一种四级防护安全用电监测系统及监测方法与流程

1.本发明涉及一种四级防护安全用电监测系统及监测方法，属于安全用电技术领域。


背景技术：

2.配用电安全防护问题，一直是配用电环节的重中之重，随着用电需求及配电范围的不断扩大，如何保证配用电过程安全、可靠、高效逐渐成为供电企业及电力用户高度重视的问题；对配用电环节的进行安全监测，实现网络运行数据的可视化、透明化成为解决这一问题的有力手段，在这过程中，就需要将配用电网络分级划区，实现配用电区间线路的全面监测，形成云
‑
管
‑
边
‑
端的完整监测体系，对线路运行过程中的安全隐患进行及时精确定位处理，避免瞬时性故障演变成永久性故障，提高供电企业的供电可靠性与运维管理能力，保证电力用户的用电安全。
3.配用电环节主要由如下几个部分组成：配电网
‑
分支箱
‑
取电箱
‑
取电插座，由于整个环节跨度较长、范围较广，导致隐患排查及故障检修工作难度较大，且在城市中的很多老城厢小区由于线路复杂，管理水平落后，导致配电到用电环节的拓扑关系不清晰、不准确，传统的安全用电防护手段，往往起不到很显著的效果，这都对配用电环节的安全防护工作带来了挑战。
4.此外，随着智能配电的推进与通讯技术的发展，对配用电监测数据的采集与传输提出了新的要求，保证配用电数据监测的实时性、准确性也逐渐成为安全用电防护需要考虑的重要方面。


技术实现要素：

5.本发明提出的是一种四级防护安全用电监测系统及监测方法，其目的旨在解决配用电环节无法对隐患故障进行及时排查的问题。
6.本发明的技术解决方案：一种四级防护安全用电监测系统，该系统包括安全用电监测终端和边缘计算网关；其中，安全用电监测终端包括第一通讯模块，边缘计算网关包括第二通讯模块，第二通讯模块包括设备侧通讯模块和平台侧通讯模块；第一通讯模块的信号输入输出端与设备侧通讯模块的信号输出输入端对接，设备侧通讯模块的信号输入端与平台侧通讯模块的信号输出端连接。
7.进一步地，所述四级防护安全用电监测系统还包括云平台，云平台的信号输入输出端与平台侧通讯模块的信号输出输入端对接。
8.进一步地，所述安全用电监测终端还包括信号采集模块、故障检测模块、故障录波模块、对时模块，信号采集模块的信号输出端与故障检测模块的信号输入端连接，障检测模块的信号输出端与故障录波模块的第一信号输入端连接，故障录波模块的第二信号输入端与对时模块的信号输出端连接，故障录波模块的信号输出端与第一通讯模块的信号输入端连接，第一通讯模块的第一信号输出端与信号采集模块的信号输入端连接，第一通讯模块
的第二信号输出端与对时模块的信号输入端连接。
9.进一步地，所述边缘计算网关还包括存储模块、数据处理校对模块、故障辨识模块，存储模块的信号输出端与数据处理校对模块的信号输入端连接，数据处理校对模块的信号输出端与故障辨识模块的信号输入端连接，故障辨识模块的信号输出端与平台侧通讯模块的信号输入端连接，设备侧通讯模块的信号输出端与存储模块的信号输入端连接。
10.进一步地，所述安全用电监测终端为若干个，若干个安全用电监测终端分别安装在配电房、分支箱、配电箱、取电插座的配用电防护侧，每个安全用电监测终端通过第一通讯模块与边缘计算网关进行实时网络通讯。
11.进一步地，所述若干个安全用电监测终端之间通过各自的第一通讯模块进行通讯。
12.一种利用四级防护安全用电监测系统进行安全用电监测的方法，具体包括以下步骤：1、云平台开启四级防护安全用电监测系统，向边缘计算网关下发安全用电监测指令；2、边缘计算网关与安全用电监测终端完成通讯，每个安全用电监测终端mi在各自对应的四级配用电监测区间lj通过信号采集模块开始实时采集电气参量；i={1，2，
