CN105389423A - 基于Matlab/Simulink的电力电缆局部放电信号传播的仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种基于Matlab/Simulink的电力电缆局部放电信号传播的仿真方法，包括以下步骤：1)建立适用于高频局部放电信号传播特性研究的电力电缆分布参数模型；2)通过对电力电缆局部放电信号的特性分析，建立模拟局部放电信号；3)建立局部放电波形在高压电力电缆中传播特性的仿真模型；4)实时输出仿真模型的仿真结果。本发明的有益效果是：实现了局部放电信号在电力电缆中传播特性的精确仿真；通用性强，并实时输出仿真模型的仿真结果。可有效提高测试对局部放电反射波的定位精度。为电力电缆局部放电的检测的进一步研究提供了一定基础。

Description

基于Matlab/Simulink的电力电缆局部放电信号传播的仿真方法

技术领域

本发明涉及一种电力电缆局部放电信号传播的仿真方法，尤其是涉及一种基于Matlab/Simulink的电力电缆局部放电信号传播的仿真方法，属于电力行业高压电力电缆进行局部放电测试研究和辅助测量的技术领域。

背景技术

震荡波电压检测法(OscillatingWaveTestSystem)是应用效果较好的一种用于电力电缆局部放电检测和定位的技木。振荡波电压与交流电源等效性好，局部放电行为相似，可有效检测电力电缆的局部放电缺陷。该检测方法作用时间短，不会对电缆造成损伤，是进行电力电缆竣工或维修后的交接试验的较理想的实验方法，且系统操作简便，方便携带运输，较适合于现场试验，是目前电力行业普遍采用的一种电力电缆局部放电检测方法。

而在实际进行局部放电震荡波检测设备进行局部放电检测的过程中，我们发现，对于局部放电反射波的确定，系统自动选择的反射波往往并不准确，需要操作人员根据自己的经验来调整。特别对于长电缆，反射波经过长时间的传播后，衰减畸变比较严重，较难确定。本发明通过构建一条电缆仿真模型，使用者可以根据实际检测中的情况输入电缆的单位电阻、电容、电感和局放点等参数，仿真模型据此计算出局放反射波和原始波的衰减比、局部放电波形传播时间等数据，与实测波形对比，相互验证，以辅助使用者精确确定局部放电的反射波。通过本发明的仿真模型，可有效提高目前电力电缆局部放电测量过程中局部放电反射波的定位精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供的一种仿真精度高、精确模拟电力电缆局部放电信号传播特性、通用性强的基于Matlab/Simulink的交局部放电波形在高压电力电缆中传播特性的仿真方法。以此提高目前电力电缆局部放电检测设备对局放放电反射波定位精度不足、需要操作人员根据自己的经验来主观确定局部放电反射波的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于Matlab/Simulink的电力电缆局部放电信号传播的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据配电系统常用的高压交联聚乙烯电力电缆特性，及局部放电信号在电力电缆中的传播特性，建立适用于高频局部放电信号传播特性研究的电力电缆分布参数模型；

2)通过对电力电缆局部放电信号的特性分析，建立模拟局部放电信号；

3)根据电力电缆和模拟的局部放电信号及局部放电信号在电力电缆中的传播特性，通过Matlab/Simulink软件建立局部放电波形在高压电力电缆中传播特性的仿真模型；

4)将仿真模型中的电缆长度、局放点位置、电缆特性参数等仿真参数转换为可更改的变量，以便使用者可根据现场实际测量情况输入仿真参数，并实时输出仿真模型的仿真结果。

本发明所述的步骤1)具体为：

电力电缆是传输线，传输线的长度l比它所传播的电磁波的波长λ更长时，此时刻作为传输线的电力电缆被称为长线；局放脉冲包含着高频率分量(信号宽度越窄，上升沿就越陡，那么高频率分量越大)，电缆本身长度远大于这些高频率分量的波长；

