CN103336230B - 一种配电网中的电缆绝缘故障率预测方法 - Google Patents

Abstract

一种配电网中的电缆绝缘故障率预测装置及方法，该装置包括信号采集单元、A/D转换器、中央处理器、变换电路、工控机和无线通讯模块；电压传感器输入端和第一电流传感器输入端与地电缆连接，第二电流传感器输入端与架空输电导线的绝缘子串的连接头连接，第三电流传感器输入端与接地电缆连接，电压传感器输出端、第一电流传感器输出端、第二电流传感器输出端和第三电流传感器输出端连接A/D转换器四个不同输入端，A/D转换器的输出端连接中央处理器输入端，中央处理器输出端分别连接变换电路输入端和无线通信模块输入端，变换电路输出端连接工控机输入端。本发明避免建立模型和选取参数时造成误差，具有输入量提取简单，精确度高，预测效率高的特点。

Description

一种配电网中的电缆绝缘故障率预测方法

技术领域

本发明属于电网监测技术领域，特别涉及一种配电网中的电缆绝缘故障率预测装置及方法。

背景技术

随着社会和经济的发展，各行各业对电力的依赖增强，对电力系统供电可靠性的要求日益提高。有不同的提高电力系统可靠性的途径：从运行上可以采取各种调度、切换、保护以及控制措施加强现有系统的可靠性；从系统规划上可以增强网络架构，即增加设备的冗余度为用户提供持续可靠的电能供应;从维修的角度，应及时维修或更新状态变差的电力元件，消除电网中的安全隐患。电力行业进入放松管制的时代以来，电力公司对资产的管理水平要求越来越高，充分利用现有设备，实施合理的维修策略，可以节省大量的固定资产投入。为了满足建立资源节约型和环境友好型社会的要求，充分利用现有电力资产，提升设备运行可靠性，延长设备使用寿命，对电力公司更经济、更可靠地为用户提供电能有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种配电网中的电缆绝缘故障率预测装置及方法。

本发明的技术方案是:

一种配电网中的电缆绝缘故障率预测装置，包括信号采集单元、A/D转换器、中央处理器、变换电路、工控机和无线通讯模块；

所述信号采集单元包括电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器和第三电流传感器；

电压传感器的输入端和第一电流传感器的输入端均与配电网中的导地电缆连接，第二电流传感器的输入端与架空输电导线的绝缘子串的连接头连接，第三电流传感器的输入端与配电网中的接地电缆连接，电压传感器的输出端、第一电流传感器的输出端、第二电流传感器的输出端和第三电流传感器的输出端分别连接A/D转换器的四个不同输入端，A/D转换器的输出端连接中央处理器的输入端，中央处理器的输出端分别连接变换电路的输入端和无线通信模块的输入端，变换电路的输出端连接工控机的输入端。

所述无线通讯模块用于与员方调度终端进行数据通信。

采用所述的配电网中的电缆绝缘故障率预测装置进行电缆绝缘故障率预测的方法，包括以下步骤:

步骤1：采集配电网中的导地电缆的电压、导地电缆的电流、绝缘子串的电流和接地电缆的电流；

通过电压传感器采集配电网中的导地电缆的电压，通过第一电流传感器采集配电网中的导地电缆的电流，通过第二电流传感器采集配电网中的绝缘子串的电流，通过第三电流传感器采集配电网中的接地电缆的电流；

步骤2：通过A/D转换器对采集到的数据进行A/D转换，并输出至中央处理器；

步骤3：将导地电缆的电压、导地电缆的电流、绝缘子串的电流和接地电缆的电流作为输入量，进行归一化处理得到状态观测量Z，具体步骤如下：

步骤3.1：输入量的正常状态范围为[L_min,H_max]，L_min输入量的下限值，H_max为输入量的上限值，将达到下限值L_min时为最佳状态的输入量Z归一化为状态观测量 将达到上限值H_max时为最佳状态的输入量Z归一化为状态观测量  $r\left(H_{\max }\right)=1{-e}^{-\frac{{(H_{\max }-Z)}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}};$

