一种综合电力边缘计算系统及控制方法

技术领域

本发明属于电力监控系统技术领域，尤其涉及一种综合电力边缘计算系统及控制方法。

背景技术

目前，在供电系统监控技术方案中，主要通过前置机汇总现场各个设备的信号数据，然后以通信的方式发送给后台管理机，由后台管理机实现整个供电系统的监控功能，而值班人员只能通过管理机了解整个供电系统设备的运行实际情况，一旦出现故障停电事故，则需要查看大量的历史波形和日志数据，以便分析事故的原因和恢复供电。在电力故障录波、电能质量分析和电力故障诊断方面则需要不同的设备完成，都需要采集PT、CT的原始波形，由于该类数据的实时性要求，不适宜从其它设备以通信方式获取，必须要增加相应的设备。随着供电系统现场设备数量的增多，而各个设备功能单一，无法有效整合，无形中降低了整个系统的运行可靠性和可维修性，提高了供电系统的建设成本。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)基于整个岸电系统对电能质量、供电可靠性、安全性和维修性，有着很高的要求，现有技术实现起来，采用设备较多，系统较为臃肿，降低了系统的可靠性和可维护性，增加了建设成本；

(2)在目前的市场上在线式电能质量分析、电力故障录波装置、故障诊断与预警，都是由独自的设备完成的，无法找到在同一个设备上实现以上三个功能的设备；

(3)在现有技术中，主要依靠人力去分析大量故障录波数据，系统无法对异常情况进行有效预警，无法充分利用高性能硬件平台上大数据分析和人工智能带来的优势，自动分析录波数据，得出异常情况；

(4)无法实现远程诊断功能；

(5)无法使用移动互联的技术，通过随身携带的智能设备，随时随地掌握供电系统现场设备的运行情况。

解决以上问题及缺陷的意义为：

综合电力边缘计算终端有效整合电力监控系统的遥测、遥控、电能质量分析、电力故障录波、故障诊断与预警的功能，降低系统的复杂程度和成本。

综合电力边缘计算终端依靠高性能的硬件平台和复杂的分析算法，以数据分析和故障诊断的功能为主，着重解决供配电系统现场停电事故的“早预防、难定位“的问题；该装置实现高速采样，并利用AI算法对采集的数据进行分析，能够对异常情况或运行隐患进行提前预警，降低故障停电发生的次数。

当故障发生之后，在故障排除的过程中，由于人员之间所掌握相关技能的差异，导致排除故障和恢复供电运行的时间长短不一，通过该装置上的故障分析模块，为维修人员提供排除故障的参考和依据，缩短故障恢复的时间，降低维修人员需掌握的技能门槛。

综合电力边缘计算终端可以实现供配电系统的无人值守，借助终端装置的上行接口，接入现场的局域网或当地的运营商网络，可在异地的计算机或手机设备上查看供配电系统的运行情况，还可实现对现场开关设备遥控操作和远程诊断的功能。综合电力边缘计算终端实时监测系统的运行情况，一旦发现异常情况，主动上报，无需人员长时间在供配电系统现场执行值班任务。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种综合电力边缘计算系统及控制方法。

本发明是这样实现的，一种综合电力边缘计算系统，包括：

多路采集模块，用于完成模拟量、数字量信号的采集，进行录波与电能质量分析；将分析后的数据发送给主控制器；

主控制器，用于按照时间索引和数据分类存储数据，对存储的波形进行分析，利用故障特征明显的电气量启动分析，定位出异常波形和发生的时刻，并以日志的形式记录，同时通过上行接口推送给上一级监控用户，通过下行接口进行电力系统现场信号的接入处理；

