一种配电网潜在故障在线风险辨识方法、系统及装置与流程

1.本发明涉及配电网设备运行状态分析领域，具体涉及一种配电网潜在故障在线风险辨识方法、系统及装置。


背景技术：

2.电力系统的供电可靠性关系到国计民生，如何有效地保障电力系统的安全、可靠运行一直是电力部门的一个重要课题，而电力设备的安全运行是整个系统安全运行的基础。配电网中的主要电力设备有变压器、开关柜、线路等，这些电力设备在运行时，如果其内部存在因制造不良、老化以及外力破坏造成的潜在缺陷，会发生影响设备和电网安全运行的电气事故。电力设备一旦发生故障，将引起局部范围或者整个地区的停电事故，危及人民的日常生活、企业的常规生产，严重时甚至会危及到人民的生命安全，给国家经济造成重大损失。
3.为确保配电网的安全可靠运行，减少配电网电力设备故障的发生，必须及时准确掌握电力设备故障前的先兆性运行特征，并对电力设备存在的潜在故障风险进行监测、识别和预警，及时消除存在的隐患，使配电网事故消灭在萌芽之中。目前，传统的电力设备潜在故障检测手段包括事故后维修、定期预防试验检修、状态检修。事故后维修成本高、代价大，对于因事故而产生的后果无法挽回和弥补；定期预防试验检修需要提前进行停电安排及多部门密切配合，浪费人力物力，针对性差，易过修和失修；状态检修是发现电力设备潜在性故障、维护电网安全运行的重要手段，但由于配电网线路复杂、设备点多面广等特点，传统复杂而昂贵的在线检测系统及方案难实施且适用性不强。在实际运行中，电力设备故障发生前都会有一定的先兆性现象和特征，产生大量的电气量和非电气量信息，电力设备不停电的情况下，很难发现潜在的故障隐患。
4.目前电力设备潜在故障的诊断包括离线诊断和在线诊断两种方式，其中事后维修和定期维修属于设备状态离线诊断，在线监测和带电检测属于设备状态在线诊断。随着用户对供电可靠性的要求提高，在线故障监测和带电故障检测技术已成为广泛采用的潜在故障诊断技术。然而，传统的带电故障检测技术集成化程度低，数据利用率低，各类检测数据不同步且具局限性，设备潜在故障诊断诊断结果准确率低，误判漏判严重；对于未安装特征参量采集传感器的电力设备，无法实现潜在故障的在线监测与风险识别，制造、安装、运维成本高；现有带电故障检测技术通用性差，成本高。因此为实现电力设备运行状态全天候、全方位的监测、感知和预警，迫切需要一种更高效、更经济、更可靠、更准确的电力设备在线监测与风险感知识别的技术方案。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供一种配电网潜在故障在线风险辨识方法，包括：
6.采集配电网电力设备运行的各相关数据；
7.基于所述配电网电力设备运行的各相关数据提取反映配电网潜在故障的相关特征参量，并基于所述各相关特征参量计算各特征参量统计指标值；
8.将所述各特征参量统计指标值与各特征参量统计指标的阈值区间进行比较，判断配电网是否存在潜在故障风险。
9.优选的，所述采集配电网电力设备运行的各相关数据，包括：
10.基于多源信息系统和/或装置实体采集配电网电力设备运行各相关数据；
11.对所采集的各相关数据进行清洗后存储于历史数据库和实时数据库中；
12.其中，所述装置实体包括：智能终端或信息采集传感器；
13.所述多源信息系统包括下述中的至少一种：配电自动化系统、用电信息采集管理系统、天气预报系统、环境监测系统；
14.所述电力设备包括下述中的至少一种：环网柜、变电站开关柜、低压配电箱、低压配电柜和配电线路。
15.优选的，所述数据包括电气量信息原始数据和非电气量信息原始数据；
16.所述电气量信息原始数据包括以下数据中的至少一种：电压、电流、有功和无功；
17.所述非电气量信息原始数据包括以下数据中的至少一种：声、光、温度和湿度。