……
，p}，i为安全用电监测终端的编号，p为安全用电监测终端的总数量；j={1，2，
……
，q}，j为四级配用电监测区间的编号，q为四级配用电监测区间的监测线路区段总数；3、安全用电监测终端mi通过故障检测模块对当前采样时间t及前后一个采样时间间隔（t
‑
1）与(t 1)的电气参量进行采集校对，当识别到|ui(t 1)
‑
ui(t)|>ui阀或|ii(t 1)
‑
ii(t)| >ii阀时，判定检测到故障电气参量并启动故障录波模块进行局域录波，其中ui(t)为采样时间t时，安全用电监测终端mi计算得到的电压有效值，ii(t) 为采样时间t时，安全用电监测终端mi计算得到的电流有效值；4、将通过局域录波获得的相应故障波形数据及故障节点信息上传至边缘计算网关；5、边缘计算网关接收故障波形数据及故障节点信息，通过边缘计算网关中的数据处理校对模块核实故障波形数据的完整性与正确性，再通过故障辨识模块对故障类型进行辨识；所述故障波形数据包括故障电压波形和故障电流波形。
13.进一步地，所述电气参量包括电压参量、电流参量。
14.进一步地，所述局域录波，具体为：在局域网络的基础上，通过安全用电监测终端中的对时模块保证时标的一致性，并在安全用电监测终端下发录波指令时，对检测到故障电气参量的安全用电监测终端同时启动故障录波模块进行局域录波，对当前时标下的电压波形和电流波形进行录制。
15.进一步地，所述一种利用四级防护安全用电监测系统进行安全用电监测的方法，具体还包括步骤6、将故障类型辨识结果上传至云平台。
16.进一步地，所述一种利用四级防护安全用电监测系统进行安全用电监测的方法，具体还包括步骤7、云平台将故障类型辨识结果及故障节点位置信息下发至运维管理系统，指导隐患治理与清除。
17.所述边缘计算网关接收故障波形数据及故障节点信息，通过边缘计算网关中的数
据处理校对模块核实故障波形数据的完整性与正确性，再通过故障辨识模块对故障类型进行辨识，辨识过程具体包括如下步骤：5
‑
1）、进行电压、电流比对：如果ui(t 1)<ui(t)且ui(t)
‑
ui(t 1)<ui阀，同时ii(t 1)> ii(t)且ii(t 1)
‑ꢀ
ii(t)>ii阀，辨识故障类型为“并联电弧”，如果不满足相应条件则进行电压比对；5
‑
2）、进行电压比对：如果ui(t 1)< ui(t)且ui(t)
‑ꢀ
ui(t 1)> ui阀，辨识故障类型为“串联电弧”，如果不满足相应条件则进行电流比对；5
‑
3）、进行电流比对：如果ii(t 1)
‑ꢀ
ii(t)>ii阀，辨识故障类型为“线路过载”；如果ii(t 1)<ii(t)且ii(t)
‑ꢀ
ii(t 1)>ii阀，辨识故障类型为“漏电流”；如果电流比对不属于以上两种情况，则，辨识故障类型为“未知故障”。
18.进一步地，所述ui阀、ii阀分别为设置的电压安全阈值和电流安全阈值；所述阈值ui阈值、ii阈值能够在本地进行离线修改或用户通过云平台进行在线配置。
19.本发明的有益技术效果：能够自动定位识别串并联电弧、漏电流、过载等安全隐患的准确位置，故障类型识别精度高、故障位置定位精度高，可以有效提高配用电侧的用电安全防护能力，起到预防或降低用电隐患发生的机率。
附图说明
20.附图1是本发明实施例的四级防护安全用电监测系统的实现原理图。
21.附图2是本发明实施例的四级防护安全用电监测系统的结构示意图。
22.附图3是本发明实施例的四级防护安全用电监测系统的实现流程图。
具体实施方式