航插接口，用于建立数据连接，读取监测预警数据，按照时间调出采样波形数据。

进一步，所述综合电力边缘计算系统进一步包括：电源模块，用于提供能源,包括采用AC/DC模块，交流220V变换1路DC5V、1路DC24V。

进一步，所述多路采集模块包括：

DSP芯片，对数据进行缓存并进行一系列运算，然后由主控制器通过DMA方式存取多路采集模块的数据；

ADC芯片，用于检测多路信号及额外扩展功能；

通过继电器和光耦连接到DSP芯片的GPIO口，进行多路DI检测功能；

GPIO口连接光耦进行隔离，经过达林顿管芯片驱动继电器实现多路DO输出功能。

进一步，所述主控制器下行接口包括AI、DI、DO、rs485、can、以太网，满足电力系统现场信号的接入处理；

主控制器的上行接口为一路千兆以太网、可以选配wifi模块或3G/4G/5G无线模块。

进一步，所述主控制器主控制器通过SATA3.0接口挂载有固态硬盘。

进一步，通过Wifi信号的覆盖或借助3G/4G/5G信号，智能手机、平板电脑进行浏览当前电力设备的运行情况，并接收相关的推送消息。

本发明的另一目的在于提供一种综合电力边缘计算系统的控制方法，包括：

步骤一，外部的PT、CT信号、开关状态信号通过航插接入到综合电力边缘计算终端后，多路采集模块的CPU全程按照10KHz的采样频率，实时采集三相线缆的PT、CT信号波形，同时对数据进行运算分析，得出当前的三相电压、三相电流、有功功率、功率因数、频率、谐波数电能质量数据，然后将瞬时波形数据和稳态数据发送给主控制器，主控制器按照时间索引和数据分类存储数据。

步骤二，主控制器对存储的波形进行分析，利用故障特征明显的电气量启动分析，通过以电流或电压波形变化比较明显的时刻为基准，读取各事件的相对时间；定位出异常波形和发生的时刻，并以日志的形式记录起来，同时通过上行接口推送给上一级监控用户；

步骤三，主控制器的下行接口进行现场信号的接入处理；上行接口进行无线通信；

步骤四，主控制器通过RS485读取红外测温传感器的数据，并将温度数据保存起来，并绘制温升曲线，对曲线数据进行分析，通过温度数据反映出被测设备的运行状态；

步骤五，通过以太网接口，建立数据连接，读取综合电力边缘计算终端的监测预警数据，进一步按照时间调出采样波形数据。

进一步，所述步骤一多路采集模块的CPU全程按照10KHz的采样频率，实时采集三相线缆的PT、 CT信号波形，同时对数据进行运算分析，得出当前的三相电压、三相电流、有功功率、功率因数、频率、谐波数电能质量数据中，包括：通过多路采集模块采集三相四线制电网的电压电流的瞬时值，并进行DFT展开，计算出电压电流的有效值和相角，计算PQ指标并判断电压电流的瞬时值是否在允许的范围内；电压电流波形数据DFT求解方法包括：

任何一个畸变的周期电压波形都可以展开傅里叶级数，于是可假设在周期区间上等间隔的采集N 个电压数据，分别为u(0),u(1),u(2),...u(N-1),进行DFT得

其中

任何一个畸变的周期电压波形都展开成如下傅里叶级数形式：

将u(t)采样离散化后的各点计算式子如下：

其中

将上式的各次谐波写成如下形式：

其中U

计算PQ指标的方法包括：

(1)电压偏差

先求取电压的基波及各次谐波的有效值，然后计算它们的平方和的平方根；即按下式计算：

式中，U

步骤四通过温度数据反映出被测设备的运行状态中，红外温度预警的方法包括温度阈值法、相对温差法、同类温差比较法、温度上升率法。

所述步骤五后，通过Wifi信号的覆盖或借助电信运营商的3G/4G/5G信号，在移动设备上浏览当前电力设备的运行情况，并接收相关的推送消息，实现电站的无人值守。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

外部的PT、CT信号、开关状态信号通过航插接入到综合电力边缘计算终端后，多路采集模块的 CPU全程按照10KHz的采样频率，实时采集三相线缆的PT、CT信号波形，同时对数据进行运算分析，得出当前的三相电压、三相电流、有功功率、功率因数、频率、谐波数据等电能质量数据，然后将瞬时波形数据和稳态数据发送给主控制器，主控制器按照时间索引和数据分类存储数据。

主控制器对存储的波形进行分析，利用故障特征明显的电气量启动分析，通过以电流或电压波形变化比较明显的时刻为基准，读取各事件的相对时间；定位出异常波形和发生的时刻，并以日志的形式记录起来，同时通过上行接口推送给上一级监控用户；

主控制器的下行接口进行现场信号的接入处理；上行接口进行无线通信；

主控制器通过RS485读取红外测温传感器的数据，并将温度数据保存起来，并绘制温升曲线，对曲线数据进行分析，通过温度数据反映出被测设备的运行状态；

通过以太网接口，建立数据连接，读取综合电力边缘计算终端的监测预警数据，进一步按照时间调出采样波形数据；

通过Wifi信号的覆盖或借助电信运营商的3G/4G/5G信号，在移动设备上浏览当前电力设备的运行情况，并接收相关的推送消息，实现电站的无人值守。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

外部的PT、CT信号、开关状态信号通过航插接入到综合电力边缘计算终端后，多路采集模块的 CPU全程按照10KHz的采样频率，实时采集三相线缆的PT、CT信号波形，同时对数据进行运算分析，得出当前的三相电压、三相电流、有功功率、功率因数、频率、谐波数据等电能质量数据，然后将瞬时波形数据和稳态数据发送给主控制器，主控制器按照时间索引和数据分类存储数据。

