一种配电网故障监测系统与监测方法与流程

1.本发明属于配电网故障监测技术领域，尤其涉及一种配电网故障监测系统与监测方法。


背景技术：

2.配电网是指从输电网或地区发电厂接受电能，通过配电设施就地分配或按电压逐级分配给各类用户的电力网。低压配电系统常采用三相四线制向用电负荷供电。配电网规模日渐扩大，各类故障也时有发生。
3.例如，当配电网线路发生故障时，系统电压大幅下降，短路点附近线路的电流急剧增加，若未及时识别故障并采取必要的保护动作，可能会造成线损增大、设备烧毁等危害，甚至造成发电机与系统解列，导致大面积停电；再例如，当配电网发生中性线断线故障时，中性线断线故障将导致负荷侧中性点出现电压偏移，其对地电压会传递到所有保护接零的设备外壳，可能导致人身触电事故的发生。其他故障还包括永久性故障、瞬时性故障、单相断线故障、多相断线故障等。
4.由于发生故障时的信号量非常多，并且不同的信号量可能对应不同的故障类型。因此，在故障发生时如何针对性的选择信号量数据进行传输，以降低与本次故障类型明显不相关的故障信号量的干扰，成为配电网故障识别与判定过程需要解决的技术问题之一。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出一种配电网故障监测系统与监测方法。
6.具体，在本发明的第一个方面，提供一种配电网故障监测系统，所述系统包括数据采集单元、数据传输单元、故障识别单元与故障隔离单元；
7.所述数据采集单元用于采集所述配电网的三相四线配网设备的多个模拟量信号。
8.可以理解，本发明的技术方案主要针对采用三相四线制的低压配电网系统设备，一般来说，三相四线配网设备通常包括配电网线路a-b-c三相电源、中性线z及其电阻、以及接入三相四线制的低压配电网系统的配网电压器设备。
9.因此，采集的所述配电网的三相四线配网设备的多个模拟量信号包括配电网线路a-b-c三相电源的电源电压u
a-u
b-uc、相电流i
a-i
b-ic、中性线电阻zn、中性线电流in、中性线接地线电流i0、零序电压u0、零序电流i0；
10.所述数据传输单元用于将所述多个模拟量信号进行分组后，将分组数据传输至所述故障识别单元；
11.作为一个分组原则，可将三相电压信号为第一组，三相电流信号为第二组，中性线电阻zn、中性线电流in为第三组；
12.所述故障识别单元基于分组数据进行故障识别，并将故障识别的结果发送至所述故障隔离单元；
13.所述故障识别单元的所述故障识别结果包括永久性故障、瞬时性故障、单相断线
故障、多相断线故障、中性线断线故障、高阻接地故障、短路故障之一或者其任意组合。
14.所述故障隔离单元基于所述故障识别结果执行至少一个故障隔离和设备保护动作。
15.更具体的，所述三相四线配网设备包括配电网线路a-b-c三相电源、中性线z及其电阻zn；所述配电网线路a-b-c三相电源电压为u
a-u
b-uc，三相电流为i
a-i
b-ic，线路a-b-c三相对应的负荷阻抗为z
a-z
b-zc；中性线z的中性线电流为in；
16.所述三相四线配网设备还包括配网变压器设备，所述配电网线路a-b-c三相电源通过所述配网变压器设备连接至终端负载；
17.所述多个模拟量信号包括所述电源电压u
a-u
b-uc、三相电流i
a-i
b-ic、中性线电阻zn、中性线电流in、中性线接地线电流i0、零序电压u0以及零序电流i0。
18.所述数据传输单元将所述多个模拟量信号进行分组后，得到多个分组groupi，i＝1，2，
……
，k，k为不小于3的正整数；
19.所述数据传输单元将多个分组groupi按照预定时间间隔t依序传输至所述故障识别单元。
20.作为具体分组的例子，所述多个分组groupi包括：
21.group1＝{ua,ub,uc,u0}；
22.group2＝{ia,ib,ic,i0}；
23.group3＝{zn,in}；
24.group4＝{za,zb,zc}；
25.group5＝{r,l,c}；
26.其中，r,l,c为所述配网电压器设备的等效rlc网络参数。
27.作为本发明的进一步改进，所述故障识别单元在接收到分组groupi后：
28.若i＝1，则所述故障识别单元基于分组groupi包含的模拟量信号执行故障识别，并基于故障识别结果发送反馈信号给所述数据传输单元，所述反馈信号提示所述数据传输单元继续传输分组group
i 1