23.一种四级防护安全用电监测系统，该系统包括安全用电监测终端和边缘计算网关；其中，安全用电监测终端包括第一通讯模块，边缘计算网关包括第二通讯模块，第二通讯模块包括设备侧通讯模块和平台侧通讯模块；第一通讯模块的信号输入输出端与设备侧通讯模块的信号输出输入端对接，设备侧通讯模块的信号输入端与平台侧通讯模块的信号输出端连接。
24.所述四级防护安全用电监测系统还包括云平台，云平台的信号输入输出端与平台侧通讯模块的信号输出输入端对接；云平台用于系统信息交互管理。
25.所述安全用电监测终端还包括信号采集模块、故障检测模块、故障录波模块、对时模块，信号采集模块的信号输出端与故障检测模块的信号输入端连接，障检测模块的信号输出端与故障录波模块的第一信号输入端连接，故障录波模块的第二信号输入端与对时模块的信号输出端连接，故障录波模块的信号输出端与第一通讯模块的信号输入端连接，第一通讯模块的第一信号输出端与信号采集模块的信号输入端连接，第一通讯模块的第二信号输出端与对时模块的信号输入端连接。
26.所述边缘计算网关还包括存储模块、数据处理校对模块、故障辨识模块，存储模块的信号输出端与数据处理校对模块的信号输入端连接，数据处理校对模块的信号输出端与故障辨识模块的信号输入端连接，故障辨识模块的信号输出端与平台侧通讯模块的信号输
入端连接，设备侧通讯模块的信号输出端与存储模块的信号输入端连接。
27.所述安全用电监测终端为若干个，若干个安全用电监测终端分别安装在配电房、分支箱、配电箱、取电插座的配用电防护侧；工作时，每个安全用电监测终端通过第一通讯模块与边缘计算网关中的设备侧通讯模块进行实时网络通讯，边缘计算网关通过平台侧通讯模块与云平台进行实时网络通讯，所述实时网络通讯均可采用有线或无线的通讯方式实现通讯功能。
28.所述若干个安全用电监测终端之间通过各自的第一通讯模块进行实时通讯，实现在各个安全用电监测终端中的对时模块之间进行网络对时，各个第一通讯模块之间优选采用无线通讯方式进行实时通讯；安全用电监测终端通过故障检测模块检测到故障电压、电流波形，通过各自相应的第一通讯模块、对时模块与临近安全用电监测终端进行通讯及对时形成统一时标，每个安全用电监测终端对各自的故障录波模块下发录波指令启动故障录波模块进行局域录波，并将录波结果上传至边缘计算网关；边缘计算网关根据故障辨识模块对接收的故障波形数据进行计算比对；在局域网络的基础上，通过安全用电监测终端中的对时模块保证时标的一致性，并在安全用电监测终端下发录波指令时，对检测到故障电气参量的安全用电监测终端同时启动录波模块进行局域录波，对当前时标下的电压波形和电流波形进行录制。
29.所述信号采集模块通过对电压电流信号进行采集处理，记录其有效值；所述故障检测模块，通过检测算法对故障电压电流进行识别检测；所述故障录波模块，在检测到故障发生后，通过无线通讯方式，与监测网络中检测到扰动的安全用电监测终端进行通讯，并通过对时模块统一时标，同时启动故障电压电流波形录制；所述存储模块，负责接收安全用电监测终端上传的故障波形数据；所述每个数据处理校对模块，对存储的故障波形数据进行预处理，校对时间准确性及录波波形的完整性；所述故障辨识模块，通过故障辨识算法，对每个故障波形的故障类型进行判别，并通过云台侧通讯模块，向云平台返回判别结果。
30.所述安全用电监测终端配置于配用电线路出线端；所述边缘计算网关和所述云平台均配置于区域防护系统网络，云平台用于系统信息交互管理。
31.所述安全用电监测终端中的信号采集模块优选采用adc采集模块；所述故障检测模块优选采用dsp分析模块；所述故障录波模块优选采用mcu单元；所述安全用电监测终端中的第一通讯模块、所述边缘计算网关中的设备侧通讯模块均优选采用rs485通信协议；所述平台侧通讯模块优选采用4g通信协议；所述存储模块优选采用sd卡存储方式；所述数据处理校正模块与故障辨识模块均优选采用soc处理单元。
