配电网故障定位的边缘计算装置及配电网故障定位系统的制作方法
本发明涉及配电网自动化技术领域，尤其涉及一种配电网故障定位的边缘计算装置及配电网故障定位系统。
背景技术：
目前，配电网单相接地故障的识别和定位越来越引起电网管理人员的重视，以往就有依据零序电压判定是否存在接地故障的使用习惯，也研发出基于各种方法开展故障定位的装置。然而现有技术中未存在将两者优势有机结合的故障定位装置。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种配电网故障定位的边缘计算装置及配电网故障定位系统，能提供一种利用监测中性点零序电压实现故障定位的装置，实现对配电网故障的实时监测响应，有效提高故障定位的准确性，同时大大加快了电网故障的处理速度。
本发明一实施例提供一种配电网故障定位的边缘计算装置，包括：电压监测模块、处理模块及通信模块；
所述电压监测模块包括安装于配电网变压器母线中性点处的零序电压互感器；
所述电压监测模块，用于通过所述零序电压互感器，获取并监测配电网的零序电压；
所述处理模块，与所述电压监测模块、所述通信模块连接，用于根据所述零序电压识别所述配电网是否发生接地故障；当识别到发生接地故障时，计算相应的故障时刻点，以根据所述故障时刻点生成数据召测指令，后启动所述通信模块；
所述通信模块，与电流监测模块、云平台连接，用于向安装于各三相母线上的所有电流监测模块广播所述数据召测指令，以使得所述电流监测模块响应于所述数据召测指令，获取并返回所述故障时刻点对应的故障电流信号；
所述处理模块，用于根据所述故障电流信号定位所述配电网的接地故障点，并通过所述通信模块将所述接地故障点反馈到所述云平台。
作为上述方案的改进，所述电压监测模块还包括接地变压器、电压互感器、瞬态二极管及adc采样单元；
所述零序电压互感器包括至少两个二次绕组；
所述接地变压器接在三相母线上，所述接地变压器的中性点与所述零序电压互感器的一次侧连接；所述零序电压互感器的其中一个二次侧与所述电压互感器的一次侧连接；所述电压互感器的二次侧与所述adc采样单元的第一端连接，所述电压互感器的二次侧接地，所述瞬态二极管并联连接于所述电压互感器的二次侧与所述adc采样单元的第一端之间；所述adc采样单元的第二端与所述处理模块的第一引脚连接。
作为上述方案的改进，所述处理模块被配置为，包括：
所述根据所述零序电压识别所述配电网是否发生接地故障，具体包括：
获取所述零序电压的基波有效值，将第n个周波开始连续的n个周波的基波有效值分别减去第n-1个周波的基波有效值，并对其所有差值进行依次累加，得到长期性电压变化值；其中，n>1，n≥1；
判断在预设时长内所述零序电压的基波幅值有效值是否超过预设的幅值阈值，并判断所述长期性电压变化值是否超过预设的长期性电压阈值；
当判断到在所述预设时长内所述零序电压的基波幅值有效值超过所述幅值阈值，或所述长期性电压变化值超过所述长期性电压阈值时，则识别到所述配电网发生接地故障。
作为上述方案的改进，所述处理模块被配置为，还包括：
所述当识别到发生接地故障时，计算相应的故障时刻点，以根据所述故障时刻点生成数据召测指令，具体包括：
当识别到所述配电网发生接地故障时，则将当前周波各采样点的电压值与上一周波对应所述采样点的电压值的差值，作为增量数据，并根据所述增量数据计算当前周波的数据增量；其中，所述数据增量包括幅值突变量；
判断所述幅值突变量是否超过预设的幅值突变阈值；
当判断到所述幅值突变量超过所述幅值突变阈值时，则当检测到连续m个所述增量数据超过预设的增量阈值时，将m个所述增量数据中的第一个所述增量数据对应的采样时刻点作为故障时刻点，并以所述故障时刻点作为数据召测指令的时间戳；其中，m≥1。
作为上述方案的改进，还包括gps授时模块；
所述gps授时模块，与所述处理模块连接，用于进行时钟校准。
作为上述方案的改进，所述边缘计算装置还包括使能电路；
所述使能电路包括第一电阻、第二电阻、三极管、第一电容和第二电容；
