CN112083263B - 一种基于行波原理的多源数据融合的高压电缆线路故障在线定位装置及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于行波原理的多源数据融合的高压电缆线路故障在线定位装置及定位方法，定位装置包括数据收集装置、数据后台、服务器以及设备前端；并一种改进的电缆故障精确识别定位方法，过对信号的深入研究及分析，利用多种信号分析方法，进一步提取特征信号量，通过理论分析和仿真，可以进一步提高对故障的判断，改善目前电缆的检测方法。辅助运维人员及时发现电缆故障隐患，保证电缆运行正常，减少电力事故的发生，为电网电缆线路的智能检测提供有效的解决方案。

Description

一种基于行波原理的多源数据融合的高压电缆线路故障在线 定位装置及定位方法

技术领域

本发明属于输配电电缆安全运行领域，具体涉及一种基于行波原理的多源数据融合的高压电缆线路故障在线定位装置及定位方法。

背景技术

一般认为电力电缆在正常情况下的使用年限为20到30年，但是因为电缆经常被安置于地下沟道或直接埋在土里，它的建设环境和使用的情况使它的寿命发生了很大的变动。长时间的与土壤、水分、潮气接触，电缆的绝缘层易让腐蚀渗透，再加上电缆制造或安装时的磨损，都能造成隐患日后形成故障。一旦地下电缆发生故障。判断其故障点很困难，不仅会造成人力物力的损耗，还可能会导致停电事故的产生。

目前电缆检测使用行波分析方法和相速度分析方法，行波测距通过脉冲电压法，采集电网中的电压及电流波形，通过计算行波波速与测量点到故障点之间的时间差，判断电缆故障的位置和类型。但是这个方法在实际使用中存在漏检、漏判或定位误差大的特点，这个原因是由于目前使用方法原理在寻找时间差上比较困难，且不同故障类型的行波速度不统一。相速度测距方法的原理在于电缆本身自带的电容、电感导致两端电压波形产生位移，位移的大小随电缆长度变化而改变。而电缆本身存在的阻抗导致它的两端波形会存在相位的超前或者滞后，不同长度的电缆的阻抗不同从而能获得故障所致的位置。实际工作中，由于电缆之间电磁信号干扰，埋在地下受地磁场，地铁信号，发电厂磁场等因素影响，测量的电气参数容易出现误差，导致检测存在很大问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于行波原理的多源数据融合的高压电缆线路故障在线定位装置及定位方法，通过对信号的深入研究及分析，利用多种信号分析方法，进一步提取特征信号量，通过理论分析和仿真，可以进一步提高对故障的判断，改善目前电缆的检测方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于行波原理的多源数据融合的高压电缆线路故障在线定位装置，其包括：

数据收集装置，用于采集现场故障电缆的参数数据，并将数据传输至数据后台；

数据后台，用于收集数据收集装置发来的故障电缆的参数数据，汇总后发送至服务器；

服务器，用于分析处理数据后台发来的数据，将分析结果发送至设备前端；

以及设备前端，用于将服务器分析的故障诊断信息发送至运行维护人员。

进一步的，所述服务器为计算机。

进一步的，所述设备前端为便携移动设备。

一种基于行波原理的多源数据融合的高压电缆线路故障在线定位方法，其包括如下步骤：

步骤100，根据各种电缆服役环境的不同，分析电缆老化及故障机理，确定电缆在不同服役条件下的电阻、电容、电感等电气特性；

步骤200，采用RLC/PI构建电缆的等效电路，模拟各种电缆运行时的状况；

步骤300，选取PSO去噪对电流信号进行去噪处理；

步骤400，采用改进的Hilbert-Huang变换对历史故障电流信号进行分析，获取IMF分量及其对应的瞬时包络和频率、Hilbert谱及其边际谱；

步骤500，将经过改进的Hilbert-Huang变换处理后的故障相电流的分解信号与标准信号进行对比，从而确定故障类型，获得信号分析结果；

步骤600，采用相位测距方法计算电缆长度，分析电缆自身的电容、电感和阻抗等电气特征，结合其两端波形产生的相位超前或者滞后，获得其相位差与电缆长度存在的内在关系，最终获取电缆故障点距离；

