CN103336199B - 一种全封闭管式母线故障率预测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种全封闭管式母线故障率预测装置及方法，该装置包括信号采集模块、A/D转换器、处理器、变换电路、工控机和通信模块；信号采集模块包括电压传感器、电流传感器、压力传感器和湿度测量仪；电压传感器的输入端、电流传感器的输入端均连接至全封闭管式母线，压力传感器和湿度测量仪安装在全封闭管内，电压传感器的输出端、电流传感器的输出端、压力传感器的输出端和湿度测量仪的输出端分别连接至A/D转换器的4个不同输入端，A/D转换器的输出端连接处理器的输入端，处理器的两个输出端分别连接变换电路的输入端和通信模块的输入端，变换电路的输出端连接工控机的输入端。本发明具有输入量提取简单，精确度高，准确度好，预测效率高的特点。

Description

一种全封闭管式母线故障率预测装置及方法

技术领域

本发明属于电网监测技术领域，特别涉及一种全封闭管式母线故障率预测装置及方法。

背景技术

随着社会和经济的发展，各行各业对电力的依赖增强，对电力***供电可靠性的要求日益提高。作为电力传输设备,封闭母线近年来被广泛用于室内变电站、高层建筑和工厂厂房,以代替传统的电缆进行配电。当高层建筑采用封闭母线作为树干式配电时，若发生故障其停电范围非常大，然而现有的保护措施并不能解决上述封闭母线在实际使用中出现的问题。为了完善保护措施，有必要对封闭母线故障率进行研究，为了满足建立资源节约型和环境友好型社会的要求，充分利用现有电力资产，提升设备运行可靠性，延长母线使用寿命，对电力公司更经济、更可靠地为用户提供电能有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种全封闭管式母线故障率预测装置及方法。

本发明的技术方案是：

一种全封闭管式母线故障率预测装置，包括信号采集模块、A/D转换器、处理器、变换电路、工控机和通信模块；

所述信号采集模块包括电压传感器、电流传感器、压力传感器和湿度测量仪；

电压传感器的输入端、电流传感器的输入端均连接至全封闭管式母线，压力传感器和湿度测量仪安装在全封闭管内，电压传感器的输出端、电流传感器的输出端、压力传感器的输出端和湿度测量仪的输出端分别连接至A/D转换器的4个不同输入端，A/D转换器的输出端连接处理器的输入端，处理器的两个输出端分别连接变换电路的输入端和通信模块的输入端，变换电路的输出端连接工控机的输入端。

所述电压传感器用于采集全封闭管式母线电压。

所述电流传感器用于采集全封闭管式母线电流。

所述压力传感器用于采集全封闭管内气体压力。

所述湿度测量仪用于采集全封闭管内湿度。

所述通信模块用于与远方调度终端进行数据通信。

采用所述的全封闭管式母线故障率预测装置进行故障率预测的方法，包括以下步骤：

步骤1：采集全封闭管式母线电压、全封闭管式母线电流、全封闭管内气体压力和全封闭管内湿度；

通过电压传感器采集全封闭管式母线电压，通过电流传感器采集全封闭管式母线电流，通过压力传感器采集全封闭管内气体压力，通过湿度测量仪采集全封闭管内湿度；

步骤2：通过A/D转换器对采集到的数据进行A/D转换，并输出至处理器；

步骤3：将全封闭管式母线电压、全封闭管式母线电流、全封闭管内气体压力和全封闭管内湿度作为输入量，进行归一化处理得到状态监测量，具体步骤如下：

步骤3.1：输入量的正常状态范围为[L_min,H_max]，L_min输入量的下限值，H_max为输入量的上限值，将达到下限值L_min时为最佳状态的输入量Z归一化为状态监测量将达到上限值H_max时为最佳状态的输入量Z归一化为状态监测量 $r\left(H_{\max }\right)=1-e^{-\frac{{(H_{\max }-Z)}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}};$

