电力物联网的断路器故障处理装置及方法与流程

1.本发明涉及电力故障处理领域，尤其涉及电力物联网的断路器故障处理装置及方法。


背景技术：

2.单相接地是10kv(35kv)小电流接地系统单相接地，单相接地故障是配电系统最常见的故障，多发生在潮湿、多雨天气。由于树障、配电线路上绝缘子单相击穿、单相断线以及小动物危害等诸多因素引起的。单相接地不仅影响了用户的正常供电，而且可能产生过电压，烧坏设备，甚至引起相间短路而扩大事故。
3.现有的电力系统单相接地故障定位一般由人工对故障线路逐一排查实现，这种方式不仅定位速度慢，而且耗费大量人力成本，已经无法满足人们对配电自动化需求。


技术实现要素：

4.本发明提供了电力物联网的断路器故障处理装置及方法，用于解决现有的电力系统单相接地故障定位方法速度慢、人力成本高的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
6.一种电力物联网的断路器故障处理装置，包括：
7.断路器a：安装在所述故障线路上作为零序电压越限启动装置和开关；
8.过采样模块：用于采集断路器a的录波数据；
9.北斗授时模块：用于标定所述录波数据中各个采样点的采样时刻，得到所述录波数据的时序波形图；
10.边缘计算模块：用于接收在所述故障线路上所述断路器a的各个相邻断路器的时序波形图，并将所述断路器a的时序波形图与其相邻断路器的时序波形图的时间轴对齐，比较对齐后的所述断路器a的时序波形图及其相邻断路器的时序波形图中暂态的零序电压及零序电流的波形相似性，并根据所述相似性比较结果判断故障点是否在所述断路器a附近。
11.优选的，所述边缘计算模块还用于当判断故障点在所述断路器a附近，还用于控制所述断路器a断开，以实现对故障点的隔离。
12.优选的，所述录波数据包括电压录波数据以及电流录波数据，所述过采样模块包括电压传感器、电流传感器、滤波单元以及减采样处理单元；
13.所述电压传感器用于采集所述断路器a的电压录波数据；
14.所述电流传感器用于采集所述断路器a的电流录波数据；
15.所述滤波单元用于对采集到的所述断路器a的电压录波数据以及电流录波数据进行滑动平均值滤波；
16.所述减采样处理单元用于对滤波后的所述电压录波数据以及电流录波数据进行减采样，以供北斗授时模块对减采样后的电压录波数据以及电流录波数据进行标定。
17.优选的，所述断路器a、过采样模块、北斗授时模块以及边缘计算模块标准化连接
并集成为一体。
18.优选的，所述断路器故障处理装置作为所述故障线路的边缘计算网络拓扑的边缘计算节点；所述边缘计算网络拓扑的边缘计算算法基于分布式接地选线系统的功能实现，所述分布式接地选线系统内的任一边缘计算节点q所须选择数据交互的相邻边缘计算节点包括在故障线路上位于所述边缘计算节点q上游分段的边缘计算节点、在故障线路上位于所述边缘计算节点q下游分段的边缘计算节点、在故障线路上位于所述边缘计算节点q上游分界的边缘计算节点以及在故障线路上位于所述边缘计算节点q下游分界的边缘计算节点。
19.优选的，所述边缘计算模块还用于将所述断路器a的时序波形图发送给所述各个相邻断路器对应的断路器故障处理装置。
20.优选的，所述过采样模块的过采样率为2-8。
21.优选的，所述边缘计算模块包括5g通信模块，所述断路器故障处理装置通过5g通信模块与其在故障线路上相邻的其他断路器故障处理装置/上位机建立通信。
22.一种电力物联网的断路器故障处理方法，包括以下步骤：
23.采集所述故障线路上的断路器a及其各个相邻断路器的录波数据；
24.标定所述断路器a及其各个相邻断路器的录波数据中各个采样点的采样时刻，得到所述断路器a及其各个相邻断路器的录波数据的时序波形图；
25.将所述断路器a的时序波形图与其相邻断路器的时序波形图的时间轴对齐，比较对齐后的所述断路器a的时序波形图及其相邻断路器的时序波形图中暂态的零序电压及零序电流的波形相似性，并根据所述相似性比较结果判断故障点是否在所述断路器a附近。
26.优选的，还包括以下步骤：
27.当判断故障点在所述断路器a附近，还用于控制所述断路器a断开，以实现对故障点的隔离。
28.本发明具有以下有益效果：