步骤700，利用基于双向行波的双端测距方法，利用同步时钟检测由故障点发出的双向行波到M、N端的时间，时间比率求得后，根据电缆线路的总长度可以求得故障点距离；

步骤800，运将基于双向行波的双端测距与相位测距方法数据整合，最终确定电缆故障的距离。

进一步的，在步骤500中，采用改进的Hilbert-Huang变换对历史故障电流信号进行分析获取包络时，首先采用切触均值点对局部极值点进行增密，将切触均值点和原先的局部极值点作为EMD中的待拟合点，然后再用分段幂函数对切触均值点和局部极值点进行插值拟合，最后将抽值后的曲线段拼接，即为最终的平均包络。

进一步的，获得平均包络的具体方法包括：

将所有局部极值点按时间序列排列，记为p(t₁，y₁)，p(t₂，y₂)，...，p(t_n，y_n)，其中ti是极值点出现的时刻，yi是极值点的幅值；设p(t_i-1，y_i-1)，p(t_i，y_i)，p(t_i+1，y_i+1)是三个相邻的极值点，切触均值点为：

随后进行分段幂函数插值，设待插值点为P(t₁，y₁)，P(t₂，y₂)，...，P(t_n，y_n)，y＝f(x)为插值函数，用分段幂函数对任意三个相邻的点

p(t_i-1，y_i-1)，p(t_i，y_i)，p(t_i+1，y_i+1)进行插值：

再次用分段幂函数对f_i+1(t)插值，即可得到P(t_i+1，y_i+1)两点间的插值曲线：

把插值得到的线段拼接起来，即为平均包络。

进一步的，步骤600的具体方法为：

利用电缆本身存在的阻抗会导致它的两端波形会存在相位的超前或者滞后的原理，通过测量电缆两端的电压波形，建立波形与阻抗之间的关系。进一步，结合电缆故障点造成的等效阻抗，进而判断故障点位置：

设电源U₁＝Asinωt，电缆阻抗为Z＝α+βj，故障点等效阻抗为R_L，

则电流为I＝U₁/Z+R_L，测量端电压为

则U₁与U₂的相位差为：

设电缆长为l，R0是单位长度电缆电阻，L0是单位长度电缆电感，C0是单位长度电缆电容。

则可得：

这样就建立起了电缆长度l与相位差θ，以及故障等效阻抗之间的关系。

进一步的，步骤900中，基于双向行波的双端测距方法包括：

在电缆线路两端均设置启动器和发生器，故障行波传输到一端时，该端的启动器M开始工作，计时为t1；行波传输到另一端端后，另一端的启动器N同时启动，此时发生器开始工作；发生器接到启动器的指示后开始发信号计时t2，通过记录的时间，实现故障定位；

已知总长度M_N，波速度V，则故障长度O_M＝(M_N+V(t2-t1))/2。

进一步的，步骤800中，将步骤600与步骤700获得的故障点距离进行算数平均，取得故障的定位结果。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被一个或多个处理器执行时，实现如权利要求4-9任一项所述方法的步骤。

本发明的积极效果为：

本发明提出了一种改进的电缆故障精确识别定位装置及方法，辅助运维人员及时发现电缆故障隐患，保证电缆运行正常，减少电力事故的发生，为电网电缆线路的智能检测提供有效的解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明定位装置的工作示意图；

