CN102435924B - Owts检测装置的电缆局放单端自动定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法，包括：从OWTS局部放电检测装置已保存的测试数据中提取出包含定位信息的定位参数；将所述定位参数生成采样点的图形；分别将所述图形中的波峰对应的波形设为原始脉冲，然后在所述图形中查找与该原始脉冲匹配的波形；计算该匹配波形的波峰与原始脉冲的波峰之间的时间差，然后根据该时间差计算故障位置。本发明还提供一种OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位系统，通过本发明的技术，电缆故障定位的结果更加集中，减少了散点的存在，使得定位分析结果更加准确，可以进行自动分析和定位，降低了人力消耗和定位的成本。

Description

OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法及系统

技术领域

本发明涉及电力电缆局部放电检测技术，特别涉及一种OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法及系统。

背景技术

电力电缆故障是电力系统中的常见故障，电力电缆发生故障会表现出不同程度的局部放电。电缆进行局部放电测量的目的首先是要了解电缆的放电情况，估计其以后运行时的绝缘性能；第二是如果发现了不允许的放电，则要找出放电点的所在位置。对于运行中的电缆可以将放电严重的部分更换掉，确保线路安全运行；对于正在制造中的电缆若发现某段有严重缺陷后，一方面可以发现工艺中的问题，另一方面可以去除不合要求的那段长度，不至于造成整盘电缆的报废。而电缆故障定位是排除电缆故障的前提条件，准确的电缆故障定位可以缩短发现故障点的时间，有利于快速排除故障，减小由电缆故障带来的损失。

现有技术中定位的方法有很多种，如利用能量衰减进行定位的方法，定位误差也为厘米级，但当局部放电信号传播路径中发生折、反射时，该法定位的有效性较差，也有利用所测波形的累积能量曲线求拐点来获取时间差的方法，但只局限于单样本信号，缺乏统计性。而且对于多数检测装置的反射回波不是稳态连续波，能量不够稳定，导致不易检测存在定时上的误差。

OWTS（电缆振荡波局放测试系统）检测装置的引进使得局部放电检测有了新突破，但其配套的定位算法基于行波法结合heuristic algorithm（启发式算法）,correlation（相关），digital filtering（数字滤波）等定位方法，行波法是利用脉冲信号在电缆线路中传播时遇到的波阻抗不匹配点产生电磁波反射的原理，由示波器上测得脉冲反射时间和电缆波速，确定电缆故障点的距离，所以行波法定位中关键是确实原始脉冲与反射脉冲之间的时间差。

目前普遍使用的获取时间差的方法，通常是测量信号具有特征的某一点的时间，然后直接将不同接收点的对应时间进行相减获得。现有技术中，使用上述获取时间差的方法，将行波法运用于电力电缆故障定位的主要包括单端行波法和双端行波法，对于单端行波法，上述方法很难做到采集到的原始信号与反射信号之间的同步；而采用双端行波法时，又导致成本过高。

综合分析，上述方法虽然相对简单，但受干扰的影响经常出现虚假的特征点，从而影响时延的测量精度，容易导致定位存在误差，使得定位分析结果不够准确。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法及系统。

一种OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法，包括以下步骤：

从OWTS局部放电检测装置已保存的测试数据中提取出包含定位信息的定位参数；

将所述定位参数生成采样点的图形；

分别将所述图形中的波峰对应的波形设为原始脉冲，然后在所述图形中查找与该原始脉冲匹配的波形；查找匹配波形的过程具体包括：提取原始脉冲的波形和其它波峰的波形；计算波形在电缆中传输的衰减系数，根据该波形衰减系数确定符合所述匹配波形衰减要求的波形；利用相关函数计算该原始脉冲的波形与符合所述匹配波形衰减要求的波形之间的相关系数，根据所述相关系数查找与该原始脉冲的波形匹配的波形，查找过程具体包括：在与原始脉冲的相关系数小于1的匹配波形中，选择相关系数值最大的波形；

计算该匹配波形的波峰与原始脉冲的波峰之间的时间差，然后根据该时间差计算故障位置。

一种OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位系统，包括：参数提取单元、图形生成单元、匹配单元以及计算单元；