步骤3.2：得到归一化后的状态监测量对应于正常状态范围的临界W，该临界值为一个恒定值；

$W=r\left(H_{\max }\right)=r\left(L_{\min }\right)=1-e^{-\frac{{(Z-L_{\min })}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}}=1-e^{-\frac{{(H_{\max }-Z)}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}}=1-e^{-0.5};$

步骤3.3：当状态监测量r(L_min)<W<r(H_max)，则该状态监测量对应的输入量为正常状态范围，否则，返回步骤1；

步骤4：根据全封闭管式母线电压、全封闭管式母线电流、全封闭管内气体压力和全封闭管内湿度在全封闭管式母线中的重要程度，分别给全封闭管式母线电压、全封闭管式母线电流、全封闭管内气体压力和全封闭管内湿度分配一个权重因子w_j，对各个归一化后的状态监测量进行加权平均，分别得到各状态监测量加权平均值即全封闭管式母线总体状态评估指标，状态监测量的个数j=1,2,3,4，r_j是第j个状态监测量Z归一化后得到的监测值，x的值在0和1之间，全封闭管式母线总体状态评估指标x越大表示故障率越大；

步骤5：建立全封闭管式母线总体状态评估指标x与故障率λ之间的函数关系即全封闭管式母线故障率其中,Ω_A、Ω_B和Ω_C均为故障率系数；

步骤6：获取长度为L_i的全封闭管式母线线路在某时间段内发生的绝缘故障的次数f_i，计算该长度为L_i的全封闭管式母线线路的总体状态评估指标即状态评估量将与f_i构成的数据对按的升序进行排列并将这些数据对划分为包含有一个或多个数据对的数据段，数据段内的均值来表示该数据段内全封闭管式母线线路的状态，每个数据段内的全封闭管式母线状态评估量的均值和全封闭管式母线故障率的均值分别表示如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}=\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\hat{x}}_i/n_g$

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&lambda;}\left(x\right)}=\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_i/\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_i$

其中，n_g为第g个数据段内的和f_i构成的数据对的数目;

步骤7：根据各全封闭管式母线线路的全封闭管式母线状态评估量的均值和各全封闭管式母线线路的全封闭管式母线故障率的均值利用非线性最小二乘法估计出全封闭管式母线总体状态评估指标x与全封闭管式母线故障率的函数关系中的故障率系数Ω_A、Ω_B和Ω_C；

步骤8：根据全封闭管式母线总体状态评估指标预测当前全封闭管式母线线路的母线故障率，即全封闭管式母线故障率λ(x)乘以全封闭管式母线线路的总体长度;

步骤9：将预测得到的全封闭管式母线线路的母线故障率经变换电路传输至工控机，同时通过通信模块发送至远方调度终端，以便维修人员进行检修。

有益效果：

本发明采集配电网中的全封闭管式母线电压、全封闭管式母线电流、全封闭管内气体压力和全封闭管内湿度，将这些输入量分别归一化成一个状态监测量，进而得到全封闭管式母线总体状态评估指标，由于全封闭管式母线故障率的计算公式中存在未知的故障率系数Ω_A、Ω_B和Ω_C，因此对全封闭管式母线线路的状态评估量与故障次数构成的数据对分段，将各段的数据对代入全封闭管式母线故障率的计算公式就能求出故障率系数Ω_A、Ω_B和Ω_C，这样只要求出任意全封闭管式母线线路的总体状态评估指标就可以得到其故障率。本发明避免了传统方法建立模型和选取参数时造成的误差，并且具有输入量提取简单，精确度高，准确度好，预测效率高的特点。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的全封闭管式母线故障率预测装置工作示意图；

图2是本发明具体实施方式全封闭管式母线故障率预测装置结构框图；

图3是本发明具体实施方式全封闭管式母线故障率预测装置的A/D转换器与处理器的电

路连接原理图；

图4是本发明具体实施方式全封闭管式母线故障率预测方法流程图；

图5是本发明具体实施方式的全封闭管式母线故障率预测方法得到的故障率曲线与实际故障率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，本实施方式将全封闭管式母线故障率预测装置应用于采用全封闭管式母线的配电网中，进行全封闭管式母线故障率预测。