所述处理模块的第二引脚与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述三极管的基极连接，所述三极管的集电极和发射极并联连接在所述第二电容的两端，所述三极管的集电极均与所述通信模块的第一引脚、所述第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端均与所述通信模块的第二引脚、所述第一电容的第一端连接，所述第二电容的第二端接地；
所述处理模块，与所述使能电路连接，用于当识别到所述配电网发生接地故障，并获取到故障时刻点时，控制所述处理模块的第二引脚为低电平，通过所述使能电路控制所述通信模块的第一引脚为高电平，以启动所述通信模块。
作为上述方案的改进，所述边缘计算装置还包括晶振电路；
所述晶振电路与所述处理模块并联连接。
作为上述方案的改进，所述边缘计算装置还包括数据存储模块和加密模块；
所述数据存储模块，与所述处理模块连接，用于存储所述处理模块的数据；
所述加密模块，与所述处理模块连接，用于对发送及接收的数据进行加密和解密，以进行所述边缘计算装置与所述电流监测模块、所述云平台的身份认证。
作为上述方案的改进，所述边缘计算装置还包括用于供电的电源模块；
所述电源模块均与零序电压互感器的其中一个二次侧、adc采样单元、所述通信模块、数据存储模块、加密模块、gps授时模块、所述处理模块连接。
本发明另一实施例对应提供了一种配电网故障定位系统，包括：电流监测模块、云平台及上述的配电网故障定位的边缘计算装置；其中，所述配电网故障定位的边缘计算装置均与所述电流监测模块、所述云平台连接。
相比于现有技术，本发明实施例公开的一种配电网故障定位的边缘计算装置及配电网故障定位系统，具有如下有益效果：
所述配电网故障定位的边缘计算装置包括：电压监测模块、处理模块及通信模块；所述电压监测模块包括安装于配电网变压器母线中性点处的零序电压互感器；所述电压监测模块，用于通过所述零序电压互感器，获取并监测配电网的零序电压；所述处理模块，与所述电压监测模块、所述通信模块连接，用于根据所述零序电压识别所述配电网是否发生接地故障；当识别到发生接地故障时，计算相应的故障时刻点，以根据所述故障时刻点生成数据召测指令，后启动所述通信模块；所述通信模块，与电流监测模块、云平台连接，用于向安装于各三相母线上的所有电流监测模块广播所述数据召测指令，以使得所述电流监测模块响应于所述数据召测指令，获取并返回所述故障时刻点对应的故障电流信号；所述处理模块，用于根据所述故障电流信号定位所述配电网的接地故障点，并通过所述通信模块将所述接地故障点反馈到所述云平台。本发明能提供一种利用监测中性点零序电压实现故障定位的装置，充分利用了零序电压互感器的取能和故障监测功能，实现故障定位算法的边缘计算，实现对配电网故障的实时监测响应，能有效提高故障定位的准确性和及时性，同时大大加快了电网故障的处理速度。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种配电网故障定位的边缘计算装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的配电网故障定位的边缘计算装置的具体结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的配电网故障定位系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，是本发明一实施例提供的一种配电网故障定位的边缘计算装置的结构示意图，所述配电网故障定位的边缘计算装置1包括：电压监测模块11、处理模块12及通信模块13；
所述电压监测模块11包括安装于配电网变压器母线中性点处的零序电压互感器111；
所述电压监测模块11，用于通过所述零序电压互感器111，获取并监测配电网的零序电压；