所述参数提取单元，用于从OWTS局部放电检测装置已保存的测试数据中提取出包含定位信息的定位参数；

所述图形生成单元，用于将所述定位参数生成采样点图形；

所述匹配单元，用于以波峰皮库量的降序，分别将所述波峰对应的波形设为原始脉冲，然后在所述图形中查找与该原始脉冲匹配的波形；其中，所述匹配单元包括：波形提取模块，用于提取原始脉冲的波形和其它波峰的波形；衰减处理模块，用于计算波形在电缆中传输的衰减系数，根据该波形衰减系数确定符合所述匹配波形衰减要求的波形；相关处理模块，用于利用相关函数计算该原始脉冲的波形与符合所述匹配波形衰减要求的波峰对应的波形之间的相关系数，根据所述相关系数查找与该原始脉冲匹配的波形，其中查找的过程包括：在与原始脉冲的相关系数小于1的匹配波形中，选择相关系数值最大的波形；

所述计算单元，用于计算该匹配波形的波峰与入射脉冲的波峰之间的时间差，然后根据该时间差计算故障位置。

与现有技术相比，本发明的电缆局放单端自动定位技术利用原始脉冲与反射脉冲之间的特征联系来确定脉冲对间的时间差，计算出行波法定位所需的时间参数，电缆故障定位的结果更加集中，减少了散点的存在，得到的定位分析结果更加准确。

另外，本发明的技术可以进行自动分析和定位，无需测试人员靠经验和直觉去标定入射波与反射波，便于工作人员判断故障位置，避免了因人为失误而造成的经济损失，降低了人力消耗的成本。

同时，本发明的技术兼容原有OWTS检测装置，利用单端行波法测试得到更加准确的定位分析结果，解决了采用双端行波法的成本高的问题。

附图说明

图1所示的为电缆的信号传输模型结构示意图；

图2是OWTS检测装置对电缆进行检测时需录入电缆的基本信息示意图；

图3是本发明的OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法流程图；

图4是OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法的一个实施例的流程图；

图5是实施例中的多维数组的示意图；

图6是实施例中的优选的匹配脉冲对过程的流程示意图；

图7是本发明的OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位系统的结构示意图；

图8是OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位系统的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

参见图1所示，图1是电缆的信号传输模型结构示意图，原始脉冲的传输路径为D到A，反射脉冲的传输路径为D到B（B处发生反射）再到A，采集信号的装置均在A端。电缆长度L=r₁+r₂，则原始脉冲的传输距离为r₁,反射脉冲的传输距离为(r₁+2r₂)。

参见图2所示，OWTS检测装置对电缆进行局部放电检测时，需录入电缆的基本信息，进行施加电压前需对电缆进行校准测试，施加不同的电压等级后会产生一系列连续的波形，通过数据采集卡将数据保存在内存中。由于行波法定位要运用到的参数有电缆长度L，波形在电缆中的传输波速V，以及在同一端接收到入射脉冲与反射脉冲之间的定位时间差ΔT。电缆长度L和传输波速V可以在测试时得到，行波法定位主要是在于计算ΔT。

下面结合附图和实施例对本发明的OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法作详细描述。

一种OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法，如图3所示，包括以下步骤：

从OWTS局部放电检测装置已保存的测试数据中提取出包含定位信息的定位参数；

将所述定位参数生成采样点的图形；

分别将所述图形中的波峰对应的波形设为原始脉冲（即入射脉冲），然后在所述图形中查找与该原始脉冲匹配的波形（即反射脉冲）；

计算该匹配波形的波峰与原始脉冲的波峰之间的时间差，然后根据该时间差计算故障位置。

为了更加清晰本发明的OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法，下面结合附图和较佳实施例作更详细的阐述。

在一实施例中，对于分别将所述图形中的波峰对应的波形设为原始脉冲的过程，进一步地，首先将所述图形中的波峰按皮库量的大小进行排序；然后以波峰皮库量的降序，分别将所述波峰对应的波形设为入射脉冲。

当传输线路为电力电缆时，信号的幅值用皮库量表征，皮库量是表征电力电缆故障严重程度的重要指标。

参见图4，图4是本实施例的OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法流程示意图，包括：

S1、提取定位参数；具体地，从OWTS检测装置已保存的测试数据中提取出包含定位信息的定位参数，OWTS检测装置对每一条电力电缆进行检测时都会记录不同电压等级下的测试数据，这些测试数据主要包括：电缆的基本信息、电缆的校准信息、电缆的局部放电信息；在电缆的基本信息可以提取电缆长度L，从电缆的校准信息中提取出电缆波速V，从电缆的局部放电信息中提取出定位参数和采样间隔Δt。

