一种异步采样的低压配电线路差分电压获取方法

1.一种异步采样的低压配电线路差分电压获取方法，属于电气工程测量技术领域。


背景技术：

2.低压配电系统中，由电气线路引发的火灾占每年电气火灾的50％以上，在电气线路引发的火灾中，低压配电线路中的端子松脱、绝缘破损及导体损伤引发的串联电弧故障是目前最难检测的线路故障之一。串联电弧故障发生时，其故障电流要小于线路负荷电流，常规线路保护装置(断路器、剩余电流保护器)无法对其进行保护，从波形特征来看，串联电弧故障电流与非线性负荷的负荷电流区分困难。
3.目前，针对低压配电线路中串联电弧故障的检测方法分为两大类：
4.(1)基于故障电流特征的检测方法。此类方法的基本思想是认为线路中发生串联电弧故障时，故障电流会出现“零休”、高频谐波、电流变化率变大的典型故障特征，但是这些特征对于线性负载来说是适用的。随着电力电子设备的普及，非线性负载(如计算机(开关电源)、微波炉(磁控管)、吸尘器(串激电机)等)的数量逐渐增多，这些非线性负载正常的负荷电流也可出现“零休”、高频谐波、电流变化率变大等特征，因此利用电流的“零休”、高频谐波、电流变化率变大等特征检测串联电弧故障容易出现对故障的误判。
5.(2)基于故障电压特征的检测方法。在本类方法中，目前普遍采用的方法及各自的缺陷如下：1)文献“负载端电弧故障电压检测与形态小波辨识”和文献“基于emd和elm的低压电弧故障识别方法的研究”，两种方法本质上利用了故障点电弧电压起弧断相角对负荷端电压造成的波形畸变进行故障检测，该特征会受到负荷类型和线路参数的影响，且难以与正常电压畸变进行区分。2)文献“采用负载端电压预测串联故障电弧”的实际检测效果取决于训练用负荷的类型数量。3)文献“基于负载端电压分析的串联故障电弧检测方法”认为故障发生时负荷端相邻周波电压波形具有较大的差异性，而实际故障时负荷端故障电压周波也可具有很高的相似性，该方法准确性不高。
6.串联电弧故障发生时，电弧的燃弧电压在10～20v，由于负荷的等效阻抗远大于线路阻抗，因此故障电压特征主要反映在故障点后的负荷侧电压上，但是，由于故障电弧电压不到20v，因此该故障信息在负荷侧的电压占比也不到10％，因此基于负荷侧故障电压特征的检测方法灵敏度较低。
7.区别于以上两类串联电弧故障的检测方法，申请号为202110457409.6，发明创造名称为“一种用于低压配电网的串联电弧检测方法”的中国专利中公开了另外一种技术方案，该方法的基本原理是对线路的上、下游监测点对同一个周波信号进行同步采样后再进行差分运算，通过识别差分电压是否具有故障电弧电压的特征来识别线路是否存在串联电弧故障。
8.该方法的优点在于：从检测灵敏度的角度看，若待监测线路发生串联电弧故障，则差分电压的主要成分即电弧电压，因此该方法具有最高的检测灵敏度，此外，相比电流方法，识别故障电弧电压的方法基本不受负荷类型的影响，因此与其它方法相比，该方法有独
有技术优势。
9.然而该方法在具体实施时存在如下缺陷：该方法要求待监测线路的双端监测点具备对数据的同步采样能力。在电力系统在线监测应用中，使2个或多个监测设备具备对数据的同步采样条件是一个比较苛刻的条件，该条件会使得设备的成本明显变高，因此仅适用于少数场合。如在110kv以上的输电线路的双端行波测距应用即使用gps(或北斗)实现了线路双端监测点的时间同步，进而实现了数据的同步采集；到了10kv为主的中压配电线路，由于中压配电网分支众多，受到成本因素限制，gps(或北斗的同步方式已经难以开展大面积应用；对380v的低压配电网来说，其成本问题则直接关乎到装置是否具备实际可行性，因此在低压配电网中对监测设备进行同步数据采集使用价值有限。


技术实现要素：

10.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过对上下游监测点电压进行相位对齐，实现了异步采样方式的差分电压信号获取，对上下游监测点无数据同步采样要求，对数据通信延时要求低，因而具有低成本优势，同时具有重要工程应用价值的异步采样的低压配电线路差分电压获取方法。
11.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该异步采样的低压配电线路差分电压获取方法，包括设置在低压配电线路上游和监测点，其特征在于：包括如下步骤：
12.步骤a，低压配电线路中下游监测点监测当前电压周波的畸变系数；
13.步骤b，下游监测点判断当前周波畸变系数是否越限，如果越限，执行步骤c，如果未越限，返回步骤a；