所述处理模块12，与所述电压监测模块11、所述通信模块13连接，用于根据所述零序电压识别所述配电网是否发生接地故障；当识别到发生接地故障时，计算相应的故障时刻点，以根据所述故障时刻点生成数据召测指令，后启动所述通信模块13；
所述通信模块13，与电流监测模块2、云平台3连接，用于向安装于各三相母线上的所有电流监测模块2广播所述数据召测指令，以使得所述电流监测模块响应于所述数据召测指令，获取并返回所述故障时刻点对应的故障电流信号；
所述处理模块12，用于根据所述故障电流信号定位所述配电网的接地故障点，并通过所述通信模块13将所述接地故障点反馈到所述云平台3。
本实施例中，配电网故障定位的边缘计算装置1具有数据召唤、数据收集、边缘计算、结果汇报等功能，安装于配电网变压器母线中性点处，能实现中性点零序电压监测及接地故障定位。电压监测模块11中零序电压互感器111，用于监测中性点零序电压。进而，处理模块12实时分析零序电压是否存在异常，以此判断电网是否发生了接地故障，一旦识别到配电网发生了接地故障，则处理模块12将计算发生故障的故障时刻点，并通过通信模块13向处于同一母线上的所有电流监测模块2发送数据召测指令，以使得将故障时刻点附近的电流信号汇集到处理模块12。进一步，处理模块12对收集到的故障电流信号进行分析和处理，定位出接地故障点并将定位结果通过通信模块13反馈到云平台3。
优选的，通信模块13可以为高速无线通讯模块，如5g无线网络，实现进一步提升了故障定位的准确性和及时性。
在一具体实施例中，参见图2，是本发明一实施例提供的配电网故障定位的边缘计算装置的具体结构示意图，所述电压监测模块11还包括接地变压器112、电压互感器113、瞬态二极管d及adc采样单元114；
所述零序电压互感器111包括至少两个二次绕组；
所述接地变压器112接在三相母线上，所述接地变压器112的中性点与所述零序电压互感器111的一次侧连接；所述零序电压互感器111的其中一个二次侧与所述电压互感器113的一次侧连接；所述电压互感器113的二次侧与所述adc采样单元114的第一端连接，所述电压互感器113的二次侧接地，所述瞬态二极管d并联连接于所述电压互感器113的二次侧与所述adc采样单元114的第一端之间；所述adc采样单元114的第二端与所述处理模块12的第一引脚连接。
需要说明的是，零序电压互感器111至少包含一个测量绕组和一个电源绕组，测量绕组对中性点电压降压，方便监测，其典型变比为
进一步，电压互感器113将零序电压转化为幅值适合adc采样单元114的电压，其通常变为220v/7.07v。优选的，请参见图2，在电压互感器113的二次侧与地之间通过瞬态二极管d进行防护，防止冲击电压对adc采样单元114造成损害。更进一步，adc采样单元114通过串口与处理模块12进行主从数据交互，以使得处理模块12获取并监测电网运行的零序电压。
在一些实施例中，所述处理模块12被配置为，包括：
所述根据所述零序电压识别所述配电网是否发生接地故障，具体包括：
获取所述零序电压的基波有效值，将第n个周波开始连续的n个周波的基波有效值分别减去第n-1个周波的基波有效值，并对其所有差值进行依次累加，得到长期性电压变化值；其中，n>1，n≥1；
判断在预设时长内所述零序电压的基波幅值有效值是否超过预设的幅值阈值，并判断所述长期性电压变化值是否超过预设的长期性电压阈值；
当判断到在所述预设时长内所述零序电压的基波幅值有效值超过所述幅值阈值，或所述长期性电压变化值超过所述长期性电压阈值时，则识别到所述配电网发生接地故障。
本实施例中，对于零序电压幅值指标，判断在预设时长内零序电压的基波（50hz工频量）幅值有效值的绝对值是否超过幅值阈值。其中，该幅值阈值可以为20v，其额定幅值为100v，预设时长可以为5s以上，但不限于此。对于长期性电压变化指标，采用第n个周波开始连续的n个周波的基波有效值分别减去n周波前的第一个周波（即第n-1个周波）的基波有效值，取其差值的绝对值，并依次累加，获得长期性电压变化值，以判断长期性电压变化值是否超过长期性电压阈值。其中，n可以预设为64，长期性电压阈值可预设为60v，但不限于此。因此，当检测到上述零序电压幅值指标和长期性电压变化指标中任一满足时，判定配电网发生接地故障。