主控制器对存储的波形进行分析，利用故障特征明显的电气量启动分析，通过以电流或电压波形变化比较明显的时刻为基准，读取各事件的相对时间；定位出异常波形和发生的时刻，并以日志的形式记录起来，同时通过上行接口推送给上一级监控用户；

主控制器的下行接口进行现场信号的接入处理；上行接口进行无线通信；

主控制器通过RS485读取红外测温传感器的数据，并将温度数据保存起来，并绘制温升曲线，对曲线数据进行分析，通过温度数据反映出被测设备的运行状态；

通过以太网接口，建立数据连接，读取综合电力边缘计算终端的监测预警数据，进一步按照时间调出采样波形数据；

通过Wifi信号的覆盖或借助电信运营商的3G/4G/5G信号，在移动设备上浏览当前电力设备的运行情况，并接收相关的推送消息，实现电站的无人值守。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明对现有的遥测、遥控、高速数采、录波故障分析、预警、无人值守等多项功能需求进行有效整合，减少安装设备和敷设线缆，可以有效的降低成本。该装置可以作为监控系统的基础设备，为将来的云计算和大数据分析等先进技术的运用提供支撑。

本发明接入PT、CT信号，可测量计算闪变、电压暂降、电压暂升、中断、瞬变、不平衡、谐波、间谐波、信号电压、RMS有效值、功率、功率因数和电能量等电能质量参数。

可直接测量DI信号，输出DO信号。

可实现CAN总线的设备接入。

可接入RS485信号，读取红外测温模块的温度数据，并对温度数据进行分析，绘制温升曲线，针对异常温升情况，可以提前预警。

记录故障及扰动时刻电力系统测量点的线路三相电流、零序电流的波形、母线三相电压、零序电压的波形，从而用于故障分析及定位，故障主要包括单相接地、两相接地、两相间短路、三相短路接地故障及相别判断；断路器动作评判(短路器拒动、误动、震荡)；谐波超限、频率波动超限。

当监测到故障发生时，自动启动故障诊断功能，利用AI智能算法模拟人脑对系统所采集的所有数据进行分析，排查和定位故障发生原因，为维修人员提供参考，便于快速恢复系统供电。

录波功能全程10KHz采样，综合电力边缘计算终端标配了1TB的固态硬盘，采用自动循环覆盖技术，可保存最近30天的录波数据。

综合电力边缘计算终端上行接口标配千兆以太网，可以选配wifi或3G/4G/5G无线模块。

对比的技术效果或者实验效果包括：

综合电力边缘计算终端可提供以下数据：

(1)提供三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、频率偏差、谐波电压、谐波电流、电压不平衡度、电流不平衡度、电压波动、闪变的实时测量数据；

(2)录波功能全程按照10kHz采样，采用自动覆盖技术，可保存最近至少30天的稳态录波数据，对电压、电流、开关量和频率等电气量，自终端投入运行后进行连续记录。记录存储的文件名根据时间命名，方便用户查找检索。

(3)终端自动通过记录故障及扰动时刻电力系统测量点的线路三相电流、零序电流的波形、母线三相电压、零序电压的波形，进行故障分析及定位，故障主要包括单相接地、两相接地、两相间短路、三相短路接地故障及相别判断；断路器动作评判(短路器拒动、误动、震荡)；谐波超限、频率波动超限；

(4)智能设备(例如计算机、手机、平板电脑)通过终端的上行接口，实现数据交互。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本发明实施例提供的综合电力边缘计算系统示意图。

图2是本发明实施例提供的综合电力边缘计算系统外形效果图。

图3是本发明实施例提供的综合电力边缘计算系统的控制方法流程图。

图4是本发明实施例提供的单相接地向量图。

图5是本发明实施例提供的两相短路向量图。

图6是本发明实施例提供的两相接地向量图。

图7是本发明实施例提供的故障相判别程序流程图。

图8是本发明实施例提供的选相流程图。

图9是本发明实施例提供的电压闪求取过程图。

图10是本发明实施例提供的温度预警逻辑图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种综合电力边缘计算系统及控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种综合电力边缘计算系统，在嵌入式Linux环境下进行功能定制开发。硬件系统由主控制器、多路采集模块、通信模块、电源模块、航插接口组成。