14.步骤c，下游监测点向上游监测点发出录波命令，下游监测点同时启动本地录波；
15.步骤d，上游监测点在接收到下游监测点的录波命令后，启动本地录波；
16.步骤e，录波完成后，上游监测点和下游监测点分别将各自的录波数据上传至计算节点，或下游监测点将其录波数据上传至上游监测点；
17.步骤f，计算节点或上游监测点将上游监测点和下游监测点的录波数据以周波为单位进行相位对齐，根据计算得到的移位个数，下游监测点的录波数据向上游监测点的录波数据移位，得到下游监测点在相位对齐后的电压；
18.步骤g，得到低压配电线路的差分电压。
19.优选的，在所述的步骤f之后，对所述的位移个数进行相位补偿。
20.优选的，在执行所述的步骤f时，具体包括如下步骤：
21.步骤f-1，以周波为单位，获取上游监测点电压和获取下游监测点电压的频域相量；
22.步骤f-2，计算上游监测点电压和下游监测点电压工频成分的初相角差；
23.步骤f-3，计算下游监测点电压向上游监测点电压对齐的移位个数；
24.步骤f-4，下游监测点电压根据移位个数循环消除相位差，得到下游监测点在相位对齐后的电压。
25.优选的，在所述的步骤f-1中，上游监测点电压和获取下游监测点电压的频域相量分别为：
[0026][0027]
其中，um(n)为上游监测点电压的时域离散表达方式，um(n)为下游监测点电压的时域离散表达方式，a、b分别为um(n)工频成分的实部和虚部，c、d分别为un(n)工频成分的实部和虚部。
[0028]
优选的，在所述的步骤f-2中，上游监测点电压和下游监测点电压工频成分的初相角差为
[0029]
δθ＝[arctan(b/a)-arctan(d/c)]
[0030]
其中，a、b分别为um(t)工频成分的实部和虚部，c、d分别为un(t)工频成分的实部和虚部。
[0031]
优选的，在所述的步骤f-3中，所述的移位个数δn为：
[0032]
δn＝[δθ/360
·
n]
[0033]
其中，n为um(n)和un(n)每周波采样点数，[
…
]表示对运算结果取整。
[0034]
优选的，所述的相位补偿，包括如下步骤：
[0035]
步骤8-1，对差分电压中的工频成分初相角p
1x
基于上游监测点电压的工频初相角p
1m
进行相位归一化以构建通用补偿公式，将归一化相位记作
[0036]
步骤8-2，得到归一化相位与相位误差pe的近似表达式；
[0037]
步骤8-3，得到移位个数的补偿值，并对移位个数进行补偿。
[0038]
优选的，在所述的步骤8-3中，所述移位个数的补偿值为：
[0039][0040]
其中：n为每周波采样点数，[
…
]表示对运算结果取整。
[0041]
优选的，在所述的步骤8-2中，所述的归一化相位与相位误差pe的近似表达式为：
[0042][0043]
优选的，在所述的步骤b中，当所述前周波的畸变系数大于等于预设定的阈值时，表示畸变系数越限，阈值的取值范围为0.2～0.4。
[0044]
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
[0045]
1、在本异步采样的低压配电线路差分电压获取方法中，通过对上下游监测点电压进行相位对齐，实现了异步采样方式的差分电压信号获取，对上下游监测点无数据同步采样要求，对数据通信延时要求低，因而具有低成本优势，同时具有重要的工程应用价值。
[0046]
2、故障下游监测点发现其畸变系数越限后，在启动自身录波的同时先上游监测点发送录波命令，由于录波命令数据量小，因此数据传输时延小，最大程度避免了上下游不同时间采样的电压波动影响。
[0047]
3、通过测算故障点所在线路的功率因数，对故障下游监测点实现了其基于工频初相角相位同步的误差补偿，进一步提高了检测精度，使异步采样电压差分达到了同步采样
电压差分的近似效果。
[0048]
4、在本异步采样的低压配电线路差分电压获取方法中，只需要进行常规的fft、差分运算、移位运算等简单运算，因此对装置硬件要求低，使得该方法实用性强。
附图说明
[0049]
图1为异步采样的低压配电线路差分电压获取方法流程图。
[0050]
图2为串联电弧故障等效电路图。
[0051]
图3异步采样差分电压获取示意图。
[0052]
图4为不同功率因数对应的差分电压波形图
[0053]
图5为归一化相位与引入相位误差关系曲线图
[0054]
图6差分电压补偿前后波形对比图。
[0055]
图7为异步采样的低压配电线路差分电压获取方法实施例2流程图。
具体实施方式
[0056]
