CN113295967A - 一种多特征量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法 - Google Patents

一种多特征量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多特征量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法。具体为：采集电缆首末端电流，获取电缆泄露电流；分别采集电缆首末端的电压和电流，获取电缆介电损耗因数；预处理电缆，利用高压直流电源对其进行指定时间的极化，获取电缆老化因子；将得到的电缆泄漏电流、介质损耗因数和老化因子利用标准残差法对其进行异常数据剔除；再根据电缆绝缘安全约束条件，判断异常数据剔除后的数据中是否存在绝缘老化数据；若判定为存在绝缘老化数据，利用电缆泄漏电流、介质损耗因数和老化因子聚类中心结果及权重，判定电缆绝缘老化等级。保障了得到的多指标老化数据以及判定结果的可靠性，使得电缆的老化等级判定结果更为全面。

Description

一种多特征量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法
技术领域
本发明属于电缆绝缘状态监测技术领域，特别是涉及一种多特征量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法。
背景技术
由于空间走廊与环境保护的要求，电力电缆因其良好的电气、力学性能逐渐替代传统架空线被广泛应用于城市电网建设中。然而在长时间运行过程中，电缆绝缘材料受到多种因素作用会发生老化，其力学、热学、电学等性能下降，威胁着电力系统的安全可靠运行。因此，了解电缆的绝缘老化状态，对保障设备乃至系统的安全运行具有十分重要的意义。
在电力电缆绝缘老化检测技术中，目前已有的方法主要有直流成分法、局部放电法、低频叠加法、直流叠加法、逐级耐压法等。其中，直流成分法通过电缆绝缘直流漏电流大小来判断电缆绝缘老化状态，但直流分量不易检测，且容易被其他信号干扰；局部放电法通过检测电缆绝缘层中的局部放电量，基于其值大小对电缆绝缘状态进行评价，但电力电缆的局部放电信号微弱、波形复杂多变难以区分；低频叠加法通过在电缆的芯线与金属护层之间施加低频电压，以检测流经电缆绝缘层的低频电流，进一步计算绝缘电阻来评判电缆老化程度，但其监测结果易受工频及高次谐波等因素影响；直流叠加法通过在电缆原有的交流电压上叠加低压直流电压，检测流过电缆绝缘的直流电流，继而计算绝缘电阻来判断电缆绝缘老化状态，但其测量精度受杂散电流的影响较大；逐级耐压法将宏观现象与微观机理联系到一起，可直接判断电缆绝缘性能，但若放电时间短不足以使电缆绝缘击穿，则会使测量结果产生较大的误差。同时，国内针对电缆状态监测的研究主要集中于某一老化指标，并没有综合考虑通过多指标评估电缆绝缘状态。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种多特征量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法，解决现有技术中电缆绝缘状态检测中老化指标单一使判定结果片面、不精准的问题，及现有技术中电缆绝缘老化状态监测时易受其他信号干扰，监测到的电信号微弱、波形复杂多变难以区分，监测结果易受工频及高次谐波等因素影响的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种多特征向量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、采集电缆首末端电流，根据基尔霍夫电流定律获取电缆泄露电流；
分别采集电缆首末端的电压和电流，获取电缆介电损耗因数；
预处理电缆，利用高压直流电源对其进行指定时间的极化，采样等温松弛电流并对其进行拟合，获取电缆老化因子；
步骤S2：先将步骤S1中得到的电缆泄漏电流、介质损耗因数和老化因子利用标准残差法对其进行异常数据剔除；再根据电缆绝缘安全约束条件，判断异常数据剔除后的数据中是否存在绝缘老化数据；
步骤S3：若步骤S2中判定为存在绝缘老化数据，利用电缆泄漏电流、介质损耗因数和老化因子聚类中心结果及权重，判定电缆绝缘老化等级。
进一步的，所述步骤S1中获取电缆泄露电流具体为：
采集电缆首末端电流，电缆泄露电流等于电缆首端电流减去电缆末端电流，则电缆泄露电流为：
Figure BDA0003130283390000021
式中，
Figure BDA0003130283390000022
为电缆首端电流；
Figure BDA0003130283390000023
