本发明属于电气火灾监测，更具体地，涉及一种低压配电网络环境下的y型回路故障电弧定位系统及其工作方法。
背景技术：
1、统计数据表明：全国70％的重特大火灾属于电气火灾，电气火灾中80％以上又是由故障电弧引起的，故障电弧是引起电气火灾的重要原因，一些老旧住宅区的输电线路老化或者居民住宅内长期违规超负荷用电等情况，都极易导致故障电弧的产生，进而引发电气火灾。
2、目前，高、中压电力传送系统中的故障电弧定位问题研究较多，而对于低压配电系统中的y型回路故障电弧定位问题的研究则相对较少，目前主要的几种故障电弧定位方法包括：(1)基于电弧物理特性的故障电弧定位方法，其利用传感器检测弧光、弧声等实现定位，适用于固定设备；
3、(2)阻抗法，其通过测量电流电压，构建阻抗模型定位故障点；(3)行波法，其利用信号传播时间差计算故障距离；
4、然而，上述几种方法都存在一些不可忽略的缺陷：
5、第一、针对基于电弧物理特性的故障电弧定位方法而言，物理特性的辐射范围有限，在实施过程中必须考虑环境条件，导致其很难部署到复杂的低压配电网络结构中用于故障电弧检测；
6、第二、上述阻抗法在解决多回路故障电弧定位问题上取得了一定进展，但其需要在每条支路上安装采集设备，增加了系统实现的复杂性和成本；
7、第三、上述行波法虽然在低压配电网络环境下单回路单负载场景中表现出色，具有优秀的抗干扰能力和定位精度，但其目前仅支持此类场景，而无法适用于多回路故障电弧定位。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低压配电网络环境下的y型回路故障电弧定位系统。其目的在于，解决现有基于电弧物理特性的故障电弧定位方法由于在实施过程中必须考虑环境条件，导致其很难部署到复杂的低压配电网络结构中用于故障电弧检测的技术问题，以及现有阻抗法由于需要在每条支路上安装采集设备，导致增加系统实现的复杂性和成本的技术问题，以及现有行波法仅支持低压配电网络环境下单回路单负载场景，而无法适用于多回路故障电弧定位的技术问题。
2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种低压配电网络环境下的y型回路故障电弧定位系统，包括屏幕显示模块、故障电弧定位分析模块、高速信号采集模块、发射信号输出模块、隔离模块、故障电弧发生模块、以及电源模块，屏幕显示模块与故障电弧定位分析模块的输出端电连接；
3、故障电弧定位分析模块的输出端与发射信号输出模块的输入端电连接；
4、故障电弧定位分析模块的输入端与高速信号采集模块的输出端电相连；
5、高速信号采集模块的输入端与隔离模块电连接；
6、发射信号输出模块的输出端与隔离模块电连接；
7、故障电弧发生模块的第一端口连接电源模块，第二端口通过线缆与外部用户的第一负载和第二负载电连接。
8、线缆包括一段线缆干路及其连接的第一线缆支路和第二线缆支路，第一线缆支路与第一负载电连接，第二线缆支路与第二负载电连接。
9、优选地，发射信号输出模块包括m序列生成模块、直接数字式频率合成器dds模块、以及数字模拟转换器dac模块，其中dac模块选用输出信号带宽为10mhz的ad9767数模转换芯片，dds模块包括相位累加器、相位控制器、以及波形数据表rom，m序列生成模块采用6级线性移位寄存器lsr。
10、隔离模块包括两个接入端子(p1)和(p2)、匹配电阻(r2)、耦合变压器(l1)、耐压电容(c1)、以及瞬态抑制二极管(d2)；
11、隔离模块中的接线端子(p1)中第一端口的一端与发射信号输出模块的输出端和高速信号采集模块3的输入端电连接，第二端口与匹配电阻(r2)电连接；
12、耦合变压器(l1)的一个输入端与接线端子(p1)中第一端口的另一端电连接，耦合变压器(l1)的另一个输入端通过匹配电阻(r2)与接线端子(p1)中的第二端口电连接；
13、耦合变压器(l1)输出的一端通过耐压电容(c1)连接到接线端子(p2)中的第一端口，输出的另一端直接与接线端子(p2)中的第二端口电连接；
14、耦合变压器(l1)的两个输出端与瞬态抑制二极管(d2)相连，接线端子(p2)与故障电弧发生模块电连接。
15、优选地，故障电弧定位分析模块用于控制发射信号输出模块生成第一发射信号，第一发射信号即故障电弧发生模块没有发生故障电弧时发射信号输出模块产生的发射信号；