29.1、本发明中的电力物联网的断路器故障处理装置及方法，通过采集所述故障线路上的断路器a及其各个相邻断路器的录波数据；标定所述断路器a及其各个相邻断路器的录波数据中各个采样点的采样时刻，得到所述断路器a及其各个相邻断路器的录波数据的时序波形图；将所述断路器a的时序波形图与其相邻断路器的时序波形图的时间轴对齐，比较对齐后的所述断路器a的时序波形图及其相邻断路器的时序波形图中暂态的零序电压及零序电流的波形相似性，并根据所述相似性比较结果判断故障点是否在所述断路器a附近，能在提升并保障故障定位正确率的同时，快速实现电力系统单相接地故障定位。
30.2、在优选方案中，本发明基于边缘计算能力对录波数据根据暂态的零序电压及零序电流的波形相似性进行对比，就地实现对线路故障的准确定位，并实现线路故障短路故障和单相接地故障隔离，不影响非故障区域供电。
31.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
32.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实
施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
33.图1是本发明优选实施例中的电力物联网的断路器故障处理装置结构简图；
34.图2是本发明优选实施例中的不同故障波形比对图；图中，(a)为暂态接地电流特点展示图，(b)为同线路故障前后波形对比图，(c)为故障点在线路中间的故障波形对比图，(d)为故障点在线路末端的故障波形对比图。
具体实施方式
35.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
36.实施例一：
37.如图1所示，本实施中公开了一种电力物联网的断路器故障处理装置，包括：
38.断路器a：安装在所述故障线路上作为零序电压越限启动装置和开关；
39.过采样模块：用于采集断路器a的录波数据；
40.北斗授时模块：用于标定所述录波数据中各个采样点的采样时刻，得到所述录波数据的时序波形图；
41.边缘计算模块：用于接收在所述故障线路上所述断路器a的各个相邻断路器的时序波形图，并将所述断路器a的时序波形图与其相邻断路器的时序波形图的时间轴对齐，比较对齐后的所述断路器a的时序波形图及其相邻断路器的时序波形图中暂态的零序电压及零序电流的波形相似性，并根据所述相似性比较结果判断故障点是否在所述断路器a附近。
42.此外，在本实施例中，还公开一种电力物联网的断路器故障处理方法，包括以下步骤：
43.采集所述故障线路上的断路器a及其各个相邻断路器的录波数据；
44.标定所述断路器a及其各个相邻断路器的录波数据中各个采样点的采样时刻，得到所述断路器a及其各个相邻断路器的录波数据的时序波形图；
45.将所述断路器a的时序波形图与其相邻断路器的时序波形图的时间轴对齐，比较对齐后的所述断路器a的时序波形图及其相邻断路器的时序波形图中暂态的零序电压及零序电流的波形相似性，并根据所述相似性比较结果判断故障点是否在所述断路器a附近。
46.本发明中的电力物联网的断路器故障处理装置及方法，通过采集所述故障线路上的断路器a及其各个相邻断路器的录波数据；标定所述断路器a及其各个相邻断路器的录波数据中各个采样点的采样时刻，得到所述断路器a及其各个相邻断路器的录波数据的时序波形图；将所述断路器a的时序波形图与其相邻断路器的时序波形图的时间轴对齐，比较对齐后的所述断路器a的时序波形图及其相邻断路器的时序波形图中暂态的零序电压及零序电流的波形相似性，并根据所述相似性比较结果判断故障点是否在所述断路器a附近，能在提升并保障故障定位正确率的同时，快速实现电力系统单相接地故障定位。
47.实施例二：
48.实施例二是实施例一的优选实施例，其与实施例一的不同之处在于，对电力物联网的断路器故障处理装置的具体结构进行了细化：
49.一种电力物联网的断路器故障处理装置，包括断路器a和配电终端，所述断路器a作为零序电压越限启动装置和开关；所述配电终端内集成有过采样模块、边缘计算模块和
北斗授时模块；