为电缆末端电流。
进一步的，所述步骤S1中获取电缆介电损耗因数具体为：
介电损耗角δ等于流过绝缘材料的电流与施加在绝缘上的电压之间相位差的余角：则电缆介电损耗因数为：
Figure BDA0003130283390000024
Figure BDA0003130283390000025
式中，
Figure BDA0003130283390000026
为电缆首端电压；
Figure BDA0003130283390000027
为电缆首末端电压；I0为泄漏电流的幅值；θ为泄漏电流相角；U0为电缆首末端电压和幅值；
Figure BDA0003130283390000028
为电缆首末端电压和相角；tanδ为电缆介电
损耗因数；sinh(·)为双曲正弦函数；2l为电缆总长度；γ为电缆传播系数，且
Figure BDA0003130283390000029
Zc为电缆波阻抗，且
Figure BDA00031302833900000210
Y0为电缆绝缘每单位长度的等效导纳，S/m；R0为电缆线芯单位长度的等效电阻，Ω/m；G0为电缆主绝缘单位长度的等效电导，S/m；L0为电缆线芯单位长度的等效电感，H/m；Z0为电缆绝缘每单位长度的等效阻抗，Ω/m；C0为单位长度电缆主绝缘的等效电容，F/m；j为虚数单位；ω为角频率。
进一步的，所述步骤S1中获取电缆老化因子具体为：
取电缆试样，将电缆试样两端外屏蔽层剥离一段正常对接线的长度，电缆一端可靠绝缘，另一端接极化用高压直流电源，其中导体接正，外金属屏蔽接地，在等温条件下用高压直流电源极化指定时间q秒，采样记录松弛电流；采样得到的等温松弛电流用MATLAB进行软件拟合，得到反映陷阱密度的参数ai以及反映陷阱深度的参数τi，其中i＝1，2，3，根据陷阱密度参数ai及陷阱深度参数τi得到电缆绝缘内无定形与晶体界面影响对应的物理量：
Figure BDA0003130283390000031
其中，e为自然指数；
电缆绝缘内金属盐和水合离子影响对应的物理量：
Figure BDA0003130283390000032
则电缆的老化因子：
Figure BDA0003130283390000033
进一步的，所述步骤S2具体包含以下步骤：
步骤S2.1：判断电缆泄漏电流是否存在绝缘老化数据，包括以下步骤：
步骤S2.1.1：剔除泄露电流异常数据
对泄露电流进行直线回归分析，求得校准曲线回归方程为：
Figure BDA0003130283390000034
其中，
Figure BDA0003130283390000035
为第n个校准后的泄露电流，a为泄露电流校准回归方程的常数项，b为泄露电流校准回归系数，n为泄露电流序列，In为第n个电缆泄露电流；
计算残差en和残差标准差s：
Figure BDA0003130283390000041
Figure BDA0003130283390000042
其中，
Figure BDA0003130283390000043
为第n个校准后泄露电流；m为泄露电流的总个数；
标准化残差：
Figure BDA0003130283390000044
其中，中间变量
Figure BDA0003130283390000045
设定固定的显著性水平α及自由度m-2，查t分布分位表得知标准化残差临界值tα，m-2，若tp≥tα，n-2，则该数据为异常，将其剔除；若tp＜tα，n-2，则该数据为正常，将其保留；
步骤S2.1.2：判断剔除异常泄露电流后的数据中是否存在绝缘老化数据：
若泄露电流I＞2I0，则判断此数据为泄漏电流老化数据；其中，I0为正常泄漏电流；
步骤S2.2：判断电缆介电损耗因数是否存在绝缘老化数据，包括以下步骤
步骤S2.2.1：采用与步骤S2.1.1相同的方法剔除电缆介电损耗因数异常数据；
步骤S2.2.2：判断剔除异常介电损耗因数后的数据中是否存在绝缘老化数据：
若介电损耗因数tanδ＞0.002，则判断此数据为介质损耗因数老化数据；
步骤S2.3：判断电缆老化因子是否存在绝缘老化数据，包括以下步骤：
步骤S2.3.1：采用与步骤S2.1.1相同的方法剔除电缆老化因子异常数据；
步骤S2.3.2：判断剔除异常老化因子的数据中是否存在绝缘老化数据：
若老化因子A＞1.75，则判断此数据为老化因子老化数据；
若泄露电流、电缆介电损耗因数、电缆老化因子中没有出现绝缘老化数据，则返回步骤S1继续执行；若泄露电流、电缆介电损耗因数、电缆老化因子其中一项出现绝缘老化数据，则执行步骤S3。
进一步的，所述步骤S3中判定电缆绝缘老化等级具体为先利用绝缘老化数据分别聚类中心处理初步判断电缆绝缘老化等级，进行聚类中心处理的数学模型为：
Figure BDA0003130283390000051