因此在工作情况下，沿电缆分布的电阻R、电感L、电容C和电导G这四个参数都必须以单位长度来度量；这些参数即为传输线路的“分布参数”，是用于分析传输线特征的基本数据，也可称为一次参数；

电缆局放信号适合进行频谱分析和计算，而电力电缆的一次参数却都是频率函数，故建立电缆等效模型的关键所在是一次参数线路对暂态频率影响的计算。

在对以上过程的研究的基础上，目前普遍采用的电力电缆模型为zCable模型。对多相电缆zCable模型把整个电缆分成一系列短电缆，每个小部分由两部分组成，理想线路部分和损耗部分；故可采用基于BergeronModel的电缆模型对电缆局放系统进行仿真，研究电缆中局放信号的传播特性。

MATLAB的电力系统模块库(PowerSystemBlockset)中的DistributedParametersLine等值电路代替分布参数型电路不仅简化电路模型，而且对分布参数型电路是一个较好的近似，该模型简化为三部份，分别为导体层、绝缘层和外皮；而在MATLAB中DistributedParametersLine等值电路无法改变导体层、绝缘层和外皮厚度等参数，但是可以改变等效电感、电阻、电容三个参数，换算过程为：

单位长度的电缆在θ℃的温度下，等效电阻换算公式为：

R＝ρ/A[1+α(θ-20)]k

式中，A为导体横截面积，ρ为导体在20℃时的电阻率，α导体电阻的温度系数，k为导线加工过程中引起金属电阻率增加系数约为1；

单位长度电缆的电容换算公式为：

$C=\frac{55.7n\mathrm{\ϵ}}{G}\×{10}^{-12};$

式中，ε为绝缘的相对介电系数；

单位长度电缆的电感换算公式为：

$L=L_i+L_o=0.5\×{10}^{-7}+\left(2ln\frac{2S}{D_c}\right)\×{10}^{-7};$

式中，L_i为内感，L_o为外感，D_c为导体外径，S为电缆中心间的间距；

由以上公式，在知道电力电缆的长度、半径等参数后，即可将其转化为MATLAB的中DistributedParametersLine分布参数电缆模型。

本发明所述的步骤2)具体为：

局部放电信号是一种窄脉冲信号，最明显特征是具有陡峭上升沿，有丰富的高频率分量。该高频率分量主要集中在1KHz-100MHz范围内，而且该频率分量越高，衰减量越严重；为了清楚的了解局部放电信号在电力电缆中的传播特性，首先要将局部放电信号的数学模型建立起来；

通常局部放电脉冲波形信号的上升沿为几十到几百ns，下降沿为几百到几千ns；此类局部放电脉冲波形信号经过曲线拟合处理，等效为指数衰减和指数衰减振荡型脉冲函数形式，其表达式为:

$u_i\left(t\right)=V_{i}e-(t-t_i)/{\mathrm{\τ}}_i*1(t-t_i)$

式中，u_i(t)为第i个局部放电脉冲电压，V_i为第i个局部放电脉冲电压的幅值，τ_i第i个局部放电脉冲电压衰减常数，1(t-t_i)为单位阶跃函数。

由此可构建局部放电信号的MATLAB模型。

所述的通过Matlab/Simulink软件建立电力电缆局部放电信号传播的仿真模型具体为：

通过两段分布参数电缆模型AC和模型CB，模拟在C点发生局部放电现象的电力电缆AB，在C点注入模拟的局部放电脉冲信号；电缆模型的A端口和B端口及C点有用以检测和显示传播到A端口、B端口的局部放电脉冲波形，及C点注入的局部放电脉冲波形的检测模块和波形显示模块。

所述的步骤4)中的仿真过程需要输入电力电缆单位电感、电容等电气参数，及局部放电位置、电缆长度等参数、仿真点位置等仿真参数，且各仿真参数都能够根据现场实际测量情况随时、直观输入，而无需更改仿真模型和仿真代码。