步骤3.2：得到归一化后的状态观测量对应于正常状态范围的临界W，该临界值为一个恒定值；

$W=r\left(H_{\max }\right)=r\left(L_{\min }\right)=1-e^{-\frac{{(Z-L_{\min })}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}}=1-e^{-\frac{{(H_{\max }-Z)}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}}=1-e^{-0.5};$

步骤3.3:当r(L_min)<W<r(H_max)，则该状态观测量对应的输入量为正常状态范围，否则，返回步骤1;

步骤4:根据导地电缆、避雷装置、绝缘子串和接地电缆在配电网中的重要程度，分别给导地电缆、避雷装置、绝缘子串和接地电缆分配一个权重因子w_j，对各个归一化后的状态观测量Z进行加权平均，分别得到各状态观测量加权平均值即电缆总体状态评估指标，r_j是第j个输入量归一化后得到的状态观测量，x的值在0和1之间，x越大表示绝缘故障率越大；

步骤5：建立电缆总体状态评估指标x与电缆节缘故障率的函数关系，即电缆绝缘故障率 其中,Ω_A、Ω_B和Ω_C均为绝缘故障率系数；

步骤6：获取长度为L_i的电缆线路在某时间段内发生故障的次数f_i，计算该长度为L_i的电缆 线路的总体状态评估指标即状态评估量将与构成的数据对按的升序进行排列并将这些数据对划分为包含有一个或多个数据对的数据段，数据段内的均值来表示该数据段内电缆线路的状态，每个数据段内的电缆状态评估量的均值和电缆绝缘故障率的均值分别表示如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}=\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\hat{x}}_i/n_g$

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&lambda;}\left(x\right)}=\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_i/\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_i$

其中，n_g为第g个数据段内的和构成的数据对的数目;

步骤7：根据各电缆线路的电缆状态评估量的均值和各电缆线路的电缆绝缘故障率的均值 利用非线性最小二乘法估计出电缆总体状态评估指标x与电缆绝缘故障率的函数关系中的绝缘故障率系数Ω_A、Ω_B和Ω_C；

步骤8：根据电缆总体状态评估指标预测当前电缆线路的绝缘故障率，即电缆绝缘故障率λ(x)乘以电缆线路的总体长度。

步骤9：将预测得到的电缆线路的绝缘故障率经变换电路传输至工控机，同时通过无线通讯模块发送至远方调度终端，以便维修人员进行检修。

有益效果： 

本发明采集配电网中的导地电缆的电压、导地电缆的电流、绝缘子串的电流和接地电缆的电流，将这些输入量分别归一化成一个状态监测量，进而得到电缆总体状态评估指标，由于电缆绝缘故障率的计算公式中存在未知的绝缘故障率系数Ω_A、Ω_B和Ω_C，因此对电缆线路的状态评估量与故障次数构成的数据对分段，将各段的数据对代入电缆绝缘故障率的计算公式就能求出绝缘故障率系数Ω_A\Ω_B和Ω_C，这样只要求出任意电缆线路的总体状态评估指标就可以得到其绝缘故障率。本发明避免了传统方法建立模型和选取参数时造成的误差，并且具有输入量提取简单，精确度高，准确度好，预测效率高的特点。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的电缆绝缘故障率预测装置工作示意图；

图2是本发明具体实施方式电缆绝缘故障率预测装置结构框图;

图3是本发明具体实施方式电缆绝缘故障率预测装置的A/D转换器与中央处理器的电路 连接原理图;

图4是本发明具体实施方式电缆绝缘故障率预测方法流程图；

图5是本发明具体实施方式的电缆绝缘故障率预测方法得到的绝缘故障率曲线与实际绝缘故障率曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本实施方式将配电网中的电缆绝缘故障率预测装置应用于配电网中，进行电缆绝缘故障率的预测。