16、发射信号输出模块用于将第一发射信号送至隔离模块；
17、隔离模块连接到220v、50hz的外部交流信号，用于隔离该外部交流信号中的交流电，使得发射信号输出模块产生的第一发射信号中的一部分能够无阻碍地通过隔离模块到达故障电弧发生模块；
18、故障电弧发生模块用于对来自隔离模块的第一发射信号进行反射处理，以得到第一反射信号，并将其传送到高速信号采集模块，高速信号采集模块将该第一反射信号缓存在ram中，将ram中的所有数据存储在同步动态随机存取内存sdram中，并将该第一反射信号传送到故障电弧定位分析模块。
19、隔离模块还用于将发射信号输出模块产生的第一发射信号中的另一部分无阻碍地传送到高速信号采集模块；
20、高速信号采集模块还用于将来自隔离模块的第一发射信号缓存在ram中，并将缓存在ram中的所有数据存储在sdram中，并将该第一发射信号传送到故障电弧定位分析模块；
21、故障电弧定位分析模块还用于对来自高速信号采集模块的第一发射信号和处理后的第一反射信号进行互相关计算处理，以得到第一互相关函数图谱。
22、优选地，故障电弧定位分析模块还用于控制发射信号输出模块生成第二发射信号，第二发射信号即故障电弧发生模块可能发生故障电弧时发射信号输出模块产生的发射信号；
23、发射信号输出模块还用于将生成的第二发射信号传送到隔离模块；
24、隔离模块连接到220v、50hz的外部交流信号，用于隔离该外部交流信号中的交流电，使得发射信号输出模块产生的第二发射信号中的一部分能够无阻碍地通过隔离模块到达故障电弧发生模块；
25、故障电弧发生模块还用于对来自隔离模块的第二发射信号进行反射处理，以得到第二反射信号，并将其传送到高速信号采集模块；
26、高速信号采集模块还用于将该第二反射信号缓存在ram中，将缓存在ram中的所有数据存储在sdram中，并将该第二反射信号传送到故障电弧定位分析模块。
27、隔离模块还用于将发射信号输出模块产生的第二发射信号中的另一部分无阻碍地传送到高速信号采集模块；
28、高速信号采集模块还用于将来自隔离模块的第二发射信号缓存在ram中，将缓存在ram中的所有数据存储在sdram中，并将该其第二发射信号传送到故障电弧定位分析模块；
29、故障电弧定位分析模块还用于对来自高速信号采集模块的第二发射信号和第二反射信号进行互相关计算处理，以得到第二互相关函数图谱；
30、故障电弧定位分析模块还用于根据第一互相关函数图谱和第二互相关函数图谱获取故障电弧在线缆上所处的位置，控制电源模块关闭，并通知屏幕显示模块输出故障电弧在线缆上所处的位置。
31、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明的系统能够取得下列有益效果：
32、1、本发明的系统设计了高速信号采集模块，基于fpga实现，能够快速响应故障电弧定位分析模块指令，进行指令解析和高速信号采集，并将数据通过sdram缓存后传输至故障电弧定位分析模块进行计算处理，有效避免了信号传输拥堵；
33、2、本发明的系统采用ad9226芯片作为adc模块，提供12位采样精度和最高65msps的采样率，确保了信号采集的准确性。
34、3、本发明的系统采用由m序列生成模块、dds模块、dac模块组成的发射信号输出模块，通过2psk调制输出频率为5mhz的余弦信号，确保了第一发射信号和第一反射信号的有效注入和系统的精确性；
35、4、本发明的系统设计了隔离模块，通过耦合变压器实现电气隔离，同时配置瞬态抑制二极管和高耐压电容，有效防止了信号传输过程中的干扰，增强了系统的安全性和稳定性；
36、5、本发明的系统采用了电源模块，当系统判断故障电弧发生时，故障电弧定位分析模块控制电源模块的继电器开关快速断开，减小故障电弧后续造成的危害。
37、按照本发明的另一方面，提供了一种上述低压配电网络环境下的y型回路故障电弧定位系统的工作方法，包括以下步骤：
38、(1)故障电弧定位分析模块控制发射信号输出模块输出第一发射信号至隔离模块；
39、(2)隔离模块隔离外部交流信号中的交流电，以使第一发射信号中的一部分通过隔离模块被传送到故障电弧发生模块，并使第一发射信号中的另一部分被传送到高速信号采集模块；