图1～6是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～7对本发明做进一步说明。
[0057]
实施例1：
[0058]
如图1所示，一种异步采样的低压配电线路差分电压获取方法(以下简称本差分电压获取方法)，包括如下步骤：
[0059]
步骤1，开始；
[0060]
在本差分电压获取方法中，线路上游的监测点和线路下游的监测点，分别执行各自的流程步骤，如图2所示的串联电弧故障等效电路，线路中发生串联电弧故障时，近似等效于在故障点串入电压源u
arc
(t)，图中m、n分别为线路的上、下游监测点，对线路的上下游监测点来说(图中为m、n监测点，m为故障上游监测点，n为故障下游监测点)。若监测点能够对其监测的电压信号进行同步采样，那么差分电压表现为正常线路阻抗压降uz(t)与电弧电压u
arc
(t)之和，差分电压表示为：
[0061][0062]
其中，um(t)表示线路上游监测点处的电压，un(t)表示线路下游监测点处的电压，r1表示上游线路的电阻、r2表示下游线路的电阻、l1表示上游线路的电感、l2表示下游线路的电感，uz(t)表示正常线路阻抗压降，u
arc
(t)表示电弧电压，r
l
、l
l
表示负载。
[0063]
步骤2，下游监测点监测当前周波畸变系数；
[0064]
在实际中，线路上游的监测点和线路下游的监测点之间通常不具备同步数据采样条件。进一步结合图3。线路发生串联电弧故障时，会造成其下游监测点的电压畸变系数增大(仅依靠畸变系数增大进行检测不可靠，因为不同负荷工作下的正常畸变系数差异较大，比如有些负荷工作时即使其上游线路发生了串联电弧故障，其电压畸变系数有可能依然小于某些负荷正常工作时的畸变系数)。因此可以用下游监测点n的电压波形畸变越限作为检测启动条件。
[0065]
当前周波畸变系数ρ可通过如下公式计算得到：
[0066][0067]
其中，un为下游监测点周波信号真有效值；u
n50
为其工频成分有效值。
[0068]
步骤3，判断当前周波畸变系数是否越限；
[0069]
下游监测点判断当前周波畸变系数是否越限，如果越限，执行步骤4，如果未越限，返回步骤2。
[0070]
在实际情况中，判断当前周波畸变系数是否越限，可以将当前周波的畸变系数与预设定的阈值进行比较，如果当前周波畸变系数大于等于预设定的阈值时，可认定为畸变系数越限。在实际使用时，畸变系数的阈值可以根据实际情况设定，其取值范围为0.2～0.4，优选0.3。
[0071]
步骤4，发送录波命令并启动本地录波；
[0072]
在下游监测点判断出当前周波的畸变系数越限后，向上游监测点发出录波命令，同时下游监测点启动本地1s录波下游监测点发送的录波命令后，启动本地1s录波。
[0073]
在本差分电压获取方法中，通过下游监测点发送录波命令的方式启动上游监测点进行录波，由于录波命令数据量很小，因此其传输时延很小，由此使得上下游的录波电压时间间隔尽量小。在图3中，td为下游监测点从准备发出录波命令到上游监测点启动本地录波的总时延。该时延包括下游监测点识别出电压波形畸变越限到录波命令发出的处理时延、上下游的端到端通信时延、上游监测点从收到录波命令到实际启动录波的处理时延。当td较小时，可认为监测点m电压不变或变化很小，因而为异步电压差分应用提供了条件。
[0074]
为了进一步降低两个监测点之间通讯的延迟，上游监测点和下游监测点之间优选采用目前的lpwan方式作为本差分电压获取方法的通信方式，如lora/emtc/zigbee/wifi等，5g/4g通信方式也可用于上游监测点和下游监测点之间的通讯。
[0075]
步骤5，等待录波完成；
[0076]
下游监测点在启动本地录波后，进行本地1s录波，并等待录波完成，同时上游监测点在启动本地录波后，进行本地1s录波，并等待录波完成。
[0077]
步骤6，将录波数据上传；
[0078]
下游监测点在完成本地1s录波后，将录波数据上传。在本实施例中，下游监测点将本地录波数据上传至上游监测点，由上游监测点将下游监测点的录波数据与本地的录波数据进行进一步处理。
[0079]
步骤7，以周波为单位进行相位对齐；
[0080]
在本差分电压获取方法中，线路上游监测点和下游监测点各周波电压的初相角可为任意角度，因此需在差分前对电压进行相位同步。对监测点来说，其故障前后电压均以工频为主，因此可利用工频成分初相角作为同步依据实现异步采样波形的差分电压获取。相位对齐的步骤如下：
[0081]
步骤7-1，以周波为单位，获取上游监测点电压um(n)和获取下游监测点电压un(n)的频域相量：