18.优选的，所述特征参量至少包括下述中的一种或几种：电压、电流、电力设备金属外壳体的对地电压、电力设备金属外壳体的接触电压、电场、磁场、声波、温度、湿度、气体成分、光图像、配电线路工频相-地、配电线路工频相-相泄漏电流、高频相-地局放电流、非工频相-地局放电流、高频相-相局放电流、非工频相-相局放电流和线路阻抗。
19.优选的，所述各特征参量统计指标至少包括下述中的一种：各特征参量的幅值大小、幅值越限程度、幅值变化率、幅值越限持续时间和幅值越限频次。
20.优选的，所述各特征参量统计指标的阈值区间的确定方法包括：根据运行经验预先设定好的阈值区间范围或基于统计模式识别的方法自适应确定阈值区间。
21.优选的，所述基于统计模式识别的方法自适应确定阈值区间方法包括：
22.基于存储到历史数据库的数据中提取反映配电网潜在故障的相关特征参量统计指标值；
23.基于各特征参量值统计指标值，根据预先划分的潜在故障风险模式，采用统计模式识别的方法，计算各特征参量统计指标在各故障风险模式下的最优阈值区间。
24.优选的，所述潜在故障风险模式是根据引起设备运行异常的影响因素不同而划分的多种潜在故障风险模式；
25.其中影响因素至少包括下述中的一种或多种：温度、湿度、负荷水平、电网电压和气象条件。
26.优选的，所述将各特征参量统计指标值与各特征参量的阈值区间进行比较，判断所述配电网是否存在潜在故障风险，包括：
27.对各特征参量统计指标值与各特征参量在各潜在故障风险模式下的最优阈值区间进行比较，结合预先设定好的配电网潜在故障在线监测与风险辨识规则，判断所述配电网是否存在潜在故障风险。
28.优选的，所述配电网潜在故障风险辨识规则包括：
29.针对单一特征参量，若该特征参量的所有统计指标值均超过阈值，则判断电网存
在潜在故障风险；否则，判断电网处于正常运行状态；
30.综合多个单一特征参量的判断结果，若其中所有特征参量判断均为电网存在潜在故障风险，则判断整个电网存在潜在故障风险；否则，判断电网处于正常运行状态。
31.基于同一种发明构思本发明还提供一种配电网潜在故障在线风险辨识系统，包括：感知层、数据层和应用层；
32.所述感知层用于：采集配电网电力设备运行的各相关数据；
33.所述数据层用于：基于所述各相关数据提取反映配电网潜在故障的相关特征参量，并基于所述各相关特征参量计算各特征参量统计指标值；
34.所述应用层用于：将所述各特征参量统计指标值与各特征参量统计指标的阈值区间进行比较，判断配电网是否存在潜在故障风险。
35.优选的，所述系统还包括物理层；所述物理层包括下述中的一种或多种：电力设备、多源系统、采集通道和装置实体；
36.所述电力设备包括下述中的至少一种：环网柜、变电站开关柜、低压配电箱、低压配电柜、配电线路；
37.所述多源系统包括下述中的至少一种：配电自动化系统、用电信息采集管理系统、天气预报系统、环境监测系统；
38.所述采集通道包括数据接口或信息交互总线；
39.所述装置实体包括智能终端或信息采集传感器。
40.优选的，所述感知层具体用于：
41.采集物理层提供的各相关数据，并对所述各相关数据进行清洗后存储于历史数据库和实时数据库中。
42.优选的，所述数据层具体用于：
43.基于存储到历史数据库的数据中提取反映配电网潜在故障的相关特征参量统计指标值；
44.基于各特征参量值统计指标值，根据预先划分的潜在故障风险模式，采用统计模式识别的方法，计算各特征参量统计指标在各故障风险模式下的最优阈值区间。
45.优选的，所述应用层具体用于：
46.对各特征参量统计指标值与各特征参量在各潜在故障风险模式下的最优阈值区间进行比较，结合预先设定好的配电网潜在故障在线监测与风险辨识规则，判断所述配电网是否存在潜在故障风险。
