CN112433178B - 一种多设备间数据同步合成的线路故障检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种多设备间数据同步合成的线路故障检测方法，属于电力系统中故障指示器系统领域，基于故障指示器系统中的三相采集单元和汇集单元来实现，所述三相采集单元和汇集单元借助无线通讯模块实现数据交互，所述三相采集单元包括A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元，通过对设备和检测方法本身进行改进，保证各个单元之间的系统时间和采样时间的同步，将同步的采样数据实时的传输给汇集单元来合成实时的零流和零压进行暂态研判，提高故障识别率。
Description
技术领域
本发明属于电力系统中故障指示器系统领域，具体涉及一种多设备间数据同步合成的线路故障检测方法。
背景技术
国家电网公司对配电网的投资逐渐加大，目前故障指示器系统，作为一种挂在架空线或电缆上的配电产品，以其实用性强、使用方便、故障识别和判断、故障易识别性，使其在配电领域 得到广泛应用。三相线路上个挂一个采集单元，目前大家依据相电流和相电压的暂态变化作为判据，分析判断暂态故障，这种单相独立判断不准确、不全面。
现有技术存在的缺陷：雨雪天气等环境影响电压不规则的变化，负荷波动导致电流的变化等因素影响了对接地故障的判断，不能实时的拿到零流和零压数据，就不能准确的判断接地故障。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种多设备间数据同步合成的线路故障检测方法，通过对设备和检测方法本身进行改进，保证各个单元之间的系统时间和采样时间的同步，将同步的采样数据实时的传输给汇集单元来合成实时的零流和零压进行暂态研判，提高故障识别率。
本发明采用的技术方案是：一种多设备间数据同步合成的线路故障检测方法，基于故障指示器系统中的三相采集单元和汇集单元来实现，所述三相采集单元和汇集单元借助无线通讯模块实现数据交互，所述三相采集单元包括A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元，所述线路故障检测方法包括以下步骤：
步骤一，汇集单元根据卫星授时设备进行精准对时，再以广播发送方式发送对时数据帧，广播发送方式的周期为N，其中N的取值范围为80-110ms；
步骤二，三相采集单元中各个采集单元分别根据收到的对时数据帧进行时间校准，用以实现汇集单元和三相采集单元的时间同步；
步骤三，各个采集单元待对时稳定后，分别将各自采集的电压和电流数据传输给汇集单元，其传输方法包括：
在对时稳定后的整秒，各个采集单元以间隔时间M按照 ABC三相的顺序循环向外发送数据；
步骤四，汇集单元根据收到三相采样数据矢量合成零序电流和零序电压，并计算零序电流和零序电压的有效值；
当检测到有效值值突变时，根据零序电流和零序电压的暂态特征分析判断是否为接地故障；
如果是接地故障，再根据零序电流和零序电压的暂态时刻的变化趋势，判断设备处于故障点上游还是下游。
进一步地，所述汇集单元及三相采集单元中各个采集单元中都设置有对时无线通讯模块和数据收发无线通信模块。
进一步地，所述步骤二中三相采集单元的时间校准方法包括以下步骤：
A．各个采集单元在首次收到汇集单元发送的对时数据帧后，以公式Thi=T1i+T2+T3的计算结果，来替换自身当前时间Tc；
其中，Thi代表计算时间，T1i代表第i次收到的对时数据帧中的时标，T2代表无线空中传输延时，T3代表采集单元解析时间，Tc代表采集单元当前时间；
B．各个采集单元之后每次收到对时数据帧，计算自身当前时间Tc和公式Thi=T1i+T2+T3的计算结果之间的时间偏差△ti，其公式为△ti=Tc-Thi；
