CN109272257A - 一种基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高次谐波的电缆缺陷评估方法，包括根据电流高次谐波及其贡献率与电缆的故障类型的对应关系建立高次谐波数据库；建立依据高次谐波特征值判断电缆缺陷的计算模型；采集并量化电缆发出的电流信号，输入所述计算模型，输出结果与高次谐波数据库比照。还提供了实施该方法的系统；本发明采集检测流过电力电缆中的电流，通过快速傅里叶分析得到电缆谐波的分量含有率，通过分析谐波电流中谐波含量的大小并和电缆缺陷谐波数据库比对来判断电缆的健康程度。
Description
技术领域
本发明属于电力系统电缆故障检测技术领域，具体而言，为一种基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法和系统。
背景技术
近年来我国由于电缆故障引起的停电事故危害巨大。准确诊断电缆运行状态是预防电缆故障的重要前提。
目前电缆劣化状态检测方法有多种，如：直流法、电桥法、介质损耗角正切法、低频法、局部放电监测法等。各种方法各有优势，但都无法较为全面的反应电缆的整体状态，更无法反应电缆运行环境状态以及剩余使用寿命。
为此，状态评估人员迫切需要一种准确评价电缆劣化状态的诊断方法及系统。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估系统。
为了实现上述目的，本发明提供的一种一种基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法，包括
根据电流高次谐波及其贡献率与电缆的故障类型的对应关系建立高次谐波数据库；
建立依据高次谐波特征值判断电缆缺陷的计算模型；
采集并量化电缆发出的电流信号，输入所述计算模型，输出结果与高次谐波数据库比照。
进一步的，上述的基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法中，
所述建立高次谐波数据库包括：
建立10kV～35kv电缆与接头缺陷物理模型，模拟电缆缺陷类型；
建立高次谐波测量装置，采集各所述模拟电缆缺陷类型下产生的高次谐波；
对检测到的高次谐波信号进行计算；
根据电缆缺陷类型和计算结果的映射关系，建立高次谐波数据库。
进一步的，上述的基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法中，
所述模拟电缆缺陷类型包括局部过热、局部放电、水树、保护层损伤。
进一步的，上述的基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法中，
所述计算模型基于快速傅里叶变换计算高次谐波特征值，其中
傅里叶级数分解表达式为：
其中 为角频率，f为频率，T为采样周期；n为正整数，n≥1。
则
a0为信号的直流分量，令
c1为基波幅值，cn为n次谐波的幅值。
进一步的，上述的基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法中，
n次谐波电压贡献率以HRUn(Harmonic Ratio Un)表示：
Un为第n次谐波电压有效值，U1为基波电压有效值。
n次谐波电流贡献率以HRIn表示：
In为第n次谐波电流有效值，I1为基波电流有效值。
谐波电压含量UH和谐波电流含量IH分别定义为：
根据表达式算出各种电缆缺陷状态下的高次谐波特征值。
本发明还提供了一种基于高次谐波的电缆缺陷评估系统，包括
高次谐波数据库，其用于反映电流高次谐波及其贡献率与电缆的故障类型的对应关系；
谐波分量传感器，用于采集并量化电缆发出的电流信号；
计算模型，用于根据电流信号计算高次谐波特征值；
匹配模块，用于调集高次谐波数据库的数据与获取的高次谐波特征值进行匹配，判断电缆故障类型。
进一步的，上述的基于高次谐波的电缆缺陷评估系统中，
所述计算模型所述计算模型基于快速傅里叶变换计算高次谐波特征值，其中傅里叶级数分解表达式为：
其中 为角频率，f为频率，T为采样周期；n为正整数，n≥1。
则
a0为信号的直流分量，令
c1为基波幅值，cn为n次谐波的幅值。
进一步的，上述的基于高次谐波的电缆缺陷评估系统中，