S2、将定位参数生成采样点的图形；优选地，将上述定位参数在界面上显示，生成采样点图形，纵轴表示皮库量，横轴表示采样点，便于后面查找原始脉冲及其匹配的反射脉冲。

S3、对生成的图形中的波形进行滤波预处理；具体地，由于定位参数中不仅包括有用信号（故障位置产生的信号）还包括随机噪声，各种干扰造成的干扰信号，所以，在将所述图形中的波峰按皮库量的大小进行排序前，对图形中的波形进行滤波预处理可以滤除这些干扰信号，优选地，所述滤波预处理包括小波滤波、带通滤波或阈值去噪。

优选地，本实施例采用阈值去噪的方式，预设阈值判决上述图形的波峰对应的波形，将低于所述预设阈值的波形滤除，即只对阈值以上的波形进行处理。对于预设阈值，可以根据本专利使用者的实际情况而定，其确定原则是去掉干扰信号的同时尽可能多的保留有用信号。

例如，若预设阈值为a，则可以提取出采集数据中的皮库量大于或等于a的数据，结合显示的图形，找出所有大于或等于a的波形数据，将小于a的波形数据滤除。对于波峰的确定方法，可以如下：即波峰的前一个点和后一点均小于波峰的值，查找波峰的方法也可以直接调用matlab中的求峰值点的算法。

通过在排序前对信号作进一步滤波预处理，使得定位操作中受噪声的影响较小，消除了随机干扰和噪声的影响。

S4、将经过滤波预处理的波峰按皮库量的大小进行排序；优选地，为了便于后面查找原始脉冲及其匹配的反射脉冲，可以以多维数组的形式保存排序后的波峰，如图5所示，设置一个N行3列的数组，标识符N为阈值去噪处理后保留下来的波峰的个数，采样点数n是相应波峰在定位参数中的采样点数目，皮库量p是波峰的皮库量值。

S5、匹配脉冲对；具体地，即按照波峰皮库量大小的降序，先后分别将所述波峰对应的波形设为原始脉冲，然后在所述采样点图形中查找与该原始脉冲匹配的波形（即反射脉冲）。

对于具体匹配过程，优选地，可以利用信号与信息处理中的相关性分析来确定脉冲对，具体如下：

提取所述采样点图形中的原始脉冲的波形与其它波峰的波形；其中波峰对应的左边一个零点和右边第二个零点之间的波形即为对应的波形。

利用相关函数计算该原始脉冲的波形与其它波峰对应的波形之间的相关系数，根据该相关系数查找与该原始脉冲匹配的波形。

对于根据相关函数查找波峰方法，具体地，在相关系数小于1的波峰中，相关系数值最大的波峰对应的波形即为反射脉冲。

进一步地，可以在计算原始脉冲与其它波峰的对应波形的相关函数前，先根据该原始脉冲的波峰和其它波峰来计算波形衰减系数，根据该波形衰减系数确定符合所述匹配要求的波形，缩小匹配的范围。

更进一步地，还可以在计算波形衰减系数前先将反射脉冲的匹配时间间隔范围设置为（0，2L/V），缩小匹配的范围。

下面对本实施例的匹配脉冲对过程做详细描述，参见图6，图6是本实施例中的优选的匹配脉冲对过程的流程示意图。

S501、提取原始脉冲波形与其它波峰的波形；其中，将原始脉冲波形表示为X₁(t)，将其它波峰的波形表示为X₂(t)。

S502、将匹配的时间间隔范围锁定在（0，2L/V），即限定原始脉冲与反射脉冲之间相差的点数应在（0，2L/VΔt）之内；根据波形在电缆中的传输理论，反射脉冲是由原始脉冲在阻抗不匹配的地方发生反射，方向发生改变的波形。反射脉冲与原始脉冲之间的绝对距离不会超过电缆的两倍长度，当且仅当故障位置在始端时，两个脉冲之间的绝对距离才会为2L，即原始脉冲与反射脉冲的时间间隔应在（0，2L/V）内，在这之外的波形可能为原始脉冲的反射脉冲、反射脉冲的反射脉冲或干扰信号。通过上述限制，我们保留了有用信号的脉冲对，也去除了其它一些背景噪声，这样就可以缩小匹配的范围。

S503、计算波形衰减系数，即计算波形在电缆中传输的衰减系数；由于波形在电缆的传播过程中受到电阻损耗、介质损耗、集肤效应的影响会产生衰减，其衰减系数用局部放电量与传输距离的关系来表征：