B1.当各个采集单元的△ti绝对值都不大于20us时，判定各个采集单元对时稳定，则进入数据传输、对时微调；其中对时微调的方法包括:
B11. 各个采集单元每计算最近K个△ti的平均值，并将平均值平摊到每毫秒中进行修正，其中K的取值范围在2至10之间；
B2. 当各个采集单元的△ti绝对值出现大于20us时，判定各个采集单元对时不稳定，则暂停数据传输、对时微调并返回步骤A。
进一步地，所述M的取值范围为4-6ms。
本发明的技术特点：三相采集单元和汇集单元之间通过数据的传输，使四台设备的时间趋于同步；三相采集单元分别采集线路ABC三相的电压和电流数据，采集数据传输给汇集单元，汇集单元将三相数据存储，并同步合成零序，来进行暂态故障的分析和判断。
采用本发明产生的有益效果：通过对设备和检测方法本身进行改进，保证各个单元之间的系统时间和采样时间的同步，提高故障识别率；本发明采样点数据的选择和发送时隙选择减少了数据传输量，同时也保证了功能需求。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是采集单元数据发送示意图。
具体实施方式
参看附图1-2，本发明的故障指示器系统包括三相采集单元和汇集单元；三相采集单元包括A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元；汇集单元、A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元中都设置有对时无线通讯模块和数据收发无线通信模块，两个无线模块型号为433M。
本发明使用2个通信模块是为了功能分离，因为采样数据传输数据量大，不能用来兼顾其他功能，并且采用一个通信模块易造成对时不同步现象的发生。一种多设备间数据同步合成的线路故障检测方法，基于故障指示器系统中的三相采集单元和汇集单元来实现，所述三相采集单元和汇集单元借助无线通讯模块实现数据交互，所述三相采集单元包括A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元，所述线路故障检测方法包括以下步骤：
步骤一，汇集单元根据卫星授时设备进行精准对时，再以广播发送方式发送对时数据帧，广播发送方式的周期为N，其中N的取值范围为80-110ms；
步骤二，三相采集单元中各个采集单元分别根据收到的对时数据帧进行时间校准，用以实现汇集单元和三相采集单元的时间同步；
步骤三，各个采集单元待对时稳定后，分别将各自采集的电压和电流数据传输给汇集单元，其传输方法包括：
在对时稳定后的整秒，各个采集单元以间隔时间M按照 ABC三相的顺序循环向外发送数据；
参看附图2，其具体数据传输方法：电流和电压每周波（20ms）采样128点，自己进行计算和判断，每周波等间隔筛选出32个采样点，上传汇集单元，筛选序号1、5、9…125。
采样点数据的选择和发送时隙选择，因为采集单元每周波采样点的个数有区别，有80、100、128、256等，以128举例，每周波128个采样点没必要全部传给汇集单元，需要四分之一数量就可以。因为设置采样模式是等时间采样，每四个点抽取一个采样点。1、2、3、4中抽1；5、6、7、8中抽5；……等等。为了后面零序的合成，每组中取得位置要一致。也可以1、2、3、4中抽2；那么5、6、7、8中抽6。这样减少了数据传输量，同时也保证了功能需求。
满足对时稳定、ADC采样同步后，进行采样数据组帧传输。
满足对时稳定、ADC采样同步后，在整秒后的第一个触发的采样点作为需要上传的第一个采样点，
组帧：每帧包含48个采样点（电流24个采样点，电场24个采样点，每个采样点用两个字节），时标7个字节，相别区分标识1个字节。一帧共104个字节。无线模块发送速率200Kb/s，5ms内可发送125个字节。
