基于智能核相开关的旁路电缆自动核相与并网方法与流程

本发明涉及电力系统带电作业，具体涉及基于智能核相开关的旁路电缆自动核相与并网方法。

背景技术：

1、在配电网带电作业领域，旁路电缆作业是一种在不中断用户供电的情况下对线路设备进行检修或更换的重要技术手段。旁路电缆并网操作的核心环节之一是核相——即在将旁路电缆接入电网之前，必须确认旁路电缆三相与电网侧对应相序的一致性，否则将导致相序错误引发短路事故。随着电力系统智能化建设的推进，利用带电作业机器人替代人工完成核相与并网操作已成为行业发展趋势。然而，现有技术在实现旁路电缆自动核相与并网方面仍存在显著不足，主要体现在以下三个方面。

2、一、带电作业机器人物理操作类专利仅关注机械动作，缺乏电气感知与自主决策能力；

3、目前，国内外已公开的带电作业机器人相关专利主要集中于机器人机械臂如何精准地执行抓取核相仪、扳动开关手柄或旋转操作杆等物理动作。例如，cn202121630972.0公开了一种能够自主核相验电作业的机械触臂机器人，通过水平运动机构、升降装置和监控摄像头实现核相触点的自动对准；另有专利通过三维移动平台和核相仪挂取机构实现核相仪探头的自动挂接与取下；还有方案将电动伸缩杆和三维云台组合，通过摄像头图像识别定位架空线位置后由人工遥控完成核相仪挂接。然而，此类技术方案的共同缺陷在于：机器人仅能完成“抓取”和“挂接”等机械动作，本质上是人工核相操作的机械替代。机器人自身无法感知电压相位、幅值、频率等关键电气参数，不具备对电气量的理解与分析能力；作业过程完全依赖预先编程的固定动作序列或人工遥控操作，无法根据实时电气状态进行自主决策；由于缺乏对电气特性的前置判断，存在因接线错误或线路异常导致短路事故的风险，严重威胁设备和作业人员安全。

4、二、传统无线核相仪为独立手持仪器，无法与机器人控制系统形成实时决策闭环；

5、传统无线核相仪（如cn101937028a等）是一种独立的便携式测量仪器，由主机和x从机及y从机构成，通过感应式电压传感器采集线路电压信号，由主机mcu计算相位和幅值数据并在显示模块上显示。另有方案采用lora与fsk双模通信方式，在电磁干扰环境下实现核相数据的无线传输。然而，此类技术方案应用于带电作业机器人场景时存在明显不适应：其一，传统核相仪的数据格式和显示界面是为人类视觉设计的，需要人工读数、人工判断，无法直接与机器人控制器进行数据交互，难以融入机器人的自动控制闭环；其二，传统核相仪的通用相位比较方法难以有效滤除机器人大功率电机、电控系统带来的复杂电磁暂态干扰；其三，从核相到合闸操作之间需要人工介入判断和决策，无法实现“采样-判断-执行”的全自动闭环控制，严重制约了带电作业机器人的全自主作业能力。

6、三、电网wams/pmu系统面向大尺度监测，无法满足带电作业机器人的实时性与便携性要求；

7、广域测量系统（wams）和同步相量测量单元（pmu）是电网调度自动化领域的重要技术，主要用于大区域互联电网的同步相量监测与安全稳定分析。pmu通过全球卫星定位系统实现具有统一精确时标的相量测量，为电网状态估计、故障检测、功角监测等高级应用提供技术支持。然而，将wams/pmu技术应用于带电作业场景存在根本性不匹配：其实时性在秒级甚至分钟级，而带电作业机器人的核相判断要求在毫秒级内（<200ms）给出决策结果，两者的实时性约束存在数量级差异；pmu系统依赖变电站内固定的电压/电流互感器（pt/ct）作为信号来源，而带电作业机器人需要在作业现场通过便携式微型传感器从带电显示接口就地非侵入式获取信号，传感器类型和安装方式完全不同；此外，pmu系统主要关注电网级的稳定性分析，其故障诊断逻辑无法区分“相序错误”与“某相接地或断线”这两种在带电作业中需要明确识别的异常状态。