Figure BDA0003130283390000052
Figure BDA0003130283390000053
其中，MI泄露电流绝缘老化数据聚类中心结果，Mtanδ为介质损耗因数绝缘老化数据聚类中心结果，MA为老化因子绝缘老化数据聚类中心结果，y为绝缘老化数据总个数，Ip为第p个泄露电流绝缘老化数据，tanδp为第p个介质损耗因数绝缘老化数据，Ap为第p个老化因子绝缘老化数据；
当泄漏电流聚类中心结果MI＜3I0，则判定待测电缆绝缘老化等级为轻度老化；当泄漏电流聚类中心结果3I0≤MI＜4I0，则判定待测电缆绝缘老化等级为中度老化；当泄漏电流聚类中心结果MI≥4I0，则判定待测电缆绝缘老化等级为严重老化；
当介质损耗因数聚类中心结果Mtanδ＜0.005，则判定待测电缆绝缘老化等级为轻度老化；介质损耗因数聚类中心结果0.005≤Mtanδ＜5，则判定待测电缆绝缘老化等级为中度老化；当介质损耗因数聚类中心结果Mtanδ≥5，则判定待测电缆绝缘老化等级为严重老化；
当老化因子聚类中心结果MA≤1.90，则判定待测电缆绝缘老化等级为轻度老化；老化因子聚类中心结果1.90＜MA≤2.10，则判定待测电缆绝缘老化等级为中度老化；老化因子聚类中心结果MA＞2.10，则判定待测电缆绝缘老化等级为严重老化；
若泄漏电流聚类中心结果、介质损耗因数聚类中心结果、老化因子聚类中心结果判定的电缆老化等级相同，则为最终的电缆老化等级；若泄漏电流聚类中心结果、介质损耗因数聚类中心结果、老化因子聚类中心结果判定的电缆老化等级不同，则进行继续执行以下判断：
首先对各老化指标的绝缘老化数据进行标准化处理，其数学模型为
Figure BDA0003130283390000061
Figure BDA0003130283390000062
Figure BDA0003130283390000063
其中，YI为泄漏电流绝缘老化数据标准化处理结果；Ip为第p个泄露电流绝缘老化数据，IX为泄露电流绝缘老化数据的集合；max(IX)为泄露电流绝缘老化数据的集合中的最大泄露电流绝缘老化数据；min(IX)为泄露电流绝缘老化数据的集合中的最小泄露电流绝缘老化数据；Ytanδ为介质损耗因数绝缘老化数据标准化处理结果；tanδp为第p个介质损耗因数绝缘老化数据；δX为介质损耗因数绝缘老化数据的集合；max(tanδX)为介质损耗因数绝缘老化数据的集合中的最大介质损耗因数绝缘老化数据；min(tanδX)为介质损耗因数绝缘老化数据的集合中的最小介质损耗因数绝缘老化数据；YA为老化因子绝缘老化数据标准化处理结果；Ap为第p个老化因子绝缘老化数据合；AX为老化因子老化数据的集合；max(AX)为老化因子绝缘老化数据的集合中的最大老化因子绝缘老化数据；min(AX)为老化因子绝缘老化数据的集合中的最小老化因子绝缘老化数据；
接着对泄漏电流、介质损耗因数、老化因子的绝缘老化数据的信息熵，其数学模型为：
Figure BDA0003130283390000064
其中，E为EI、Etanδ、EA；y为绝缘老化数据总个数；中间变量
Figure BDA0003130283390000065
Yp为YIp、Ytanδp、YAp；
最后计算泄漏电流、介质损耗因数、老化因子的绝缘老化数据的权重，其数学模型为：
Figure BDA0003130283390000071
其中，W为WI、Wtanδ、WA，f为老化指标总个数，取值为1,2,3；Er为第r个老化因子的信息熵；
将泄漏电流、介质损耗因数、老化因子泄漏电流、介质损耗因数、老化因子的绝缘老化数据的权重对应于相应的泄漏电流聚类中心结果、介质损耗因数聚类中心结果、老化因子聚类中心结果判定的电缆老化等级，将相同类型的电缆老化等级对应的权重相加，最终权重最大的老化等级为最终的电缆老化等级。
本发明的有益效果是：集合了泄漏电流、介质损耗因数和老化因子三个电缆老化评估指标，避免了单一指标对评估结果片面反映；绝缘泄漏电流包含着丰富的反映绝缘状态和特征参数的信息；介质损耗因数反映电缆自身介质损耗的特性，抗干扰能力强且测量精准性较高；老化因子与电气绝缘性能联系紧密，且评估电缆绝缘老化状态准确可靠。通过大数据分析算法对采集的数据进行分析，保障了得到的多指标老化数据以及判定结果的可靠性，使得电缆的老化等级判定结果更为全面。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种多特征向量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法流程示意图；
图2是电缆各相稳态分布参数模型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