所述处理模块12被配置为，还包括：
所述当识别到发生接地故障时，计算相应的故障时刻点，以根据所述故障时刻点生成数据召测指令，具体包括：
当识别到所述配电网发生接地故障时，则将当前周波各采样点的电压值与上一周波对应所述采样点的电压值的差值，作为增量数据，并根据所述增量数据计算当前周波的数据增量；其中，所述数据增量包括幅值突变量；
判断所述幅值突变量是否超过预设的幅值突变阈值；
当判断到所述幅值突变量超过所述幅值突变阈值时，则当检测到连续m个所述增量数据超过预设的增量阈值时，将m个所述增量数据中的第一个所述增量数据对应的采样时刻点作为故障时刻点，并以所述故障时刻点作为数据召测指令的时间戳；其中，m≥1。
需要说明的是，当前周波各采样点减去上一个周波各对应采样点的电压值，将减去后得到的差值作为增量数据，并根据增量数据计算这一个周波的数据增量有效值的绝对值。本实施例中，突变包括幅值突变和相位突变（即相邻两个波的基波的初相位差）。进而，当幅值突变量超过幅值突变阈值时，则检测增量数据，当首次检测到连续m个增量超过增量阈值，将这m个增量中的第一个对应的时间记为故障时刻点，以此故障时刻点作为召测野外电网录波数据的时间戳。其中，幅值突变阈值可预设为10v，额定为100v，增量阈值可预设为10v，但不限于此。
在一些实施例中，所述边缘计算装置1还包括gps授时模块14；
所述gps授时模块14，与所述处理模块12连接，用于进行时钟校准。因此，利用全球授时系统gps/北斗时间精度高的特点，对外部有源晶振时钟进行校准，对零序电压采样数据加上高精度的时间戳，确保了电流监测模块和零序电压传感器之间精确同步。
在一些实施例中，请参见图2，所述边缘计算装置1还包括使能电路；
所述使能电路包括第一电阻r1、第二电阻r2、三极管t、第一电容c1和第二电容c2；
所述处理模块12的第二引脚与所述第二电阻r2的一端连接，所述第二电阻r2的另一端与所述三极管t的基极连接，所述三极管t的集电极和发射极并联连接在所述第二电容c2的两端，所述三极管t的集电极均与所述通信模块13的第一引脚、所述第一电阻r1的一端连接，所述第一电阻r1的另一端均与所述通信模块13的第二引脚、所述第一电容c1的第一端连接，所述第二电容c2的第二端接地；
所述处理模块12，与所述使能电路连接，用于当识别到所述配电网发生接地故障，并获取到故障时刻点时，控制所述处理模块12的第二引脚为低电平，通过所述使能电路控制所述通信模块13的第一引脚为高电平，以启动所述通信模块13。
需要说明的是，识别到电网发生接地故障并判别出故障时刻点之后，通过如下方式使能通信模块：控制处理模块12的第二引脚（即图2中p1引脚）为低电平，通信模块13的第一引脚（即图2中p2引脚）电平为高电平，以使得通信模块13处于工作状态，从而实现边缘计算装置1与云平台3、电流监测模块2的数据交互。而当p1引脚为高电平时，p2引脚电平为低，此时通信模块13处于休眠状态。
在一些实施例中，请参见图2，所述边缘计算装置1还包括晶振电路15；
所述晶振电路15与所述处理模块12并联连接。
具体的，晶振电路15由晶体振荡器构成，晶体振荡器的两端接在处理模块12的引脚上，以产生高度稳定的数据信号。
在一些实施例中，请参见图2，所述边缘计算装置1还包括数据存储模块16和加密模块17；
所述数据存储模块16，与所述处理模块12连接，用于存储所述处理模块12的数据；
所述加密模块17，与所述处理模块12连接，用于对发送及接收的数据进行加密和解密，以进行所述边缘计算装置1与所述电流监测模块2、所述云平台3的身份认证。
