一种基于短路故障快速检测定位的电力系统防火墙装置

技术领域

本发明涉及电力系统防护技术领域，具体来说，涉及一种基于短路故障快速检测定位的电力系统防火墙装置。

背景技术

电力系统是把很多的发电站、变电站、配电站和用户等由输电和配电线路连接起来形成的系统。它通常由发电机、变压器、母线、输配电线路及用电设备等组成。各电气元件、设备及系统通常处于正常运行状态，但也可能出现故障或异常运行状态。

电力系统故障是指电气元件和设备不能按照预期的指标进行工作的一种状态，也就是说电气元件和设备未达到其应该达到的功能，故障包括有发电机组故障、变压器故障、输电线路故障、变电所故障和母线故障等。

在国网和企业用电系统中经常会出现某一厂区或是企业内部某一回路出线故障，导致越级调上级开关，导致没有发生故障的厂区或是回路停电，在后期运行中如果出现此种故障就会造成停电区域扩大化。为了解决这问题，一些用户在回路中串联限流电抗器，从而限制电流突变，维持母线的剩余电压，不造成越级跳开关现象，但是这样设计后系统的预算成本大大增加，另外后期的运行成本也大大增加。

为了解决此类问题需要研制一种装置将电力系统中一旦某一回路出现故障，此装置立刻将故障回路屏蔽出来，让其他无故障的回路免受影响，让整个电力系统全方位做上防火墙。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于短路故障快速检测定位的电力系统防火墙装置，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于短路故障快速检测定位的电力系统防火墙装置，该装置包括：电网接入模块、回路监测模块、追踪定位模块、母线稳压模块、断路保护模块、风险评估模块、无线通讯模块及系统控制模块；