如图1所示为本发明实施例提供的一种多特征向量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法流程示意图，具体包括以下步骤：
步骤S1：采集电缆首末端电流，根据基尔霍夫电流定律，电缆泄露电流等于电缆首端电流
Figure BDA0003130283390000081
减去电缆末端电流
Figure BDA0003130283390000082
则电缆泄露电流为：
Figure BDA0003130283390000083
电缆各相稳态分布参数模型如图2所示，其中，
Figure BDA0003130283390000084
为电缆首端电流；
Figure BDA0003130283390000085
为电缆首端电压；
Figure BDA0003130283390000086
为电缆上x点处的电流；
Figure BDA0003130283390000087
为电缆上x点处的电压；C0为单位长度电缆主绝缘的等效电容，F/m；G0为电缆主绝缘单位长度的等效电导，S/m；R0为电缆线芯单位长度的等效电阻，Ω/m；L0为电缆线芯单位长度的等效电感，H/m；l为电缆总长度的1/2；
Figure BDA0003130283390000088
为电缆末端电流；
Figure BDA0003130283390000089
为电缆末端电压；若电缆全长2l，在电缆长度内的任意一点x，取一微分段dx，x+dx点电压和电流分别为
Figure BDA00031302833900000810
对于x点，根据基尔霍夫电流和电压定律可得：
Figure BDA00031302833900000811
Figure BDA00031302833900000812
其中，j为虚数单位；ω为角频率；Y0为电缆绝缘每单位长度的等效导纳，S/m；Z0为电缆绝缘每单位长度的等效阻抗，Ω/m；
由式(2)和式(3)可得：
Figure BDA00031302833900000813
Figure BDA00031302833900000814
电缆的传播系数：
Figure BDA00031302833900000815
电缆的波阻抗：
Figure BDA00031302833900000816
将式(6)代入式(4)、(5)可得：
Figure BDA0003130283390000091
Figure BDA0003130283390000092
若已知电缆首端电流
Figure BDA0003130283390000093
和电压
Figure BDA0003130283390000094
则电缆末端电流
Figure BDA0003130283390000095
和电压
Figure BDA0003130283390000096
分别为：
Figure BDA0003130283390000097
Figure BDA0003130283390000098
其中，cosh(·)为双曲余弦函数；sinh(·)为双曲正弦函数。
则电缆首末端的电压差为：
Figure BDA0003130283390000099
若已知电缆末端电流
Figure BDA00031302833900000910
和电压
Figure BDA00031302833900000911
则电缆首端电流
Figure BDA00031302833900000912
和电压
Figure BDA00031302833900000913
分别为：
Figure BDA00031302833900000914
Figure BDA00031302833900000915
则电缆首末端的电压差为：
Figure BDA00031302833900000916
将式(12)和式(15)相减可得：
Figure BDA00031302833900000917
介电损耗角δ等于流过绝缘材料的电流与施加在绝缘上的电压之间相位差的余角，由式(16)可得：
Figure BDA00031302833900000918
Figure BDA00031302833900000919
式中，I0为泄漏电流的幅值；θ为泄漏电流的相角；U0为电缆首末端电压和的幅值；
Figure BDA00031302833900000920
为电缆首末端电压和的相角；tanδ为电缆介电损耗因数。
取电缆试样，将电缆试样两端外屏蔽层剥离一段正常对接线的长度，电缆一端可靠绝缘，另一端接极化用高压直流电源，其中导体接正，外金属屏蔽接地，在等温条件下用高压直流电源极化指定时间q秒，采样记录松弛电流；采样得到的等温松弛电流用MATLAB进行软件拟合，得到反映陷阱密度的参数ai以及反映陷阱深度的参数τi，其中i＝1，2，3，根据陷阱密度参数ai及陷阱深度参数τi得到电缆绝缘内无定形与晶体界面影响对应的物理量G(τ2)：