8、综上所述，现有技术在三方面各自存在显著缺陷：带电作业机器人专利缺乏电气感知与自主决策能力，传统无线核相仪无法与机器人控制系统形成闭环，wams/pmu系统不适用于带电作业的实时性与便携性要求。三者之间相互割裂，尚未形成有机融合的技术方案。因此，亟需研发一种基于智能核相开关的旁路电缆自动核相与并网方法，将电压采样、智能核相算法、通信控制和开关执行集成于一体，通过与带电作业机器人主控器的协同配合，实现旁路电缆接入架空线路全过程的自动化核相判断与同期合闸控制。

技术实现思路

1、本发明旨在针对现有技术的技术缺陷，提供基于智能核相开关的旁路电缆自动核相与并网方法，将电压采样、智能核相算法、通信控制和开关执行集成于一体，通过与带电作业机器人主控器的协同配合，实现旁路电缆接入架空线路全过程的自动化核相判断与同期合闸控制。

2、本发明提供如下技术方案：一方面公开了基于智能核相开关的旁路电缆自动核相与并网方法，所述方法包括如下步骤：

3、s1、接线完成与自检；机器人完成旁路电缆与架空线路的物理连接后，向智能核相开关发送自检指令，查询双侧电压信号链路是否正常；

4、s2、启动同步采样；确认接线稳固后，机器人主控向智能核相开关发送开始核相指令，智能核相开关在统一时钟源驱动下同步采集双侧三相电压波形；

5、s3、频率自适应加窗插值fft运算；本地dsp对采集的双侧三相电压波形进行频率跟踪、自适应调整、相量提取，提取基波幅值、频率和相位；

6、s4、基于相角差统计分布的逻辑判断；计算同相配对下各相别相位差的均值和标准差，通过专家逻辑状态机判定核相结果；

7、s5、生成核相结果报文并上报；将核相结果与电气参数封装成预定义结构的tcp报文，回传至机器人主控器；

8、s6、机器人主控的最终同期判断与合闸决策；机器人主控收到核相结果后，自主进行同期条件复核，并结合操作员复核结果，决定是否发送允许合闸指令；

9、s7、执行合闸；智能核相开关收到允许合闸指令后，触发真空接触器吸合，完成旁路电缆接入。

10、进一步地，

11、所述步骤s2中的智能核相开关在统一时钟源驱动下同步采集双侧三相电压波形，其采样率fs不低于每周波256点，持续采集10个周波，采集数据以乒乓缓存形式存入dsp内存中。

12、进一步地，

13、所述步骤s3中的频率跟踪，利用复morlet小波频率粗测得到粗测频率，复小波变换通过计算采样信号与复morlet小波的卷积，在时频域内快速定位基波频率的粗略位置。

14、进一步地，

15、所述步骤s3中的自适应调整，采用kaiser窗函数和双谱线插值频率修正，根据粗测频率动态调整采样窗口点数n，使采样窗口匹配整数个基波周期；若系统频率偏移|-50hz|>0.5hz，采用kaiser窗双谱线插值fft在固定窗口下消除非同步采样的频谱泄露与栅栏效应。

16、进一步地，

17、所述复morlet小波频率粗测包括：

18、设输入连续时间信号为，经采样后得到离散采样序列x(n)，n=0,1,...,n-1，复morlet小波定义为：

19、；

20、其中fc=0.849为小波中心频率，j为虚数单位；

21、小波变换系数定义为信号与小波函数的卷积：

22、；

23、其中为尺度a、平移b下的小波函数，ψ*表示复共轭；

24、采用离散小波变换，对尺度a在搜索范围内离散取值ak=amin+kδa，计算各尺度下的小波系数模值|w(ak,b0)|，其中b0为中心平移位置，实际粗测频率与尺度的关系为：

25、；

26、其中a0为|w(ak,b0)|最大时对应的尺度值，amin为尺度搜索的最小起始值，ak为第k个离散尺度值，k为尺度遍历的序号，δa为尺度的搜索步长，fs为采样率，频率搜索范围45-55hz，搜索步长0.1hz，粗测精度优于0.1hz。