所述主控制器采用Arm四核Corter-A72架构，主频最高1.8GHz，ROM 8GB eMMC，16MB QSPI NorFlash，RAM 2GB DDR4，具备高速的Ethernet、PCIe3.0、SATA3.0、USB3.0、IIC、UART等丰富接口，可以扩展出千兆以太网、双频WIFI、3G/4G/5G模块、CAN等外设。主控制器通过SATA3.0接口挂载一个1TB容量的固态硬盘。

所述多路采集模块主要完成模拟量、数字量信号的采集，实现录波与电能质量分析的功能。其中 DSP芯片采用16位的TMS320C5504芯片，频率高达150MHz，具有I2C、SPI、UART、I2S等外部接口； ADC芯片采用TI公司出品的AD7655芯片，该芯片是一款低成本、4通道、1MSPS采样率、16位ADC 芯片。芯片内有两个低噪声、宽频带的采样保持器和相应的模拟开关，允许两个通道同时采样。AD7655 与DSP通过SPI接口连接，DSP对数据进行缓存并进行一系列运算，然后由主控制器通过DMA方式存取多路采集模块的数据。按照一般电网测试要求，需要检测8路信号(4路电压和4路电流)，采用2 片AD7655芯片即可满足系统需求，另外预留2片ADC芯片可以额外扩展8路AI。通过继电器和光耦连接到DSP芯片的GPIO口，实现32路DI检测功能(根据需要可扩展到64路)；GPIO口连接光耦进行隔离，经过达林顿管芯片驱动继电器实现16路DO输出功能(根据需要可扩展到32路)。

所述电源模块采用AC/DC模块，交流220V变换1路DC5V、1路DC24V。

航插接口包括32路DI(可扩展至64路)，8路AO(可扩展16路)，16路DO(可扩展至32路)、1路RS485、1路RS232、2路CAN、2路以太网，外形结构效果如图2所示。

如图3所示，在本发明中，综合电力边缘计算系统的控制方法包括：

S101，外部的PT、CT信号、开关状态信号通过航插接入到综合电力边缘计算终端之后，多路采集模块的CPU全程按照10KHz的采样频率，实时采集三相线缆的PT、CT信号波形，同时对数据进行运算分析，得出当前的三相电压、三相电流、有功功率、功率因数、频率、谐波数等电能质量数据，然后将瞬时波形数据和稳态数据发送给主控制器，主控制器按照时间索引和数据分类存储数据。

S102，主控制器对存储的波形进行分析，利用故障特征明显的电气量来启动分析，一般的启动量有电流、电压突变启动，电流、电压越限启动，频率变化量启动及开关量启动；通过以电流或电压波形变化比较明显的时刻为基准，读取各事件的相对时间，这是因为电流变大或电压变小时刻可较准确判断故障已发生，故障电流消失和电压恢复正常的时刻可较准确判断故障已切除。定位出异常波形和发生的时刻，并以日志的形式记录起来，同时通过上行接口推送给上一级监控用户。

S103，主控制器的下行接口包括AI、DI、DO、rs485、can、以太网，可以满足电力系统现场信号的接入处理；主控制器的上行接口为一路千兆以太网、可以选配wifi模块或3G/4G/5G无线模块。

S104，主控制器通过RS485读取红外测温传感器的数据，并将温度数据保存起来，并绘制温升曲线，对曲线数据进行分析，通过温度数据反映出被测设备的运行状态。

S105，在供电系统现场，集中监控系统可以通过以太网接口，建立数据连接，读取综合电力边缘计算终端的监测预警数据，还可以按照时间调出采样波形数据。

S106，通过Wifi信号的覆盖或借助电信运营商的3G/4G/5G信号，可以在移动设备上(例如智能手机、平板电脑)浏览当前电力设备的运行情况，并接收相关的推送消息，实现电站的无人值守。

下面结合具体实现的功能对本发明作进一步描述。

本发明提供的综合电力边缘计算系统实现的功能如下：

接入PT、CT信号，可测量计算闪变、电压暂降、电压暂升、中断、瞬变、不平衡、谐波、间谐波、信号电压、RMS有效值、功率、功率因数和电能量等电能质量参数。

可直接测量DI信号，输出DO信号。

可实现CAN总线的设备接入。

可接入RS485信号，读取红外测温模块的温度数据，并对温度数据进行分析，绘制温升曲线，针对异常温升情况，可以提前预警。

记录故障及扰动时刻电力系统测量点的线路三相电流、零序电流的波形、母线三相电压、零序电压的波形，从而用于故障分析及定位，故障主要包括单相接地、两相接地、两相间短路、三相短路接地故障及相别判断；断路器动作评判(短路器拒动、误动、震荡)；谐波超限、频率波动超限。

