CN113093050A - 电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法及系统 - Google Patents

电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法及系统，包括获取电缆首端接地线电流信号；对采样数据做差分运算，差分绝对值大于所设定阈值则判定发生暂态过程，奇数次暂态过程时刻为故障起始时刻，反之为故障终止时刻，两相邻起止时刻之间为故障持续时间；故障持续时间小于1个周波则认为该次故障为短周期早期故障；故障持续时间大于1个周波，选取故障起始时刻后第2个周波～第4个周波的信号，对该时窗内的信号做傅里叶变换获得该段信号的频率成分及幅值；基于工频分量与谐波分量的幅值比辨识出多周期早期故障和严重故障。本发明属于电缆故障辨识技术领域，具体是指电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法及系统。

Description

电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法及系统
技术领域
本发明属于电缆故障辨识技术领域，具体是指一种基于电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法及系统。
背景技术
近年来，我国经济发展带动了城镇化和工业化水平的不断加深，电力系统也得到了长足的发展，配电网系统规模不断扩大，结构愈发复杂，电力电缆在城网供电中占比加大，配电网原有架空线路逐渐被地下电缆取代。
配电网地下电缆通常采用排管或直埋的方式铺设，电缆在工作中容易受到外力、潮气、化学污染等因素影响而造成损伤，进一步发展为电缆早期故障，如早期故障不能及时得到清除，可能会引发单相故障，甚至会导致电网部分区域停电，造成重大经济损失，危害社会生产生活正常秩序。
目前，对配电网电缆线路的早期故障，还没有系统且有效的辨识方法。因此研究可靠、精准的电缆早期故障辨识技术对于及时辨识电缆早期故障，防止故障扩大，保障电力系统安全稳定运行具有重要意义。
发明内容
为了解决上述难题，本发明提供了一种在配电网电缆线路中，既能实现可靠、精准的电缆早期故障辨识，又能确定故障的起止时刻，能够有效提高配电网的运行稳定性、可靠性的电缆早期故障辨识方法及系统。
为了实现上述功能，本发明采取的技术方案如下：电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法，包括：
获取电缆首端接地线电流信号；
对所述电缆首端接地线电流信号做差分运算，差分绝对值大于所设定阈值则判定发生暂态过程，奇数次暂态过程时刻为故障起始时刻，偶数次暂态过程时刻为故障终止时刻，两相邻起止时刻之间为故障持续时间；
故障持续时间小于1个周波则认为该次故障为短周期早期故障；
故障持续时间大于1个周波，选取故障起始时刻后第2个周波～第4个周波的信号，对该时窗内的信号做傅里叶变换获得该段信号的频率成分及幅值；
基于工频分量与谐波分量的幅值比辨识故障类型，若工频分量与谐波分量的幅值比满足早期故障的判据，则确定该次故障为多周期早期故障，否则确定发生了严重故障。
可选地，所述电缆接地线电流差分ΔI(k)的计算公式为：
ΔI(k)＝I(k+1)-I(k) (k＝0,1,…,n)
式中，I(k)为电缆首端接地线所测得电流信号，k为采样点数。
可选地，电流差分绝对值|ΔI(k)|大于设定的阈值则认为发生了暂态过程，判定公式为：
|ΔI(k)|＞Is
式中，|ΔI(k)|为计算的电流差分绝对值值，Is为所述设定的阈值。
所述Is的获取方法为：
基于仿真系统，仿真电缆发生早期故障、严重故障和系统扰动的情况，获得每种情况下接地线电流的最大差分绝对值，取最大差分绝对值中的最小值，最终获得Is。
可选地，所述故障持续时间的计算方法为：
奇数次暂态过程时刻为故障起始时刻，偶数次暂态过程时刻为故障终止时刻，两相邻起止时刻之间为故障持续时间。
可选地，故障持续时间小于1个周波则认为该次故障为短周期早期故障。故障持续时间大于1个周波，选取故障起始时刻后第2个周波～第4个周波的信号，对该时窗内的信号做傅里叶变换获得该段信号的频率成分及幅值。
所述多周期早期故障与严重故障的辨识判据为：
Figure BDA0003002288440000031
式中，I(p)为工频分量的幅值，I(ω)为最大谐波分量的幅值，K为幅值比的预设值。
所述K的获取方法为：
基于仿真系统，仿真出电缆发生多周期故障、严重故障时工频分量与最大谐波分量的幅值比，最终获得K。