47.优选的，所述系统还包括：通信层，用于感知层与数据层之间数据流的传递；
48.所述通信层包括通信网络或通信模块。
49.基于同一种发明构思本发明还提供一种配电网潜在故障在线风险辨识装置，所述装置上部署本发明提供的一种配电网潜在故障在线风险辨识系统，用于实现本发明提供的一种配电网潜在故障在线风险辨识方法。
50.优选的，所述装置包括下述设备的一种或多种：智能终端、配电自动化系统汇集单元和配电网子站。
51.优选的，部署有配电网潜在故障在线风险辨识系统的所述装置之间通讯连接，且所述装置之间对配电网潜在故障在线风险辨识结果进行交互和校验。
52.优选的，所述装置还包括配电网主站；
53.所述配电网主站与部署有配电网潜在故障在线风险辨识系统的所述装置之间通讯连接，用于对配电网潜在故障在线风险辨识结果进行交互和校验。
54.优选的，所述装置包括配电网主站。
55.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
56.本发明提出的一种配电网潜在故障在线风险辨识方法、系统及装置包括：
57.采集配电网电力设备运行的各相关数据；基于所述各相关数据提取反映配电网潜在故障的相关特征参量，并基于所述各相关特征参量计算各特征参量统计指标值；将所述各特征参量统计指标值与各特征参量统计指标的阈值区间进行比较，判断配电网是否存在潜在故障风险；本发明基于多特征参量识别的配电网潜在故障在线风险辨识，解决了传统仅采用单一特征参量进行配电网绝缘状态诊断易漏判误判的问题，将为不同运行工况、不同监测装置配置条件下电力设备绝缘状态监测与风险辨识提供实用性好、适用性强、成本低的解决方案。
附图说明
58.图1为本发明的一种配电网潜在故障在线风险辨识方法示意图；
59.图2为本发明的一种配电网潜在故障在线风险辨识方法流程图；
60.图3为本发明的不同电压模式下，泄漏电流的变化趋势统计分析图；
61.图4为本发明的各种电压模式所对应的泄漏电流特征阈值图；
62.图5为本发明的一种配电网潜在故障在线风险辨识系统结构图；
具体实施方式
63.目前带电检测技术包括电量检测法和非电量检测法。其中，电量检测法主要通过分析电力设备电压、电流、电场、磁场等特征参量的变化实现电力设备状态的带电检测，常见的电量检测技术包括泄漏电流分析法、脉冲电流法、介质损耗法、无线电干扰电压法(射频检测法)、超高频电磁波检测法、暂态地电压检测法等。非电量检测法主要通过分析绝缘异常时产生的异响、发光、发热、气体成分等特征参量的变化实现绝缘带电检测，常见的非电量检测法包括超声波检测法、光测法、化学检测法、红外测温法等。电量检测法抗电磁、电晕干扰能力弱，对特征参量采集传感器灵敏度要求极高，成本高，不易维护；非电量检测法抗电磁干扰能力强，但检测技术与所使用的传感器的性能以及传播介质有关，只能定性判断电力设备的绝缘状态。
64.现有的带电检测技术在实际应用中存在一定的局限性，主要包括以下几个方面：
65.(1)泄漏电流、局放信号等反映电力设备运行异常的特征参量信号微弱，波形复杂多变，背景噪声和电磁干扰大，准确提取难；
66.(2)表征电力设备运行异常的特征参量数据多源、量大、格式多样，综合分析与处理难度大；
67.(3)用于多特征量提取的不同类型传感器安装配置分散不集中，集成化程度低，运维成本高；
68.(4)通用性差，适用性不强，对于未安装特征参量采集传感器的电力设备，无法实
现电力设备潜在故障的在线监测与风险识别；
69.(5)设备潜在故障诊断数据利用率低，各类检测数据不同步且具局限性，常采用单一特征参量，阈值设定常依赖专家经验，诊断结果准确率低，误判漏判严重。