50.其中，断路器a：安装在所述故障线路上作为零序电压越限启动装置和开关；过采样模块：用于采集断路器a的录波数据；北斗授时模块：用于标定所述录波数据中各个采样点的采样时刻，得到所述录波数据的时序波形图；边缘计算模块：用于接收在所述故障线路上所述断路器a的各个相邻断路器的时序波形图，并将所述断路器a的时序波形图与其相邻断路器的时序波形图的时间轴对齐，比较对齐后的所述断路器a的时序波形图及其相邻断路器的时序波形图中暂态的零序电压及零序电流的波形相似性，并根据所述相似性比较结果判断故障点是否在所述断路器a附近，所述边缘计算模块还用于将所述断路器a的时序波形图发送给所述各个相邻断路器对应的断路器故障处理装置。所述边缘计算模块还用于当判断故障点在所述断路器a附近，还用于控制所述断路器a断开，以实现对故障点的隔离。
51.其中，所述录波数据包括电压录波数据以及电流录波数据，所述过采样模块包括电压传感器、电流传感器、滤波单元以及减采样处理单元；
52.所述电压传感器用于采集所述断路器a的电压录波数据；
53.所述电流传感器用于采集所述断路器a的电流录波数据；
54.所述滤波单元用于对采集到的所述断路器a的电压录波数据以及电流录波数据进行滑动平均值滤波；
55.所述减采样处理单元用于对滤波后的所述电压录波数据以及电流录波数据进行减采样，以供北斗授时模块对减采样后的电压录波数据以及电流录波数据进行标定。
56.具体的，所述断路器a、过采样模块、北斗授时模块以及边缘计算模块标准化连接并集成为一体。
57.在本实施例中，所述过采样模块的过采样率为2-8，所述断路器具体为柱上断路器。
58.在优选方案中，所述边缘计算模块包括5g通信模块，所述断路器故障处理装置通过5g通信模块与其在故障线路上相邻的其他断路器故障处理装置/上位机建立通信。
59.此外，在本实施例中，还公开一种电力物联网的断路器故障处理系统，包括多个断路器故障处理装置；所述多个断路器故障处理装置分设在所述电力系统故障线路的各个节点上，每一个断路器故障处理装置均：构建出其内断路器的时序波形图，并将其内断路器的时序波形图发送给其相邻的断路器故障处理装置；接收其相邻的断路器故障处理装置发送来的相邻断路器的时序波形图，并将其内断路器的时序波形图与其相邻断路器的时序波形图的时间轴对齐，比较对齐后的其内断路器a的时序波形图及其相邻断路器的时序波形图中暂态的零序电压及零序电流的波形相似性，并根据所述相似性比较结果判断故障点是否在其内断路器a附近。当判断故障点在其内断路器a附近，控制所述断路器断开，以实现对故障点的隔离。其中，具体的比较方式如图2所示。
60.多个断路器故障处理装置的边缘计算模块组成故障线路的边缘计算网络拓扑，每一个断路器故障处理装置作为所述边缘计算网络拓扑的边缘计算节点；所述边缘计算网络拓扑的边缘计算算法基于分布式接地选线系统的功能实现，所述分布式接地选线系统内的任一边缘计算节点q所须选择数据交互的相邻边缘计算节点包括在故障线路上位于所述边缘计算节点q上游分段的边缘计算节点、在故障线路上位于所述边缘计算节点q下游分段的边缘计算节点、在故障线路上位于所述边缘计算节点q上游分界的边缘计算节点以及在故
障线路上位于所述边缘计算节点q下游分界的边缘计算节点。
61.即所述分布式接地选线系统内的分段开关所须选择数据交互的相邻终端包括上游分段开关、下游分段开关、上游分界开关、下游分界开关。
62.本发明在单节点高速采样的技术基础之上，基于北斗的高精度授时功能，实现不同终端设备间的时间同步误差小于1微秒(角度影响约1分)，这样在不同地点的终端设备间异步采样状态下，通过北斗授时可以对每一个故障录波启动采样点的绝对时刻进行精确时标标记，最终通过精确时标实现不同终端设备间暂态零序电压电流故障录波波形基于故障时刻绝对时间的同步性，从而提升并保障判断正确率。
63.本发明基于接地故障判定原理，结合物联感知柱上断路器作为零序电压越限启动装置和开关功能，可靠触发高精度配电终端高频次高精度采样录波，通过与物联感知柱上断路器的实时交互，基于边缘计算能力对录波数据根据暂态的零序电压及零序电流的波形相似性进行对比，就地实现对线路故障的准确定位，并实现线路故障短路故障和单相接地故障隔离，不影响非故障区域供电。
64.目前配电终端时钟主要依赖于主站对时，4g无线通讯时的对时精度在秒级以上，不同终端设备间难以进行ms级事件记录的精确排序比对，更无从实现不同终端设备间故障录波波形的同步比对识别。而目前研究的所有小电流接地选线定位算法，都是基于不同地点暂态零序电压电流故障录波波形进行比对识别，其中必要的前提是不同地点暂态零序电压电流故障录波波形必须具备基于故障时刻绝对时间的同步性。
