基于快速成像的接地网故障监测方法与装置

技术领域

本发明涉及接地网监测技术领域，尤其涉及基于快速成像的接地网故障监测方法与装置。

背景技术

接地网是电力设施安全运行的重要保证，其接地性能一直受到生产运行部门的重视，能够快速准确的标定出故障及故障发生的位置，对于提升现场人员和设备安全性，具有重要的工程应用价值。国内通常采用的办法是对接地网进行定期的测量，在测量过程中，需要投入大量的人力物力，测试时间长、成本高，导致定期检测的时间间隔很长，不能够及时反应接地网的运行状况，严重威胁电力系统的安全运行和工作人员的人身安全。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供本发明提出了一种基于快速成像的接地网故障监测方法与装置，不依赖于接地网设计图纸，利用部署在接地网地表的信号采集装置，收集磁感应信息与位置信息，绘制信号强度分布立体图像，利用图像信息可以直观的发现故障，并定位故障发生位置，指导现场的维护工作。

本发明采用如下的技术方案：

基于快速成像的接地网故障监测方法，包括以下步骤：

步骤1：通过接地网下引线，向接地网注入恒幅异频电流；

步骤2：收集地表磁感应数据与位置数据，并发送到数据网关处；

步骤3：数据网关利用改进的小波变换算法，对电磁感应数据进行滤波处理得到滤波之后的电磁感应信号序列；

步骤4：使用步骤3生成的电磁感应信号序列生成电磁感应数据矩阵，并将其与对应的位置数据矩阵进行关联；

步骤5：利用步骤4的电磁感应数据矩阵与位置数据矩阵绘制接地网磁感应强度分布立体图以展示接地网状况。

在步骤1中，注入电流的优选幅值为10A-20A，频率需与工频不同。

在步骤2中，所述地表感应数据指在步骤1向接地网注入恒幅异频电流之后，在地表由该电流所激励产生的电磁感应数据，该数据中包含掺杂着的噪声信号；

位置数据为采集装置的位置数据，与采集的磁感应数据对应，其包括相对位置数据与绝对位置数据。

相对位置数据为根据所选参照物的相对位置，包括方向与距离，即角度与距离；利用接地网周边已有参照物将其设定为位置数据的原点，记录每个测量点与原点的相对位置数据；选用相对位置数据采集的场景为需要长期、固定点位的在线监测时；

绝对位置数据为直接记录地球坐标系下的物理坐标数据，可以是GPS定位数据；选用绝对位置数据采集的场景为当需要频繁移动设备时，或者周期性的巡查短期测量时。

步骤3中的改进的小波变换算法包括信号的分解与重构。

信号分解包括以下内容：

步骤301.1：选定高通滤波器g(n)与低通滤波器h(n)系数，令x(n)＝h(n)-ig(n)，其中，x(n)为高通滤波器与低通滤波器系数的差值，为一个复数序列；i表示虚数单位；

步骤301.2：利用快速傅里叶变换计算得x(n)的傅里叶变换：

其中，DFT[x(n)]表示对x(n)进行快速傅里叶变换；X(k)表示傅里叶变化的结果；N表示原始信号序列f(n)的信号长度，即样本数量，j表示信号分解尺度，在首次分解时j的值为1，k表示经过快速度傅里叶变换后X(k)序列对应的点；

步骤301.3：将原始信号序列f(n)进行傅里叶变换得到变换后的结果F(k)后，计算Y(k)＝F(k)·X

步骤301.4：利用逆快速傅里叶变换对步骤301.3的傅乘积进行计算，得到IDFT{Y(k)}＝c(n)+id(n)；

其中，c(n)和d(n)分别代表IDFT{Y(k)}的逼近函数和细节函数，逼近函数c(n)表示IDFT{Y(k)}的实数部分，细节函数d(n)表示IDFT{Y(k)}的虚数部分，IDFT{Y(k)}表示利用逆快速傅里叶变换对Y(k)进行计算后的结果；

步骤301.5：对步骤301.4的IDFT{Y(k)}进行二抽样，再分别取实数部分与虚数部分，实数部分对应原始信号序列二抽样后的逼近序列，虚数部分对应原始信号序列二抽样后的细节序列；

