CN116338377A - 在线实时获取数据并实现接地网故障监测的方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了在线实时获取数据并实现接地网故障监测的方法及***，属于接地网故障监测技术领域。本发明注入激励电流，基于多通道自适应变频测量技术实时变频测量接地网的接地电阻和可及节点电压的测量；基于跨年度实时监测获取的接地电阻监测数据建立接地电阻的年度数据集，并基于实时获取的可及节点电压、已建立的接地网电网络模型和故障方程，并利用电网络理论相关定理对接地网的各支路节点的电阻变化进行分析，得到用于判断支路运行状态的非可及节点电压和电阻；基于支路运行状态的非可及节点电压和电阻进行接地网故障判断，以确定故障点位置信息，故障点位置信息包括故障定位和故障类型。本发明用于接地网故障监测。

Description

在线实时获取数据并实现接地网故障监测的方法及***
技术领域
在线实时获取数据并实现接地网故障监测的方法及***，用于接地网故障监测，属于接地网故障监测技术领域。
背景技术
接地网是电子、电气***的重要组成部分，良好的接地是人与设备安全的重要保障。但长时间运行，其真实状态难以及时获知，一旦雷击或***故障，会产生高故障电压，影响到电气与电子信息设备正常运行，造成的社会影响难以在短时间内消解。电子信息设备的工作高度依赖电源及信号传输的稳定性，如果接地网出现连接不良、腐蚀等问题，由于散流性能降低，一但出现雷电、操作过电压，将会导致设备性能降低甚至损毁。因此，实现对接地网故障的及时发现与排查，实现接地网智能检测与故障诊断技术对电力、易燃易爆、电子信息等行业都具有重要的工程意义。
有关接地网监测与故障诊断技术研究起于上世纪八十年代。国外研究较少，是因为国外大多采用铜材作为接地材料。我国多采用钢材作接地网，相同土壤中，钢的腐蚀率大约是铜的7倍。但国外学者在接地网分析理论研究中作出了主要贡献，F.Dawalibi1984等提出了采用矩量法对接地网接地性能进行分析，并开发了CDEGS接地***分析软件。
依据原理不同，国内学者在三个方面实现了接地网故障诊断方法。
电磁分析法：利用测得的接地网地表电场或磁场分布并结合地网数值仿真来进行故障诊断。江明亮针对在无地网图纸的情况下，提出了一种变电站接地网导体与网格结构探测方法，通过利用测量的地表面磁感应强度的分布特性和规律来实现对接地网状态的检测。
电网络分析法：基于电网络理论建立故障诊断方程从而求解得到支路导体的腐蚀情况。刘健在充分利用了可及节点的电压信息，采用在可及节点中轮换电流源激励位置和每处激励时多处测量节点电压的方法，降低了故障方程组的欠定度。程红丽在电网络理论基础上使用了禁忌搜索算法，实现接地网故障的分区定位。
电化学分析法：根据导体在土壤中发生化学反应时产生直流电流原理，应用腐蚀电化学检测技术实现断点探测。韩磊开发了现场便捷式快速腐蚀检测***，通过恒流阶跃方式对腐蚀状况测量，根据充电曲线获得电极的极化阻力值来判断接地网的腐蚀状态。
以上研究，为接地网的故障诊断带来了良好效果，但存在如下技术问题：
1.采用电磁分析法、电网络分析法和电化学分析法仍需要停工停电对接地网进行故障诊断，代价高昂；
2.采用电磁分析法、电网络分析法和电化学分析法，仍需要大面积开挖进行故障诊断，具有一定的盲目性，造成故障诊断精确差、成本高等问题；
3.需要在电磁分析法、电网络分析法或电化学分析法的基础上获取数据，并在实验室进行复杂计算分析，不能实现对所需要参数的自动采集与智能处理。
发明内容
针对上述研究的问题，本发明的目的在于提供在线实时获取数据并实现接地网故障监测的方法及***，解决现有技术仍需要停工停电对接地网进行故障诊断，代价高昂的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种在线实时获取数据并实现接地网故障监测的方法，包括如下步骤：