n次谐波电压贡献率以HRUn表示：
Un为第n次谐波电压有效值，U1为基波电压有效值。
n次谐波电流贡献率以HRIn表示：
In为第n次谐波电流有效值，I1为基波电流有效值。
谐波电压含量UH和谐波电流含量IH分别定义为：
根据表达式算出各种电缆缺陷状态下的高次谐波特征值。
本发明提供的技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明采集检测流过电力电缆中的电流，通过快速傅里叶分析得到电缆谐波的分量含有率，通过分析谐波电流中谐波含量的大小并和电缆缺陷谐波数据库比对来判断电缆的健康程度。这种方法使用户可以在线监测运行中的电缆，从而最大程度上反映载荷状态下的各种工作状态，能够真实反映电缆运行状态；以便工作人员及时预防、检修，实现最大限度的减少停电时间、正确、快速处理故障，减少因停电造成的生产、生活损失。
附图说明
图1为本发明一种基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法中采用的电缆与接头缺陷物理模型的结构示意图；
图2为本发明一种基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法中采用的高次谐波测量装置的结构框图；
图3为本发明一种基于高次谐波的电缆缺陷评估系统中谐波分量传感器的信号采集示意图；
图4为本发明一种基于高次谐波的电缆缺陷评估系统的工作示意图。
图中：
1-测试电缆；2-套圈；3-固定杆；4-底板；5-接头；6-终端
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细阐述，以便本领域技术人员理解本发明的技术方案。
一种基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法，包括
S1.根据电流高次谐波及其贡献率与电缆的故障类型的对应关系建立高次谐波数据库；
S2.建立依据高次谐波特征值判断电缆缺陷的计算模型；
S3.采集并量化电缆发出的电流信号，输入所述计算模型，输出结果与高次谐波数据库比照。
具体的，上述基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法中，所述建立高次谐波数据库包括：
S11.建立10kV～35kV电缆与接头缺陷物理模型，模拟电缆缺陷类型；
S12.建立高次谐波测量装置，采集各所述模拟电缆缺陷类型下产生的高次谐波；
S13.对检测到的高次谐波信号进行计算；
S14.根据电缆缺陷类型和计算结果的映射关系，建立高次谐波数据库。
其中，如图1所示的，该电缆与接头缺陷物理模型包括：
测试电缆支架，用于固定测试电缆；本发明给出的一个实施例为，测试电缆支架包括固定杆3和固定杆3顶端连接的套圈2，至少两个测试电缆支架呈一定间距固定在底板4上，使得测试电缆1伸入支架的两套圈2中能够稳定放置。
还包括检测电路；用于电连接测试电缆并进行检测；检测电路包括自耦调压器T1、升压变压器T2、保护电阻R、分压电容C1和分压电容C2、耦合电容器 Ck，检测阻抗Zm，自耦调压器T1与升压变压器连接提供交流电源，电源两端串联保护电阻R；分压电容C1和分压电容C2串联后并联接在保护电阻R和电源端之间，耦合电容器Ck和检测阻抗Zm串联后并联接在保护电阻R和电源端之间，检测阻抗Zm将脉冲电流信号转换为电压信号；保护电阻R与耦合电容器Ck之间的连接节点用于接入测试电缆，检测阻抗Zm两端连接高次谐波测量装置。
制作局部过热、局部放电、水树、保护层损伤等缺陷的测试电缆，测试电缆 1由两段组成，中间通过接头5连接；测试电缆1置于测试电缆支架中，测试电缆一终端6接入测试电路，通电后利用高次谐波测量装置进行检测。
如图2所示，所述高次谐波测量装置包括电压输入电路、第一A/D变换器、第一零交叉(zero cross)检测器、电流输入电路、第二A/D变换器、第二零交叉检测器、切换器、第一FPGA运算器、第二FPGA运算器、CPU、显示器、固定采样时钟发生器、操作面板，