二抽样指从原始信号序列中每隔一个信号间隔抽取的所有信号组成的信号序列；

步骤301.6：如果此时分解尺度j的大小达到分解尺度阈值，则完成了信号分解；否则将分解尺度j的数值加1后重复步骤301.2至301.6。

分解尺度阈值为3。

信号的重构包括以下内容：

步骤302.1：对于分解尺度为j+1的信号，步骤301.5二抽样后的逼近序列为c

二插值的方法是在每个函数的2个样本之间插入一个0；

步骤302.2：利用快速傅里叶变换计算y(n)，得到其傅氏变换Y(k)'＝DFT[y(n)]

步骤302.3：将y(n)与x(n)＝h(n)-ig(n)进行快速卷积计算，即Y(k)'与X(k)相乘，然后再进行傅里叶反变换，所得结果的实数部分即为滤波之后的信号序列。

在步骤4中，网关在处理位置数据，按照一定的规则自动计算出“采集点”在坐标系中的位置，所述规则可以是以X轴为准，由小至大，由负到正，依次将采集点存入三维位置矩阵；

当三维位置矩阵记录的是“相对位置”时，其第一维与第二维分别记录的数据为距离与角度，通过计算可以获得其X、Y坐标数值；

当三维位置矩阵记录的是“绝对位置”时，其第一维与第二维分别记录的数据为经度与纬度；

三维位置矩阵排列完成后，从其第一个元素开始，依据第三维度的标记信息，寻找具有相同标记信息的磁感应数据，并保存在磁感应数据矩阵对应位置；如三维位置矩阵为M*N阶，则磁感应数据矩阵也是M*N阶。

在步骤5中，当步骤4中的三维位置矩阵记录的是“相对位置”时，绘图时以“既定参考点”为图像的中心，即坐标的原点；

当步骤4中的三维位置矩阵记录的是“绝对位置”时，绘图时，X轴表示维度，Y轴表示经度，将数据的维度平均值与经度平均值作为图像中心。

本发明还公开了基于快速成像的接地网故障监测装置，包括电磁感应采集模块、信号放大模块、滤波模块、处理控制器模块、电源管理模块、上传模块以及位置感知模块，其特征在于：

采集模块负责收集接地网地表产生的激励电磁感应信号，并将该信号输入至信号放大模块；

信号运放模块负责对信号进行运算放大，将放大后的信号输入至滤波模块；

滤波模块通过硬件滤波电路去除磁感应信号中的噪声，并将除去噪音后的磁感应信号发送给上传模块；

位置感知模块其负责采集电磁感应数据对应的物理位置信息，并将该信息发送给上传模块；

处理控制器模块负责协调、控制各模块工作，收集数据；

电源管理模块负责为整个装置供电；

上传模块，将采集的数据发送至网关。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本方法在数据采集阶段，同时采集磁感应数据与位置数据，并形成关联关系，利用这些数据上位机自动绘制实时接地网区域电磁感应强度分布图。本发明提出的小波变换与其他小波变换相比，保证滤波效果的同时，降低了运算复杂度与时间复杂度，适合于在网关、边缘设备等，计算能力有限的设备上实现，对设备要求低。本方法省略了复杂的数据建模过程与仿真环节，无需预知接地网拓扑结构，并且应用电磁感应数据与物理位置信息相结合的办法，克服了传统方法中，需要预先了解或假设接地网结构的问题，简化了监测流程，降低了对现场人员的技术要求，方案操作更简便，便于应用与推广。实际变电站接地网检测中，尤其是运行超过10年的老旧变电站，其接地网施工图纸大多保存不完整，加之后期的改造等，实际接地网结构很难掌握。本专利中所述装置，具备电磁感应数据与位置数据同时采集的功能，可以直接通过电磁感应数据的有无判断是否存在接地网导体，同时结合位置信息，即可对接地网导体以及检测装置位置进行定位，从而获得接地网拓扑结构。

附图说明

图1为本发明公开的基于快速成像的接地网故障监测方法的具体流程图；

图2为本发明公开的基于快速成像的接地网故障监测装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1所示，本发明所述的基于快速成像的接地网故障监测方法，包括步骤：