27、进一步地，

28、所述kaiser窗函数，其时域表达式为：

29、；

30、其中为第n点的kaiser窗时域加权系数，i0(·)为零阶第一类修正贝塞尔函数，β为形状参数，控制主瓣宽度与旁瓣衰减的权衡；

31、当旁瓣衰减a>50db：β=0.1102(a-8.7)；

32、当21db≤a≤50db：β=0.5842(a-21)0.4+0.07886(a-21)；

33、当a≥60db：β=0.1102×(60-8.7)；

34、kaiser窗的频谱主瓣宽度bw≈(a-8)/(2.285n)。

35、进一步地，

36、所述双谱线插值频率修正包括：

37、离散采样序列x(n)kaiser窗加权后得到加窗序列：xw(n)=x(n)w(n),对xw(n)做n点fft，得到频谱x(k)，设幅值最大的谱线号为，相邻的次大谱线号为，对应的幅值分别为和；

38、定义谱线比值：；

39、对于kaiser窗，β∈[4,9]时频率修正参数γ与α的关系为：

40、γ=(1.64α-0.64)/(1.64α+1)；

41、修正后的精确频率为：

42、；

43、频率修正量的精度：|fprecise-ftrue|<0.0005hz，ftrue为信号的真实电网频率。

44、进一步地，

45、所述步骤s3中的相量提取，在获得精确频率fprecise后，计算该频率点上的复相量：

46、；

47、基波电压幅值u和相位分别为：

48、；

49、；

50、其中σw(n)为窗函数能量补偿因子，为x的虚部，为x的实部。

51、进一步地，

52、所述步骤s4中的专家逻辑状态机数学模型为：

53、s4-1、计算同相序假设下的相位差序列；按a-a,b-b,c-c配对，计算连续10个周波的瞬时相位差，i=a,b,c;j=a,b,c，对每一对相别，计算10个周波内相位差的均值μ和标准差σ：

54、设第i对相别，i=1对应a-a，i=2对应b-b，i=3对应c-c，在第n个周波的相位差为，n=1,2,...,m，统计特征定义如下：

55、均值：；

56、标准差：；

57、最大偏差：；

58、电压不平衡度：；

59、s4-2、状态机的状态转移基于上述统计特征，四种状态的判断阈值条件如下：

60、状态一，相序正确：

61、同时满足：

62、|μi|≤5°i=1,2,3；

63、σi≤3°i=1,2,3；

64、uunbalance≤2；

65、状态二，相序错误：

66、满足以下任一条件：

67、|μi-120°|≤15°且σi≤5°；

68、|μi-240°|≤15°且σi≤5°；

69、状态三，线路异常：

70、满足以下任一条件：

71、σi≥10°；

72、ui<0.3urated；

73、uunbalance>3；

74、其中urated为额定电压；

75、状态四，数据无效：信号链路中断或fft结果信噪比snr<20db。

76、进一步地，

77、所述专家逻辑状态机模型还包括稳定性验证机制，要求连续k=3个判断周期均得到相同的判断结果，才作为最终核相结论，若k个周期内判断结果不一致，则延长采样时间至20个周波重新判断。

78、本发明另一方面公开了一种智能核相开关，采用基于智能核相开关的旁路电缆自动核相与并网方法，包括第一采样单元、第二采样单元、可控开关、本地信号处理与决策单元、wi-fi通讯模块和统一时钟源。

79、本发明公开了基于智能核相开关的旁路电缆自动核相与并网方法，设计了一种集成化的智能核相开关设备，将线路侧采样单元、旁路侧采样单元、可控开关和wi-fi通信模块集成于一体，实现旁路电缆接入点的就地智能核相，构建从“毫秒级同步采样”到“本地人工智能判断”再到“机器人主控复核决策”最后到“开关执行”的完整自动感知与决策链条，实现带电作业核相到合闸操作的全自主闭环控制，提出基于相角差统计分布的专家判断逻辑状态机，实现对相序正确、相序错误、线路异常和数据无效四种状态的智能识别与可靠区分，设计标准化的tcp通信协议和数据结构，实现智能核相开关与机器人主控器之间的可靠数据交互，确保核相结果、电气参数和操作指令的实时传输，建立机器人主控端的双保险复核机制，在智能核相开关本地判断的基础上，由机器人主控进行同期条件二次复核，确保合闸操作的安全性。