32.一种利用四级防护安全用电监测系统进行安全用电监测的方法，具体包括以下步骤：1、云平台开启四级防护安全用电监测系统，向边缘计算网关下发安全用电监测指令；2、安全用电监测终端mi与边缘计算网关完成通讯，并在四级配用电监测区间lj通过信号采集模块开始实时采集电气参量，所述电气参量包括电压参量、电流参量；i={1，2，
……
，p}为安全用电监测终端编号，p为安全用电监测终端的总数量；j={1，2，
……
，q}为四级配用电监测区间编号，q为四级配用电监测区间的监测线路区段总数；3、安全用电监测终端mi通过故障检测模块对当前采样时间t及前后一个采样时间
间隔（t
‑
1）与(t 1)的电气参量通过参量比对、阈值比较等方式进行采集校对，当识别到|ui(t 1)
‑
ui(t)|>ui阀或|ii(t 1)
‑
ii(t)| >ii阀时，判定检测到故障电气参量并启动故障录波模块进行局域录波，其中ui(t)为采样时间t时，安全用电监测终端mi所采集的电压有效值，ii(t) 为采样时间t时，安全用电监测终端mi所采集的电流有效值；4、所述局域录波功能，在局域网络对时的基础上，保证时标的一致性，并在安全用电监测终端下发录波指令时，对检测到故障电气参量的安全用电监测终端同时启动故障录波模块进行局域录波，对当前时标下的电压波形、电流波形进行录制，并将相应故障波形数据及故障节点信息上传至边缘计算网关；5、边缘计算网关接收故障波形数据及故障节点信息，通过边缘计算网关中的数据处理校对模块核实故障波形数据的完整性与正确性，再通过故障辨识模块对故障类型进行辨识；所述故障波形数据包括故障电压波形和故障电流波形；6、边缘计算网关根据各安全用电监测终端上传数据情况，统计各故障节点信息，并汇总故障辨识模块反馈结果，将汇总信息上传至云平台，汇总信息包括故障类型信息。
33.所述边缘计算网关对接收到的故障电压、电流波形进行分析处理，通过故障电压与稳态电压的对比，辨识串联电弧故障类型；通过故障电压、电流与稳态电压、电流的对比，辨识并联电弧故障类型；通过相邻安全用电监测终端采集电流比较，确定漏电流故障类型；通过电流值超过安全阈值，辨识过载故障类型；对所述四级安全监测区间的所有安全用电监测终端，进行扰动排序，选取最大及次最大扰动设备，即可确定故障区间位置，并将故障辨识结果，及故障区间定位结果上传至云平台，具体流程包括如下步骤：1）：辨识故障类型，具体包括如下：1
‑
1）：进行电压、电流比对，如果ui(t 1)< ui(t)且ui(t)
‑ꢀ
ui(t 1)<ui阀，同时ii(t 1)> ii(t)且ii(t 1)
‑ꢀ
ii(t)>ii阀，辨识故障类型为“并联电弧”，进入步骤2），如果不满足相应条件则进行电压比对；1
‑
2）：进行电压比对，如果ui(t 1)< ui(t)且ui(t)
‑ꢀ
ui(t 1)>ui阀，辨识故障类型为“串联电弧”，进入步骤2），如果不满足相应条件则进行电流比对；1
‑
3）：进行电流比对，如果ii(t 1)
‑ꢀ
ii(t)>ii阀，辨识故障类型为“线路过载”，进入步骤2）；如果ii(t 1)<ii(t)且ii(t)
‑ꢀ
ii(t 1)> ii阀，辨识故障类型为“漏电流”，进入步骤2），否则，返回“未知故障”类型信息，进入步骤2）；2）：根据各安全用电监测终端上传数据情况，统计各故障节点信息，并汇总反馈结果，将汇总信息上传至云平台，汇总信息包括故障类型信息。