图2为本发明基于双向行波的双端测距方法原理示意图。

具体实施方式

如附图1所示，本发明的一种基于行波原理的多源数据融合的高压电缆线路故障在线定位装置包括数据收集装置、数据后台、服务器以及设备前端。

所述的数据收集装置用于采集现场故障电缆的参数数据，将数据传输至数据后台。

所述的数据后台用于收集故障电缆的参数数据。汇总数据后，打包至服务器。

所述的服务器，采用大容量、高算力计算机，分析处理数据，将分析结果打包发送至设备前端。

所述的设备前端指包括平板电脑、手机终端等便携设备，用于将故障诊断信息发送至运行维护人员。

在电缆线路两端安装数据收集装置，数据收集装置收集数据后，送至后台处理，后台将数据传输至服务器，进一步进行算法的计算。服务器将诊断结果推送至维修人员的手持平板电脑或手机上，实现故障的实时预警。

一种基于行波原理的多源数据融合的高压电缆线路故障在线定位方法，其包括如下步骤：

步骤100，根据各种电缆服役环境的不同，分析电缆老化及故障机理，确定电缆在不同服役条件下的电阻、电容、电感等电气特性。

步骤200，采用RLC/PI构建电缆的等效电路，模拟各种电缆运行时的状况。

步骤300，选取PSO去噪对电流信号进行去噪处理，可更好提取故障发生时的有效波形信号，降噪效果更加明显。

步骤400，采用改进的Hilbert-Huang变换对历史故障电流信号进行分析，获取IMF分量及其对应的瞬时包络和频率、Hilbert谱及其边际谱。

EMD法是在对信号的局部极值点拟合构造包络线的基础上进行的。包络拟合将直接影响EMD的整个筛分过程，决定着最终的分析效果和准确性度。其中，影响包络拟合的关键因素是插值法的选取。而对于同一信号来说，采用的插值法不同，构造的包络线的效果也不同，而平均包络与信号的逼近程度将直接影响着后续的筛分过程，而且对EMD的筛分结果的准确性影响很大。因此要想达到EMD筛分的理想效果，选择合适的插值拟合法是首要条件和基础。在原始的EMD中构造包络拟合采用的是三次样条插值法进行拟合的，虽然三次样条插值法在一定程度上能够保证一定的光滑性，但是对于非均匀的插值点来说这种插值法很容易造成过冲、欠冲问题，同时会出现模态混叠、虚假频率信息以及筛分效率低等问题。

由于当信号的上、下包络近似对称时，利用上、下包络的求平均包络是不合适的。在上述包络拟合问题及合适的插值法所具有的特点的分析基础上，针对EMD过程中包络拟合出现的过冲、欠冲现象和筛分速度等问题。本发明首先采用切触均值点对局部极值点进行增密，将切触均值点和原先的局部极值点作为EMD中的待拟合点，然后再用分段幂函数对切触均值点和局部极值点进行插值拟合，最后将插值后的曲线段拼接，即为最终的平均包络。

由于待插值点分布的密集度直接决定着插值精度和拟合效果，因此通过切触均值点对极值点增密可以优化拟合效果，进而抑制或消除包络拟合中的过冲和欠冲现象。

将所有局部极值点按时间序列排列，记为p(t₁，y₁)，p(t₂，y₂)，...，p(t_n，y_n)，其中ti是极值点出现的时刻，yi是极值点的幅值；设p(t_i-1，y_i-1)，p(t_i，y_i)，p(t_i+1，y_i+1)是三个相邻的极值点，切触均值点为：

随后进行分段幂函数插值，设待插值点为P(t₁，y₁)，P(t₂，y₂)，...，P(t_n，y_n)，y＝f(x)为插值函数，用分段幂函数对任意三个相邻的点p(t_i-1，y_i-1)，p(t_i，y_i)，p(t_i+1，y_i+1)进行插值：

再次用分段幂函数对f_i+1(t)插值，即可得到P(t_i+1，y_i+1)两点间的插值曲线：

把插值得到的线段拼接起来，就可以得到平均包络。先前研究表明，切触均值法能有效减少HHT中过冲和欠冲现象，并解决筛分效率低等问题。

步骤500，将经过改进的Hilbert-Huang变换处理后的故障相电流的分解信号与标准信号进行对比，从而确定故障类型，获得极佳的信号分析结果。

步骤600，分析电缆自身的电容、电感和阻抗等电气特征，结合其两端波形产生的相位超前或者滞后，获得其相位差与电缆长度存在的内在关系，最终获取电缆故障点距离。

利用电缆本身存在的阻抗会导致它的两端波形会存在相位的超前或者滞后的原理，通过测量电缆两端的电压波形，建立波形与阻抗之间的关系。进一步，结合电缆故障点造成的等效阻抗，进而判断故障点位置：