70.为了解决现有技术存在的问题，本发明提出一种配电网潜在故障在线风险辨识方法、系统及装置，可通过温度、湿度、泄漏电流、局放等多个特征参量的数据分析、特征提取、统计指标计算、模式匹配、诊断识别来准确监测电力设备运行状态，解决了传统仅采用单一特征参量进行配电网设备运行状态诊断易漏判误判的问题，将为不同运行工况、不同监测装置配置条件下电力设备运行状态在线监测与风险辨识提供实用性好、适用性强、成本低的解决方案，为实现电力设备潜在故障的分布式就地监测与诊断、集中式综合校验与判断提供理论方法支撑，为具有潜在故障在线监测与风险辨识功能的智能终端、软件系统的研发提供技术支撑，为电力设备绝缘检测试验平台的搭建提供可参考的解决方案。本发明及时准确感知电力设备事故发生初期异常运行情况的先兆特征，以便及时提醒运行人员把电力设备的故障先兆特征控制在正常范围之内，避免将故障隐患带到运行中去，有效避免停电事故的发生，降低电网运行风险，减少停电损失，对保障电网的正常运行和企业的安全生产具有十分重要的意义。为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
71.实施例1：
72.本发明提供一种配电网潜在故障在线风险辨识方法，如图1所示，包括：
73.s1、采集配电网电力设备运行的各相关数据；
74.s2、基于所述各相关数据提取反映配电网潜在故障的相关特征参量，并基于所述各相关特征参量计算各特征参量统计指标值；
75.s3、将所述各特征参量统计指标值与各特征参量统计指标的阈值区间进行比较，判断配电网是否存在潜在故障风险。
76.其中具体过程如图2所示；
77.步骤s1、采集配电网电力设备运行的各相关数据，具体包括：
78.获取环网柜、变电站开关柜、低压配电箱/配电柜等设备中安装的智能传感器实时采集的各电气数据；这里的电气数据包括各种电气量和非电气量信息原始数据。
79.步骤s2、基于所述各相关数据提取反映配电网潜在故障的相关特征参量，并计算各特征参量统计指标值，具体包括：
80.提取反映配电网潜在故障的相关特征参量，根据预先设定好的各特征参量统计指标，计算各特征参量的统计指标具体数值，并分别存储到实时数据库和历史数据库。
81.对于存储到历史数据库的各特征参量统计指标，采用统计模式识别的方法，划分潜在故障识别模式，并计算不同模式下各特征参数统计指标的最优阈值区间。
82.对于存储到实时数据库的各特征参量统计指标，计算分析各特征参量统计指标的异动情况及变化趋势。
83.步骤s3、将所述各特征参量统计指标值与各特征参量统计指标的阈值区间进行比较，判断配电网是否存在潜在故障风险，包括：
84.将多特征参量统计指标与最优阈值区间进行比较，根据预先设定好的配电网潜在故障在线监测与风险辨识规则，判断电力设备是否存在潜在故障风险，给出当前及未来电
力设备运行状态及风险水平。
85.所述实时采集的各种电气量和非电气量原始数据，包括配电网设备运行过程中通过在开关柜/配电线路/变电站等处安装的传感器采集的各种电气量信息和非电气量信息原始数据，其中电气量信息包括但不限于电压、电流、有功、无功等，非电气量信息包括但不限于声、光、温度、湿度等。
86.所述反映配电网潜在故障的相关特征参量，包括直接采集获得和间接计算获得，通过直接采集获得的反映配电网潜在故障的相关特征参量包括但不限于电压、电流、电力设备金属外壳体的对地电压/接触电压、电场、磁场、声波、温度、湿度、气体成分、光图像等，通过间接测量获得的反映配电网潜在故障的相关特征参量包括但不限于配电线路工频相-地/相-相泄漏电流(包括阻性泄漏电流、容性泄漏电流)、高频/非工频相-地/相-相局放电流、线路阻抗等。
87.所述各特征参量统计指标，包括但不限于各特征参量的幅值大小、幅值越限程度、幅值变化率、幅值越限持续时间、幅值越限频次等。