其中，电网接入模块，用于接入统一电力供应的电网系统；

回路监测模块，用于对回路进行实时异常监测与故障分析；

追踪定位模块，用于对故障回路进行追踪并获取定位信息；

母线稳压模块，用于提供母保阻抗维持母线电压的稳定；

断路保护模块，用于对故障回路进行切断实现快速断路；

风险评估模块，用于综合环境数据进行电网安全风险评估；

无线通讯模块，用于提供无线通讯实现数据的高速传输；

系统控制模块，用于实现各个功能模块进行调度与控制。

进一步，回路监测模块包括电流瞬时值判据子模块、电流变化率判据子模块、零点间隔判据子模块及故障监测分析子模块；

其中，电流瞬时值判据子模块用于设定电流瞬时值判据，并按照预设采样时间间隔实时监测并获取回路中电流瞬时值；

电流变化率判据子模块用于设定电流变化率判据，并按照预设采样时间间隔实时监测并获取各回路中电流变化率；

零点间隔判据子模块用于预先设定零点间隔判据，并根据实时监测得到的电流瞬时值或电流变化率计算过零点时间间隔；

故障监测分析子模块用于存储快速检测策略，选择电流瞬时值判据、电流变化率判据及零点间隔判据实现回路故障的检测与确定。

进一步，预先设定零点间隔判据，并根据实时监测得到的电流瞬时值或电流变化率计算过零点时间间隔包括以下步骤：

设定采样时间间隔，对实时监测的电流瞬时值或电流变化率进行采样；

获取当前时刻的采样值，并与前一个采样时间间隔的采样值相乘计算连续两个采样值的乘积，并判断乘积值的正负性，得到当前时刻是否为电流瞬时值或电流变化率的过零点；

若当前时刻的采样值为电流瞬时值或电流变化率的过零点时，记录当前时刻的时间数值，若当前时刻不是过零点时，则继续进行监测；

持续监测与判断下一过零点时刻，并计算当前过零点时刻与下一过零点时刻之间的过零点时间间隔，判断是否满足判据条件；

若过零点时间间隔满足判据条件，则认定回路存在故障。

进一步，存储快速检测策略，选择电流瞬时值判据、电流变化率判据及零点间隔判据实现回路故障的检测与确定包括以下步骤：

根据实时监测与计算结果，将第一个满足电流瞬时值判据、电流变化率判据与零点间隔判据的判据作为初始判据；

当初始判据满足条件并在预设的等待时间间隔内，未出现另一个判据满足，则认定初始判据为工况干扰，该初始判据无效；

当初始判据满足条件并在预设的等待时间间隔内，出现并存在另一个判据满足，则认定回路存在故障。

进一步，追踪定位模块包括GIS数据库子模块、故障追踪推理子模块、分布式定位子模块及扩展接口子模块；

其中，GIS数据库子模块用于提供与电网系统结合的GIS地图服务，形成电网区域内的线路地形图；

故障追踪推理子模块用于对回路检测得到的故障进行追踪定位，确定故障位置并进行局部隔离；

分布式定位子模块用于作为分布式定位节点，确定并存储电网系统内各个防火墙装置的具体位置信息；

扩展接口子模块用于实现外部扩展接入，对电网系统与GIS地图服务进行数据输入、维护与更新。

进一步，对回路检测得到的故障进行追踪定位，确定故障位置并进行局部隔离包括以下步骤：

获取检测到故障的防火墙装置自身的位置信息，根据电网系统的拓扑结构，孤立无源连通网络；

运用GIS的空间分析功能在GIS地图内进行搜索，找出存在故障的区段，并逐一排除不带电的非故障区，直至将目标缩小至无源区，作为故障区；

以故障区的中点坐标向外搜索，确定与其直接连接的断路器的位置坐标，并将位置坐标构成的范围区域作为隔离区。

进一步，母线稳压模块包括阻抗计算子模块与短路阻抗子模块；

其中，阻抗计算子模块用于根据发生故障时存在的电流变化率计算出相应的阻抗值；

短路阻抗子模块用于补偿发生故障的回路所损失的阻抗，将回路电流从短路值限制到额定电流以内，维持了母线的剩余电压。

进一步，断路保护模块包括开关分闸子模块与断路保护子模块；

其中，开关分闸子模块用于实现短路阻抗子模块中阻抗的定向定量输入；

断路保护子模块用于提供故障回路的短路保护以及对隔离区的断路划分。

进一步，风险评估模块包括雷电灾害评估子模块与污秽分析子模块；

其中，雷电灾害评估子模块用于进行雷电定位，采用SQL数据库且与GIS数据库子模块相互集成，实时监测并展示电网系统区域内雷击的发生时间、位置及回击次数的雷电参数，对防火墙由于雷电原因发生断路的风险进行预警评估；

污秽分析子模块用于监测与分析当前环境内大气参数数据，利用污秽分析方法对环境进行风险分析。

进一步，对防火墙由于雷电原因发生断路的风险进行预警评估包括以下步骤：

获取电网系统所在区域的故障历史资料，将其中的历史短路记录提取出来，将历史短路记录进行网格划分，得到各个时间段的短路矩阵；

利用雷电定位系统服务器获取历史雷电定位数据，并提取对应短路矩阵部分的雷电定位数据，并形成相应的雷电定位矩阵；

对比雷电定位矩阵与短路矩阵，得出该区域造成短路的最低电流值；

从气象局获取到雷电预警数据，并根据短路矩阵，截取并制作出该地区的雷电预警矩阵；

通过气象局数据，获取该区域历史雷电预警数据，并通过雷电定位系统，获取该区域的历史雷电定位数据并进行对比，分析得到该区域的雷达预警的精确度；

通过雷电预警矩阵计算得到该区域短路发生率的矩阵图，得到该区域内防火墙装置的雷电风险值。

本发明的有益效果为：

1、通过构建综合故障监测、追踪定位、断路保护及稳压调节等功能的电力防火墙，能够实现电力系统全面高效的故障监测与保护调节，从而保证电力系统的连续性与稳定性；即能够在电网系统某一回路发生故障后，立刻将故障回路脱离电力系统，防止使得停电事故扩大化，给整个电力系统配设全方位防火墙；保证电网系统的不必要停电故障，使得用户系统连续性用电。

2、通过部署故障快速检测策略，对电流瞬时值、电流变化率及零点间隔三种参数的实时监测与动态选取，实现三选二的故障分析流程，能够避免单一参数造成的检测不精确现象，且保证回路故障的检测精度，进而确保电网系统故障定位的高效性与精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种基于短路故障快速检测定位的电力系统防火墙装置的结构框图；

图2是根据本发明实施例的一种基于短路故障快速检测定位的电力系统防火墙装置在电网系统中的应用图。

图中：

1、电网接入模块；2、回路监测模块；201、电流瞬时值判据子模块；202、电流变化率判据子模块；203、零点间隔判据子模块；204、故障监测分析子模块；3、追踪定位模块；301、GIS数据库子模块；302、故障追踪推理子模块；303、分布式定位子模块；304、扩展接口子模块；4、母线稳压模块；401、阻抗计算子模块；402、短路阻抗子模块；5、断路保护模块；501、开关分闸子模块；502、断路保护子模块；6、风险评估模块；601、雷电灾害评估子模块；602、污秽分析子模块；7、无线通讯模块；8、系统控制模块。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种基于短路故障快速检测定位的电力系统防火墙装置。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-图2所示，根据本发明实施例的基于短路故障快速检测定位的电力系统防火墙装置，该装置包括：电网接入模块1、回路监测模块2、追踪定位模块3、母线稳压模块4、断路保护模块5、风险评估模块6、无线通讯模块7及系统控制模块8；