传输周期：A相采集单元在整秒后计时到5ms向外发送数据，B相采集单元在整秒后计时到10ms向外发送数据，C相采集单元在整秒后计时到15ms向外发送数据，以后按照ABC三相的顺序分别以5ms间隔，向外发送数据。
步骤四，汇集单元根据收到三相采样数据矢量合成零序电流和零序电压，并计算零序电流和零序电压的有效值；
当检测到有效值值突变时，根据零序电流和零序电压的暂态特征分析判断是否为接地故障；
如果是接地故障，再根据零序电流和零序电压的暂态时刻的变化趋势，判断设备处于故障点上游还是下游。
上述步骤四中汇集单元的具体数据处理过程：汇集单元收到A、B、C三相的数据后，判断三相数据都收到了，如果数据中时标满足对齐要求，将数据存储，这样汇集单元中，就拿到了三个线路的电流和电压实时的同步的采样数据。
汇集单元将拿到的三相同步的采样点，进行矢量计算，合成了零序电流和零序电压的采样点，同样是每周波32个采样点。
汇集单元拿到三相电流和电压的采样数据，采样数据都是以0为中心轴的正弦波的采样点，每个采样点16位的有符号数据，每个零序电流采样点计算如下I0n=IAn+ IBn+ICn；每个零序电压采样点计算如下U0n=UAn+ UBn+ Ucn。
汇集单元拥有的实时的零序电流和零序电压，每个工频采样周期（一般为20ms），应用离散型傅立叶算法（FFT计算方式）同步计算零序电流的有效值，计算的当前有效值与上一个工频采样周期的有效值进行做差运算结果的绝对值，与零序启动阀值进行比较判断，如果大于零序启动阀值，认为零序电流发生突变，检测到接地故障。然后用首半波法判断此刻的零序电流和零序电压采样数据的暂态趋势，判断设备处于故障点上游还是下游。如果零序电流和零序电压采样数据的暂态趋势相同，设备处于故障点下游；如果零序电流和零序电压采样数据的暂态趋势相反，设备处于故障点上游。
如果想要故障时刻的精确采样点的录波文件，步骤如下：
汇集单元通过对时无线通讯模块下发录波启动命令，命令中包含故障启动时刻，三相采集单元按照故障启动时刻形成前4周波后8周波的波形数据（采集单元有一定时间的采样缓存，可按照规定的时刻，查询到采样数据的位置），上传汇集单元。故障录波文件每个周波128个采样点，可上传主站应用。
所述步骤二中三相采集单元的时间校准方法包括以下步骤：
A．各个采集单元在首次收到汇集单元发送的对时数据帧后，以公式Thi=T1i+T2+T3的计算结果，来替换自身当前时间Tc；
其中，Thi代表计算时间，T1i代表第i次收到的对时数据帧中的时标，T2代表无线空中传输延时，T3代表采集单元解析时间，Tc代表采集单元当前时间；
B．各个采集单元之后每次收到对时数据帧，计算自身当前时间Tc和公式Thi=T1i+T2+T3的计算结果之间的时间偏差△ti，其公式为△ti=Tc-Thi；
B1.当各个采集单元的△ti绝对值都不大于20us时，判定各个采集单元对时稳定，则进入数据传输、对时微调；其中对时微调的方法包括:
B11. 各个采集单元每计算最近K个△ti的平均值，并将平均值平摊到每毫秒中进行修正，其中K的取值范围在2至10之间；
B2. 当各个采集单元的△ti绝对值出现大于20us时，判定各个采集单元对时不稳定，则暂停数据传输、对时微调并返回步骤A。
其具体原理为：汇集单元可通过外部服务器或GPS、北斗定时接收精准的时间源，没有外部时间源时，汇集单元依据8025T时钟芯片进行守时。汇集单元通过无线通讯，间隔周期为100ms，每次将对时数据帧进行广播发送。三相采集单元接收到对时数据帧后，分别根据时间调整本身时间和AD采样用定时器，实现三相采集单元绝对时间偏差在20us以内，三相采集单元的AD采样用定时器步调一致，几乎同时触发采样。
具体调整方法：汇集单元以间隔周期为100ms，每次将对时数据帧进行广播发送，三个采集单元同时收到都要进行系统时钟调整，以达到设备间时间同步。采集单元第一次收到汇集单元下发的对时时间，直接进行系统时间调整。