本发明还提供了电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识系统，包括：
获取单元，用于获取电缆首端接地线电流信号；
第一计算单元，用于对采样数据做差分运算，比较差分绝对值ΔI(k)与阈值Is的大小，记录故障起止时刻；
第二计算单元，用于识别故障持续时间是否小于1个周波；
第三计算单元，用于所述故障持续时间大于1个周波的暂态过程，计算故障起始时刻后第2个周波～第4个周波时窗内的信号频率成分及幅值；
第四计算单元，用于计算工频分量与最大谐波分量的幅值比，输出识别结果。
本发明采取上述结构取得有益效果如下：本发明提供的电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法及系统，基于对早期故障时接地线电流时频特征的研究，使用差分运算来辨识早期故障起始时间与终止时间，从而获得故障持续时间，识别短周期早期故障，并利用频率分量幅值比的特征来确定多周期早期故障和严重故障。所提方法仅需要获取首端接地线电流，不需要高精度多源数据的支持，也不依赖复杂的数据处理，避免了数据量过大导致对配电网数据处理系统的压力。仿真结果表明本方法能准确辨识出电缆早期故障，方法简单，成本低廉，并且能够确定出故障的起止时刻。
附图说明
图1为本发明电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法的流程图；
图2为本发明电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法及系统的一种实施例中的配电网电缆线路仿真图；
图3为本发明电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法及系统的仿真的多周期早期故障的电流波形；
图4为本发明电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法及系统的仿真的永久性接地故障的电流波形；
图5为本发明电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法及系统的多周期早期故障提取的接地线电流故障起始时刻后第2个周波～第4个周波时窗内的信号频率成分及幅值图；
图6为本发明电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法及系统的永久性接地故障提取的接地线电流故障起始时刻后第2个周波～第4个周波时窗内的信号频率成分及幅值图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。以下结合附图，对本发明做进一步详细说明。
如图1-6所示，本发明电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法，包括：
获取电缆首端接地线电流信号；
对所述电缆首端接地线电流信号做差分运算，差分绝对值大于所设定阈值则判定发生暂态过程，奇数次暂态过程时刻为故障起始时刻，偶数次暂态过程时刻为故障终止时刻，两相邻起止时刻之间为故障持续时间；
故障持续时间小于1个周波则认为该次故障为短周期早期故障；
故障持续时间大于1个周波，选取故障起始时刻后第2个周波～第4个周波的信号，对该时窗内的信号做傅里叶变换获得该段信号的频率成分及幅值；
基于工频分量与谐波分量的幅值比辨识故障类型，若工频分量与谐波分量的幅值比满足早期故障的判据，则确定该次故障为多周期早期故障，否则确定发生了严重故障。
可选地，所述电缆接地线电流差分ΔI(k)的计算公式为：
ΔI(k)＝I(k+1)-I(k) (k＝0,1,…,n)
式中，I(k)为电缆首端接地线所测得电流信号，k为采样点数。
可选地，电流差分绝对值|ΔI(k)|大于设定的阈值则认为发生了暂态过程，判定公式为：
|ΔI(k)|＞Is
式中，|ΔI(k)|为计算的电流差分绝对值，Is为所述设定的阈值。
所述Is的获取方法为：
基于仿真系统，仿真电缆发生早期故障、严重故障和系统扰动的情况，获得每种情况下接地线电流的最大差分绝对值，取最大差分绝对值中的最小值，最终获得Is。
可选地，所述故障持续时间的计算方法为：
奇数次暂态过程时刻为故障起始时刻，偶数次暂态过程时刻为故障终止时刻，两相邻起止时刻之间为故障持续时间。
可选地，故障持续时间小于1个周波则认为该次故障为短周期早期故障。故障持续时间大于1个周波，选取故障起始时刻后第2个周波～第4个周波的信号，对该时窗内的信号做傅里叶变换获得该段信号的频率成分及幅值。