当监测到故障发生时，自动启动故障诊断功能，利用AI智能算法模拟人脑对系统所采集的所有数据进行分析，排查和定位故障发生原因，为维修人员提供参考，便于快速恢复系统供电。

录波功能全程10KHz采样，综合电力边缘计算终端标配了1TB的固态硬盘，采用自动循环覆盖技术，可保存最近30天的录波数据。

综合电力边缘计算终端上行接口标配千兆以太网，可以选配wifi或3G/4G/5G无线模块。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例

基于录波数据分析与应用

(1)录波数据预处理

由于在COMTRADE数据文件中存储的模拟通道采样数据并不是实际值，必须经过一定的转换以后才能得到电压或电流的实际值。在COMTRADE配置文件中，设置每个采样通道的转换因子k和b，转换公式为f(x)＝k*x+b，x为某一点的采样值，f(x)为该采样点的实际值。这样，所有通道的采样数据经过该公式转换之后就是实际电量值。

(2)接地故障判断

通常采用稳态值与故障突变量相结合的方式判别接地故障，即

(ΔI

式中ε1，ε2，ε3为设置的定值，I0为零序电流，ΔI0为零序电流突变量，U0为零序电压，加入零序电压作为判断条件可防止发生相间短路时由于电流互感器暂态过程的不平衡造成短时出现I0而引起误判断。

(3)故障判相原理

在故障录波器的应用种，通常对于电力系统的故障类型和相别判断耗时太长，因此要求在处理故障之前，预先进行故障类型和相别的判断。识别出故障相别后，将相应的电压、电流量取出，送至故障判别处理程序，可节约大量时间。

假设以下电流均指突变量电流，系统的正序阻抗和负序阻抗相等，对各种短路情况下的电流特征进行分析，可以得到以下结论：

a)单相接地故障(以A相为例)

本发明可以得到A相接地时，流过保护安装处地电流如图4所示。两个非故障相电流可能和故障相电流相位相差180°，也可能同相，这决定于故障相两侧系统正序和零序电流分量的分配系数。从图4可见，单相接地故障有一个独特的特征，就是两个非故障相电流之差为零，其它故障类型没有这个特征。

b)两相不接地短路(以BC两相相间短路为例)

两相不接地短路时，非故障相电流为零，向量图如图5所示。可见三种不同相电流差种，两个故障相电流中差最大。

c)两相接地短路(以BC两相短路为例)

两相接地短路时，向量图如下图6所示，此时三种不同相电流差中，仍然是两个故障相电流之差最大。

d)三相短路

显然三个相电流的有效值都相等。

根据以上各种短路故障类型的分析，结合每种故障的特点，可以得到一种判别故障相的流程图，如图7所示。

在本发明中，对称分量法

由故障分析的知识可知，只有单相接地短路和两相接地短路才同时出现零序和负序分量，而三相短路和两相相间短路均不出现稳态的零序电流。因此，可以考虑先用是否存在零序电流的方法，去掉三相短路和两相相间短路的影响，然后再用零序电流

表1各种接地短路时，A相负序电流与零序电流的相位关系

但仅凭这个相位关系无法判断是单相接地还是两相接地，可以用阻抗元件来很好的进行区分。如果是 A相接地，则BC相相间阻抗基本上为负荷阻抗，其值较高，测量阻抗在Ⅲ段范围外；如果是BC两相接地短路，则BC两相相间测量阻抗应在Ⅲ段范围内。故根据这种方法可以得到选相流程图，如图 8所示。

利用对称分量法可得：

A相接地短路故障

两非故障相电流差为0。

两相短路(BC)

两相故障相电流差最大。

三相短路

三个两相电流差故障分量相等。

由以上分析可以得到以下表。

表2判别结果

表2中记录了短路故障时相和相间电流突变量大小。

(4)短路容量

短路容量是系统电压强度的标志。短路容量大(对应于低阻抗)，表明网络强，负荷的投切不会引起电压幅值大的变法；相反，短路容量小则表明网络弱。网络某点的短路容量或功率等于该点三相短路电流与额定电压的乘积。如果短路电流用kA表示,额定电压用kV表示，则短路容量为：

SN＝3UN Ikt(MVA)

式中，UN为短路处的额定电压；Ikt为t时刻短路电流周期分量的有效值。

(5)系统阻抗

两相短路时，系统阻抗计算式如下所示：

三相短路时，可以利用式中的任何一个公式求系统阻抗Zsm，一般情况下用A相和C相的电流、电压差来计算。对于两相相间短路，Zsm有两个等式，第二个等式适用两相星形接线。