如图2所示，配电网中的电缆绝缘故障率预测装置，包括信号采集单元、A/D转换器、中央处理器、变换电路、工控机和无线通讯模块；

信号采集单元包括电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器和第三电流传感器，电压互感器型号为JDG4-0.5 1000/100，第一电流传感器、第二电流传感器和第三电流传感器型号均为LZJC-10Q 1000/5；

A/D转换器选用TI公司的TLC2543 12位串行A/D转换器，该器件使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，且价格适中。串行A/D转换器与单片机的连接非常简单。AIN0-AIN10为模拟输入端；CS为片选端；DIN为串行数据输入端；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I/O时钟；REF+为正基准电压端；REF-为负基准电压端；VCC为电源；GND为地。

中央处理器选用型号为STC89C516的单片机，使用单片机自带的串行口可实现单片机与工控机的串行通信。PC机提供的COM1、COM2是采用RS-232接口标准的，而RS-232是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平来表示逻辑状态的规定不同。

为了能够同计算机接口或与终端的TTL器件（如单片机)连接，必须在RS-232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换，本实施方式的变换电路选用由德州仪器公司(TI)推出的一款兼容RS232标准的芯片MAX232。该器件包含2个驱动器、2个接收器和一个电压发生器电路，该电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5 V TT L/ CMOS电平。每一个发生器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。单片机是整个装置的核心，串行A/D转换器TLC2543对输入的模拟信号进行采集，采样分辨率、转换通道及输出极性由软件进行选择，由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，单片机采集的数据通过串口(10、11脚)经MAX232转换成RS232电平与工控机间实现传输，具体连接如图3所示。

工控机采用UNO-2668系列嵌入式工控机，无线通讯模块采用H8000系列无线通信系统， 用于与远方调度终端进行数据通信。

电压传感器的输入端和第一电流传感器的输入端均与配电网中的导地电缆连接，第二电流传感器的输入端与架空输电导线的绝缘子串的连接头连接，第三电流传感器的输入端与配电网中的接地电缆连接，电压传感器的输出端、第一电流传感器的输出端、第二电流传感器的输出端和第三电流传感器的输出端均连接A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端连接中央处理器的输入端，中央处理器的输出端分别连接变换电路的输入端和无线通信模块的输入端，变换电路的输出端连接工控机的输入端。

电压传感器的输出端、第一电流传感器的输出端、第二电流传感器的输出端和第三电流传感器的输出端分别连接到A/D转换器TLC2543的输入端AIN0-AIN3，A/D转换器TLC2543的输出端EOC，CLK，DIN，DOUT分别连接到单片机的P10，P11，P12，P13，单片机STC89C51的10引脚(RXD)、11引脚(TXD)与变换电路MAX232的9引脚(R2out)和10引脚(T2in)连接，电缆的电气信息(电压和电流)经由相应的器件经A/D转换变为数字信号，送入单片机进行计算和数据处理，通过变换电路与工控机相连并将数据送到传输模块，为与远方调度终端进行数据通信做准备。

采用所述的配电网中的电缆绝缘故障率预测装置进行电缆绝缘故障率预测的方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤1:采集配电网中的导地电缆的电压、导地电缆的电流、绝缘子串的电流和接地电缆的电流；

通过电压传感器采集配电网中的导地电缆的电压，通过第一电流传感器采集配电网中的导地电缆的电流，通过第二电流传感器采集配电网中的绝缘子串的电流，通过第三电流传感器采集配电网中的接地电缆的电流，本实施方式采集到的样本数据见表1。

表1采集到的样本数据

采集样本	采集值
		导地电缆的电压	15kv
导地电缆的电流	15A
		绝缘子串的电流	1A
接地电缆的电流	2A

步骤2：通过A/D转换器对采集到的数据进行A/D转换，并输出至中央处理器；

步骤3：将导地电缆的电压、导地电缆的电流、绝缘子串的电流和接地电缆的电流作为输入量，进行归一化处理得到状态观测量Z，具体步骤如下：

步骤3.1：输入量的正常状态范围为[L_min,H_max]，L_min输入量的下限值，H_max为输入量的上限 值，将达到下限值L_min时为最佳状态的输入量Z归一化为状态观测量 将达到上限值H_max时为最佳状态的输入量Z归一化为状态观测量  $r\left(H_{\max }\right)=1{-e}^{-\frac{{(H_{\max }-Z)}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}};$