所述多周期早期故障与严重故障的辨识判据为：
Figure BDA0003002288440000061
式中，I(p)为工频分量的幅值，I(ω)为最大谐波分量的幅值，K为幅值比的预设值。
所述K的获取方法为：
基于仿真系统，仿真出电缆发生多周期故障、严重故障时工频分量与最大谐波分量的幅值比，最终获得K。
本发明还提供了电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识系统，包括：
获取单元，用于获取电缆首端接地线电流信号；
第一计算单元，用于对采样数据做差分运算，比较差分绝对值与阈值的大小，记录故障起止时刻；
第二计算单元，用于识别故障持续时间是否小于1个周波；
第三计算单元，用于所述故障持续时间大于1个周波的暂态过程，计算故障起始时刻后第2个周波～第4个周波时窗内的信号频率成分及幅值；
第四计算单元，用于计算工频分量与最大谐波分量的幅值比，输出识别结果
实施例1
本发明实施例中提供了电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法，包括以下步骤：
(1)获取电缆首端接地线电流信号；
在具体实施过程中，所述电缆接地线电流信号可以利用高精度电流互感器进行测量获得，电流互感器放置在电缆线路的首端。
(2)对采样数据做差分运算，差分绝对值大于所设定阈值则判定发生暂态过程，；
(3)奇数次暂态过程时刻为故障起始时刻，偶数次暂态过程时刻为故障终止时刻，两相邻起止时刻之间为故障持续时间；
(4)故障持续时间小于1个周波则认为该次故障为短周期早期故障；故障持续时间大于1个周波，选取故障起始时刻后第2个周波～第4个周波的信号，对该时窗内的信号做傅里叶变换获得该段信号的频率成分及幅值；
(5)基于工频分量与谐波分量的幅值比辨识出多周期早期故障和严重故障。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述电缆接地线电流差分ΔI(k)的计算公式为：
ΔI(k)＝I(k+1)-I(k) (k＝0,1,…,n)
式中，I(k)为电缆首端接地线所测得电流信号，k为采样点数。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，电流差分绝对值|ΔI(k)|大于设定的阈值则认为发生了暂态过程，判定公式为：
|ΔI(k)|＞Is
式中，|ΔI(k)|为计算的电流差分绝对值值，Is为所述设定的阈值。
所述Is的获取方法为：
基于仿真系统，仿真电缆发生早期故障、严重故障和系统扰动的情况，获得每种情况下接地线电流的最大差分绝对值，取最大差分绝对值中的最小值，最终获得Is。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述故障持续时间的计算方法为：
奇数次暂态过程时刻为故障起始时刻，偶数次暂态过程时刻为故障终止时刻，两相邻起止时刻之间为故障持续时间。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，故障持续时间小于1个周波则认为该次故障为短周期早期故障。故障持续时间大于1个周波，选取故障起始时刻后第2个周波～第4个周波的信号，对该时窗内的信号做傅里叶变换获得该段信号的频率成分及幅值。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述多周期早期故障与严重故障的辨识判据为：
Figure BDA0003002288440000081
式中，I(p)为工频分量的幅值，I(ω)为最大谐波分量的幅值，K为幅值比的预设值。
所述K的获取方法为：
基于仿真系统，仿真出电缆发生多周期故障、严重故障时工频分量与最大谐波分量的幅值比，最终获得K。
实施例2
基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了一种基于电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识系统，包括：
获取单元，用于获取电缆首端接地线电流信号；
第一计算单元，用于对采样数据做差分运算，比较差分绝对值ΔI(k)与阈值ΔI(k)的大小，记录故障起止时刻；
第二计算单元，用于识别故障持续时间是否小于1个周波；
第三计算单元，用于所述故障持续时间大于1个周波的暂态过程，计算故障起始时刻后第2个周波～第4个周波时窗内的信号频率成分及幅值；
第四计算单元，用于计算工频分量与最大谐波分量的幅值比，输出识别结果。
其余部分均与实施例1相同。
仿真验证