(6)谐波分析

广义的谐波分析包含两个方面：一是从时域变换到频域，称为正变换；二是从频域变换到时域，称为反变换。狭义的谐波分析仅指正变换而言。

谐波分析的基础时傅里叶变换，傅里叶变换的实质是把信号看成一系列加权的基本信号的线性组合，对这些基本信号的分析，叠加起来代替原信号的分析。将傅里叶变换应用到离散系统就出现了离散傅里叶变换(DFT)。

在电力系统中，总是希望得到交流电压、电流的正弦波形，但是由于系统内存在很多的谐波源，使得波形往往偏离正弦波形而发生畸变。如果这种非正弦的畸变是周期性的，并满足狄里赫利条件则可将它们分解如下形式的傅里叶级数：

式中，w1:工频角频率；

n:谐波次数；

Un、In:分别为第n次谐波电压和电流的均方根值；

αn、βn：分别为第n次谐波电压和电流的初相角；

M：所考虑的谐波最高次数，由波形的畸变程度和分析的准确度要求来决定，M≤50。

畸变周期性电压和电流的总均方根值可根据均方根的定义来确定，以电流为例，i(t)的均方根值I 为：

某次谐波分量的大小，常以该次谐波的均方根值与基波均方根值得百分比表示，称为该次谐波得含有率HRn，n次谐波电流得含有率HRIn为

畸变波形因谐波引起得偏离正弦波形的程度，以总谐波畸变率THD来表示。它等于各次谐波均方根值得平方和的平方根值与基波均方根值得百分比，电流总谐波畸变率可为：

电压均方根值U、谐波电压得含有率HRUn和电压总谐波畸变率THDU的计算式只需将以上公式中的电流变量改为电压变量即可。

在本发明中，电能质量分析

电能质量一般包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量，其可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变，三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变(谐波)、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。

通过多路采集模块采集三相四线制电网的电压电流的瞬时值，并对其进行DFT展开，进而计算出电压电流的有效值和相角，最好计算PQ指标并判断其是否在允许的范围内。

1)、电压电流波形数据DFT

现以一相的电压为例，求解过程如下：任何一个畸变的周期电压波形都可以展开傅里叶级数，于是可假设在周期区间上等间隔的采集N个电压数据，分别为u(0),u(1),u(2),...u(N-1),对其进行DFT 可得

其中

任何一个畸变的周期电压波形都可以展开成如下傅里叶级数形式：

将u(t)采样离散化后的各点计算式子如下：

其中

其中U

2)计算PQ指标

(1)电压偏差

先求取电压的基波及各次谐波的有效值，然后计算它们的平方和的平方根。即按下式计算：

式中，U

在一般情况下，电网中各次谐波含量是随次数的增高而逐渐减小的，对电网观测的结果表明，电网中19次以上的谐波含量已很低(特殊谐波源处的谐波除外)，因此一般情况下N可取值为19。

GB/T 12325-2008《电能质量供电电压偏差》中规定：35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10％；20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的土7％；220V单相供电电压偏差为标称电压的+7％，-10％。

(2)频率偏差

方法一：假设信号的采样速率为f

式中M为信号频谱幅值最大点处的位置。

该方法检测结果稳定，抗干扰能力强，但当干扰信号含有量大于被干扰信号时，无法对需要检测的信号进行检测。

频率偏差Δf通常定义为系统的实际测量频率与系统频率标称值之差，即

Δf＝f-f

其中，f表示实际测得的电网频率，可取f＝f

方法二：为了检测频率变化Δf，本发明假设每周波采样N次，对两次连续的采样值进行计算得到基波的两个相位值得

式中，Δt为采样间隔，Δt＝T

该方法具有较高的检测精度，抗干扰能力强，计算简单快速，检测范围大且便于实现，但是存在两个基波周期以上的延时，实时性较差。

GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》中规定：电力系统正常运行条件下频率偏差限值为±0.2Hz，当系统容量较小时，偏差限值可放宽到±0.5Hz，标准中没有说明系统容量大小的界限。在《全国供用电规则》中规定"供电局供电频率的允许偏差：电网容量在300 万千瓦及以上者为±0.2HZ；电网容量在300万千瓦以下者，为±0.5HZ。实际运行中，从全国各大电力系统运行看都保持在不大于±0.1HZ范围内。