所述的步骤4)中的仿真模型的仿真结果包括局放反射波和原始波的衰减比和波形图、局放脉冲传播延时。所述的步骤4)中的仿真模型的仿真结果如反射波与初始波的波形特征和衰减比，可与电力电缆实际测量得局部放电波形特性和衰减比相互对比、验证，进而提高局部放电检测过程中局部放电反射波的定位精度。

本发明的有益效果是：

1)实现了局部放电信号在电力电缆中传播特性的精确仿真；

2)通用性强，可根据实际需求设置电力电缆电气参数、局放位置点等参数，并实时输出仿真模型的仿真结果。

3)在电缆局部放电检测中，使用者通过观察仿真的局放反射波形的特性，与实测波形对比以验证，可有效提高测试对局部放电反射波的定位精度。

4)本发明为局部放电信号在电力电缆中传播的研究提供了一个实验仿真平台，本实验仿真平台采用通用的Matlab/Simulink软件，利用仿真结果可以进一步研究电力电缆局部放电信号传播的具体特征，为电力电缆局部放电的检测的进一步研究提供了一定基础。

附图说明

图1为本发明的仿真工况示意图；

图2为本发明的局部放电信号在电力电缆中传播的仿真模型图；

图3为本发明的模拟局部放电脉冲信号图；

图4为本发明的仿真模型所需的输入参数图；

图5为本发明的局部放电信号仿真波形数据对比图；

图6为本发明的局部放电信号实际测量波形数据对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

图1为本发明的仿真所模拟的电力电缆发生局部放电的工况示意图。在一段电力电缆AB的中间某点C处发生了局部放电现象，在进行局部放电测试时，局部放电脉冲信号会从C点产生并在电缆中传播、并在电缆端口A和B不断进行反射，局部检测设备通过在电力电缆端口A或B处的传感器检测传播到的局部放电脉冲信号及其反射波，并据此判断局部放电相信和定位局部放电点。

图2为根据本发明在Matlab/Simulink软件中搭建的电力电缆局部放电信号传播的仿真模型。图中模块1功能为根据输入参数产生需要的模拟局部放电脉冲信号，假设设置模拟局部放电脉冲的上升沿为150ns，脉冲幅值7.0×10^-3V，其产生的模拟局部放电脉冲信号实例图如图3所示。图中电缆模块2和模块3为电力电缆AC段和CB段的分布参数模型。如图所示模拟局部放电脉冲从C点注入电缆模型AB。示波器模块4，模块5和模块6分别用以检测A点、B点和C点的局部放电模型脉冲波形并显示。电阻模块7和模块8分布为电力电缆A端口和B端口的负载电阻。

本发明仿真模型中的电缆长度、局放点位置、电缆特性参数等仿真参数均为可更改的变量，以便使用者可根据现场实际测量情况输入仿真参数。再搭建好如图2所示仿真模型后，在参数输入界面根据实际需求输入仿真参数即可进行仿真计算。仿真参数输入界面见图4。

输入仿真参数后即可计算得出仿真结果。以一根320米的10kv交联聚乙烯单芯电力电缆在距离电缆A端口162米处发生局部放电现象为例，对其进行局部放电检测，在电缆端口A点测得局部放电脉冲的波形数据。同时用本发明的Matlab/Simulink仿真模型在相同条件下进行仿真，可得到A点局部放电信号的仿真波形和实测波形的对比图分别如图5，图6所示。

从图5中读取的A点接受到的反射波与初始入射波的衰减比例为1.664/2.685＝61.9％，由图6可读取得，反射波与初始入射波的衰减比例约为340/550＝61.8％。也即仿真波形的衰减比例和实际测量波形的衰减比例基本一致。充分验证了本仿真模型的准确性。并且，在进行电力电缆局部放电检测过程中，可以通过仿真计算的反射波与初始入射波的衰减比例来验证实测波形的反射波与初始入射波的衰减比例，进而提高局部放电检测过程中局部放电反射波的定位精度。

Claims (6)