其中，所述电网接入模块1，用于接入统一电力供应的电网系统；

所述回路监测模块2，用于对回路进行实时异常监测与故障分析；

其中，所述回路监测模块2包括电流瞬时值判据子模块201、电流变化率判据子模块202、零点间隔判据子模块203及故障监测分析子模块204；

所述电流瞬时值判据子模块201用于设定电流瞬时值判据，并按照预设采样时间间隔实时监测并获取回路中电流瞬时值；

所述电流变化率判据子模块202用于设定电流变化率判据，并按照预设采样时间间隔实时监测并获取各回路中电流变化率；

所述零点间隔判据子模块203用于预先设定零点间隔判据，并根据实时监测得到的所述电流瞬时值或所述电流变化率计算过零点时间间隔；

其中，所述预先设定零点间隔判据，并根据实时监测得到的所述电流瞬时值或所述电流变化率计算过零点时间间隔包括以下步骤：

S2031、设定采样时间间隔，对实时监测的电流瞬时值或电流变化率进行采样；

S2032、获取当前时刻的采样值，并与前一个采样时间间隔的采样值相乘计算连续两个采样值的乘积，并判断乘积值的正负性，得到当前时刻是否为电流瞬时值或电流变化率的过零点；

S2033、若当前时刻的采样值为电流瞬时值或电流变化率的过零点时，记录当前时刻的时间数值，若当前时刻不是过零点时，则继续进行监测；

S2034、持续监测与判断下一过零点时刻，并计算当前过零点时刻与下一过零点时刻之间的过零点时间间隔，判断是否满足判据条件。

S2035、若过零点时间间隔满足判据条件，则认定回路存在故障。

所述故障监测分析子模块204用于存储快速检测策略，选择所述电流瞬时值判据、所述电流变化率判据及所述零点间隔判据实现回路故障的检测与确定。

其中，所述存储快速检测策略，选择所述电流瞬时值判据、所述电流变化率判据及所述零点间隔判据实现回路故障的检测与确定包括以下步骤：

S2041、根据实时监测与计算结果，将第一个满足所述电流瞬时值判据、所述电流变化率判据与所述零点间隔判据的判据作为初始判据；

S2042、当所述初始判据满足条件并在预设的等待时间间隔内，未出现另一个判据满足，则认定所述初始判据为工况干扰，该初始判据无效；

S2043、当所述初始判据满足条件并在预设的等待时间间隔内，出现并存在另一个判据满足，则认定回路存在故障。

所述追踪定位模块3，用于对故障回路进行追踪并获取定位信息；

其中，所述追踪定位模块3包括GIS数据库子模块301、故障追踪推理子模块302、分布式定位子模块303及扩展接口子模块304；

所述GIS数据库子模块301用于提供与电网系统结合的GIS地图服务，形成电网区域内的线路地形图；

GIS的数据库包括地理信息库、元件库、设备属性库、故障记录库和用户信息库，其中故障记录库包括开关、保护等遥信信息，故障时的电压、电流、功率等遥测信息，故障录波信息以及用户故障投诉电话信息。故障定位系统中的推理机利用GIS拓扑结构进行动态搜索和回溯推理，从而得到故障系列，确定故障区域，并且在GIS图形界面上以不同颜色显示出来。

数据库包含推理机进行故障定位的数据信息，即配电网网络结构、设备属性、用户信息、故障记录、地理信息等。在故障定位专家系统中，根据系统接收到的故障信息，动态生成的数据库将GIS中与故障区域相关的数据库按照一定格式转换到专家系统数据库。