34.所述ui阀、ii阀分别为安全用电监测终端mi设置的电压安全阈值和电流安全阈值；所述ui阀、ii阀可在本地进行离线修改，也可以由用户通过云平台进行在线配置。
35.所述云平台接收故障辨识结果及故障区间辨识结果，将信息下发至运维处理人员，进行及时隐患排查及故障处理。
36.其进一步的技术方案为：四级防护区间各监测区段安装安全用电监测终端，全域安全用电监测终端配备边缘计算网关。
37.所述每个安全用电监测终端可采用有线或无线的方式实现通讯功能，边缘计算网关可采用无线或有线方式实现通讯。
38.本发明的一种四级防护安全用电监测系统，包括配置于配用电线路出线端的安全
用电监测终端、配置于区域防护系统网络的边缘计算网关、及系统信息交互管理的云平台，该系统通过在配电房、分支箱、配电箱、取电插座等四级配用电侧安装安全用电监测终端，采集线路中电压、电流等电气参量，在边缘计算网关中通过电压比对、电流特征提取，可以自动定位识别串并联电弧、漏电流、过载等安全隐患的准确位置，故障类型识别精度高、区间定位准确，可以有效提高配用电侧的用电安全防护能力，起到预防或降低用电隐患发生的机率。
39.实施例1一种四级防护安全用电监测系统，如图1所示，以开关为分界线，按控制开关层级分，将配用电网络拓扑结构分为四层结构，即配电房、分支箱、配电箱、取电插座；在所述四层结构中均需安装多个安全用电监测终端；在四级防护安全用电监测系统中需配置一台边缘计算网关，部署一个监测云平台；所述安全用电监测终端、边缘计算网关均配置有线和/或无线通讯模块。
40.所述安全用电监测终端还包括信号采集模块、故障检测模块、故障录波模块、对时模块，每个边缘计算网关还包括信号存储模块、数据处理校对模块、故障辨识模块。
41.本实施例公开的一种四级防护安全用电监测系统具有如下特点：1、在各部件具有通信功能的条件下，在四级防护区域各线路区段安装多个安全用电监测终端；在四级防护区域安装一台边缘计算终端，部署一个监测云平台；2、安全用电监测终端中信号采集模块采用adc采集模块；故障检测模块采用dsp分析模块；故障录波模块采用mcu单元；通讯模块则采用rs485通信协议；3、边缘计算网关中设备侧通讯模块采用rs485通信协议，平台侧通讯模块采用4g通信协议；存储模块采用该sd卡存储方式；数据处理校正模块与故障辨识模块均采用soc处理单元；4、各安全用电监测终端具有参量采集、故障检测、故障录波等功能，信号采集模块，对电压电流信号进行处理，记录其有效值；故障检测模块对当前采样时间t及前后一个采样时间间隔（t
‑
1）与(t 1)的电气参量进行采集校对，当识别到|ui(t 1)
‑ꢀ
ui(t)|> ui阀，|ii(t 1)
‑
ii(t)| >ii阀，则可判定检测到故障发生；故障录波模块，可在检测到故障数据后，通过局域通信方式，与其他安全用电监测终端对时录波；5、边缘计算网关包括存储模块、数据处理校对模块、故障辨识模块，能够对接收的故障波形进行故障类型辨识，具体流程如下：step1：case1：进行电压、电流比对，如果ui(t 1)< ui(t)且ui(t)
‑ꢀ
ui(t 1)<ui阀， ii(t 1)> ii(t)且ii(t 1)
‑ꢀ
ii(t)>ii阀，辨识故障类型为“并联电弧”，进入step2；case2：进行电压比对，如果ui(t 1)< ui(t)且ui(t)
‑ꢀ
ui(t 1)>ui阀，辨识故障类型为“串联电弧”，进入step2；case3：进行电流比对，如果ii(t 1)
‑ꢀ
ii(t)>ii阀，辨识故障类型为“线路过载”，进入step2；case4：进行电流比对，如果ii(t 1)<ii(t)且ii(t)
‑ꢀ