[0082]
[0083]
其中，um(n)为上游监测点电压的时域离散表达方式，um(n)为下游监测点电压的时域离散表达方式，a、b分别为um(n)工频成分的实部和虚部，c、d分别为un(n)工频成分的实部和虚部。
[0084]
步骤7-2，计算um(n)和un(n)工频成分的初相角差：
[0085]
δθ＝[arctan(b/a)-arctan(d/c)]
[0086]
步骤7-3，计算un(n)向um(n)对齐的移位个数δn：
[0087]
δn＝[δθ/360
·
n]
[0088]
其中，n为um(n)和un(n)每周波采样点数，[
…
]表示对运算结果取整。
[0089]
步骤7-4，将un(n)循环右移δn位消除相位差，得到下游监测点在相位对齐后的电压：
[0090]
u'n(n)＝un((n-δn))
nrn
(n)
[0091]
其中，un((n))n表示un(n)以n为周期的周期延拓序列，rn(n)表示长度为n的矩形窗口序列。
[0092]
步骤8，对进行相位补偿；
[0093]
在线路中发生故障时，电弧电压中u
arc
(t)所含的工频成分会影响un(t)的原有工频成分相位，进而引入相位同步误差，其大小由故障支路功率因数决定，因此需要通过测算故障点所在支路的功率因数进一步对相位进行补偿，具体补偿流程包括如下步骤：
[0094]
步骤8-1，对差分电压中的工频成分初相角进行归一化；
[0095]
故障支路功率因数反映为电弧电压熄弧-起弧(方波上升沿)与um(t)的相位差异，由于um(t)与un(t)固有相位接近，因此可利用差分波形中的工频成分初相角反映的大小。
[0096]
如图4所述，不同功率因数下的电弧电压上升沿对应不同的初相角，也即差分电压中的工频成分初相角p
1x
。由于um(t)的工频初相角p
1m
为任意角度，因此需要对p
1x
基于p
1m
进行相位归一化以构建通用补偿公式，将归一化相位记作
[0097][0098]
步骤8-2，得到归一化相位与相位误差的近似表达式；
[0099]
故障时的un(t)基于工频相位同步引入的相位误差pe与关系如下式所示：
[0100][0101]
一般来说，因此一般来说，电弧的燃弧电压在15～20v左右(式中的a即燃弧电压大小)，un一般在210～220v，从而得到pe与关系曲线如图5所示。由图5可知，时，为0
°
，此时un(t)故障后无工频相位引入误差，基于工频初相角获取差分电压无相位误差引入；时，un(t)故障后引入相位误差在-3
°
左右。观察知，un(t)有效值、燃弧电压大小对引入误差角影响不大，pe与近似线性关系，两者关系近似表示为：
[0102]
步骤8-3，得到移位个数的补偿值，并对un(n)向um(n)的移位个数进行补偿。
[0103]
移位个数的补偿值如下公式得到：
[0104][0105]
其中：n为每周波采样点数，[
…
]表示对运算结果取整。
[0106]
如图6所示为故障点支路功率因数为0.7时，上下游电压相位补偿前后的差分波形对比，观察可知，补偿后差分波形与同步采样差分波形达到了较高相似度。
[0107]
对于电压差分方法来说，实际线路的两端电压可能存在一定的相位偏移，其大小受负荷功率、功率因数和线路阻抗影响。低压配电线路供电半径较短，实际线路压降一般不超过10v，且电能质量对线路功率因数要求通常不低于0.85，因此，即使线路较长(几km)时，其电压相位偏移一般也不超1
°
，一般长度(小于1km)线路的电压偏移则不超过0.5
°
，因此线路电压自身存在的相位偏移对本文方法影响有限，不影响本差分电压获取方法的应用。
[0108]
在通过上述步骤得到线路的差分电压之后，即可通过本领域的公知常识，如申请号为202110457409.6，发明创造名称为“一种用于低压配电网的串联电弧检测方法”的中国专利中所公开的技术方案，进一步对线路中是否发生串联电弧故障进行判断。
[0109]
实施例2：
[0110]
如图6所示，本实施例中步骤1～步骤5与实施例1相同，
[0111]
本实施例与实施例1的区别在于：
[0112]
步骤6，将录波数据上传；
[0113]
上游监测点和下游监测点在完成各自的本地1s录波后，上游监测点、下游监测点将各自的录波数据共同上传至计算节点(如网关设备、数据集中器)。然后由计算节点代替实施例1中的上游监测点执行步骤7～步骤8，并得到线路的差分电压。
[0114]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。