(3)电压电流的谐波

为了区别暂态现象和谐波，对负荷变化快的谐波，每次测量结果可为3s内所测量的平均值，推荐采用下式计算：

其中U

但是对负荷变化慢的谐波源，可选五个接近的实测值，取其算术平均值。说明：对于负荷变化慢的谐波源(例如：化工整流器、直流输电换流站等)，测量间隔和持续时间不作规定。

第h次谐波电压含有率HRU

式中：U

I

电压(电流)总谐波畸变率THD

其中，U

GB/T14549--93《电能质量公用电网谐波》中规定：6～220kV各级公用电网电压(相电压) 总谐波畸变率是0.38kV为5.0％，6～10kV为4.0％，35～66kV为3.0％，110kV为2.0％；用户注入电网的谐波电流允许值应保证各级电网谐波电压在限值范围内，所以国标规定各级电网谐波源产生的电压总谐波畸变率是：0.38kV为2.6％，6～10k为2.2％，35～66kV为1.9％，110kV为 1.5％。对220kV电网及其供电的电力用户参照本标准110kV执行。

(4)间谐波含有率

第ih次间谐波电压含有率以IHRU

其中，U

取3s内m次测量数值的方均根值作为第ih次谐波电压的一个测量结果，计算公式如下：

其中，m为3s内均匀间隔的测量次数，m＝15为无缝采样；U

在本发明中，1)间谐波的评估测量要求在系统正常运行的最小方式下，间谐波发生最大的情况下测量；当系统条件不符合要求时(大于正常最小运行方式)，可按短路容量折算结果(即测量结果乘以实际短路容量和最小短路容量之比)。

2)间谐波的评估时间段一般至少为24h，以评估时间段内三相综合值95％概率大值中较大的一相值为评估依据(95％概率大值含义为将实际测值按大到小一次排列，舍弃前面5％的大值，剩余实测值的最大值)。

GB/T 24337-2009《电能质量公用电网间谐波》中规定：间谐波电压含有率是1000V及以下 <100Hz为0.2％，100～800Hz为0.5％，1000V以上<100Hz为0.16％，100～800Hz为0.4％，800Hz以上处于研究中。单一用户间谐波含有率是1000V及以下<100Hz为0.16％，100～800Hz为0.4％，1000V以上<100Hz为0.13％，100～800Hz为0.32％。

(5)电压闪变

电压闪变是电压波动在一段时期内的累计效应，它通过灯光照度不稳定造成的视感来反映，主要由长时间闪变值P

式中P

1)电压信号u(t)进行每半个周期内m点采样，得到电压采样信号u(n)，利用下式对u(n)半个周波求出对应的电压方均根值，得到一段时间内一组电压方均根值数列U(N)，形成离散的电压均方根值曲线，即

电压波动定义表达式为

其中，U

2)对序列U(N)进行快速傅里叶变换(FFT)，求出其离散的频谱。将各频率对应的频谱幅值的2 倍(该频率下正弦电压均方根值曲线波动的峰峰值)除以分解出的直流分量幅值U

U

3)处理对应S＝1的任意频率电压波动的求取即视感度加权

为了使基于FFT的闪变测量方法能够适用于所有的电压波动频率，就需要对瞬时闪变视感度 S＝1觉察单位的正弦电压波动表给出的对应S＝1的正弦电压波动数据进行拟合。

根据瞬时闪变视感度S＝1觉察单位的正弦电压波动表中正弦电压波动数据的特点将其分为 0.5Hz～8.8Hz和8.8Hz～25Hz两个频段，并分别进行最小二乘拟合，拟合多项式如下：

式中，f

表3拟合多项式系数

采用上式表示的拟合函数具有较好的拟合效果，通过该式可以求出对应S＝1的任意频率正弦电压波动

d，从而可利用基于FFT的闪变测量方法求出由任意频率(＜25Hz)波动分量合成的电压波动引起的闪变值。

4)将d(i)代入式下式可得该频率下的瞬时闪变值P

S

式中，d

5)因为一段波形均方根值的平方等于组成该波形的各频率分量均方根值的平方和，所以电压均方根值序列U(N)对应的瞬时闪变值S就等于其频谱上各频率对应的瞬时闪变值P

6)CPF曲线上纵坐标0.1％、1％、3％、10％、50％对应的横坐标(S(t)的值)P

长时间闪变值P

其中，P

GB/T 12326-2008《电能质量电压波动和闪变》规定：电力系统公共连接点，在系统运行的较小方式下，以一周(168h)为测量周期，所有长时间闪变值P

(6)电压波动【可从电压波形曲线上读取U

电压变动U

其中，U

当已知三相负荷的有功功率和无功功率的变化量分别为ΔP

其中，P

(7)电压三相不平衡度

在有零序分量的三相系统中，由DFT或者FFT算法计算出各相电压的实部和虚部，应用对称分量法，分别求出正序分量U

式中

三相电压不平衡常以电压不平衡度ε

U

在没有零序分量的三相系统中，已知三相量U

其中，

GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》中规定：电力系统公共连接点电压不平衡度限值为：电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2％，短时不得超过4％；低压系统零序电压限值暂不做规定，但各相电压必须满足GB/T 12325的要求。接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3％，短时不超过2.6％。