40、(3)高速信号采集模块将来自隔离模块的该部分第一发射信号传送到故障电弧定位分析模块；
41、(4)故障电弧发生模块对来自隔离模块的该部分第一发射信号进行反射处理，以得到第一反射信号，并将其传送到高速信号采集模块。
42、(5)高速信号采集模块将来自故障电弧发生模块的第一反射信号传送到故障电弧定位分析模块；
43、(6)故障电弧定位分析模块使用互相关算法对步骤(3)得到的第一发射信号与步骤(5)得到的第一反射信号进行处理，以得到第一互相关函数图谱，并通过该第一互相关函数图谱分别得出故障电弧发生模块所连接的线缆干路，第一线缆支路，第二线缆支路的长度。
44、(7)故障电弧定位分析模块再次控制发射信号输出模块输出第二发射信号至隔离模块；
45、(8)隔离模块隔离外部交流信号中的交流电，以使第二发射信号中的一部分通过隔离模块被传送到故障电弧发生模块，并使第二发射信号中的另一部分被传送到高速信号采集模块；
46、(9)高速信号采集模块将来自隔离模块的该部分第二发射信号传送到故障电弧定位分析模块；
47、(10)故障电弧发生模块对来自隔离模块的该部分第二发射信号进行反射处理，以得到第二反射信号，并将其传送到高速信号采集模块。
48、(11)高速信号采集模块将来自故障电弧发生模块的第二反射信号传送到故障电弧定位分析模块；
49、(12)故障电弧定位分析模块2使用互相关算法对步骤(9)得到的第二发射信号与步骤(11)得到的第二反射信号进行处理，以得到第二互相关函数图谱，并将该第二互相关函数图谱与步骤(8)得到的第一互相关函数图谱进行对比，并根据对比结果确定是否发生故障电弧，如果是，则进一步确定故障电弧在线缆上所处的位置x，然后转入步骤(13)，否则返回步骤(7)；
50、(13)故障电弧定位分析模块根据步骤(12)确定的故障电弧在线缆上所处的位置x确定第二互相关函数图谱上异常反射峰的搜索范围。
51、(14)故障电弧定位分析模块根据步骤(13)确定的第二互相关函数图谱上异常反射峰的搜索范围记录第二互相关函数图谱上从左到右第一个异常反射峰对应的横坐标t测量；
52、(15)故障电弧定位分析模块根据步骤(14)得到的故障电弧在线缆上所处的位置到发射信号输出模块输出端之间的距离和步骤(12)得的位置x获取故障电弧的最终定位结果。如果最终定位结果是在线缆干路上，则表示故障电弧发生在位置x上、距离线缆干路与故障电弧发生模块连接点s测量米处，如果最终定位结果在第一线缆支路或第二线缆支路上，则表示故障电弧发生在位置x上、距离线缆干路s测量-m1米处。
53、(16)故障电弧定位分析模块将步骤(15)得到的最终定位结果展示在屏幕显示模块上，同时控制电源模块关闭，过程结束。
54、优选地，步骤(6)具体为：
55、首先，对第一发射信号与第一反射信号进行互相关计算，以得到第一互相关函数图谱，然后，从第一互相关函数图谱中从左到右获取幅度最高的三个峰，随后，获取这三个峰在第一互相关函数图谱中所分别对应的横坐标t1、t2、t3，随后，通过以下公式计算线缆干路长度和第二线缆支路的长度之和s1、线缆干路长度和第一线缆支路的长度之和s2、以及线缆干路长度、第二线缆支路长度和第一线缆支路三者的长度之和s3：
56、
57、式中v0表示信号在线缆中的传送速度；
58、随后，根据以下公式计算线缆干路的长度m1、第一线缆支路的长度m2、以及第二线缆支路的长度m3：
59、
60、优选地，步骤(12)中，如果第二互相关图谱和第一互相关图谱中长度s1、s2、s3对应的峰完全重合一致，则判断线缆上不存在故障电弧，否则说明线缆上存在故障电弧；
61、当第二互相关函数图谱上三个长度之和s1、s2、s3对应的峰的幅值都分别比第一互相关函数图谱上对应的峰的峰值有所降低时，则判断故障电弧在线缆上所处的位置x位于线缆干路上；
62、当第二互相关函数图谱上长度之和s2和s3对应的峰的幅值都分别比第一互相关函数图谱上对应的峰的峰值降低，且第二互相关函数图谱上长度之和s1对应的峰的幅值与第一互相关函数图谱上对应的峰的峰值相同时，则判断故障电弧在线缆上所处的位置x位于第一线缆支路上；