，或者，停止传输分组信号；
29.若i》1,则所述故障识别单元基于分组{group1，group2，
…
groupi}包含的模拟量信号执行故障识别，并基于故障识别结果发送反馈信号给所述数据传输单元，所述反馈信号提示所述数据传输单元继续传输分组group
i 1
，或者，停止传输分组信号；
30.若所述数据传输单元在所述预定时间间隔t内未收到所述反馈信号，则所述数据传输单元将分组group
i 1
按照预定时间间隔t传输至所述故障识别单元。
31.在本发明的第二个方面，提供一种配电网故障监测方法，所述方法包括数据采集步骤、数据传输步骤、故障识别步骤与故障隔离步骤；
32.所述数据采集步骤，用于采集所述配电网的三相四线配网设备的多个模拟量信号，所述多个模拟量信号包括配电网线路a-b-c三相电源的电源电压u
a-u
b-uc、相电流i
a-i
b-ic、中性线电阻zn、中性线电流in、中性线接地线电流i0、零序电压u0、零序电流i0；
33.所述数据传输步骤用于将所述多个模拟量信号进行分组并传输；
34.所述故障识别步骤，用于接收分组传输数据并基于分组数据进行故障识别，并发送所述故障识别结果；
35.所述故障识别结果包括永久性故障、瞬时性故障、单相断线故障、多相断线故障、
中性线断线故障、高阻接地故障、短路故障之一或者其任意组合。
36.所述故障隔离步骤，用于接收所述故障识别结果后执行至少一个故障隔离和设备保护动作。
37.所述数据传输步骤用于将所述多个模拟量信号进行分组并传输，具体包括：
38.分组步骤：所述多个模拟量信号进行分组，得到多个分组groupi，i＝1，2，
……
，k，k为不小于3的正整数；
39.分组时三相电压信号为第一组，三相电流信号为第二组，中性线电阻zn、中性线电流in为第三组；
40.传输步骤：按照预定时间间隔t依序传输所述多个分组groupi。
41.所述故障识别步骤，用于接收分组传输数据并基于分组数据进行故障识别，并发送所述故障识别结果，进一步包括：
42.接收到分组groupi后：
43.若i＝1，则基于分组groupi包含的模拟量信号执行故障识别，并基于故障识别结果生成反馈信号发送给所述数据传输步骤，所述反馈信号提示所述数据传输步骤继续传输分组group
i 1
，或者，停止传输分组信号；
44.若i》1,则基于分组{group1，group2，
…
groupi}包含的模拟量信号执行故障识别，并基于故障识别结果生成反馈信号发送给所述数据传输步骤，所述反馈信号提示所述数据传输步骤继续传输分组group
i 1
，或者，停止传输分组信号；
45.若所述数据传输步骤在所述预定时间间隔t内未收到所述反馈信号，则所述数据传输步骤将分组group
i 1
按照预定时间间隔t继续依序传输所述多个分组groupi。
46.本发明的故障监测方案符合三相四线配网设备的结构和故障发生特点，在数据采集、传输和识别方面进行了针对性的改进，在故障发生时能偶针对性的选择信号量数据进行传输，以降低与本次故障类型明显不相关的故障信号量的干扰，其故障识别效果较好。
47.本发明的更多实施例和改进效果将结合附图和具体实施例进一步介绍。
附图说明
48.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
49.图1是本发明一个实施例的一种配电网故障监测系统的单元结构示意图；
50.图2是图1所述配电网故障监测系统的数据采集、传输以及监测示意图；
51.图3是本发明针对的三相四线制的低压配电网系统的部分电路示意图；
52.图4是本发明一个实施例的一种配电网故障监测方法的主要步骤流程示意图；
53.图5是图4所述方法的部分步骤的计算机流程实现示意图。
具体实施方式
54.下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。
55.图1是本发明一个实施例的一种配电网故障监测系统的单元结构示意图。
56.在图1中，所述配电网故障监测系统包括数据采集单元、数据传输单元、故障识别单元与故障隔离单元；
57.所述数据采集单元与数据传输单元、故障识别单元与故障隔离单元之间单向数据通信连接，而数据传输单元与故障识别单元在某些情况下还存在双向数据通信反馈，具体将在后续实施例中进一步介绍。
58.参见前述背景技术，本发明的技术方案首先是针对采用三相四线制的低压配电网系统设备进行故障监测与识别的。