步骤1：注入激励电流，基于多通道自适应变频测量技术实时变频测量接地网的接地电阻和可及节点电压的测量；其中，接地电阻的测量范围是0-1000欧姆，测量精度在3％±2d之内。步骤2：基于跨年度实时监测获取的接地电阻监测数据建立接地电阻的年度数据集，并进行监测资料的变化特征分析，并基于变化特征得到接地网接地性能是否下降的结果，若下降，转到步骤3，同时判断其是否达到预警值，若达到，状态预警，否则老化提示；
步骤3：基于实时获取的可及节点电压、已建立的接地网电网络模型和故障方程，并利用特勒根定理和基尔霍夫定律对接地网的各支路节点的电阻变化进行分析，得到用于判断支路运行状态的非可及节点电压和电阻；
步骤4：基于支路运行状态的非可及节点电压和电阻进行接地网故障判断，以确定故障点位置信息，故障点位置信息包括故障定位和故障类型。
进一步，所述步骤1中的多通道自适应变频测量技术是指在接地电阻测量工作模式和节点电压测量工作模式下改变接地网的测量频率获取幅值，其中，频率范围为40HZ-60HZ。
进一步，所述步骤2依据接地电阻的年度数据集，人为分析变化特征与趋势，以得到对接地网腐蚀程度的变化特征，用于后续对接地网具体故障位置的判断。
进一步，所述步骤3中接地网电网络模型是基于接地网真实结构，依据特勒根定理与电网络理论对接地网进行等效电路模型建立得到的；
故障方程的数量跟接地网的端口相同，依据特勒根定理与接地网端口电阻变化和支路电阻变化之间的关系建立的数学模型。
进一步，所述步骤3是假设每段接地网接地的电阻是坏的，并基于实时获取的可及节点电压、已建立的接地网电网络模型和对应的故障方程，利用特勒根定理和基尔霍夫定律按照步长用不同电阻值算出网络中非可及节点电压的分布和电阻。
进一步，所述步骤4的具体步骤为：
将非可及节点电阻与接地网电阻的标称值进行比较，通过比较电阻变化倍数，进而确定地网的腐蚀程度，即根据特勒根定理，将计算分析得到的支路电阻与此标称值作比较，判断腐蚀程度，即判断故障类型；
通过计算得到的非可及节点电压分布与测量得到的可及节点电压分布进行对应电压仟比较，得到对应的平方误差，再将平方误差最小值作为故障定位，其中，接地电阻的标称值是指接地网在没有腐蚀状况下每段导体的电阻值。
进一步，还包括步骤5：基于互联网+GIS的终端软件平台对故障判断结果和年度数据集进行可视化显示，软件平台可以实时操控接地网智能检测仪的工作状态并对数据的远程获取进行控制。
一种在线实时获取数据并实现接地网故障监测的***，包括：
导入数据模块：注入激励电流，基于多通道自适应变频测量技术实时变频测量接地网的接地电阻和可及节点电压的测量；
建立模型模块：接地网接地性能下降时，基于实时获取的可及节点电压、已建立的接地网电网络模型和故障方程，并利用特勒根定理和基尔霍夫定律对接地网的各支路节点的电阻变化进行分析，得到用于判断支路运行状态的非可及节点电压和电阻；
腐蚀预测模块：基于各节点的运行状态和分析得到的变化特征进行接地网故障判断，以确定故障点位置信息和故障类型。
进一步，所述互联网+GIS的终端软件平台还包括远程控制模块、数据库、可视化告警与数据显示模块、数据分析与诊断模块、用户管理模块、报告生成模块、数据统计和查询模块。
本发明同现有技术相比，其有益效果表现在：
一、本发明利用多通道变频测量技术，实现电网络方程参数的自动获取，老化状态的智能分析，实现接地网故障诊断的智能化和自动化，通过在线诊断，实时获取接地网电阻值，可实时智能判断接地网状态及特性，避免了人工检测的随机性和不连续性，也避免了人工检测间隔期发生的故障不能被及时发现的问题，同时提供实时运行状态信息，利用接地网故障智能诊断技术，结合测量参数集(可及节点的电压值和接地网电阻值，以及计算得到的其它节点电压值和每段导体的电阻值)和故障判别方法，实现在无人干预下的接地网状态老化预警及故障智能诊断方法，且通过多个测量站点布设可以组成区域监测网络，提高了信息化、智能化水平，为大数据挖掘与应用打下了基础；特别是可以实现接地网故障诊断所需参数的实时监测和获取，并通过故障诊断方法，智能判断接地网故障点位置，不需要多种、多台测量设备在停工停电下来人工测量，也不需要在实验室进行长时间的分析与计算；