电压输入电路连接第一A/D变换器和第一零交叉(zero cross)检测器；电流输入电路连接第二A/D变换器和第二零交叉检测器，两变换器均连接至第一FPGA 运算器、第二FPGA运算器以及固定采样时钟发生器；两零交叉检测器均连接至切换器；切换器连接至第二FPGA运算器；且切换器、第一FPGA运算器、第二FPGA运算器、显示器、固定采样时钟发生器、操作面板均连接至CPU。
第一A/D变换器将通过电压输入电路输入的电压变换为数字信号。第一零交叉检测器检测模拟输入信号穿过零电平的部分，通过检测输入电压从LOW向 HIGH或从HIGH向LOW变化，使检测输出反向；该零交叉检测器的检测输出频率成为输入电压信号的基本频率。
第二A/D变换器将从电流输入电路输入的电流变换为数字信号。第二零交叉检测器是检测从电流输入电路输入的电流穿过零电平的结构，通过检测输入电流从LOW向HIGH或从HIGH向LOW变化，使检测输出反向；该零交叉检测器的检测输出频率成为输入电流信号的基本频率。
从第一A/D变换器输出的电压瞬时值的变换数据及从第二A/D变换器输出的电流瞬时值的变换数据，被输入第一FPGA运算器和第二FPGA运算器。两零交叉检测器输出信号被输入至切换器。切换器通过CPU的设定而选择两零交叉检测器来输出其中某一个，输入至第二FPGA运算器。例如根据缺陷导致电流波形或电压波形产生变形的测试电缆，选择相应的零交叉检测器输出。
固定采样时钟发生器产生任意设定的固定采样时钟。固定采样时钟被输入至两A/D变换器，两A/D变换器根据该输入进行A/D变换。
第一FPGA运算器根据通过第一A/D变换器变换为数字值的电压瞬时值v(n)，和通过第二A/D变换器变换为数字值的电流瞬时值a(n)，计算电压有效值、电流有效值、有效电力。
第二FPGA运算器根据零交叉检测器的检测信号，进行FFT运算，计算模拟输入信号的基本波成分和高次谐波成分，基于FFT运算利于实现高精度地求出测定结果。
高次谐波测量装置中第一FPGA运算器计算出的电压有效值V、电流有效值 A、有效电力P、和第二FPGA运算器计算出的电压和电流的有效电力的基本波成分和高次谐波成分，经由CPU在显示器上显示。通过来自操作面板的操作输入，对切换器进行切换控制。
进行若干次对不同缺陷类型的测试电缆检测，通过高次谐波测量装置得出测量结果，根据电缆缺陷类型和计算结果的映射关系，建立高次谐波数据库，本发明给出的一个具体实施例中，给出了多种缺陷类型与第一主成分以及其他主成分的实验对应关系，该高次谐波数据库如表1所示。
表1：
电缆不同部位的测试，包括电缆本体、接头部分、电缆通道等不同劣化情况下的各次谐波分量以及各谐波分量的贡献率，对应出高次谐波主要成分、相对含量与劣化类型、严重程度之间映射关系。
通过研究发现，电缆不同故障类型和缺陷类型导致的谐波分量的贡献率是不同的，以缺陷龟裂为例，经大量实验发现谐波分量9次谐波占比33％，8次谐波占比25％，7次谐波占比21％，10次谐波占比8％，6次谐波占比5％；以污损为例8次谐波占比35％，7次谐波占比29％，9次谐波占比13％，10次谐波占比 11％，6次谐波占比7％(分母为谐波贡献总量)等，这些实验数据表明不同的缺陷和故障都有对应的谐波分量表，即高次谐波及其贡献率与电缆的故障类型具有一一对应的关系，按照本发明上述原理，可得出包括上述表格中给出的缺陷类型以外的其他各种电缆缺陷/故障类型对应的高次谐波成分及其贡献率。
基于上述原理可进行的检测项目包括：
电缆线本体：绝缘体部分放电、龟裂、老化、绝缘降低；铜线损坏-热变型；线套损坏-浸水等缺陷/故障；
连接部分：电缆头、接头部分放电、(漏电)痕迹、绝缘降低等缺陷/故障；
电缆通道：异物、浸水、受压变形等缺陷/故障。
S2.建立依据高次谐波特征值判断电缆缺陷的计算模型中，基于傅里叶变换计算高次谐波特征值，具体包括：
傅里叶级数分解表达式为：
其中 为角频率，f为频率，T为采样周期；n为正整数，n≥1。
则
a0为信号的直流分量，令
c1为基波幅值，cn为n次谐波的幅值。我国电力系统的额定频率为50Hz，则基波为50Hz，谐波频率为基波频率的整数倍，根据倍数成为N次谐波，如基波频率3倍的成为3次谐波。根据上述表达式原理得出包含的各次谐波。
n次谐波电压贡献率以HRUn(Harmonic Ratio Un)表示：
Un为第n次谐波电压有效值，U1为基波电压有效值。
n次谐波电流贡献率以HRIn表示：