88.所述潜在故障识别模式是指根据温度、湿度、负荷水平、电网电压、气象条件等多种引起设备运行异常的影响因素不同而划分的多种设备运行状态识别模式。
89.历史数据库存有各特征参量一段时间内的统计计算指标，以这些为基础数据，这些统计数据中有正常的、越限的，波动范围不同，因此需要采用统计模式识别的方法，将这些数据进行处理，把正常的分为一类，非正常的按越限程度不同分为几类，每一类作为一个模式，并对该模式给出一个区间量化，这个区间量化就是阈值区间。
90.下面以电压模式下的泄漏电流特征参数变化趋势分析和阈值区间整定为例说明故障模式、电网运行特征参数和阈值区间三者之间的关系。
91.·
电压模式划分un(线路额定电压)
92.电压模式一：(0.9un～un)
93.电压模式二：(un～1.1un)
94.电压模式三：(1.1un～1.2un)
95.·
不同电压模式下，泄漏电流的变化趋势统计分析如图3所示。
96.·
电压模式下采用类间方差最大法来设置对应负荷模式下泄漏电流特征阈值，几种电压模式，对应几个泄漏电流特征阈值，如图4所示。
97.在步骤s3判断配电网是否存在潜在故障风险之后还包括：
98.给出当前及未来配电网运行状态及风险水平；基于配电网运行状态及风险水平进行预警；同时将配电网运行状态及风险水平和预警信息进行可视化显示。
99.本发明中的最优阈值区间的确定可以是预先设定好的也可以是根据采集的历史数据自适应整定计算得到的最优阈值区间。
100.实施例2：
101.基于同一种发明构思，本发明还提供了一种配电网潜在故障在线风险辨识系统，如图5所示，该系统架构包括物理层、感知层、通信层、数据层和应用层5个层次，具体包括多源信息系统、多特征量智能采集终端物理实体、数据接口或信息交互总线、采集原始数据预处理模块、通信网络或通信模块、数据存储模块、特征参量数据智能分析模块、配电网潜在故障在线监测与风险辨识模块等。本系统集成化、智能化程度高，通用性好，适用性强，安装
成本低，潜在故障诊断准确率高，可实现电力设备运行状态的在线、实时分析与判断，为电力设备的带电运维检修提供决策支持。
102.所述配电网潜在故障在线监测与风险辨识系统的物理层，包括多源信息系统(包括但不限于配电自动化系统、用电信息采集管理系统、天气预报系统、环境监测系统等自动化/信息化系统)及其与配电网潜在故障在线监测与风险辨识系统的数据接口；包括环网柜、变电站开关柜、低压配电箱/配电柜、配电线路等电力设备安装的各种电气量和非电气量信息采集传感器或智能终端物理实体。
103.所述配电网潜在故障在线监测与风险辨识系统的感知层，包括采集原始数据预处理模块，主要实现对多特征量原始数据进行数据清洗等预处理的功能。
104.所述配电网潜在故障在线监测与风险辨识系统的通信层，包括通信网络或通信模块，用于感知层与数据层之间数据流的传递。
105.所述配电网潜在故障在线监测与风险辨识系统的数据层，包括数据分析与处理模块、数据存储模块，目的是实现特征参量提取、特征参量统计指标计算、绝缘识别模式划分、阈值整定等功能。
106.所述配电网潜在故障在线监测与风险辨识系统的应用层，包括配电网潜在故障在线监测与风险辨识模块，主要功能是融合数据层计算得到的多特征参量统计指标计算结果，通过一定的综合诊断判据和规则，实现配电网潜在故障风险的最终诊断、预警和可视化。
107.实施例3
108.本发明还提供一种配电网潜在故障在线风险辨识装置，该装置可以是智能终端、配电自动化系统汇集单元、配电网子站或者配电网主站。本发明提供的装置可利用下述任意一种部署方式，将本发明提供的一种配电网潜在故障在线风险辨识系统部署于一个或多个装置上，用于实现本发明提供的一种配电网潜在故障在线风险辨识方法。
109.本发明提供的部署方式包括以下三种模式：