如图2所示，全封闭管式母线故障率预测装置，包括信号采集模块、A/D转换器、处理器、变换电路、工控机和通信模块；

信号采集模块包括电压传感器、电流传感器、压力传感器和湿度测量仪，电压传感器的型号为JDG4-0.51000/100，电流传感器的型号为LZJC-10Q1000/5，压力传感器的型号为HDP300，湿度测量仪的型号为MCG-100。

电压传感器用于采集全封闭管式母线电压，电流传感器用于采集全封闭管式母线电流，压力传感器用于采集全封闭管内气体压力，湿度测量仪用于采集全封闭管内湿度。

电压传感器的输入端、电流传感器的输入端均连接至全封闭管式母线，压力传感器和湿度测量仪安装在全封闭管内，电压传感器的输出端、电流传感器的输出端、压力传感器的输出端和湿度测量仪的输出端均连接至A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端连接处理器的输入端，处理器的两个输出端分别连接变换电路的输入端和通信模块的输入端，变换电路的输出端连接工控机的输入端。

A/D转换器选用TI公司的TLC254312位串行A/D转换器，该器件使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，且价格适中。串行A/D转换器与单片机的连接非常简单。AIN0-AIN10为模拟输入端；CS为片选端；DIN为串行数据输入端；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I/O时钟；REF+为正基准电压端；REF-为负基准电压端；VCC为电源；GND为地。

处理器选用型号为STC89C516的单片机，使用单片机自带的串行口，可实现与工控机的串行通信。现在PC机提供的COM1、COM2是采用RS-232接口标准的，而RS-232是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平来表示逻辑状态的规定不同。为了能够同计算机接口或与终端的TTL器件(如单片机)连接，必须在RS-232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换，本实施方式的变换电路选用由德州仪器公司(TI)推出的一款兼容RS232标准的芯片MAX232。该器件包含2个驱动器、2个接收器和一个电压发生器电路，该电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5V TT L/CMOS电平。每一个发生器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。单片机是整个装置的核心，串行A/D转换器TLC2543对输入的模拟信号进行采集，采样分辨率、转换通道及输出极性由软件进行选择，由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，单片机采集的数据通过串口(10、11脚)经MAX232转换成RS232电平与工控机间实现传输，具体连接如图3所示。

工控机选用采用UNO-2668系列嵌入式工控机，通信模块用于与远方调度终端进行数据通信，采用H8000系列无线通信***。

电压传感器的输出端、电流传感器的输出端、压力传感器的输出端和湿度测量仪的输出端分别连接到A/D转换器TLC2543的输入端AIN0-AIN3，A/D转换器TLC2543的输出端EOC、CLK、DIN、DOUT分别连接到单片机的P10、P11、P12、P13、单片机STC89C51的10引脚（RXD）、11引脚（TXD）与变换电路MAX232的9引脚（R2out）和10引脚（T2in）连接，工控机输入端和传输模块的输入端与单片机输出端连接；信号采集模块进行同步采样、保持、A/D转换，变为数字信号，送入单片机进行计算和数据处理，通过通信接口与工控机相连并同时将数据送到通信模块，为与远方调度终端通讯做好准备。

采用全封闭管式母线故障率预测装置进行故障率预测的方法，包括以下步骤：

步骤1：采集全封闭管式母线电压、全封闭管式母线电流、全封闭管内气体压力和全封闭管内湿度；

通过电压传感器采集全封闭管式母线电压，通过电流传感器采集全封闭管式母线电流，通过压力传感器采集全封闭管内气体压力，通过湿度测量仪采集全封闭管内湿度，采集到的样本及采样值见表1。