二、本发明利用长时间序列的实时监测数据来作为接地网老化判据，即利用长时间序列接地电阻测量值的变化曲线，实现对接地网电阻值变化趋势有一个良好的预测，从而实现接地网老化状态判断；
三、本发明利用在线监测资料实时实现接地网故障方程的求解与故障类型(腐蚀、断裂等)判别，解决了目前在人工获取数据之后，长时间的分析；
利用长时间序列接地参数值(接地网整体电阻值)，实现接地网状态的实时监测与告警；
四、本发明通过变频测量，可以克服工频电流干扰，并获取接地网整体接地电阻值，并判断接地***性能是否下降；
五、本发明通过接地网故障诊断模型的研究，并实现在线检测接地网的电阻电压值，从而通过数据分析判断接地网的故障状态和定位，避免大面积开挖的情况出现。
附图说明
图1为本发明的技术路线示意图；
图2为本发明的总体结构与功能框示意图；
图3为本发明中接地网电网络建模及其求解的示意图，其中，接地网中是可及节点编号“i、j”，电网络模型中是测量支路电压值“支路b+1、b+2、节点p、节点q、节点m、节点n”；
图4为本发明中多通道测量示意图；
图5为本发明中接地网故障诊断流程图，其中，故障类型具体指接地网老化程度和地网被腐蚀程度，接地电阻增大或者是断裂。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
结合目前当前研究状态，将在以下方面需要进一步发展：一是接地网故障诊断模型研究，通过合理的模型建立，实现在无需开挖情况下全面诊断地网腐蚀状况；二是对接地网多维度研究，结合地电位升、网内电位差、及接触电位差等综合考虑；三是实时在线监测与故障诊断技术，及时发现并分析接地网故障。
一种在线实时获取数据并实现接地网故障监测的方法，包括如下步骤：
步骤1：注入激励电流，基于多通道自适应变频测量技术实时变频测量接地网的接地电阻和可及节点电压的测量；多通道自适应变频测量技术是指在接地电阻测量工作模式和节点电压测量工作模式下改变接地网的测量频率获取幅值，其中，频率范围为40HZ-60HZ。
***控制：***采用一片STM32f103系列的ARM控制器作为核心，协调各个模块之间工作。为避免恶劣环境对线监测电路的影响，待机时各通道之间需要物理上的隔离。采样测试时继电器吸合使测试线接入测量***中。
频率调节：用SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与输出正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值来调节逆变电路输出电压的频率和幅值。
电流控制：恒流源模块为软件自反馈调节方式，使用数字PID的增量式控制，调节电流使其逐步恒定。增大电流，从而提高***的测试精度。
信号采集与处理：使用2片CS5460A电能IC，一片在电流通道测量交流电流值，另外一片的用于测量接地极P和ES之间的电压。CS5460A电能IC是一个包含两个Δ∑ADC、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的Δ∑模-数转换器，控制器ARM容易和该芯片通讯。具备高速数字低通滤波、数字补偿滤波、数字高通滤波功能，可以很好消除杂波。
测量与通信电路：利用继电器作电子开关，实现两路通道切换，一是电流通道切换，变频恒流源对不同测量通道的电流注入，使C-E(1-5)形成电流回路；二实现P与PV之间的切换，测量节点电压时，完成由P向PV的切换。
通信模块基于4G/5G无线通信技术，通过RS232串行接口将测量数据送至GPRS模块，并于电脑终端实现与互联网的无缝连接。
切换电路设计原理：
利用SPWM技术将正弦波信号注入接地***，同时开始采样电流、电压信号。
***有两种工作模式，一是接地电阻测量模式，此时选取接地网中间可及节点E4或E3作为测试极，与C-P构成接地电阻测量电路。二是节点电压测量模式，利用PV-E(1-5)之间形成电压测量模式，一次测量完成后，切换测量通道，重复上次测量。最后获取接地网接地电阻可及节点电压值。
切换电路设计说明：