63、当第二互相关函数图谱上长度之和s1、s3对应的峰的幅值都分别比第一互相关函数图谱上对应的峰的峰值降低，且第二互相关函数图谱上长度之和s2对应的峰的幅值与第一互相关函数图谱上对应的峰的峰值相同时，则判断故障电弧在线缆上所处的位置x位于第二线缆支路上。
64、优选地，步骤(13)中，如果故障电弧在线缆上所处的位置x位于线缆干路上，则在第二互相关函数图谱上搜索横坐标对应为0到m1米范围内的异常反射峰；如果故障电弧在线缆上所处的位置x位于第二线缆支路上，则在第二互相关函数图谱上搜索横坐标对应为m1到m1+m2米范围内异常反射峰；如果故障电弧在线缆上所处的位置x位于第一线缆支路上，则在第二互相关函数图谱上搜索横坐标对应为m1到m1+m3米范围内异常反射峰。
65、优选地，步骤(14)是通过以下公式计算故障电弧在线缆上所处的位置到发射信号输出模块输出端之间的距离s测量：
66、
67、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明的工作方法能够取得下列有益效果：
68、1、本发明由于采用了步骤(1)到步骤(5)、以及步骤(8)到步骤(11)，其通过精确控制信号的发射和采集，确保了系统在复杂网络环境中的稳定性和可靠性，实现了故障电弧的有效检测和定位，不受环境条件的限制。因此能够解决现有基于电弧物理特性的故障电弧定位方法由于在实施过程中必须考虑环境条件，导致其很难部署到复杂的低压配电网络结构中用于故障电弧检测的技术问题；
69、2、本发明由于采用了步骤(3)到步骤(5)、以及步骤(8)到步骤(10)，其集中式的数据采集处理减少了对每条支路安装采集设备的需求，因此能够解决现有阻抗法由于需要在每条支路上安装采集设备，导致增加系统实现的复杂性和成本的技术问题；
70、3、本发明由于采用了步骤(6)、以及步骤(12)到步骤(15)，其算法能够适应多回路环境，本发明研究的y型回路线缆由两条支路线缆组成，其他更加复杂的电路结构可以基于y型拓扑增加更多的支路或级联扩展实现。因此能够解决现有行波法仅支持低压配电网络环境下单回路单负载场景，而无法适用于多回路故障电弧定位的技术问题。
71、4、本发明由于采用了步骤(6)、以及步骤(12)到步骤(15)，可以通过分析故障电弧发生时导致的信号反射和衰减情况变化，有效地推断出故障点的具体位置。解决了现有故障电弧定位系统定位精度差的技术问题。
1.一种低压配电网络环境下的y型回路故障电弧定位系统，包括屏幕显示模块、故障电弧定位分析模块、高速信号采集模块、发射信号输出模块、隔离模块、故障电弧发生模块、以及电源模块，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的低压配电网络环境下的y型回路故障电弧定位系统，其特征在于，
3.根据权利要求1或2所述的低压配电网络环境下的y型回路故障电弧定位系统，其特征在于，
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的低压配电网络环境下的y型回路故障电弧定位系统，其特征在于，
5.一种根据权利要求1至4中任意一项所述的低压配电网络环境下的y型回路故障电弧定位系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的低压配电网络环境下的y型回路故障电弧定位系统的工作方法，其特征在于，步骤(6)具体为：
7.根据权利要求6所述的低压配电网络环境下的y型回路故障电弧定位系统的工作方法，其特征在于，
8.根据权利要求7所述的低压配电网络环境下的y型回路故障电弧定位系统的工作方法，其特征在于，步骤(13)中，如果故障电弧在线缆上所处的位置x位于线缆干路上，则在第二互相关函数图谱上搜索横坐标对应为0到m1米范围内的异常反射峰；如果故障电弧在线缆上所处的位置x位于第二线缆支路上，则在第二互相关函数图谱上搜索横坐标对应为m1到m1+m2米范围内异常反射峰；如果故障电弧在线缆上所处的位置x位于第一线缆支路上，则在第二互相关函数图谱上搜索横坐标对应为m1到m1+m3米范围内异常反射峰。
9.根据权利要求8所述的低压配电网络环境下的y型回路故障电弧定位系统的工作方法，其特征在于，步骤(14)是通过以下公式计算故障电弧在线缆上所处的位置到发射信号输出模块输出端之间的距离s测量：