为了验证本发明的有效性与可靠性，在PSCAD/EMTDC中搭建如图1所示的仿真模型，线路模型选择频率相关模型，中性点不接地方式运行，采样频率为500kHz。选择某一电缆支路分别设置短周期早期故障、多周期早期故障和永久性接地故障，电缆首端测量到的接地线电流和相电流如图3、图4所示。
图3为仿真的多周期早期故障的电流波形，其中，Isg为电缆接地线电流，Isa、Isb、Isc分别为三相相电流。图5为提取的接地线电流故障起始时刻后第2个周波～第4个周波时窗内的信号频率成分及幅值。
图4为仿真的永久性接地故障的电流波形，其中，Isg为电缆接地线电流，Isa、Isb、Isc分别为三相相电流。图6为提取的接地线电流故障起始时刻后第2个周波～第4个周波时窗内的信号频率成分及幅值。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)获取电缆首端接地线电流信号；
2)对采样数据做电缆接地线电流差分运算，差分绝对值大于所设定阈值则判定发生暂态过程，奇数次暂态过程时刻为故障起始时刻，偶数次暂态过程时刻为故障终止时刻，两相邻起止时刻之间为故障持续时间；
3)故障持续时间小于1个周波则认为该次故障为短周期早期故障；故障持续时间大于1个周波，选取故障起始时刻后第2个周波～第4个周波的信号，对该时窗内的信号做傅里叶变换获得该段信号的频率成分及幅值；
4)基于工频分量与谐波分量的幅值比辨识故障类型，若工频分量与谐波分量的幅值比满足早期故障的判据，则确定该次故障为多周期早期故障，否则确定发生了严重故障。
2.根据权利要求1所述的电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法，其特征在于：所述步骤2)中的电流差分ΔI(k)的计算公式为：
ΔI(k)＝I(k+1)-I(k) (k＝0,1,...,n)
式中，I(k)为电缆首端接地线所测得电流信号，k为采样点数。
3.根据权利要求2所述的电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法，其特征在于：所述步骤2)中的电流差分绝对值|ΔI(k)|大于设定的阈值则认为发生了暂态过程，公式为：
|ΔI(k)|＞Is
式中，|ΔI(k)|为计算的电流差分绝对值，Is为所述设定的阈值。
4.根据权利要求3所述的电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法，其特征在于：所述Is的获取方法为：基于仿真系统，仿真电缆发生早期故障、严重故障和系统扰动的情况，获得每种情况下接地线电流的最大差分绝对值，取最大差分绝对值中的最小值，最终获得Is。
5.根据权利要求4所述的电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法，其特征在于：所述步骤2)中的故障持续时间的计算方法为：奇数次暂态过程时刻为故障起始时刻，偶数次暂态过程时刻为故障终止时刻，两相邻起止时刻之间为故障持续时间。
6.根据权利要求5所述的一种电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法，其特征在于：所述步骤4)中的多周期早期故障与严重故障的辨识公式为：
Figure FDA0003002288430000021
式中，I(p)为工频分量的幅值，I(ω)为最大谐波分量的幅值，K为幅值比的预设值。
7.根据权利要求6所述的电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识方法，其特征在于：所述K的获取方法为：基于仿真系统，仿真出电缆发生多周期故障、严重故障时工频分量与最大谐波分量的幅值比，最终获得K。
8.电缆接地线电流时频特征的电缆早期故障辨识系统，其特征在于：包括：获取单元、第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元和第四计算单元；
获取单元，用于获取电缆首端接地线电流信号；
第一计算单元，用于对采样数据做差分运算，比较差分绝对值ΔI(k)与阈值Is的大小，记录故障起止时刻；
第二计算单元，用于识别故障持续时间是否小于1个周波；
第三计算单元，用于所述故障持续时间大于1个周波的暂态过程，计算故障起始时刻后第2个周波～第4个周波时窗内的信号频率成分及幅值；
第四计算单元，用于计算工频分量与最大谐波分量的幅值比，输出识别结果。
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