表1采集到的样本及采样值

采集样本	采集值
		母线电压	15kv
母线电流	15A
		气体压力	0.2kpa
湿度	0.1

步骤2：通过A/D转换器对采集到的数据进行A/D转换，并输出至处理器；

步骤3：将全封闭管式母线电压、全封闭管式母线电流、全封闭管内气体压力和全封闭管内湿度作为输入量，进行归一化处理得到状态监测量，具体步骤如下：

步骤3.1：输入量的正常状态范围为[L_min,H_max]，L_min输入量的下限值，H_max为输入量的上限值，将达到下限值L_min时为最佳状态的输入量Z_j归一化为状态监测量将达到上限值H_max时为最佳状态的输入量Z_j归一化为状态监测量 $r\left(H_{\max }\right)=1-e^{-\frac{{(H_{\max }-Z)}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}};$

步骤3.2：得到归一化后的状态监测量对应于正常状态范围的临界W，该临界值为一个恒定值；

$W=r\left(H_{\max }\right)=r\left(L_{\min }\right)=1-e^{-\frac{{(Z-L_{\min })}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}}=1-e^{-\frac{{(H_{\max }-Z)}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}}=1-e^{-0.5};$

步骤3.3：当状态监测量r(L_min)<W<r(H_max)，则该状态监测量对应的输入量为正常状态范围，否则，返回步骤1；

步骤4：根据全封闭管式母线电压、全封闭管式母线电流、全封闭管内气体压力和全封闭管内湿度在全封闭管式母线中的重要程度，分别给全封闭管式母线电压、全封闭管式母线电流、全封闭管内气体压力和全封闭管内湿度分配一个权重因子w_j，见表2，对各个归一化后的状态监测量进行加权平均，分别得到各状态监测量加权平均值即全封闭管式母线总体状态评估指标，状态监测量的个数j=1,2,3,4，r_j是第j个状态监测量Z_j归一化后得到的监测值，x的值在0和1之间，全封闭管式母线总体状态评估指标x越大表示故障率越大；

表2状态监测项目及权重

监测项目	权重
		母线电压	6
母线电流	6
		气体压力	10
湿度	5

步骤5：建立全封闭管式母线总体状态评估指标x与故障率λ之间的函数关系即全封闭管式母线故障率其中,Ω_A、Ω_B和Ω_C均为故障率系数；

步骤6：获取长度为L_i的全封闭管式母线线路在某时间段内发生的绝缘故障的次数f_i，计算该长度为L_i的全封闭管式母线线路的总体状态评估指标即状态评估量将与f_i构成的数据对按的升序进行排列并将这些数据对划分为包含有一个或多个数据对的数据段，数据段内的均值来表示该数据段内全封闭管式母线线路的状态，每个数据段内的全封闭管式母线状态评估量的均值和全封闭管式母线故障率的均值分别表示如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}=\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\hat{x}}_i/n_g$

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&lambda;}\left(x\right)}=\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_i/\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_i$

其中，n_g为第g个数据段内的和f_i构成的数据对的数目；

步骤7：根据各全封闭管式母线线路的全封闭管式母线状态评估量的均值和各全封闭管式母线线路的全封闭管式母线故障率的均值利用非线性最小二乘法估计出全封闭管式母线总体状态评估指标x与全封闭管式母线故障率的函数关系中的故障率系数Ω_A、Ω_B和Ω_C；

步骤8：根据全封闭管式母线总体状态评估指标预测当前全封闭管式母线线路的母线故障率，即全封闭管式母线故障率λ(x)乘以全封闭管式母线线路的总体长度；

步骤9：将预测得到的全封闭管式母线线路的母线故障率经变换电路传输至工控机，同时通过通信模块发送至远方调度终端，以便维修人员进行检修.

采用本实施方式的全封闭管式母线故障率预测方法得到的故障率曲线与实际故障率比较曲线如图5所示，本方法的误差范围在±6%之内。

Claims (1)

1.一种全封闭管式母线故障率预测方法，采用的全封闭管式母线故障率预测装置，包括信号采集模块、A/D转换器、处理器、变换电路、工控机和通信模块；

所述信号采集模块包括电压传感器、电流传感器、压力传感器和湿度测量仪；

电压传感器的输入端、电流传感器的输入端均连接至全封闭管式母线，压力传感器和湿度测量仪安装在全封闭管内，电压传感器的输出端、电流传感器的输出端、压力传感器的输出端和湿度测量仪的输出端分别连接至A/D转换器的4个不同输入端，A/D转换器的输出端连接处理器的输入端，处理器的两个输出端分别连接变换电路的输入端和通信模块的输入端，变换电路的输出端连接工控机的输入端；