59.具体的，参见图2-图3。
60.图2示出图1所述单元架构具体应用于采用三相四线制的低压配电网系统设备的布局示意图。
61.图3则给出了三相四线制的低压配电网系统的部分电路示意图。
62.可以理解，图2-图3仅仅是为了便于理解，并不代表真实的电路布局图或者线路图。三相四线制的低压配电网系统其具体线路布局属于本领域技术人员所熟知的，图2-图3仅示出其中部分与本发明技术方案密切相关的一部分内容。
63.接下来，为更好讲解本发明的技术方案，图1、图2或者图3可能会对应的交叉引用。
64.在图1中，所述数据采集单元用于采集所述配电网的三相四线配网设备的多个模拟量信号；
65.在具体实施例中，所述数据采集单元可以采用图2所述的馈线终端单元采集所述配电网的三相四线配网设备的多个模拟量信号。
66.图2所述馈线终端单元为智能电网中的一种智能设备，其通常名称为ftu(feederterminalunit)。
67.ftu不仅具有数据采集和数据传输功能，而且，与配电自动化主站配合，能够实现配电网的故障识别和故障隔离等功能。
68.采用ftu，结合电子式电压、电流传感器、数字化单元、宽带电压传感器、宽带电流传感器、信号转换单元(adcu)等，可以采集多个模拟量信号并将其转换为数字化信号，例如adcu承担柱上断路器安装处的电压、电流信号和断路器状态的数据采集以及电能计量任务。
69.在更具体的实施例中，所述三相四线配网设备包括配电网线路a-b-c三相电源、中性线z及其电阻zn。
70.具体的，参见图3所述的架构图。
71.结合图3，所述配电网线路a-b-c三相电源电压为u
a-u
b-uc，三相电流为i
a-i
b-ic，线路a-b-c三相对应的负荷阻抗为z
a-z
b-zc；中性线z的中性线电流为in；
72.所述三相四线配网设备还包括配网变压器设备，所述配电网线路a-b-c三相电源通过所述配网变压器设备连接至终端负载；
73.所述多个模拟量信号包括所述电源电压u
a-u
b-uc、三相电流i
a-i
b-ic、中性线电阻zn、中性线电流in、中性线接地线电流i0、零序电压u0以及零序电流i0。
74.在图1中，所述数据传输单元用于将所述多个模拟量信号进行分组后，将分组数据传输至所述故障识别单元；
75.具体的，参见图2的数据分组操作。
76.所述数据传输单元将所述多个模拟量信号进行分组后，得到多个分组groupi，i＝1，2，
……
，k，k为不小于3的正整数；
77.所述数据传输单元将多个分组groupi按照预定时间间隔t依序传输至所述故障识别单元。
78.所述故障识别单元基于分组数据进行故障识别，并将故障识别的结果发送至所述故障隔离单元；
79.更具体的，所述故障识别单元在接收到分组groupi后：
80.若i＝1，则所述故障识别单元基于分组groupi包含的模拟量信号执行故障识别，并基于故障识别结果发送反馈信号给所述数据传输单元，所述反馈信号提示所述数据传输单元继续传输分组group
i 1
，或者，停止传输分组信号；
81.若i》1,则所述故障识别单元基于分组{group1，group2，
…
groupi}包含的模拟量信号执行故障识别，并基于故障识别结果发送反馈信号给所述数据传输单元，所述反馈信号提示所述数据传输单元继续传输分组group
i 1
，或者，停止传输分组信号；
82.若所述数据传输单元在所述预定时间间隔t内未收到所述反馈信号，则所述数据传输单元将分组group
i 1
按照预定时间间隔t传输至所述故障识别单元。
83.作为具体的故障识别类型，所述故障识别单元的所述故障识别结果包括永久性故障、瞬时性故障、单相断线故障、多相断线故障、中性线断线故障、高阻接地故障、短路故障之一或者其任意组合。
84.可以理解，上述不同的故障类型对应不同的故障特征信号量，因此，所述故障识别单元可基于分组{group1，group2，
…
groupi}包含的模拟量信号执行故障识别；
85.当{group1，group2，
…
groupi}包含的模拟量信号能够得出完整的故障识别结果时，可发送反馈信号给所述数据传输单元，使其停止传输分组信号；
86.而当{group1，group2，
…
groupi}包含的模拟量信号不能够得出完整的故障识别结果时，可发送反馈信号给所述数据传输单元，提示所述数据传输单元继续传输分组group
i 1