$\mathrm{\α}=\frac{\ln (U_2/U_1)}{S_2-S_1}$

其中，波形α为衰减系数，U₂、U₁分别是波形在电缆中传播的前后局部放电量，S₂、S₁波形在电缆中传播的前后的位置。

S504、确定符合衰减要求的波形，具体地，在上述限定的时间间隔（0，2L/V）范围内，根据该波形衰减系数α确定符合所述匹配波形要求的波形，其算式可以表示如下：

$\mathrm{\α}=\frac{\ln \left(f\left(n_2\right)\right)-\ln \left(f\left(n_1\right)\right)}{(n_2-n_1)\mathrm{V\Δt}}$

其中，最大的波峰为原始脉冲对应的采样点数为n₁,对应的皮库量q₁=f(n₁)，匹配的反射脉冲对应的采样点数为n₂,对应的皮库量q₂=f(n₂)，按上述公式要求找出所有可能的反射脉冲的波形，记录其对应的局部放电信息。

S505、计算相关函数，即利用相关函数计算该原始脉冲的波形和其它波峰的波形之间的相关系数。具体地，该技术是利用相关函数之间的相关性分析入射波与反射波之间的相似程度，表征入射脉冲波形与其它波峰的波形之间的相似性，计算公式可以表示为：

$\mathrm{\ρ}={\∫X}_1\left(t\right)X_2\left(t\right)\mathrm{dt}/{\left[{\∫X}_1^2\left(t\right)\mathrm{dt}{\∫X}_2^2\left(t\right)\mathrm{dt}\right]}^{\frac{1}{2}}$

其中，ρ是相关系数，X₁(t)是原始脉冲的波形，X₂(t)是反射脉冲的波形。

S506、根据该相关系数查找与该原始脉冲匹配的波形；优选地，在相关系数小于1的反射脉冲中，相关系数值最大的波形即为反射脉冲。

优选地，具体实现方法可以如下：

原始脉冲的波形X₁(t)对应长度为S，构造与S长度相同的窗函数，对整个文件中的数据截取相同长度的数据B1，,B2……Bn

调用matlab中的求相关系数的函数corrcoef,分别求A与B1、B2、B3、Bn之间的相关系数,corrcoef(A,B1),corrcoef(A,B2),corrcoef(A,B3)……corrcoef(A,Bn)是对称矩阵。

比较corrcoef(A,B1),corrcoef(A,B2),corrcoef(A,B3)……corrcoef(A,Bn)反对角线上绝对值的大小，取其中值最大的Bi即为所要求的反射脉冲。

S6、根据上述匹配步骤，计算查找到的反射脉冲与原始脉冲之间的时间差，根据该时间差计算故障位置，具体地，包括如下步骤：

S601、判断步骤S5是否找到与原始脉冲匹配的反射脉冲，若是，进入步骤S602；若否，进入步骤S603。

S602、记录该反射脉冲对应的采样点，记录原始脉冲的波峰对应皮库量q₁和对应的采样点n₁，同时记录反射脉冲对应的采样点n₂，根据n₁、n₂和采样间隔Δt计算时间差ΔT，再利用行波法原理计算故障位置。

S603、将步骤S4中排序的波峰，选择下一个波峰对应的波形设为原始脉冲，再进行匹配直至所有波峰匹配完毕为止。

下面结合附图和实施例对本发明的OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位系统作详细描述。

参加图7，图7是本发明的OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位系统的结构示意图，该系统包括：参数提取单元、图形生成单元、匹配单元以及计算单元；其工作原理是：

所述参数提取单元，用于从OWTS局部放电检测装置已保存的测试数据中提取出包含定位信息的定位参数；

所述图形生成单元，用于将所述定位参数生成采样点图形；

所述匹配单元，用于以波峰皮库量的降序，分别将所述波峰对应的波形设为原始脉冲，然后在所述图形中查找与该原始脉冲匹配的波形；

所述计算单元，用于计算该匹配波形的波峰与原始脉冲的波峰之间的时间差，然后根据该时间差计算故障位置。

参加图8所示，图8是本发明的OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位系统较佳实施例的结构示意图。

优选地，在所述匹配单元前还连接排序单元，所述排序单元用于将所述图形中的波峰按皮库量的大小进行排序；然后所述匹配单元以波峰皮库量的降序，分别将所述波峰对应的波形设为入射脉冲。