1.一种基于Matlab/Simulink的电力电缆局部放电信号传播的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据配电系统常用的高压交联聚乙烯电力电缆特性，及局部放电信号在电力电缆中的传播特性，建立适用于高频局部放电信号传播特性研究的电力电缆分布参数模型；

2)通过对电力电缆局部放电信号的特性分析，建立模拟局部放电信号；

3)根据电力电缆和模拟的局部放电信号及局部放电信号在电力电缆中的传播特性，通过Matlab/Simulink软件建立局部放电波形在高压电力电缆中传播特性的仿真模型；

4)将仿真模型中的电缆长度、局放点位置、电缆特性参数的仿真参数转换为可更改的变量，以便使用者可根据现场实际测量情况输入仿真参数，并实时输出仿真模型的仿真结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于Matlab/Simulink的电力电缆局部放电信号传播的仿真方法，其特征在于，所述的步骤1)具体为：

MATLAB的电力系统模块库(PowerSystemBlockset)中的DistributedParametersLine等值电路代替分布参数型电路，分别为导体层、绝缘层和外皮；而在MATLAB中DistributedParametersLine等值电路能够改变等效电感、电阻、电容三个参数，换算过程为：

单位长度的电缆在θ℃的温度下，等效电阻换算公式为：

R＝ρ/A[1+α(θ-20)]k

式中，A为导体横截面积，ρ为导体在20℃时的电阻率，α导体电阻的温度系数，k为导线加工过程中引起金属电阻率增加系数约为1；

单位长度电缆的电容换算公式为：

$C=\frac{55.7n\mathrm{\ϵ}}{G}\×{10}^{-12};$

式中，ε为绝缘的相对介电系数；

单位长度电缆的电感换算公式为：

$L=L_i+L_o=0.5\×{10}^{-7}+\left(2ln\frac{2S}{D_c}\right)\×{10}^{-7};$

式中，L_i为内感，L_o为外感，D_c为导体外径，S为电缆中心间的间距；

由以上公式，在知道电力电缆的长度、半径参数后，即可将其转化为MATLAB的中DistributedParametersLine分布参数电缆模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于Matlab/Simulink的电力电缆局部放电信号传播的仿真方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为：

通常局部放电脉冲波形信号的上升沿为几十到几百ns，下降沿为几百到几千ns；此类局部放电脉冲波形信号经过曲线拟合处理，等效为指数衰减和指数衰减振荡型脉冲函数形式，其表达式为:

$u_i\left(t\right)=V_i{e}^{-(t-t_i)/{\mathrm{\τ}}_i}*1(t-t_i)$

式中，u_i(t)为第i个局部放电脉冲电压，V_i为第i个局部放电脉冲电压的幅值，τ_i第i个局部放电脉冲电压衰减常数，1(t-t_i)为单位阶跃函数；

由此可构建局部放电信号的MATLAB模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于Matlab/Simulink的电力电缆局部放电信号传播的仿真方法，其特征在于，所述的通过Matlab/Simulink软件建立电力电缆局部放电信号传播的仿真模型具体为：

通过两端分布参数电缆模型AC和模型CB，模拟在C点发生局部放电现象的电力电缆AB，在C点注入模拟的局部放电脉冲信号；电缆模型的A端口和B端口及C点，有用以检测和显示局部放电脉冲波形的检测模块和波形显示模块。

5.根据权利要求1所述的一种基于Matlab/Simulink的电力电缆局部放电信号传播的仿真方法，其特征在于，所述的步骤4)中的仿真过程，需要输入电力电缆单位电感、电容的电气参数，及局部放电位置、电缆长度的电气参数、仿真点位置的仿真参数。

6.根据权利要求1所述的一种基于Matlab/Simulink的电力电缆局部放电信号传播的仿真方法，其特征在于，所述的步骤4)中的仿真模型的仿真结果包括局放反射波和原始波的衰减比和波形图、局放脉冲传播延时。