其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：采集全封闭管式母线电压、全封闭管式母线电流、全封闭管内气体压力和全封闭管内湿度；

通过电压传感器采集全封闭管式母线电压，通过电流传感器采集全封闭管式母线电流，通过压力传感器采集全封闭管内气体压力，通过湿度测量仪采集全封闭管内湿度；

步骤2：通过A/D转换器对采集到的数据进行A/D转换，并输出至处理器；

步骤3：将全封闭管式母线电压、全封闭管式母线电流、全封闭管内气体压力和全封闭管内湿度作为输入量，进行归一化处理得到状态监测量，具体步骤如下：

步骤3.1：输入量的正常状态范围为[L_min,H_max]，L_min输入量的下限值，H_max为输入量的上限值，将达到下限值L_min时为最佳状态的输入量Z归一化为状态监测量将达到上限值H_max时为最佳状态的输入量Z归一化为状态监测量 $r\left(H_{\max }\right)=1-e^{-\frac{{(H_{\max }-Z)}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}};$

步骤3.2：得到归一化后的状态监测量对应于正常状态范围的临界W，该临界值为一个恒定值；

$W=r\left(H_{\max }\right)=r\left(L_{\min }\right)=1-e^{-\frac{{(Z-L_{\min })}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}}=1-e^{-\frac{{(H_{\max }-Z)}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}}=1-e^{-0.5};$

步骤3.3：当状态监测量r(L_min)＜W＜r(H_max)，则该状态监测量对应的输入量为正常状态范围，否则，返回步骤1；

步骤4：根据全封闭管式母线电压、全封闭管式母线电流、全封闭管内气体压力和全封闭管内湿度在全封闭管式母线中的重要程度，分别给全封闭管式母线电压、全封闭管式母线电流、全封闭管内气体压力和全封闭管内湿度分配一个权重因子w_j，对各个归一化后的状态监测量进行加权平均，分别得到各状态监测量加权平均值即全封闭管式母线总体状态评估指标，状态监测量的个数j＝1,2,3,4，r_j是第j个状态监测量Z归一化后得到的监测值，x的值在0和1之间，全封闭管式母线总体状态评估指标x越大表示故障率越大；

步骤5：建立全封闭管式母线总体状态评估指标x与故障率λ之间的函数关系即全封闭管式母线故障率其中,Ω_A、Ω_B和Ω_C均为故障率系数；

步骤6：获取长度为L_i的全封闭管式母线线路在某时间段内发生的绝缘故障的次数f_i，计算该长度为L_i的全封闭管式母线线路的总体状态评估指标即状态评估量将与f_i构成的数据对按的升序进行排列并将这些数据对划分为包含有一个或多个数据对的数据段，数据段内的均值来表示该数据段内全封闭管式母线线路的状态，每个数据段内的全封闭管式母线状态评估量的均值和全封闭管式母线故障率的均值分别表示如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}=\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\hat{x}}_i/n_g$

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&lambda;}\left(x\right)}=\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_i/\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_i$

其中，n_g为第g个数据段内的和f_i构成的数据对的数目；

步骤7：根据各全封闭管式母线线路的全封闭管式母线状态评估量的均值和各全封闭管式母线线路的全封闭管式母线故障率的均值利用非线性最小二乘法估计出全封闭管式母线总体状态评估指标x与全封闭管式母线故障率的函数关系中的故障率系数Ω_A、Ω_B和Ω_C；

步骤8：根据全封闭管式母线总体状态评估指标预测当前全封闭管式母线线路的母线故障率，即全封闭管式母线故障率λ(x)乘以全封闭管式母线线路的总体长度；

步骤9：将预测得到的全封闭管式母线线路的母线故障率经变换电路传输至工控机，同时通过通信模块发送至远方调度终端，以便维修人员进行检修。