(8)功率

设第k次谐波的有功功率P

式中U

总的有功功率P和无功功率Q

这里Q

很显然，

畸变功率D是有不同频率的电压电流正弦波分量之间产生的，计算式子如下：

(9)功率因数

功率因数λ为有功功率P与视在功率S之比值，计算式子如下：

有功功率P可由式(37)计算得出，视在功率S可由式(39)计算得出。

在本发明中，红外温度预警

1、预警算法

(1)温度阈值法

温度阈值报警作为电力设备故障预警的有效依据，根据发热点测得的温度值与GB/T11022—2011 标准规定的对应最高允许温度值进行比较，判断设备是否发生故障。这种方法通常在设备发生危急缺陷后才会预警，且当开关柜设备工作在小电流接触故障状态时无法触发报警信号，因此本文采用多级阈值和其他方法相结合的方法来判断开关柜的工作状态。根据DL/T664--2008标准，本发明设定了65、80、100℃3级阈值对应3种热缺陷诊断设备状态。

开关柜在分/合闸过程中会产生短暂的电磁干扰，为了避免误判，通常采用延时或取平均值的方法。延时法通过延时连续2～3个采样周期再做判断。取平均值法求取一段时间内的温度平均值来判断温度是否超过阈值。平均值采用式(1)计算：

式中：T(n)-t

(2)相对温差法

当开关柜通过小负荷电流时，故障点的温度变化并不会触发以上几种阈值报警；当开关柜负荷电流增大时，将引发进一步恶化甚至发生事故。因此，需要对小负荷电流工作情况下的设备缺陷足够重视，相对温差法则可以降低小负荷电流致热型设备的漏判率。相对温差法是指设备在工作环境、状态、型号相同的情况下，两测温点的温差与温度较高点的温升比值。相对温差法能够排除温湿度、风速、测量距离以及设备负荷电流等因素影响。当工作电流相同时，相对温差反映了被测点的接触电阻大小。根据DL/T 664--2008标准，相对温差大于80％时存在严重缺陷，相对温差大于95％时存在危急缺陷。相对温差计算如下式：

式中：τ

τ

T

(3)同类温差比较法

开关柜接点温度测量可能会受到环境因素的影响而存在误差，通过同类温差比较法就可以将环境因素造成的影响相互抵消，准确判断开关柜工作状态。同类温差比较法是指相邻或相间或历史数据在相同工作情况下相互之间进行比较，判断接点是否存在故障。电力系统中三相间的负荷电流大多数情况下基本平衡，作为电流致热型设备，开关柜对应同类连接部位的温升值大致相同，根据相间温差可以判断设备是否工作正常。当三相电流不对称大于10％时，才考虑电流不对称造成的发热差异。当同类温差大于10K时设备存在一般缺陷，大于15K时设备存在严重缺陷，当同类温差大于20K时设备存在危急缺陷。相间温差ΔT由下式求出：

ΔT＝T

式中：T

T

(4)温度上升率法

开关柜接点温升通常呈指数关系，温升可分为两个阶段：第一阶段接点处于升温状态,温度上升较快；第二阶段温度达到动态平衡，温度变化缓慢。可以用第一阶段温度最大上升率作为判断阈值。温度上升率预警法可以在三相或同类参考点同时出现故障时仍然做出准确预警，有效地弥补了同类温差和相对温差法的不足。当延时后接点温度上升变化率超出阈值范围，说明该点发生了故障。本文根据额定电流下开关柜实测最大温上升率和文献[14—15]，取2.4K/min(0.2K/5S)作为最高温度上升率。当温度上升率大于阈值，说明设备存在潜在严重缺陷。温度的变化率采用相邻两时间间隔的温度值计算得到。计算表达式如下式：

式中：T

T

在实际应用中需注意开关柜运行在不同时段、环境、气候、地域等因素的影响，根据不同因素选择适当的阈值。

2、温度预警实现

边缘计算终端要用到了串口、波形图表和数值计算。串口负责接收数据包，通过基本的配置、读、写、关闭4个函数设置串口。接收到的数据通过数值计算实现几种温度报警算法，并通过波形图表显示实时温度曲线图，分别依次计算温度预警的实时数值。当诊断方法连续两个周期超出前文提到的阈值后，则输出预警信息，综合判断后启动相应等级的灯光预警。温度预警逻辑图如图10所示。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。