灵敏度，进一步提升了系统的感知精度和防护可靠性。上述多层级联动机制的协同作用，使本发明从感知、决策、执行到进化形成了完整的技术闭环，在提升电气安全水平的同时兼顾了供电可靠性和系统长期适应性。