切换电路测试部分共有四个极，分别为测试极E、测试极Es-OUT、电压极P、电流极C。
其中，测试极E(三极法测量时使用该极，并和Es-OUT极短接在一起)分为E1、E2、E3、E4、E5、E6六个通道；
测试极Es-OUT(三极四线法测量时使用该极)分为Es-OUT1、Es-OUT2、
Es-0UT3、Es-0UT4、Es-0UT5、Es-0UT6六个通道；
电压极P分为P1、P2、P3、P4、P5、P6六个通道；
电流极C分为C1、C2、C3、C4、C5、C6六个通道。
四个极共24个通道可以任意组合，分时复用，既兼容了本次设计要求的测试方案，又增强了在实际测试中的灵活性。
步骤2：基于跨年度实时监测获取的接地电阻监测数据建立接地电阻的年度数据集，并进行监测资料的变化特征分析，并基于变化特征得到接地网接地性能是否下降的结果，若下降，转到步骤3，同时判断其是否达到预警值，若达到，状态预警，否则老化提示；依据接地电阻的年度数据集，人为分析变化特征与趋势，以得到对接地网腐蚀程度的变化特征，用于后续对接地网具体故障位置的判断。
步骤3：基于实时获取的可及节点电压、已建立的接地网电网络模型和故障方程，并利用特勒根定理和基尔霍夫定律对接地网的各支路节点的电阻变化进行分析，得到用于判断支路运行状态的非可及节点电压和电阻；接地网电网络模型是基于接地网真实结构，依据特勒根定理与电网络理论对接地网进行等效电路模型建立得到的；
故障方程如下所示：
Figure BDA0004128270550000061
其中，p为被测端口组，ΔRK是第k支路电阻变化量，ΔRjj是可及节点i、j端口电阻变化量，Ik是第k支路的电流矩阵，I0是激励电流，IK′表示故障后第k支路的电流矩阵；
故障方程的数量跟接地网的端口相同，依据特勒根定理与接地网端口电阻变化和支路电阻变化之间的关系建立的数学模型。
具体为：所述步骤3是假设每段接地网接地的电阻是坏的，并基于实时获取的可及节点电压、已建立的接地网电网络模型和对应的故障方程，利用特勒根定理和基尔霍夫定律按照步长用不同电阻值算出网络中非可及节点电压的分布和电阻。
步骤4：基于支路运行状态的非可及节点电压和电阻进行接地网故障判断，以确定故障点位置信息，故障点位置信息包括故障定位和故障类型。
具体步骤为：
将非可及节点电阻与接地网电阻的标称值进行比较，通过比较电阻变化倍数，进而确定地网的腐蚀程度，即根据特勒根定理，将计算分析得到的支路电阻与此标称值作比较，判断腐蚀程度，即判断故障类型；
通过计算得到的非可及节点电压分布与测量得到的可及节点电压分布进行对应电压仟比较，得到对应的平方误差，再将平方误差最小值作为故障定位，其中，接地电阻的标称值是指接地网在没有腐蚀状况下每段导体的电阻值。
还包括步骤5：基于互联网+GIS的终端软件平台对故障判断结果和年度数据集进行可视化显示，软件平台可以实时操控接地网智能检测仪的工作状态并对数据的远程获取进行控制。
一种在线实时获取数据并实现接地网故障监测的***，包括：
导入数据模块：注入激励电流，基于多通道自适应变频测量技术实时变频测量接地网的接地电阻和可及节点电压的测量；
建立模型模块：接地网接地性能下降时，基于实时获取的可及节点电压、已建立的接地网电网络模型和故障方程，并利用电网络理论相关定理对接地网的各支路节点的电阻变化进行进行分析，得到用于判断支路运行状态的非可及节点电压和电阻；
腐蚀预测模块：基于各节点的运行状态和分析得到的变化特征进行接地网故障判断，以确定故障点位置信息和故障类型。
所述互联网+GIS的终端软件平台还包括远程控制模块、数据库、可视化告警与数据显示模块、数据分析与诊断模块、用户管理模块、报告生成模块、数据统计和查询模块。