设电源U₁＝Asinωt，电缆阻抗为Z＝α+βj，故障点等效阻抗为R_L，其中A为电压幅值，

则电流为I＝U₁/Z+R_L，测量端电压为

则U₁与U₂的相位差为：

设电缆长为l，R0是单位长度电缆电阻，L0是单位长度电缆电感，C0是单位长度电缆电容。

则可得：

这样就建立起了电缆长度l与相位差θ，以及故障等效阻抗之间的关系。

本步骤是基于相速度的电缆故障定位方法，包括：采用电缆双端信号波形的相位差计算电缆长度方法以及故障等效的阻抗融入到电缆中计算故障距离方法。

所述的采用电缆双端信号波形的相位差计算电缆长度方法是利用电缆本身存在的阻抗会导致它的两端波形会存在相位的超前或者滞后的原理，通过测量电缆两端的电压波形，电缆本身自带的电容、电感导致两端电压波形产生位移，位移的大小随电缆长度变化而改变。

所述的故障等效的阻抗融入到电缆中计算故障距离方法是指由故障造成的等效阻抗并入到电缆中计算整体的阻抗，建立更加精确的相位差与故障距离的关系，提高故障判据的精确度。

基于相速度的电缆故障定位方法是将采用电缆双端信号波形的相位差计算电缆长度方法以及故障等效的阻抗融入到电缆中计算故障距离方法两种方法组合。将故障电阻融入到电缆的参数中，在电缆两端采集故障信号，随着故障距离的改变使得电缆两端的电压和电流信号的相位发生改变，更加准确的计算出电缆故障的距离。

步骤700，基于双向行波的双端测距方法，利用同步时钟检测由故障点发出的双向行波到M、N端的时间，时间比率求得后，根据电缆线路的总长度可以求得故障点距离；电缆线路两端(如图2所示的M端和N端)设置数据采集装置(启动器和发生器)。故障行波传输到M端时，该端的启动器M开始工作，计时为t1；行波传输到N端后，该端的启动器N同时启动，此时发生器开始工作。发生器接到启动器的指示后开始发信号计时t2。通过记录的时间，实现故障定位。

步骤800，运用多源融合技术提高故障诊断精度，将基于双向行波的双端测距与相位测距方法数据整合，将步骤600与步骤700获得的故障点距离进行算数平均，最终确定电缆故障的距离。

一种基于相速度的电缆故障定位与基于双向行波的双端测距融合的定位方法，将基于相速度的电缆故障定位与基于双向行波的双端测距的定位结果，算数平均后，取得故障的定位结果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将所述终端设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中，上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述终端设备中模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于行波原理的多源数据融合的高压电缆线路故障在线定位方法，其特征在于，采用的装置包括：

数据收集装置，用于采集现场故障电缆的参数数据，并将数据传输至数据后台；数据后台，用于收集数据收集装置发来的故障电缆的参数数据，汇总后发送至服务器；

服务器，用于分析处理数据后台发来的数据，将分析结果发送至设备前端；

以及设备前端，用于将服务器分析的故障诊断信息发送至运行维护人员；

所述在线定位方法包括如下步骤：

步骤100，根据各种电缆服役环境的不同，分析电缆老化及故障机理，确定电缆在不同

服役条件下的电气特性；

步骤200，采用RLC/PI构建电缆的等效电路，模拟各种电缆运行时的状况；

步骤300，选取PSO去噪对电流信号进行去噪处理；

步骤400，采用改进的Hilbert-Huang变换对历史故障电流信号进行分析，获取IMF分量及其对应的瞬时包络和频率、Hilbert谱及其边际谱；

步骤500，将经过改进的Hilbert-Huang变换处理后的故障相电流的分解信号与标准信号进行对比，从而确定故障类型，获得信号分析结果；

步骤600，采用相位测距方法计算电缆长度，分析电缆自身的电容、电感和阻抗等电气特征，结合其两端波形产生的相位超前或者滞后，获得其相位差与电缆长度存在的内在关系，最终获取电缆故障点距离；