达到下限值L_min时为最佳状态的输入量Z只可能因违反上限而超出正常状态，线路的大多数监测量都属于这种情况，达到上限值H_max时为最佳状态的输入量Z只可能因违反下限而超出正常状态，例如线路与周围事物（如树枝）的安全距离；

步骤3.2：得到归一化后的状态观测量对应于正常状态范围的临界W，该临界值为一个恒定值；

$W=r\left(H_{\max }\right)=r\left(L_{\min }\right)=1-e^{-\frac{{(Z-L_{\min })}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}}=1-e^{-\frac{{(H_{\max }-Z)}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}}=1-e^{-0.5};$

步骤3.3：当r(L_min)<W<r(H_max)，则该状态观测量对应的输入量为正常状态范围，否则，返回步骤1；

步骤4：根据导地电缆、避雷装置、绝缘子串和接地电缆在配电网中的重要程度，分别给导地电缆、避雷装置、绝缘子串和接地电缆分配一个权重因子w_j，对各个归一化后的状态观测量Z进行加权平均，分别得到各状态观测量加权平均值即电缆总体状态评估指标，r_j是第j个输入量归一化后得到的状态观测量，x的值在0和1之间，x越大表示绝缘故障率越大；

表2导地电缆、绝缘子串和接地电缆的状态监测项目及权重

步骤5：建立电缆总体状态评估指标x与电缆绝缘故障率的函数关系，即电缆绝缘故障率  $\mathrm{\&lambda;}\left(x\right)={\mathrm{\&Omega;}}_{A^{e^{{\mathrm{\&Omega;}}_{B^x}}}}+{\mathrm{\&Omega;}}_C$ 其中,Ω_A、Ω_B和Ω_C均为绝缘故障率系数；

步骤6：获取长度为L_i的电缆线路在某时间段内发生故障的次数f_i，计算该长度为L_i的电缆线路的总体状态评估指标即状态评估量将与f_i构成的数据对按的升序进行排列并将这些数据对划分为包含有一个或多个数据对的数据段，数据段内的均值来表示该数据段内电缆线路的状态，每个数据段内的电缆状态评估量的均值和电缆绝缘故障率的均值分别表示如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}=\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}\widehat{x_i}/n_g$

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&lambda;}\left(x\right)}=\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_i/\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_i$

其中，n_g为第g个数据段内的和f_i构成的数据对的数目；

步骤7：根据各电缆线路的电缆状态评估量的均值和各电缆线路的电缆绝缘故障率的均值 利用非线性最小二乘法估计出电缆总体状态评估指标x与电缆绝缘故障率的函数关系中的绝缘故障率系数Ω_A、Ω_B和Ω_C;

步骤8：根据电缆总体状态评估指标预测当前电缆线路的绝缘故障率，即电缆绝缘故障率λ(x)乘以电缆线路的总体长度。

步骤9：将预测得到的电缆线路的绝缘故障率经变换电路传输至工控机，同时通过无线通讯模块发送至远方调度终端，以便维修人员进行检修。

采用本实施方式的电缆绝缘故障率预测方法得到的绝缘故障率曲线与实际绝缘故障率比较曲线如图5所示，本方法的误差范围在±6%之内。

Claims (1)

1.一种配电网中的电缆绝缘故障率预测方法，所采用的电缆绝缘故障率预测装置，包括信号采集单元、A/D转换器、中央处理器、变换电路、工控机和无线通讯模块；

所述信号采集单元包括电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器和第三电流传感器；

电压传感器的输入端和第一电流传感器的输入端均与配电网中的导地电缆连接，第二电流传感器的输入端与架空输电导线的绝缘子串的连接头连接，第三电流传感器的输入端与配电网中的接地电缆连接，电压传感器的输出端、第一电流传感器的输出端、第二电流传感器的输出端和第三电流传感器的输出端分别连接A/D转换器的四个不同输入端，A/D转换器的输出端连接中央处理器的输入端，中央处理器的输出端分别连接变换电路的输入端和无线通信模块的输入端，变换电路的输出端连接工控机的输入端；

