CN109738763A - 一种基于小波包变换的中压配电电缆短路故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小波包变换的中压配电电缆短路故障定位方法，包括有如下步骤：步骤一，同步采样检测发生故障的中压配电电缆首、末两端的接地电流I_L和I_R，其中接地电流为故障特征电流；步骤二，提取两个故障特征电流行波在所述中压配电电缆首、末两端的到达时间t₁和t₂；步骤三，根据两个故障特征电流行波在所述中压配电电缆首、末两端的到达时间差，计算故障点距离所述中压配电电缆首/末端的距离；本发明实现了对中压配电电缆上故障的及时监测，并对故障点实施准确定位，具备抗噪音干扰性能强，适用范围广的特点。

Description

一种基于小波包变换的中压配电电缆短路故障定位方法

技术领域

本发明涉及电力系统线路故障监测技术领域，尤其是一种基于小波包变换的中压配电电缆短路故障定位方法。

背景技术

近年来，随着城市建设快速发展和人民生活水平提高，中心城区用电量剧增，大量变电站逐步向城市中心延伸，受架空走廊的限制，这些变电站的联络线主要采用电力电缆线路。每年新增电力电缆线路投运量持续快速增长，短路故障也随之增加，电缆线路的安全可靠运行对区域性电网稳定和大面积可靠供电的支撑作用日益显现。短路故障发生后需要快速准确的找到故障点位置，从而指导运维检修，便于快速恢复供电。随着电缆线路的增多，伴随的安全隐患和运维风险也相应的提高。

当前的离线故障测距方法依据测量原理主要分为如下3种：

1)电桥法，它是将本侧电缆终端的故障相和非故障相短接，通过测试故障电缆从测量端到故障点的线路电阻，然后依据电阻率计算出故障距离的故障测距方法，或者是测试出电缆故障段与全长段的电压降的比值再与全长相乘计算出故障距离的一种方法。这种测试方法一般用于测试故障点绝缘电阻在几十千欧以内的电缆故障的距离，测量误差较大。

2)低压脉冲法，主要原理是在电缆一端通过仪器向被测电缆中输入低压脉冲信号，该脉冲沿电缆传播到波阻抗不匹配的故障点包括故障点、电缆终端和中间接头时，该脉冲信号将会产生反射，并返回到测量端由仪器记录下来。通过记录反射信号和发射信号的时间差，就可以测出故障距离。该测试方法原理简单，但没有交待现场采集到的故障波形处理方法，波形数据不恰当的处理会导致脉冲到达时间判断失准，从而错误定位故障位置。

3)高压脉冲法，该方法是通过高压信号发生器向被测故障电缆中施加直流高压信号或冲击高压信号，将其故障点瞬间击穿，产生一个电压行波信号，该信号在被测电缆的测量端和故障点之间往返传播，在直流高压发生器的高压端,通过线性分压藕合器接收并换算出该电压行波信号往返一次的时间和脉冲信号的传播速度相乘而计算出故障距离的方法。这种方法的缺点是测试时测距仪器与高压部分有直接的电气连接部分，安全性较差，且对测试设备的技术参数要求较高。

综上所述，传统中压配电电缆的故障定位方法存在的问题如下：1)无法及时监测到电缆故障；2)难以准确定位故障源；3)存在较大的测量误差和测试安全风险。

发明内容

本发明的目的就是要解决传统的中压配电电缆的故障定位方法存在无法及时监测到电缆故障、难以准确定位故障源，并存在较大的测量误差和测试安全风险的问题，为此提供一种基于小波包变换的中压配电电缆短路故障定位方法。