所述故障追踪推理子模块302用于对回路检测得到的故障进行追踪定位，确定故障位置并进行局部隔离；

其中，所述对回路检测得到的故障进行追踪定位，确定故障位置并进行局部隔离包括以下步骤：

S3021、获取检测到故障的防火墙装置自身的位置信息，根据电网系统的拓扑结构，孤立无源连通网络；

S3022、运用GIS的空间分析功能在GIS地图内进行搜索，找出存在故障的区段，并逐一排除不带电的非故障区，直至将目标缩小至无源区，作为故障区；

S3023、以所述故障区的中点坐标向外搜索，确定与其直接连接的断路器的位置坐标，并将位置坐标构成的范围区域作为隔离区。

分布式定位子模块303用于作为分布式定位节点，确定并存储电网系统内各个防火墙装置的具体位置信息；

所述扩展接口子模块303用于实现外部扩展接入，对电网系统与GIS地图服务进行数据输入、维护与更新。

所述母线稳压模块4，用于提供母保阻抗维持母线电压的稳定；

其中，所述母线稳压模块4包括阻抗计算子模块401与短路阻抗子模块402；

所述阻抗计算子模块401用于根据发生故障时存在的所述电流变化率计算出相应的阻抗值；

所述短路阻抗子模块402用于补偿发生故障的回路所损失的阻抗，将回路电流从短路值限制到额定电流以内，维持了母线的剩余电压。

所述断路保护模块5，用于对故障回路进行切断实现快速断路；

其中，所述断路保护模块5包括开关分闸子模块501与断路保护子模块502；

所述开关分闸子模块501用于实现所述短路阻抗子模块402中阻抗的定向定量输入；

所述断路保护子模块502用于提供故障回路的短路保护以及对所述隔离区的断路划分。

所述风险评估模块6，用于综合环境数据进行电网安全风险评估；

其中，所述风险评估模块6包括雷电灾害评估子模块601与污秽分析子模块602；

所述雷电灾害评估子模块601用于进行雷电定位，采用SQL数据库且与所述GIS数据库子模块301相互集成，实时监测并展示电网系统区域内雷击的发生时间、位置及回击次数的雷电参数，对防火墙由于雷电原因发生断路的风险进行预警评估；

雷电信息定位系统是大面积、全自动、实时监测雷电活动的计算机在线系统。实时测量雷电发生的时间、地点、幅值、极性、回击次数等参数。从电网的运行情况来看，线路受雷击而造成跳闸的情况也常常发生。而GIS与雷电信息定位系统集成可以有多种方式。目前雷电信息定位系统采用的是SQI数据库，而且GIS与雷电信息定位系统同属一个安全区，因此在这样简单的网络环境中，GIS平台与雷电信息定位系统的集成就不需要再重新建立雷电信息的数据库表结构，而可以直接利用雷电系统中的SQL数据库，实时从雷电数据库中将雷电信息读取出来，直接通过GIS表现在地图上，同时支持按照行政区域、时间、地理位置等条件查询。

其中，所述对防火墙由于雷电原因发生断路的风险进行预警评估包括以下步骤：

S6011、获取电网系统所在区域的故障历史资料，将其中的历史短路记录提取出来，将历史短路记录进行网格划分，得到各个时间段的短路矩阵；

S6012、利用雷电定位系统服务器获取历史雷电定位数据，并提取对应短路矩阵部分的雷电定位数据，并形成相应的雷电定位矩阵；

S6013、对比雷电定位矩阵与短路矩阵，得出该区域造成短路的最低电流值；

S6014、从气象局获取到雷电预警数据，并根据所述短路矩阵，截取并制作出该地区的雷电预警矩阵；

S6015、通过气象局数据，获取该区域历史雷电预警数据，并通过雷电定位系统，获取该区域的历史雷电定位数据并进行对比，分析得到该区域的雷达预警的精确度；

S6016、通过所述雷电预警矩阵计算得到该区域短路发生率的矩阵图，得到该区域内防火墙装置的雷电风险值。

所述污秽分析子模块602用于监测与分析当前环境内大气参数数据，利用污秽分析方法对环境进行风险分析。

所述无线通讯模块7，用于提供无线通讯实现数据的高速传输；

所述系统控制模块8，用于实现各个功能模块进行调度与控制。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过构建综合故障监测、追踪定位、断路保护及稳压调节等功能的电力防火墙，能够实现电力系统全面高效的故障监测与保护调节，从而保证电力系统的连续性与稳定性；即能够在电网系统某一回路发生故障后，立刻将故障回路脱离电力系统，防止使得停电事故扩大化，给整个电力系统配设全方位防火墙；保证电网系统的不必要停电故障，使得用户系统连续性用电。通过部署故障快速检测策略，对电流瞬时值、电流变化率及零点间隔三种参数的实时监测与动态选取，实现三选二的故障分析流程，能够避免单一参数造成的检测不精确现象，且保证回路故障的检测精度，进而确保电网系统故障定位的高效性与精确度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。