，直至接收的{group1，group2，
…
groupi}包含的模拟量信号能够得出完整的故障识别结果。
87.当然，可能由于预测模型预测信号量的数量或者数值限制，导致当前故障识别单元无法判定是否能够得出完整的故障识别结果，例如算法陷入等待等，导致故障识别单元无法按时(在所述预定时间间隔t内)生成反馈信号，即超时反馈；
88.此时，将会所述数据传输单元在所述预定时间间隔t内未收到所述反馈信号，则所述数据传输单元将分组group
i 1
按照预定时间间隔t传输至所述故障识别单元，以便补充数据的完整性。
89.作为一个具体的分组实施例，所述多个分组groupi包括：
90.group1＝{ua,ub,uc,u0}；
91.group2＝{ia,ib,ic,i0}；
92.group3＝{zn,in}；
93.group4＝{za,zb,zc}；
94.group5＝{r,l,c}；
95.其中，r,l,c为所述配网电压器设备的等效rlc网络参数。
96.以group1＝{ua,ub,uc,u0}为例，所述故障识别单元基于分组group1包含的模拟量信号执行故障识别，一般可以识别出单相断线故障和/或多相断线故障，具体原理简述如下：
97.在单相负载处于平衡状态且配电网线路abc三相电源对称的理想状态下，线路各处三相电压值相同(不考虑线路阻抗)，相位角相差120
°
：
98.若某个相线出现故障，例如b相线路故障，则会导致对应的相位滞后、电压值变化以及与其他相之间的连接关系变化，例如，若断线点靠近电源一侧，三相线电压值差异不大；若断线点较电源侧较远，滞后相电压向量基本不会出现较大波动。
99.此时，若能够判断出具体的故障点，则基于故障识别结果发送反馈信号给所述数据传输单元，所述反馈信号提示所述数据传输单元停止传输分组信号；
100.相反，若当前数据不够完备，或者识别延迟，则基于故障识别结果发送反馈信号给所述数据传输单元，所述反馈信号提示所述数据传输单元继续传输分组group
i 1
，注意，这里的“故障识别结果”其实只能算是中间结果，即当前“故障识别”并未给出最终的确认结果，或者超时未给出结果。
101.所述数据传输单元继续传输分组group2，group3，group4，
……
；
102.进一步的，假设所述故障识别单元当前已经接收到如下分组数据：
103.{group1，group2，group3，group4}
104.则可以进一步判定出是否存在中性线故障；
105.若进一步加入group5，则可以进一步判定出是否存在永久性故障、瞬时性故障、高阻接地故障、短路故障之一或者其任意组合。
106.上述根据相应的特征信号量判定对应类型故障是否存在的方法，本领域均存在对应的现有技术，这也不是本发明的重点，因此不做进一步展开，本领域技术人员可参见相关技术。
107.以断线故障判定为例，可参见如下文献给出的原理与标准：
108.刘松喜,等.基于分布式测量的低压主动配电网中性线断线识别与定位方法。《供用电》,2022,39(04):68-76.
109.本发明利用的虽然是现有技术已有的故障识别原理，但是本发明的改进点在于对于数据的采集和分组传输过程，使得每次故障识别采用的数据都是用于当前故障类型识别，避免无关数据干扰；只有在识别超时时才需要进一步传输数据以确保完整性，兼顾了数据处理速度和识别精度。
110.同时，本发明所述的分组也基于现有技术的识别原理进行了新一步归纳和改进，使得较早的分组的识别尽可能能够利用较少的数据就能完成，即所述分组存在先后以及不同的优先级，较高优先级的数据分组靠前，尽可能的确保数据传输能够在一个周期内尽快终止的同时又能得出结论。
111.以相线路故障为例，其优先级较高，因此，group1＝{ua,ub,uc,u0}；而最终的所述配网电压器设备的等效rlc网络参数导致的故障优先级较低，因此group5＝{r,l,c}，即分组标号越大，优先级越低。
112.基于图1-图3的硬件介绍，图4-图5给出了一种配电网故障监测方法的不同实施例。
113.在图4中，所述配电网故障监测方法包括数据采集步骤、数据传输步骤、故障识别步骤与故障隔离步骤；
114.各个步骤具体实现如下：
115.所述数据采集步骤，用于采集所述配电网的三相四线配网设备的多个模拟量信号，所述多个模拟量信号包括配电网线路a-b-c三相电源的电源电压u
a-u
b-uc、相电流i
a-i