本发明的具体方案是：一种基于小波包变换的中压配电电缆短路故障定位方法，包括有如下步骤：

步骤一，同步采样检测发生故障的中压配电电缆首、末两端的接地电流I_L和I_R，其中接地电流为故障特征电流；

步骤二，提取两个故障特征电流行波在所述中压配电电缆首、末两端的到达时间t₁和t₂；

步骤三，根据两个故障特征电流行波在所述中压配电电缆首、末两端的到达时间差，计算故障点距离所述中压配电电缆首/末端的距离。

本发明中所述故障点距离所述中压配电电缆首端的距离为x_f，其中l表示所述中压配电电缆的长度，v₀表示故障特征电流信号在所述中压配电电缆中的传播速度。

本发明中所述步骤一中对所述中压配电电缆首、末两端故障特征电流进行采集时均采用了电流互感器和智能采集装置，并在中压配电电缆其中一端或两端的电流互感器和智能采集装置之间设有前端触发装置；所述电流互感器以耦合方式采集所述中压配电电缆首/末端的故障特征电流；所述前端触发装置以设定的故障诊断算法阈值进行触发，当采集到的故障特征电流大于设定的故障诊断算法阈值时，设置在中压配电电缆首、末两端的智能采集装置同时对故障特征电流进行采集，前端触发装置未被触发时处于休眠状态。

本发明中所述智能采集装置通过架设的天线并经由移动的GPRS/3G/4G/5G公共网络通讯连接服务器平台。

本发明中所述步骤二中采用小波包多尺度分析法对两个故障特征电流行波的到达时间t₁和t₂进行提取，小波包多尺度分析法包括以下实施步骤：

(1)对故障特征电流信号进行分解：

将小波包的尺度子空间V_j和小波子空间W_j统一正交分解为V_j+1，其中V_j为尺度函数，W_j为小波函数；

(2)构建空间多尺度方程：

式中，h(k)为小波包的高通滤波器组，g(k)为小波包的低通滤波器组；

(3)包络线拟合：采用分段三次Hermite多项式插值，设有N+1个点，其中，a＝t₀<t₁<…<t_N＝b，则分段三次Hermite多项式满足以下性质：

式中，H_j(j＝1,…,4)为Hermite基函数；将重构后的信号进行正反向波的分离，利用分段三次Hermite多项式插值拟合正反向行波得到极大值包络线和极小值包络线，极大值包络线和极小值包络线用于识别行波的波头，识别出的行波波头对应的横坐标表征行波达到的时间t₁和t₂。

本发明中所述小波包多尺度分析法选取db1小波包对故障特征电流进行分解处理，设置故障特征电流的采样频率为4kHz，并且在处理时对包含信号低频段0～50Hz与高频段300～1500Hz在内的故障特征电流信号进行4尺度小波包分解，得到16个频段，每个频段宽度均为125Hz。

本发明中所述故障特征电流信号在所述中压配电电缆中的传播速度其中，L₀表示中压配电电缆单位长度电感，C₀表示中压配电电缆单位长度电容，μ表示中压配电电缆的磁导率，ε表示中压配电电缆的介电常数。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过安装在中压配电电缆首/尾端的监测装置，可实现对故障特征电流的实时在线安全监测，在接地故障发生瞬间实现故障告警，并根据故障定位的算法实现故障点位置的判断，有助于电缆运维人员快速检修，降低故障影响；

(2)本发明基于多尺度小波包变换和分段三次Hermite多项式重构的提取方法，可有效实现对故障特征电流信号到达时间的提取，降低了噪声干扰，为精确的故障定位奠定了基础；

(3)本发明适用于实现金属性故障、高阻故障和闪络性故障的故障点的精确定位，并在实施故障检测定位时不受过渡电阻与接地电阻的影响，从而适用范围更广；与此同时，本发明还可实现更高精度的故障点定位，对测试电缆的线路阻抗无要求。

附图说明

图1是本发明对故障特征电流实施采集的结构示意图。

图中：1—中压配电电缆，2—电流互感器，3—智能采集装置，4—前端触发装置，5—接地线，6—GPRS/3G/4G/5G公共网络，7—服务器平台。

具体实施方式

实施例1

本实施例以对图1所示的在f点发生故障的中压配电电缆1的故障定位方法描述为例进行具体说明。

本发明提供了一种基于小波包变换的中压配电电缆短路故障定位方法，包括有如下步骤：

步骤一，同步采样检测发生故障的中压配电电缆1的首、末两端的接地电流I_L和I_R，其中接地电流为故障特征电流；

步骤二，提取两个故障特征电流行波在所述中压配电电缆1的首、末两端的到达时间t₁和t₂；

步骤三，计算故障点f距离所述中压配电电缆1首端的距离x_f，其中l表示所述中压配电电缆的长度，v₀表示故障特征电流信号在所述中压配电电缆中的传播速度。

进一步的，本实施例中所述步骤一中对所述中压配电电缆1的首、末两端故障特征电流进行采集时均采用了电流互感器2和智能采集装置3，并在中压配电电缆两端的电流互感器2和智能采集装置3之间均设有前端触发装置4；