步骤1：通过接地网下引线，向接地网注入恒幅异频电流；

根据实际接地网络规模的不同，选择所需幅值和频率的电流；在本实施例中，注入电流的优选幅值为10A-20A，频率需于工频不同。

步骤2：收集地表磁感应数据与位置数据，并发送到数据网关处；

地表感应数据指在步骤1向接地网注入恒幅异频电流之后，在地表由该电流所激励产生的电磁感应数据，该数据中包含掺杂着的噪声信号。

位置数据为采集装置的位置数据，与采集的磁感应数据对应。

根据实际情况，采集装置的位置数据包括相对位置数据与绝对位置数据；

相对位置数据为根据所选参照物的相对位置，包括方向与距离，即角度与距离；利用接地网周边已有参照物，选定合适的参照物，将其设定为位置数据的原点，记录每个测量点与原点的相对位置数据；选用相对位置数据采集的场景为需要长期、固定点位的在线监测时。相对位置，即采集装置从既定参考点的相对位置。后续绘制图像时，以此参考点作为坐标系原点。绝对位置数据为直接记录地球坐标系下的物理坐标数据，可以是GPS定位数据；选用绝对位置数据采集的场景为当需要频繁移动设备时，或者周期性的巡查短期测量时。

步骤3：数据网关利用改进的小波变换算法，对电磁感应数据进行滤波处理，去除数据中存在的噪声，得到滤波之后的电磁感应信号序列。

步骤3中，网关接收到采集装置上传的数据后，将位置数据与电磁感应数据分开保存。电磁感应数据经过采集装置的硬件滤波，虽然可以去除电磁干扰及噪声信号，但采集信号很可能还存在部分低频电磁干扰噪声，为了提高监测精度，需要对信号进行二次滤波。本方法中，在网关测，使用本发明改进的小波变换算法，对电磁感应数据进行滤波处理，提高后续计算速度与监测准确度。本发明改进的小波变换算法与其他改进的小波计算相比，在运算复杂度上，有一定降低，利于在计算能力有限的设备上实现。

本发明的小波变换算法包括了信号的分解与重构，信号分解步骤如下：

步骤301.1：选定高通滤波器g(n)与低通滤波器h(n)系数，其系数选定通常需要根据现场实际情况并结合经验，令x(n)＝h(n)-ig(n)。

其中，x(n)为高通滤波器与低通滤波器系数的差值，为一个复数序列；i表示虚数单位；

高通滤波器g(n)与低通滤波器h(n)系数选定通常需要根据现场实际情况并结合经验。在本实施例中，高通滤波器g(n)与低通滤波器h(n)系数的选择规则为：

∑g(n)＝0

步骤301.2：利用快速傅里叶变换计算得x(n)的傅里叶变换：

其中，DFT[x(n)]表示对x(n)进行快速傅里叶变换；X(k)表示傅里叶变化的结果；N表示原始信号序列f(n)的信号长度，即样本数量，j表示信号分解尺度，在首次分解时j的值为1，k表示经过快速度傅里叶变换后X(k)序列对应的点；

步骤301.3：将原始信号序列f(n)进行傅里叶变换得到变换后的结果F(k)后，计算Y(k)＝F(k)×X

步骤301.4：利用逆快速傅里叶变换对步骤301.3的乘积进行计算，得到

IDFT{Y(k)}＝c(n)+id(n)

其中，c(n)和d(n)分别代表IDFT{Y(k)}的逼近函数和细节函数，逼近函数c(n)表示IDFT{Y(k)}的实数部分，细节函数d(n)表示IDFT{Y(k)}的虚数部分，IDFT{Y(k)}表示利用逆快速傅里叶变换对Y(k)进行计算后的结果；

步骤301.5：对步骤301.4的IDFT{Y(k)}进行二抽样，再分别取实数部分与虚数部分，实数部分对应原始信号序列二抽样后的逼近序列，虚数部分对应原始信号序列二抽样后的细节序列。

二抽样指从原始信号序列中每隔一个信号间隔抽取的所有信号组成的信号序列；

步骤301.6：如果此时分解尺度j的大小达到分解尺度阈值，则完成了信号分解；否则将分解尺度j的数值加1后重复步骤301.2至301.6。

在本实施例中，分解尺度阈值为3；本领域的技术人员可以根据信号的复杂程度设置更高的分解尺度阈值。

信号重构步骤如下：

步骤302.1：对于分解尺度为j+1的信号，步骤301.5二抽样后的逼近序列为c

二插值的方法是在每个函数的2个样本之间插入一个0；

步骤302.2：利用快速傅里叶变换计算y(n)，得到其傅氏变换Y(k)’＝DFT[y(n)]