b-ic、中性线电阻zn、中性线电流in、中性线接地线电流i0、零序电压u0、零序电流i0；
116.所述数据传输步骤用于将所述多个模拟量信号进行分组并传输；
117.所述故障识别步骤，用于接收分组传输数据并基于分组数据进行故障识别，并发送所述故障识别结果；
118.所述故障识别结果包括永久性故障、瞬时性故障、单相断线故障、多相断线故障、中性线断线故障、高阻接地故障、短路故障之一或者其任意组合
119.所述故障隔离步骤，用于接收所述故障识别结果后执行至少一个故障隔离和设备保护动作。
120.所述数据传输步骤用于将所述多个模拟量信号进行分组并传输，具体包括：
121.分组步骤：所述多个模拟量信号进行分组，得到多个分组groupi，i＝1，2，
……
，k，k为不小于3的正整数；
122.分组时三相电压信号为第一组，三相电流信号为第二组，中性线电阻zn、中性线电流in为第三组；
123.传输步骤：按照预定时间间隔t依序传输所述多个分组groupi。
124.所述故障识别步骤，用于接收分组传输数据并基于分组数据进行故障识别，并发送所述故障识别结果，进一步包括：
125.接收到分组groupi后：
126.若i＝1，则基于分组groupi包含的模拟量信号执行故障识别，并基于故障识别结果生成反馈信号发送给所述数据传输步骤，所述反馈信号提示所述数据传输步骤继续传输分组group
i 1
，或者，停止传输分组信号；
127.若i》1,则基于分组{group1，group2，
…
groupi}包含的模拟量信号执行故障识别，并基于故障识别结果生成反馈信号发送给所述数据传输步骤，所述反馈信号提示所述数据传输步骤继续传输分组group
i 1
，或者，停止传输分组信号；
128.若所述数据传输步骤在所述预定时间间隔t内未收到所述反馈信号，则所述数据传输步骤将分组group
i 1
按照预定时间间隔t继续依序传输所述多个分组groupi。
129.上述方法显然可以通过计算机程序指令自动化实现，因此，图5示出了图4所述方法的部分步骤的计算机流程实现示意图。
130.其中，伪代码如下：
131.1：i＝1；
132.2：获取groupi；
133.3：基于分组{group1，group2，
…
groupi}包含的模拟量信号执行故障识别；
134.4：判断在所述预定时间间隔t内是否生成反馈信号；
135.如果是，进入5；
136.否则，令i＝i 1，返回2；
137.5：继续传输分组group
i 1
，或者，停止传输分组信号。
138.作为优选，预定时间间隔t的大小可调节。
139.具体的，基于当前接收到的分组{group1，group2，
…
groupi}包含的分组数目i以及分组i对应的信号量数目i k，调节后的预定时间间隔t'如下：
[0140][0141]
其中，t为当前预定时间间隔，t
pre
为当前预定时间间隔之前最近一次被调整的预定时间间隔。
[0142]
可见，上述调整方式使得整个过程形成了闭环反馈的自学习调整过程。
[0143]
可以看到，本发明的故障监测方案符合三相四线配网设备的结构和故障发生特点，在数据采集、传输和识别方面进行了针对性的改进，在故障发生时能偶针对性的选择信号量数据进行传输，以降低与本次故障类型明显不相关的故障信号量的干扰，其故障识别效果较好。
[0144]
其中，对于数据的采集和分组传输过程能使得每次故障识别采用的数据都是用于当前故障类型识别，避免无关数据干扰；只有在识别超时时才需要进一步传输数据以确保完整性，兼顾了数据处理速度和识别精度。
[0145]
同时，本发明所述的分组也基于现有技术的识别原理进行了新一步归纳和改进，使得较早的分组的识别尽可能能够利用较少的数据就能完成，即所述分组存在先后以及不同的优先级，较高优先级的数据分组靠前，尽可能的确保数据传输能够在一个周期内尽快终止的同时又能得出结论。
[0146]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。此外，本发明的各个实施例可以单独或者合并，解决其中一个或者多个技术问题，但是不要求每个实施例或者技术方案均解决所有技术问题。
[0147]
本发明未特别明确的部分模块结构，以现有技术记载的内容为准。本发明在前述背景技术部分以及具体实施例部分提及的现有技术可作为本发明的一部分，用于理解部分技术特征或者参数的含义。本发明的保护范围以权利要求实际记载的内容为准。