以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种在线实时获取数据并实现接地网故障监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：注入激励电流，基于多通道自适应变频测量技术实时变频测量接地网的接地电阻和可及节点电压的测量；其中，接地电阻的测量范围是0-1000欧姆，测量精度在3％±2d之内。
步骤2：基于跨年度实时监测获取的接地电阻监测数据建立接地电阻的年度数据集，并进行监测资料的变化特征分析，并基于变化特征得到接地网接地性能是否下降的结果，若下降，转到步骤3，同时判断其是否达到预警值，若达到，状态预警，否则老化提示；
步骤3：基于实时获取的可及节点电压、已建立的接地网电网络模型和故障方程，并利用特勒根定理和基尔霍夫定律对接地网的各支路节点的电阻变化进行分析，得到用于判断支路运行状态的非可及节点电压和电阻；
步骤4：基于支路运行状态的非可及节点电压和电阻进行接地网故障判断，以确定故障点位置信息，故障点位置信息包括故障定位和故障类型。
2.根据权利要求1所述的一种在线实时获取数据并实现接地网故障监测的方法，其特征在于，所述步骤1中的多通道自适应变频测量技术是指在接地电阻测量工作模式和节点电压测量工作模式下改变接地网的测量频率获取幅值，其中，频率范围为40HZ-60HZ。
3.根据权利要求2所述的一种在线实时获取数据并实现接地网故障监测的方法，其特征在于，所述步骤2依据接地电阻的年度数据集，人为分析变化特征与趋势，以得到对接地网腐蚀程度的变化特征，用于后续对接地网具体故障位置的判断。
4.根据权利要求3所述的一种在线实时获取数据并实现接地网故障监测的方法，其特征在于，所述步骤3中接地网电网络模型是基于接地网真实结构，依据特勒根定理与电网络理论对接地网进行等效电路模型建立得到的；
故障方程的数量跟接地网的端口相同，依据特勒根定理与接地网端口电阻变化和支路电阻变化之间的关系建立的数学模型。
5.根据权利要求4所述的一种在线实时获取数据并实现接地网故障监测的方法，其特征在于，所述步骤3是假设每段接地网接地的电阻是坏的，并基于实时获取的可及节点电压、已建立的接地网电网络模型和对应的故障方程，利用特勒根定理和基尔霍夫定律按照步长用不同电阻值算出网络中非可及节点电压的分布和电阻。
6.根据权利要求5所述的一种在线实时获取数据并实现接地网故障监测的方法，其特征在于，所述步骤4的具体步骤为：
将非可及节点电阻与接地网电阻的标称值进行比较，通过比较电阻变化倍数，进而确定地网的腐蚀程度，即根据特勒根定理，将计算分析得到的支路电阻与此标称值作比较，判断腐蚀程度，即判断故障类型；
通过计算得到的非可及节点电压分布与测量得到的可及节点电压分布进行对应电压仟比较，得到对应的平方误差，再将平方误差最小值作为故障定位，其中，接地电阻的标称值是指接地网在没有腐蚀状况下每段导体的电阻值。
7.根据权利要求4所述的一种在线实时获取数据并实现接地网故障监测的方法，其特征在于，还包括步骤5：基于互联网+GlS的终端软件平台对故障判断结果和年度数据集进行可视化显示，软件平台可以实时操控接地网智能检测仪的工作状态并对数据的远程获取进行控制。
8.一种在线实时获取数据并实现接地网故障监测的***，其特征在于，包括：
导入数据模块：注入激励电流，基于多通道自适应变频测量技术实时变频测量接地网的接地电阻和可及节点电压的测量；
建立模型模块：接地网接地性能下降时，基于实时获取的可及节点电压、已建立的接地网电网络模型和故障方程，并利用特勒根定理和基尔霍夫定律对接地网的各支路节点的电阻变化进行分析，得到用于判断支路运行状态的非可及节点电压和电阻：
腐蚀预测模块：基于各节点的运行状态和分析得到的变化特征进行接地网故障判断，以确定故障点位置信息和故障类型。
9.根据权利要求8所述的一种在线实时获取数据并实现接地网故障监测的***，其特征在于，所述互联网+GIS的终端软件平台还包括远程控制模块、数据库、可视化告警与数据显示模块、数据分析与诊断模块、用户管理模块、报告生成模块、数据统计和查询模块。
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