需要说明的是，数据存储模块16存储从线路监测中召测的故障电流信号、装置运行信息以及云平台3下达的装置配置信息等。加密模块17主要对边缘计算单元与云平台3、电流监测模块2之间进行身份认证，数据加密和解密等功能，以使得电流监测模块2获取到数据召测指令后进行解码，实现配对后，再将故障时刻点对应的故障电流信号进行加密后传输回边缘计算装置1。同理的，边缘监测装置1对收集到的数据进行解码、分析和计算，定位出故障点并将故障信息上传到云平台3中，在故障信息上传到云平台3之前，同样需要首先进行数据加密。
在一些实施例中，请参见图2，所述边缘计算装置1还包括用于供电的电源模块18；
所述电源模块18均与零序电压互感器111的其中一个二次侧、adc采样单元114、所述通信模块13、数据存储模块16、加密模块17、gps授时模块14、所述处理模块12连接。
在本实施例中，电源模块18可与零序电压互感器111的电源绕组相连，也可与变电站的220v电源相连，为边缘计算装置1各模块供电。此外，电源模块18还设有储能电池或者其他储能设施，保证在停电时装置可持续运行。示例性的，请参见图2，电源模块18应能转换出至少3种电压（分别为3.8v、3.3v和5v），向adc采样单元114提供5v电压，向处理模块12提供3.3v电压，以及分别向数据存储模块16、通信模块13、加密模块17和gps授时模块14提供3.8v电压。
本发明实施例提供的一种配电网故障定位的边缘计算装置，通过所述配电网故障定位的边缘计算装置包括：电压监测模块、处理模块及通信模块；所述电压监测模块包括安装于配电网变压器母线中性点处的零序电压互感器；所述电压监测模块，用于通过所述零序电压互感器，获取并监测配电网的零序电压；所述处理模块，与所述电压监测模块、所述通信模块连接，用于根据所述零序电压识别所述配电网是否发生接地故障；当识别到发生接地故障时，计算相应的故障时刻点，以根据所述故障时刻点生成数据召测指令，后启动所述通信模块；所述通信模块，与电流监测模块、云平台连接，用于向安装于各三相母线上的所有电流监测模块广播所述数据召测指令，以使得所述电流监测模块响应于所述数据召测指令，获取并返回所述故障时刻点对应的故障电流信号；所述处理模块，用于根据所述故障电流信号定位所述配电网的接地故障点，并通过所述通信模块将所述接地故障点反馈到所述云平台。本发明能提供一种利用监测中性点零序电压实现故障定位的装置，充分利用了零序电压互感器的取能和故障监测功能，实现故障定位算法的边缘计算，实现对配电网故障的实时监测响应，能有效提高故障定位的准确性和及时性，同时大大加快了电网故障的处理速度。
参见图3，是本发明一实施例提供的配电网故障定位系统的结构示意图，所述配电网故障定位系统包括：电流监测模块2、云平台3及如配电网故障定位的边缘计算装置1；其中，所述配电网故障定位的边缘计算装置1均与所述电流监测模块2、所述云平台3连接。
具体的，云平台3可以是服务器、手机端、pc端等，具有实现电网结构的图形化展示、开关状态监测控制、系统告警及运行信息的展示等功能。请参见图3，电流监测模块2安装在配电网的三相系统各相线路上，用于响应于所述数据召测指令，获取所述故障时刻点对应的故障电流信号，并将所述故障电流信号返回边缘计算装置。其中，电流监测模块2设有无线通信模块，实现与边缘计算装置1的无线通信。因此，实现10-35kv中性点非有效接地配电网接地故障定位，在中性点非有效接地系统中，发生接地故障与发生零序电压变异是充分必要条件，因此利用监测中性点零序电压的方法来监测系统是否有发生单相接地故障。
本发明实施例提供的一种配电网故障定位系统，通过所述配电网故障定位系统包括：电流监测模块、云平台及如配电网故障定位的边缘计算装置；其中，所述配电网故障定位的边缘计算装置均与所述电流监测模块、所述云平台连接。本发明通过在变电站母线中性点处设置边缘计算装置，实现零序电压监测，又实现接地故障定位，实现对配电网故障的实时监测响应，能有效提高故障定位的准确性和及时性，同时大大加快了电网故障的处理速度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
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