ii(t 1)> ii阀，辨识故障类型为“漏电流”，进入step2，否则，返回“未知故障”类型信息，进入step2；step2：根据各安全用电监测终端上传数据情况，统计各故障节点信息，并汇总计
算单元反馈结果，将汇总信息上传至云平台。
42.监测时，云平台向四级防护安全用电监测系统发送监测指令，各防护区间的安全用电监测终端实时监测运行区段的电压、电流数据；故障检测模块检测到故障发生后，触发故障录波模块启动录波功能，将故障波形数据上传至边缘计算网关；边缘计算网关的故障辨识模块根据故障类型特征对接收的故障波形数据进行计算比对，辨识出故障类型，并结合故障节点信息，上传至云平台；云平台接收故障节点信息，通过与实际拓扑网络的对比确定故障区段，并汇总故障类型信息，发送至运维系统，完成安全用电防护。
43.本实施例在不改变配用电网络拓扑结构的基础上，通过在配电房、分支箱、配电箱和取电插座安装安全用电监测终端，对监测区间的电压、电流数据进行实时监测，并通过边缘计算网关、云平台对故障区段位置、故障类型进行精确辨识，可以促进安全用电安全防护，有效提高配用电侧的用电安全防护能力，起到预防或降低用电隐患发生的机率。
44.本实施例公开的一种四级防护安全用电监测系统进行安全用电防护的过程包括如下步骤：步骤一，云平台向边缘计算网关下发监测指令，边缘计算网关与各安全用电监测终端完成过通讯，各配用电防护区段的安全用电监测终端通过信号采集模块实时采集运行线路电压、电流数据，通过故障检测模块对故障进行检测，并通过故障录波模块对故障波形进行捕获录波；录制的故障波形数据，通过有线或无线通信模块上传至边缘计算网关；步骤二，边缘计算网关通过存储模块接收存储各安全用电监测终端上传的故障波形，通过故障辨识模块，对各故障波形的故障类型及故障节点信息进行辨识，并将各安全用电监测终端的辨识结果汇总分析，通过无线传输模块上传至云平台；步骤三，云平台接收边缘计算网关上传的故障数据集辨识结果，结合四级防护安全系统的拓扑结构，确定故障所处的配用电区段，将故障类型及故障区段信息，通过运维系统，下发至运维人员，对故障隐患进行及时清除治理。
45.通过附图1
‑
附图3对四级防护安全用电监测系统的故障监测、定位与辨识原理进行说明，云平台向四级防护安全用电监测系统发送监测指令，各防护区间的安全用电监测终端实时监测运行区段的电压、电流数据；在区段l1处发生故障，各安全用电监测终端通过故障检测模块，检测到故障发生，通过相应的通讯模块、对时模块与临近安全用电监测终端进行通讯及对时，并启动录波模块功能，将故障期间的波形数据上传至边缘计算网关；边缘计算网关根据故障辨识模块对接收的故障数据进行计算比对，以确定故障类型，并结合故障节点信息，上传至云平台；云平台接收故障节点信息，通过与实际拓扑网络的对比，确定故障实际发生的运行区段信息，并汇总故障类型信息，下发至运维系统，指导运维人员进行隐患排查与故障处理，完成四级防护安全用电系统的故障监测、定位与辨识。
46.对于具有环网的配用电线路拓扑，可在线路区段两端均安装安全用电监测终端，即可对线路区段进行完整监测，不会影响本发明的实施效果。
47.以上所述本发明实施方式是对本发明的实现原理、技术特征及本发明的先进性进行的概述，本领域行业技术人员需了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例及说明书的描述内容仅是对本发明的原理进行的解释，在不脱离本发明的精神和构思的前提下，针对本发明做出的各种变化和改进，均属于本发明要求保护的范围，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。