其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：采集配电网中的导地电缆的电压、导地电缆的电流、绝缘子串的电流和接地电缆的电流；

通过电压传感器采集配电网中的导地电缆的电压，通过第一电流传感器采集配电网中的导地电缆的电流，通过第二电流传感器采集配电网中的绝缘子串的电流，通过第三电流传感器采集配电网中的接地电缆的电流；

步骤2：通过A/D转换器对采集到的数据进行A/D转换，并输出至中央处理器；

步骤3：将导地电缆的电压、导地电缆的电流、绝缘子串的电流和接地电缆的电流作为输入量，进行归一化处理得到状态观测量Z，具体步骤如下：

步骤3.1：输入量的正常状态范围为[L_min,H_max]，L_min输入量的下限值，H_max为输入量的上限值，将达到下限值L_min时为最佳状态的输入量Z归一化为状态观测量将达到上限值H_max时为最佳状态的输入量Z归一化为状态观测量 $r\left(H_{\max }\right)=1-e^{-\frac{{(H_{\max }-Z)}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}};$

步骤3.2：得到归一化后的状态观测量对应于正常状态范围的临界W，该临界值为一个恒定值； $W=r\left(H_{\max }\right)=r\left(L_{\min }\right)=1-e^{-\frac{{(Z-L_{\min })}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}}=1-e^{-\frac{{(H_{\max }-Z)}^2}{2{(H_{\max }-L_{\min })}^2}}=1-e^{-0.5};$

步骤3.3：当r(L_min)＜W＜r(H_max)，则该状态观测量对应的输入量为正常状态范围，否则，返回步骤1；

步骤4：根据导地电缆、避雷装置、绝缘子串和接地电缆在配电网中的重要程度，分别给导地电缆、避雷装置、绝缘子串和接地电缆分配一个权重因子w_j，对各个归一化后的状态观测量Z进行加权平均，分别得到各状态观测量加权平均值即电缆总体状态评估指标，r_j是第j个输入量归一化后得到的状态观测量，x的值在0和1之间，x越大表示绝缘故障率越大；

步骤5：建立电缆总体状态评估指标x与电缆绝缘故障率的函数关系，即电缆绝缘故障率其中,Ω_A、Ω_B和Ω_C均为绝缘故障率系数；

步骤6：获取长度为L_i的电缆线路在某时间段内发生故障的次数f_i，计算该长度为L_i的电缆线路的总体状态评估指标即状态评估量将与f_i构成的数据对按的升序进行排列并将这些数据对划分为包含有一个或多个数据对的数据段，数据段内的均值来表示该数据段内电缆线路的状态，每个数据段内的电缆状态评估量的均值和电缆绝缘故障率的均值分别表示如下：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}=\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\hat{x}}_i/n_g$

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&lambda;}\left(x\right)}=\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_i/\underset{i=1}{\overset{n_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_i$

其中，n_g为第g个数据段内的和f_i构成的数据对的数目；

步骤7：根据各电缆线路的电缆状态评估量的均值和各电缆线路的电缆绝缘故障率的均值利用非线性最小二乘法估计出电缆总体状态评估指标x与电缆绝缘故障率的函数关系中的绝缘故障率系数Ω_A、Ω_B和Ω_C；

步骤8：根据电缆总体状态评估指标预测当前电缆线路的绝缘故障率，即电缆绝缘故障率λ(x)乘以电缆线路的总体长度；

步骤9：将预测得到的电缆线路的绝缘故障率经变换电路传输至工控机，同时通过无线通讯模块发送至远方调度终端，以便维修人员进行检修。