步骤302.3：将y(n)与x(n)＝h(n)-ig(n)进行快速卷积计算，即Y(k)'与X(k)相乘，然后再进行傅里叶反变换，所得结果得实数部分即为滤波之后的信号序列。

至此，本发明的小波变换算法完成。

步骤4：使用步骤3生成的电磁感应信号序列生成电磁感应数据矩阵，并将其与对应的位置数据矩阵进行关联。

网关先根据位置数据天然具有的空间排列关系，自动排列位置数据，形成位置数据矩阵。经过本发明小波变换处理后的电磁感应数据，依据位置数据矩阵的排列规则，进一步的形成电磁感应数据分布矩阵，矩阵中元素为各个位置上的电磁感应数据，这样两个数据矩阵具有了确定的关联关系，最终，网关将这些数据发送至上位机平台进行图像绘制。

由于电磁感应数据与位置数据，源自同一设备，天然具备关联性，所以，网关收到数据时，可以在同一设备上传的电磁感应数据与位置数据上进行关联。网关在处理位置数据，按照一定的规则自动计算出“采集点”在坐标系中的位置，该规则可以是以X轴为准，由小至大，由负到正，依次将采集点存入三维位置矩阵。

三维位置矩阵排列完成后，从其第一个元素开始，依据第三维度的标记信息，寻找具有相同标记信息的磁感应数据，并保存在磁感应数据矩阵对应位置。假设位置矩阵为M*N阶，则磁感应数据矩阵也是M*N阶。

特别的，当三维位置矩阵记录的是“相对位置”时，其第一维与第二维记录的数据分别为距离与角度，通过计算可以获得其X、Y坐标数值。

当三维位置矩阵记录的是“绝对位置”时，矩阵记录的数据为经纬度，可以以维度为基准，经度由大到小对矩阵进行排列。

步骤5：处理后的数据上传至上位机处理平台，利用电磁感应数据矩阵与位置数据矩阵，可直接绘制接地网磁感应强度分布立体图，以三维图像的形式直观展示接地网状况。

步骤5中，上位机平台根据电磁感应数据矩阵与位置数据矩阵的对应关系，自动绘制接地网磁感应强度分布立体图像。

当步骤4中的三维位置矩阵记录的是“相对位置”时，绘图时以“既定参考点”为图像的中心，即坐标的原点。

当步骤4中的三维位置矩阵记录的是“绝对位置”时，绘图时，X轴表示维度，Y轴表示经度，将数据的维度平均值与经度平均值作为图像中心。

其中，图像的X轴和Y轴是位置数据矩阵的信息，标定了每个数据点的物理位置。将位置数据矩阵的元素分解为X、Y轴对应的坐标信息，从而绘制出测量点位的网格化分布平面图。图像Z轴是磁感应强度矩阵中的数据，代表了每个物理位置对应的磁感应强度大小。利用磁感应数据点与位置点的对应关系，将磁感应数据矩阵分解并标记到对应的坐标点位置，最后将分散的磁感应数据点通过平滑的曲面连接，形成磁感应强度立体分布图样。

图像中的磁感应数据，即Z轴数据随采集装置的采集信号实时变化，所以磁感应强度分布曲线也会产生实时变化，通过分布图可以直观的发现磁感应强度的异常波动，及时发现接地网故障，并结合图中给出的位置信息，指导现场进行运维开挖。

步骤2中，为了快速绘制接地网区域信号强度图像，需要实时获取包括电磁感应数据、物理位置数据值等相关数据，本发明还公开了一个数据采集装置必须包括电磁感应采集模块、信号放大模块、滤波模块、处理控制器模块、电源管理模块、上传模块以及位置感知模块，如图2所示。

其中，采集模块负责收集接地网地表产生的激励电磁感应信号，并将该信号输入至信号放大模块；信号运放模块负责对信号进行运算放大，将放大后的信号输入至滤波模块；滤波模块通过硬件滤波电路去除磁感应信号中的噪声，并将除去噪音后的磁感应信号发送给上传模块；处理控制器模块负责协调、控制各模块工作，收集数据；电源管理模块负责为整个装置供电；上传模块，将采集的数据发送至网关。

区别与其他监测装置，本装置中增加了位置感知模块，其负责采集电磁感应数据对应的物理位置信息，并将该信息发送给上传模块。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。