进一步地，在所述排序单元前还连接滤波单元，所述滤波单元用于对所述波峰对应的波形进行滤波处理。

对于滤波处理的方式，包括小波滤波、带通滤波、阈值去噪等；具体地，本实例采用阈值去噪的方式，即预设阈值判决图形中的波形，将波峰低于预设阈值的波形滤除。

对于匹配单元，优选地，包括波形提取模块、衰减处理模块以及相关处理模块；其工作原理是：

所述波形提取模块，用于提取原始脉冲的波形和其它波峰对应的波形；

所述衰减处理模块，用于计算波形在电缆中传输的衰减系数，根据该波形衰减系数确定符合所述匹配波形衰减要求的波形；

所述相关处理模块，用于利用相关函数计算该原始脉冲的波形与其它的波峰对应的波形之间的相关系数，根据所述相关系数查找与该原始脉冲匹配的波形。

对于查找与原始脉冲匹配的波形的过程，具体地，在所有相关系数小于1的波形中，选择相关系数值最大的波形即为反射脉冲。

本实施例中的其它特征与上述实施例相同，在此不再赘述。

通过本发明的电缆局放单端自动定位技术，使得定位的结果更加集中，减少了散点的存在，使得OWTS检测装置测试得到的定位分析结果更加准确，误差率小于原有系统的定位结果，实现了自动分析和定位，无需测试人员靠经验和直觉去标定入射波与反射波，便于工作人员判断故障位置。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法，其特征在于，包括：

从OWTS局部放电检测装置已保存的测试数据中提取出包含定位信息的定位参数；

将所述定位参数生成采样点的图形；

分别将所述图形中的波峰对应的波形设为原始脉冲，然后在所述图形中查找与该原始脉冲匹配的波形；查找匹配波形的过程具体包括：提取原始脉冲的波形和其它波峰的波形；计算波形在电缆中传输的衰减系数，根据该波形衰减系数确定符合所述匹配波形衰减要求的波形；利用相关函数计算该原始脉冲的波形与符合所述匹配波形衰减要求的波形之间的相关系数，根据所述相关系数查找与该原始脉冲的波形匹配的波形，查找过程具体包括：在与原始脉冲的相关系数小于1的匹配波形中，选择相关系数值最大的波形；

计算该匹配波形的波峰与原始脉冲的波峰之间的时间差，然后根据该时间差计算故障位置。

2.根据权利要求1所述的OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法，其特征在于，在所述分别将所述图形中的波峰对应的波形设为原始脉冲过程进一步包括：将所述图形中的波峰按皮库量的大小进行排序；以波峰皮库量的降序，分别将所述波峰对应的波形设为原始脉冲。

3.根据权利要求2所述的OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法，其特征在于，在将所述图形中的波峰按皮库量的大小进行排序前，还包括对所述波峰对应的波形进行滤波处理；

所述滤波处理包括：小波滤波、带通滤波或阈值去噪；

其中，所述阈值去噪为预设阈值判决所述波形，将低于所述预设阈值的波形滤除。

4.根据权利要求1所述的OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位方法，其特征在于，所述计算波形衰减系数前还包括：

将反射脉冲的匹配的时间范围设置为（0，2L/V），其中，L为电缆长度,V为波形在电缆中的传播速度。

5.一种OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位系统，其特征在于，包括：参数提取单元、图形生成单元、匹配单元以及计算单元；

所述参数提取单元，用于从OWTS局部放电检测装置已保存的测试数据中提取出包含定位信息的定位参数；

所述图形生成单元，用于将所述定位参数生成采样点图形；

所述匹配单元，用于以波峰皮库量的降序，分别将所述波峰对应的波形设为原始脉冲，然后在所述图形中查找与该原始脉冲匹配的波形；其中，所述匹配单元包括：波形提取模块，用于提取原始脉冲的波形和其它波峰的波形；衰减处理模块，用于计算波形在电缆中传输的衰减系数，根据该波形衰减系数确定符合所述匹配波形衰减要求的波形；相关处理模块，用于利用相关函数计算该原始脉冲的波形与符合所述匹配波形衰减要求的波峰对应的波形之间的相关系数，根据所述相关系数查找与该原始脉冲匹配的波形，其中查找的过程包括：在与原始脉冲的相关系数小于1的匹配波形中，选择相关系数值最大的波形；

所述计算单元，用于计算该匹配波形的波峰与原始脉冲的波峰之间的时间差，然后根据该时间差计算故障位置。

6.根据权利要求5所述的OWTS检测装置的电缆局放单端自动定位系统，其特征在于，在所述匹配单元前还连接排序单元，所述排序单元用于将所述图形中的波峰按皮库量的大小进行排序；

在所述排序单元前进一步还连接滤波单元，所述滤波单元用于对所述波峰对应的波形进行滤波处理。