In为第n次谐波电流有效值，I1为基波电流有效值。
谐波电压含量UH和谐波电流含量IH分别定义为：
根据上述表达式算出各种电缆缺陷状态下的上述各高次谐波特征值。
S3.采集并量化电缆发出的电流信号，输入所述计算模型，输出结果与高次谐波数据库比照。
该步骤中，利用谐波分量传感器检测实际电力系统中待测试的电缆，采集并量化电缆发出的电流信号，计算得出的结果与高次谐波数据库进行比照，分析出该电缆存在的缺陷类型。
该步骤中，参考图3、4，所述谐波分量传感器包括依次电路连接的电压电流互感器、信号调理电路以及FPGA控制处理器。其中所述电压电流互感器和信号调理电路为本领域成熟技术，此处不做唯一限定；所述FPGA控制处理器基于 FPGA芯片，写入上述计算模型；电压电流互感器将电缆强电信号转换为处理器可处理的弱电信号，经过信号调理电路处理，进行滤波去除噪声干扰，送至FPGA 处理控制处理器中采用上述计算模型进行时域信号至频域信号的FFT处理，处理完的数据可直接由USB端口数据线传送至上位机，上位机中存储有上述高次谐波数据库，将谐波分量传感器发送数据与数据库进行相关数据分析和保存，得出缺陷类型评估结果。
本发明还提供了一种基于高次谐波的电缆缺陷评估系统，包括
高次谐波数据库，其用于反映电流高次谐波及其贡献率与电缆的故障类型的对应关系；
谐波分量传感器，用于采集并量化电缆发出的电流信号；
计算模型，用于根据电流信号计算高次谐波特征值；
匹配模块，用于调集高次谐波数据库的数据与获取的高次谐波特征值进行匹配，判断电缆故障类型。
其中所述高次谐波数据库中包含电流高次谐波及其贡献率与电缆的故障类型的对应关系，其由本发明上述基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法中给出的高次谐波数据库建立方法进行建立，此处不再赘述。
本发明给出的具体实施例为，所述谐波分量传感器包括电压电流互感器、信号调理电路以及FPGA控制处理器，其中所述电压电流互感器和信号调理电路为本领域成熟技术，所述FPGA控制处理器基于FPGA芯片，写入上述计算模型；电压电流互感器将电缆强电信号转换为处理器可处理的弱电信号，经过信号调理电路处理，送至FPGA处理控制处理器中采用上述计算模型进行时域信号至频域信号的FFT处理，处理完的数据可直接由USB端口数据线传送至上位机(即计算机)，上位机中包括有上述高次谐波数据库和匹配模块，匹配模块获取谐波分量传感器发送数据与高次谐波数据库，进行相关数据分析和保存，匹配得出缺陷类型评估结果。采集的数据、处理的数据以及评估结果等通过网路传输至网络服务器保存，实现数据共享。
本发明另一实施方式为，上述谐波分量传感器将采集的电缆数据传输至上位机存储，所述高次谐波数据库存储在网络服务器中，上位机将采集的电缆数据通过网络上传至网络服务器与高次谐波数据库进行相关数据分析和保存，得出缺陷类型评估结果；评估结果返回至上位机存储与显示。
其中计算模型基于傅里叶变换计算高次谐波特征值，包括
傅里叶级数分解表达式为：
其中 为角频率，f为频率，T为采样周期；n为正整数，n≥1。
则
a0为信号的直流分量，令
c1为基波幅值，cn为n次谐波的幅值。我国电力系统的额定频率为50Hz，则基波为50Hz，谐波频率为基波频率的整数倍，根据倍数成为N次谐波，如基波频率3倍的成为3次谐波。根据上述表达式原理得出包含的各次谐波。
n次谐波电压贡献率以HRUn(Harmonic Ratio Un)表示：
Un为第n次谐波电压有效值，U1为基波电压有效值。
n次谐波电流贡献率以HRIn表示：
In为第n次谐波电流有效值，I1为基波电流有效值。
谐波电压含量UH和谐波电流含量IH分别定义为：
根据上述表达式算出各种电缆缺陷状态下的上述各高次谐波特征值。
需说明，本发明系统公开的部分功能模块的实现可以为一个或多个计算机程序产品，即在计算机(如上述上位机)可读介质上编码的计算机程序指令的一个或多个模块，这些指令由数据处理装置来执行或者用以控制数据处理装置的操作。计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言(包括编译语言或解释语言)来编写，并且计算机程序可以用任何形式来部署，包括作为独立程序或者作为模块、部件、子例程或者适合在计算环境中使用的其他单元；计算机程序并非必须对应于文件系统中的文件。