Figure BDA0003130283390000101
其中，e为自然指数。
电缆绝缘内金属盐和水合离子影响对应的物理量G(τ3)：
Figure BDA0003130283390000102
则电缆的老化因子：
Figure BDA0003130283390000103
步骤S2：判断步骤S1中得到的电缆泄漏电流、介质损耗因数和老化因子中是否存在绝缘老化数据；
步骤S2.1：判断电缆泄漏电流是否存在绝缘老化数据，包括以下步骤：
步骤S2.1.1：剔除泄露电流异常数据
对泄露电流进行直线回归分析，求得校准曲线回归方程为：
Figure BDA0003130283390000104
其中，
Figure BDA0003130283390000105
为第n个校准后的泄露电流，a为泄露电流校准回归方程的常数项，b为泄露电流校准回归系数，n为泄露电流序列，In为第n个电缆泄露电流；
计算残差en和残差标准差s：
Figure BDA0003130283390000106
Figure BDA0003130283390000107
其中，Ip为第p个实际泄漏电流；
Figure BDA0003130283390000108
为第p个校准后泄露电流；m为泄露电流的总个数。
标准化残差：
Figure BDA0003130283390000111
其中，中间变量
Figure BDA0003130283390000112
设定固定的显著性水平α及自由度m-2，查t分布分位表得知标准化残差临界值tα，m-2，若tp≥tα，n-2，则该数据为异常，将其剔除；若tp＜tα，n-2，则该数据为正常，将其保留。
步骤S2.1.2：判断剔除异常泄露电流后的数据中是否存在绝缘老化数据：
若泄露电流I＞2I0，则判断此数据为泄漏电流老化数据；其中，I0为正常泄漏电流；当泄露电流为2I0时电缆绝缘状态开始出现问题；
步骤S2.2：判断电缆介电损耗因数是否存在绝缘老化数据，包括以下步骤
步骤S2.2.1：采用与步骤S2.1.1相同的方法剔除电缆介电损耗因数异常数据；
步骤S2.2.2：判断剔除异常介电损耗因数后的数据中是否存在绝缘老化数据：
若介电损耗因数tanδ＞0.002，则判断此数据为介质损耗因数老化数据；当介电损耗因数为0.002时电缆绝缘状态开始出现问题。
步骤S2.3：判断电缆老化因子是否存在绝缘老化数据，包括以下步骤：
步骤S2.3.1：采用与步骤S2.1.1相同的方法剔除电缆老化因子异常数据；
步骤S2.3.2：判断剔除异常老化因子的数据中是否存在绝缘老化数据：
若老化因子A＞1.75，则判断此数据为老化因子老化数据；当老化因子为1.75时电缆绝缘状态开始出现问题。
若泄露电流、电缆介电损耗因数、电缆老化因子中没有出现绝缘老化数据，则返回步骤S1继续执行；若泄露电流、电缆介电损耗因数、电缆老化因子其中一项出现绝缘老化数据，则执行步骤S3。
步骤S3：若步骤S2中判定为存在绝缘老化数据，判定电缆绝缘老化等级；
对检测到的电缆泄漏电流、介质损耗因数和老化因子的绝缘老化数据分别进行聚类中心处理，其数学模型为：
Figure BDA0003130283390000121
Figure BDA0003130283390000122
Figure BDA0003130283390000123
其中，MI泄露电流绝缘老化数据聚类中心结果，Mtanδ为介质损耗因数绝缘老化数据聚类中心结果，MA为老化因子绝缘老化数据聚类中心结果，y为绝缘老化数据总个数，Ip为第p个泄露电流绝缘老化数据，tanδp为第p个介质损耗因数绝缘老化数据，Ap为第p个老化因子绝缘老化数据。
根据泄漏电流、介质损耗因数和老化因子的绝缘老化数据聚类中心结果MI、Mtanδ、MA初步判断待测电缆绝缘老化等级：
当泄漏电流聚类中心结果MI＜3I0，则判定待测电缆绝缘老化等级为轻度老化；当泄漏电流聚类中心结果3I0≤MI＜4I0，则判定待测电缆绝缘老化等级为中度老化；当泄漏电流聚类中心结果MI≥4I0，则判定待测电缆绝缘老化等级为严重老化。
当介质损耗因数聚类中心结果Mtanδ＜0.005，则判定待测电缆绝缘老化等级为轻度老化；介质损耗因数聚类中心结果0.005≤Mtanδ＜5，则判定待测电缆绝缘老化等级为中度老化；当介质损耗因数聚类中心结果Mtanδ≥5，则判定待测电缆绝缘老化等级为严重老化。
当老化因子聚类中心结果MA≤1.90，则判定待测电缆绝缘老化等级为轻度老化；老化因子聚类中心结果1.90＜MA≤2.10，则判定待测电缆绝缘老化等级为中度老化；老化因子聚类中心结果MA＞2.10，则判定待测电缆绝缘老化等级为严重老化。