所述电流互感器2以耦合方式采集所述中压配电电缆1的首、末两端的故障特征电流，参见图1，在对故障特征电流进行采集时，所述中压配电电缆首/末端的屏蔽层均通过接地线5作接地处理，电流互感器2与接地线5相耦合以实现对故障电流的采集；

所述前端触发装置4以设定的故障诊断算法阈值进行触发，当采集到的故障特征电流大于设定的故障诊断算法阈值时，设置在中压配电电缆首、末两端的智能采集装置3同时对故障特征电流进行采集，前端触发装置未被触发时处于休眠状态。

进一步的，本发明中所述智能采集装置3具有外壳，在外壳上装有信号采集输入接口、充电接口和射频天线，在外壳内设有供电管理单元、微处理器、信息压缩与加密模块及通讯接口模块；所述供电管理单元连接充电接口并为智能采集装置3中的各个模块提供稳定的工作电源；所述前端触发装置4通过信号采集输入接口通讯连接微处理器；所述微处理器依次通讯连接信息压缩与加密模块、通讯接口模块与射频天线；智能采集装置3通过架设的射频天线并经由移动的GPRS/3G/4G/5G公共网络6将采集到的故障特征电流上传至服务器平台7，服务器平台7也可通过内置的程序并由移动的GPRS/3G/4G/5G公共网络6控制智能采集装置3实时采集工作。

进一步的，本实施例中所述步骤二中采用小波包多尺度分析法对两个故障特征电流行波的到达时间t₁和t₂进行提取，小波包多尺度分析法包括以下实施步骤：

(1)对故障特征电流信号进行分解：

将小波包的尺度子空间V_j和小波子空间W_j统一正交分解为V_j+1，其中V_j为尺度函数，W_j为小波函数；

(2)构建空间多尺度方程：

式中，h(k)为小波包的高通滤波器组，g(k)为小波包的低通滤波器组；

(3)包络线拟合：采用分段三次Hermite多项式插值，设有N+1个点，其中，a＝t₀<t₁<…<t_N＝b，则分段三次Hermite多项式满足以下性质：

式中，H_j(j＝1,…,4)为Hermite基函数；将重构后的信号进行正反向波的分离，利用分段三次Hermite多项式插值拟合正反向行波得到极大值包络线和极小值包络线，极大值包络线和极小值包络线用于识别行波的波头，识别出的行波波头对应的横坐标表征行波达到的时间t₁和t₂。

进一步的，本实施例中小波包多尺度分析将整个信号按频带分解，每一层分为2^j(j＝1,2,3,…)个频带,其中，每一层的子频带都包含信号的所有信息，只是每层信号的分辨率不同。随着尺度增大，分解频带个数越多，分辨率越高，各频带包含的频率越细致，滤波效果越好。如果尺度过大，故障信号中的有用信号也有可能被剔除。小波包多尺度分解重构的过程就是将故障信号进行滤波的过程，每一层中各频带信号进行重新分配，只包含相应频带中的信号。多尺度分解重构使信号的特征提取出来，特征更加明显。当小波基固定时，随着尺度的增大，小波包分解重构后的初始行波波头宽度随着尺度的增大而变大。

从而基于上述特征，所述小波包多尺度分析法在具体实施时选取db1小波包对故障特征电流进行分解处理，设置故障特征电流的采样频率为4kHz，并且在处理时对包含信号低频段0～50Hz与高频段300～1500Hz在内的故障特征电流信号进行4尺度小波包分解，得到16个频段，每个频段宽度均为125Hz。

进一步的，本实施例中所述故障特征电流信号在所述中压配电电缆1中的传播速度其中，L₀表示中压配电电缆单位长度电感，C₀表示中压配电电缆单位长度电容，μ表示中压配电电缆的磁导率，ε表示中压配电电缆的介电常数；因而，对一任意确保的中压配电电缆而言，由于L₀、C₀、μ和ε均为常数，则故障特征电流信号在所述中压配电电缆1中的传播速度v₀只是与电缆自身的材质相关，它可以通过查阅资料和实测获得。