65.基于北斗的高精度授时功能，能够实现不同终端设备间的时间同步误差小于1微秒(角度影响约1分)。这样在不同地点的终端设备间异步采样状态下，通过北斗授时可以对每一个故障录波启动采样点的绝对时刻进行精确时标，最终通过精确时标实现不同终端设备间暂态零序电压电流故障录波波形基于故障时刻绝对时间的同步性，从而提升并保障判断正确率。
66.本发明以一二次柱上成套深度融合高精度配电终端作为边缘计算节点，通过物联网技术实现配电终端之间小电流接地故障录波数据的交互和比对，在缓解主站数据传输压力和工作压力的同时，可实现脱离主站状态下的就地化故障自愈快速协同控制，实现线路故障短路故障和单相接地故障的准确定位与就地隔离，不影响非故障区域供电，大大提高非故障区域的供电可靠性。基于高精度北斗授时技术，可实现小电流接地故障录波波形的严格同步，从而故障判断正确性更高，让运检人员第一时间确定故障位置，开展针对性的抢修工作。
67.其中，采用过采样技术提高测量数据的置信度，对于柱上断路器而言，故障准确定位的前提是高置信度的电力信息感知。为了保证在高电压、大电流、强磁场的恶劣环境下，传输和使用过程中的数据可靠性，本发明采用过采样技术提高测量数据的置信度。
68.过采样是指使用远大于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行采样。在数据采集系统中使用过采样技术，不仅能够实现采样数据的冗余，而且能够提高采样系统的精度和信噪比，也即提高测量数据的置信度。
69.本发明由于采用过采样技术，模拟低通滤波器可以不必很复杂，因此采用π型滤波器，以及低通有源滤波器均可；确定过采样率m在2～8范围内；过采样的数字滤波和减采样处理由软件实现。本发明采用滑动平均值滤波方法。这样即可以对干扰有较好的抑制作用，
又起到了减采样的作用。
70.其中，从配电网分段开关视角，其拓扑结构简单清晰，邻近开关可简单概括为：上下游分段、分界即可(短分支引线按照分界归类)，将邻近开关的数据汇集起来进行故障识别及其区域内区域外定位，与中心化主站处理相比在算法效果上不会产生明显降低，但是比中心化主站具有明显优势：采用分布式数据交互和偶发丢包数据重传机制能够有效保障数据完整性，从而能够保证算法逻辑的有效实现；分段开关清晰的拓扑关系能够快速准确地完成故障区段定位，有利于后续实施精准运维减少停电时间。
71.其中，本发明涉及的边缘计算主要出于分布式接地选线功能的实现，所以对于分段开关所须选择数据交互的相邻终端包括：上游分段开关、下游分段开关、上游分界开关、下游分界开关。每个分段开关通过与这些相邻终端进行数据交互比对和判断，就能够搜索出故障点所在区段进行定位。按照上下游直连分段总计最多4个、上游分界总计最多8个下游分界总计最多8个计算，每一个分段开关物联终端最多可能物联网连接20个相邻终端，考虑到也可能选用小区域中心的分布式选线方案，产品物联网连接的相邻终端数量最大规模按照至少80个进行冗余设计。
72.其中，物联网传感器集测量、保护、线损采集于一体，实现一二次深度融合柱上断路器小型化、微功耗、模块化，升级为物联网感知设备，将其作为边缘计算节点，就地故障判断，脱离主站后也能够快速协同进行故障自愈处置，同时具备频响范围宽、线性度好、抗干扰能力强、精度高、体积小、重量轻等特点。
73.综上所述，本发明在单节点高速采样的技术基础之上，基于北斗的高精度授时功能，实现不同终端设备间的时间同步误差小于1微秒(角度影响约1分)，这样在不同地点的终端设备间异步采样状态下，通过北斗授时可以对每一个故障录波启动采样点的绝对时刻进行精确时标标记，最终通过精确时标实现不同终端设备间暂态零序电压电流故障录波波形基于故障时刻绝对时间的同步性，从而提升并保障判断正确率，基于边缘计算能力对录波数据根据暂态的零序电压及零序电流的波形相似性进行对比，就地实现对线路故障的准确定位，并实现线路故障短路故障和单相接地故障隔离，不影响非故障区域供电。
74.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。