建立高次谐波数据库时，通过电缆与接头缺陷物理模型和高次谐波测量装置，模拟制造各种缺陷/故障的测试电缆，进行测试计算；实际检测电缆时采用谐波分量传感器，直接对电力系统的电缆进行信号采集和测试计算，不对线缆造成破坏。
由于电缆有异常和劣化，就会有高次谐波发生。电缆不同部位出现异常、劣化等情况时，所产生的谐波种类和含量不同。谐波与电缆劣化之间存在着一一对应的关系。本发明采集检测流过电力电缆中的电流，通过快速傅里叶分析得到电缆谐波的分量含有率(贡献率)，通过分析谐波电流中谐波含量的大小并和电缆缺陷谐波数据库比对来判断电缆的健康程度。这种方法使用户可以在线监测运行中的电缆，从而最大程度上反映载荷状态下的各种工作状态，能够真实反映电缆运行状态；以便工作人员及时预防、检修，实现最大限度的减少停电时间、正确、快速处理故障，减少因停电造成的生产、生活损失。
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法，其特征在于：包括
根据电流高次谐波及其贡献率与电缆的故障类型的对应关系建立高次谐波数据库；
建立依据高次谐波特征值判断电缆缺陷的计算模型；
采集并量化电缆发出的电流信号，输入所述计算模型，输出结果与高次谐波数据库比照。
2.根据权利要求1所述的基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法，其特征在于：
所述建立高次谐波数据库包括：
建立10kV～35kV电缆与接头缺陷物理模型，模拟电缆缺陷类型；
建立高次谐波测量装置，采集各所述模拟电缆缺陷类型下产生的高次谐波；
对检测到的高次谐波信号进行计算；
根据电缆缺陷类型和计算结果的映射关系，建立高次谐波数据库。
3.根据权利要求2所述的基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法，其特征在于：所述模拟电缆缺陷类型包括局部过热、局部放电、水树、保护层损伤。
4.根据权利要求1所述的基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法，其特征在于：所述计算模型基于傅里叶变换计算高次谐波特征值，其中
傅里叶级数分解表达式为：
其中 为角频率，f为频率，T为采样周期；n为正整数，n≥1。
则
a0为信号的直流分量，令
c1为基波幅值，cn为n次谐波的幅值。
5.根据权利要求4所述的基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法，其特征在于：
n次谐波电压贡献率以HRUn表示：
Un为第n次谐波电压有效值，U1为基波电压有效值。
n次谐波电流贡献率以HRIn表示：
In为第n次谐波电流有效值，I1为基波电流有效值。
谐波电压含量UH和谐波电流含量IH分别定义为：
根据表达式算出各种电缆缺陷状态下的高次谐波特征值。
6.一种基于高次谐波的电缆缺陷评估系统，其特征在于：包括
高次谐波数据库，其用于反映电流高次谐波及其贡献率与电缆的故障类型的对应关系；
谐波分量传感器，用于采集并量化电缆发出的电流信号；
计算模型，用于根据电流信号计算高次谐波特征值；
匹配模块，用于调集高次谐波数据库的数据与获取的高次谐波特征值进行匹配，判断电缆故障类型。
7.根据权利要求6所述的基于高次谐波的电缆缺陷评估系统，其特征在于：所述计算模型所述计算模型基于傅里叶变换计算高次谐波特征值，其中
傅里叶级数分解表达式为：
其中 为角频率，f为频率，T为采样周期；n为正整数，n≥1。
则
a0为信号的直流分量，令
c1为基波幅值，cn为n次谐波的幅值。
8.根据权利要求7所述的基于高次谐波数据库的电缆缺陷评估方法，其特征在于：所述公式中：
n次谐波电压贡献率以HRUn表示：
Un为第n次谐波电压有效值，U1为基波电压有效值。
n次谐波电流贡献率以HRIn表示：
In为第n次谐波电流有效值，I1为基波电流有效值。
谐波电压含量UH和谐波电流含量IH分别定义为：
根据表达式算出各种电缆缺陷状态下的高次谐波特征值。
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