步骤700，利用基于双向行波的双端测距方法，利用同步时钟检测由故障点发出的双向行波到M、N端的时间，时间比率求得后，根据电缆线路的总长度可以求得故障点距离；

步骤800，运将基于双向行波的双端测距与相位测距方法数据整合，最终确定电缆故障的距离；

在步骤500中，采用改进的Hilbert-Huang变换对历史故障电流信号进行分析获取包络时，首先采用切触均值点对局部极值点进行增密，将切触均值点和原先的局部极值点作为EMD中的待拟合点，然后再用分段幂函数对切触均值点和局部极值点进行插值拟合，最后将插值后的曲线段拼接，即为最终的平均包络；

获得平均包络的具体方法包括：

将所有局部极值点按时间序列排列，记为p(t₁，y₁)，p(t₂，y₂)，...，p(t_n，y_n)，其中ti是极值点出现的时刻，yi是极值点的幅值；设p(t_i-1，y_i-1)，p(t_i，y_i)，p(t_i+1，y_i+1)是三个相邻的极值点，切触均值点为：

随后进行分段幂函数插值，设待插值点为P(t₁，y₁)，P(t₂，y₂)，...，P(t_n，y_n)，y＝f(x)为插值函数，用分段幂函数对任意三个相邻的点p(t_i-1，y_i-1)，p(t_i，y_i)，p(t_i+1，y_i+1)进行插值：

再次用分段幂函数对f_i+1(t)插值，即可得到P(t_i+1，y_i+1)两点间的插值曲线：

把插值得到的线段拼接起来，即为平均包络；

步骤600的具体方法为：

利用电缆本身存在的阻抗会导致它的两端波形会存在相位的超前或者滞后的原理，通过测量电缆两端的电压波形，建立波形与阻抗之间的关系，进一步，结合电缆故障点造成的等效阻抗，进而判断故障点位置；

设电源U₁＝A sinωt，电缆阻抗为Z＝α+βj，故障点等效阻抗为R_L，

则电流为I＝U₁/Z+R_L，测量端电压为

则U₁与U₂的相位差为：

设电缆长为l，R₀是单位长度电缆电阻，L₀是单位长度电缆电感，C₀是单位长度电缆电容；

则可得：

这样就建立起了电缆长度l与相位差θ，以及故障等效阻抗之间的关系。

2.根据权利要求1所述的一种基于行波原理的多源数据融合的高压电缆线路故障在线定位方法，其特征在于所述服务器为计算机。

3.根据权利要求1所述的一种基于行波原理的多源数据融合的高压电缆线路故障在线定位方法，其特征在于所述设备前端为便携移动设备。

4.根据权利要求1所述的一种基于行波原理的多源数据融合的高压电缆线路故障在线定位方法，其特征在于步骤900中，基于双向行波的双端测距方法包括：在电缆线路两端均设置启动器和发生器，故障行波传输到一端时，该端的启动器M开始工作，计时为t1；行波传输到另一端端后，另一端的启动器N同时启动，此时发生器开始工作；发生器接到启动器的指示后开始发信号计时t2，通过记录的时间，实现故障定位；

已知总长度M_N，波速度V，则故障长度O_M＝(M_N+V(t2-t1))/2。

5.根据权利要求1所述的一种基于行波原理的多源数据融合的高压电缆线路故障在线定位方法，其特征在于步骤800中，将步骤600与步骤700获得的故障点距离进行算数平均，取得故障的定位结果。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被一个或多个处理器执行时，实现如权利要求4-5任一项所述方法的步骤。

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