进一步的，本实施例中故障点f距离所述中压配电电缆1首端的距离x_f，即的公式推导如下：

由于l表示待测电缆的长度，x_f表示故障点f距离中压配电电缆1首端的距离，t₁表示首端的故障特征电流反射波信号到达时间，t₂表示末端故障特征电流反射波信号到达时间，v₀表示故障特征电流反射波信号在电缆中的传播速度，则

因而，根据上述公式(1)、(2)和(3)可得到

Claims (7)

1.一种基于小波包变换的中压配电电缆短路故障定位方法，其特征是：包括有如下步骤：

步骤一，同步采样检测发生故障的中压配电电缆首、末两端的接地电流I_L和I_R，其中接地电流作为故障特征电流；

步骤二，提取两个故障特征电流行波在所述中压配电电缆首、末两端的到达时间t₁和t₂；

步骤三，根据两个故障特征电流行波在所述中压配电电缆首、末两端的到达时间差，计算故障点距离所述中压配电电缆首/末端的距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于小波包变换的中压配电电缆短路故障定位方法，其特征是：所述故障点距离所述中压配电电缆首端的距离为x_f，其中l表示所述中压配电电缆的长度，v₀表示故障特征电流信号在所述中压配电电缆中的传播速度。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于小波包变换的中压配电电缆短路故障定位方法，其特征是：所述步骤一中对所述中压配电电缆首、末两端故障特征电流进行采集时均采用了电流互感器和智能采集装置，并在中压配电电缆其中一端或两端的电流互感器和智能采集装置之间设有前端触发装置；所述电流互感器以耦合方式采集所述中压配电电缆首/末端的故障特征电流；所述前端触发装置以设定的故障诊断算法阈值进行触发，当采集到的故障特征电流大于设定的故障诊断算法阈值时，设置在中压配电电缆首、末两端的智能采集装置同时对故障特征电流进行采集，前端触发装置未被触发时处于休眠状态。

4.根据权利要求3所述的一种基于小波包变换的中压配电电缆短路故障定位方法，其特征是：所述智能采集装置通过架设的天线并经由移动的GPRS/3G/4G/5G公共网络通讯连接服务器平台。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于小波包变换的中压配电电缆短路故障定位方法，其特征是：所述步骤二中采用小波包多尺度分析法对两个故障特征电流行波的到达时间t₁和t₂进行提取，小波包多尺度分析法包括以下实施步骤：

(1)对故障特征电流信号进行分解：

将小波包的尺度子空间V_j和小波子空间W_j统一正交分解为V_j+1，其中V_j为尺度函数，W_j为小波函数；

(2)构建空间多尺度方程：

式中，h(k)为小波包的高通滤波器组，g(k)为小波包的低通滤波器组；

(3)包络线拟合：采用分段三次Hermite多项式插值，设有N+1个点，其中，a＝t₀<t₁<…<t_N＝b，则分段三次Hermite多项式满足以下性质：

式中，H_j(j＝1,…,4)为Hermite基函数；将重构后的信号进行正反向波的分离，利用分段三次Hermite多项式插值拟合正反向行波得到极大值包络线和极小值包络线，极大值包络线和极小值包络线用于识别行波的波头，识别出的行波波头对应的横坐标表征行波达到的时间t₁和t₂。

6.根据权利要求5所述的一种基于小波包变换的中压配电电缆短路故障定位方法，其特征是：所述小波包多尺度分析法选取db1小波包对故障特征电流进行分解处理，设置故障特征电流的采样频率为4kHz，并且在处理时对包含信号低频段0～50Hz与高频段300～1500Hz在内的故障特征电流信号进行4尺度小波包分解，得到16个频段，每个频段宽度均为125Hz。

7.根据权利要求1所述的一种基于小波包变换的中压配电电缆短路故障定位方法，其特征是：所述故障特征电流信号在所述中压配电电缆中的传播速度其中，L₀表示中压配电电缆单位长度电感，C₀表示中压配电电缆单位长度电容，μ表示中压配电电缆的磁导率，ε表示中压配电电缆的介电常数。