步骤如下：汇集单元下发的时标T1i、数据通过无线空中传输延时T2、采集单元解析时间T3，采集单元将T1+ T2+ T3计算后的时间直接调整为自己的系统时间。接下来采集单元再受到对时帧后，不直接进行系统时间调整，而是进行微调，通过调整ms中断沿来修正系统时间。
采集单元收到汇集单元下发的时间，T1i+ T2+ T3计算后的时间Thi，此时提取自己当前的系统时间Tc，时间偏差△ti=Tc-Th，△t有正数也有负数。△ti的绝对值要不大于20us，|△ti|≤20us，认为汇集单元给采集单元的对时稳定。然后采集单元会根据对时偏差对自己的时间进行微调，步骤如下：
将最近K次的△ti的平均值，并将平均值平摊到每毫秒中进行修正，这样三相采集单元和汇集单元之间时间相对稳定，不会有大的调整。当新收到一帧对时计算出△ti最为最新的,扔掉最旧的△ti，保证每次计算平均值时都是K个数时间偏差的平均数。
ADC采样调整方法
在对时稳定后，每20ms调整一次ADC触发采样的计数器，调整时将计数器与毫秒沿对齐，这样三相采集单元采样步调一致。
Claims (3)
1.一种多设备间数据同步合成的线路故障检测方法，基于故障指示器系统中的三相采集单元和汇集单元来实现，所述三相采集单元和汇集单元借助无线通讯模块实现数据交互，所述三相采集单元包括A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元，其特征在于所述线路故障检测方法包括以下步骤：
步骤一，汇集单元根据卫星授时设备进行精准对时，再以广播发送方式发送对时数据帧，广播发送方式的周期为N，其中N的取值范围为80-110ms；
步骤二，三相采集单元中各个采集单元分别根据收到的对时数据帧进行时间校准，用以实现汇集单元和三相采集单元的时间同步；
步骤三，各个采集单元待对时稳定后，分别将各自采集的电压和电流数据传输给汇集单元，其传输方法包括：
在对时稳定后的整秒，各个采集单元以间隔时间M按照 ABC三相的顺序循环向外发送数据；
步骤四，汇集单元根据收到三相采样数据矢量合成零序电流和零序电压，并计算零序电流和零序电压的有效值；
当检测到有效值值突变时，根据零序电流和零序电压的暂态特征分析判断是否为接地故障；
如果是接地故障，再根据零序电流和零序电压的暂态时刻的变化趋势，判断设备处于故障点上游还是下游；
所述步骤二中三相采集单元的时间校准方法包括以下步骤：
A．各个采集单元在首次收到汇集单元发送的对时数据帧后，以公式Thi=T1i+T2+T3的计算结果，来替换自身当前时间Tc；
其中，Thi代表计算时间，T1i代表第i次收到的对时数据帧中的时标，T2代表无线空中传输延时，T3代表采集单元解析时间，Tc代表采集单元当前时间；
B．各个采集单元之后每次收到对时数据帧，计算自身当前时间Tc和公式Thi=T1i+T2+T3的计算结果之间的时间偏差△ti，其公式为△ti=Tc-Thi；
B1.当各个采集单元的△ti绝对值都不大于20us时，判定各个采集单元对时稳定，则进入数据传输、对时微调；其中对时微调的方法包括:
B11. 各个采集单元每计算最近K个△ti的平均值，并将平均值平摊到每毫秒中进行修正，其中K的取值范围在2至10之间；
B2. 当各个采集单元的△ti绝对值出现大于20us时，判定各个采集单元对时不稳定，则暂停数据传输、对时微调并返回步骤A。
2.根据权利要求1所述的多设备间数据同步合成的线路故障检测方法，其特征在于：所述汇集单元及三相采集单元中各个采集单元中都设置有对时无线通讯模块和数据收发无线通信模块。
3.根据权利要求1所述的多设备间数据同步合成的线路故障检测方法，其特征在于：所述M的取值范围为4-6ms。
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