110.模式一：就地部署方式
111.所述就地部署方式，是指将配电网潜在故障在线监测与风险辨识系统部署于智能终端/配电自动化系统汇集单元/配电网子站，利用就地获取的各特征参量信息进行配电网就地/局部潜在故障在线监测与风险辨识。该部署方式对智能终端/汇集单元/子站的数据处理、就地计算、智能分析等的性能要求高，且智能终端/汇集单元/子站之间具备相互通信的功能，可实现绝缘监测与风险辨识快速诊断，但潜在故障诊断准确率低，易漏判误判。
112.模式二：分布集中相结合部署方式
113.所述分布集中相结合部署方式，是指将配电网潜在故障在线监测与风险辨识系统部署于智能终端/配电自动化系统汇集单元/配电网子站和配电网主站，各智能终端/配电自动化系统汇集单元/配电网子站之间、各智能终端/配电自动化系统汇集单元/配电网子站与配电网主站之间可以相互通信；可实现各特征参量的融合与绝缘状态辨识结果的相互校验，最终实现配电网局部和全局潜在故障状态的快速、精准辨识，准确率高，时效性好。
114.模式三：集中部署方式
115.所述集中部署方式，是指将配电网潜在故障在线监测与风险辨识系统部署于配电网主站，可实现各特征参量的融合与潜在故障状态辨识结果的相互校验，可实现配电网全
局潜在故障状态的辨识，但时效性不高，对于局部潜在故障的辨识效果差。
116.所述实时采集的各种电气量和非电气量原始数据，包括配电网设备运行过程中通过在开关柜/配电线路/变电站等处安装的传感器采集的各种电气量信息和非电气量信息原始数据，其中电气量信息包括但不限于电压、电流、有功、无功等，非电气量信息包括但不限于声、光、温度、湿度等。
117.所述反映配电网潜在故障的相关特征参量，包括直接采集获得和间接计算获得，通过直接采集获得的反映配电网潜在故障的相关特征参量包括但不限于电压、电流、电力设备金属外壳体的对地电压/接触电压、电场、磁场、声波、温度、湿度、气体成分、光图像等，通过间接测量获得的反映配电网潜在故障的相关特征参量包括但不限于配电线路工频相-地/相-相泄漏电流(包括阻性泄漏电流、容性泄漏电流)、高频/非工频相-地/相-相局放电流、线路阻抗等。
118.所述各特征参量统计指标，包括但不限于各特征参量的幅值大小、幅值越限程度、幅值变化率、幅值越限持续时间、幅值越限频次等。
119.所述潜在故障识别模式是指根据温度、湿度、负荷水平、电网电压、气象条件等多种引起设备运行异常的影响因素不同而划分的多种设备运行状态识别模式。
120.所述最优阈值区间包括预先设定好的阈值区间和根据采集的历史数据自适应整定计算得到的最优阈值区间。
121.本发明提供的配电网潜在故障在线风险辨识装置，为实现电力设备绝缘的分布式就地监测与诊断、集中式综合校验与判断提供理论方法支撑，为具有绝缘监测与风险辨识功能的智能终端、软件系统的研发提供技术支撑，为电力设备绝缘检测试验平台的搭建提供可参考的解决方案。
122.显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
123.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
124.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
125.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
126.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
127.以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。