当根据泄漏电流、介质损耗因数和老化因子的绝缘老化数据聚类中心结果MI、Mtanδ、MA初步判断待测电缆绝缘老化等级不同时，则根据老化指标数据占比权重判定电缆绝缘老化等级，具体为：
首先对各老化指标的绝缘老化数据进行标准化处理，其数学模型为
Figure BDA0003130283390000131
Figure BDA0003130283390000132
Figure BDA0003130283390000133
其中，YI为泄漏电流绝缘老化数据标准化处理结果；Ip为第p个泄露电流绝缘老化数据，IX为泄露电流绝缘老化数据的集合；max(IX)为泄露电流绝缘老化数据的集合中的最大泄露电流绝缘老化数据；min(IX)为泄露电流绝缘老化数据的集合中的最小泄露电流绝缘老化数据；Ytanδ为介质损耗因数绝缘老化数据标准化处理结果；tanδp为第p个介质损耗因数绝缘老化数据；δX为介质损耗因数绝缘老化数据的集合；max(tanδX)为介质损耗因数绝缘老化数据的集合中的最大介质损耗因数绝缘老化数据；min(tanδX)为介质损耗因数绝缘老化数据的集合中的最小介质损耗因数绝缘老化数据；YA为老化因子绝缘老化数据标准化处理结果；Ap为第p个老化因子绝缘老化数据合；AX为老化因子老化数据的集合；max(AX)为老化因子绝缘老化数据的集合中的最大老化因子绝缘老化数据；min(AX)为老化因子绝缘老化数据的集合中的最小老化因子绝缘老化数据；
接着对各老化指标的绝缘老化数据的信息熵，其数学模型为：
Figure BDA0003130283390000134
其中，中间变量
Figure BDA0003130283390000135
Yp为YIp、Ytanδp、YAp，y为绝缘老化数据总个数；E为EI、Etanδ、EA，
最后计算各老化指标的绝缘老化数据的权重，其数学模型为：
Figure BDA0003130283390000136
其中，W为WI、Wtanδ、WA，f为老化指标总个数，取值为1,2,3；Er为第r个老化因子的信息熵；
将泄漏电流、介质损耗因数、老化因子泄漏电流、介质损耗因数、老化因子的绝缘老化数据的权重对应于相应的泄漏电流聚类中心结果、介质损耗因数聚类中心结果、老化因子聚类中心结果判定的电缆老化等级，将相同类型的电缆老化等级对应的权重相加，以权重最大的老化等级为最终的电缆老化等级。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种多特征向量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1、采集电缆首末端电流，根据基尔霍夫电流定律获取电缆泄露电流；
分别采集电缆首末端的电压和电流，获取电缆介电损耗因数；
预处理电缆，利用高压直流电源对其进行指定时间的极化，采样等温松弛电流并对其进行拟合，获取电缆老化因子；
步骤S2：先将步骤S1中得到的电缆泄漏电流、介质损耗因数和老化因子利用标准残差法对其进行异常数据剔除；再根据电缆绝缘安全约束条件，判断异常数据剔除后的数据中是否存在绝缘老化数据；
步骤S3：若步骤S2中判定为存在绝缘老化数据，利用电缆泄漏电流、介质损耗因数和老化因子聚类中心结果及权重，判定电缆绝缘老化等级。
2.根据权利1所述的一种多特征向量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法，其特征在于，所述步骤S1中获取电缆泄露电流具体为：
采集电缆首末端电流，电缆泄露电流等于电缆首端电流减去电缆末端电流，则电缆泄露电流为：
Figure FDA0003130283380000011
式中，
Figure FDA0003130283380000012
为电缆首端电流；
Figure FDA0003130283380000013
为电缆末端电流。
3.根据权利1所述的一种多特征向量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法，其特征在于，所述步骤S1中获取电缆介电损耗因数具体为：
介电损耗角δ等于流过绝缘材料的电流与施加在绝缘上的电压之间相位差的余角：则电缆介电损耗因数为：
Figure FDA0003130283380000014
Figure FDA0003130283380000015
式中，
Figure FDA0003130283380000016
为电缆首端电压；
Figure FDA0003130283380000017
为电缆首末端电压；I0为泄漏电流的幅值；θ为泄漏电流相角；U0为电缆首末端电压和幅值；
Figure FDA0003130283380000018
为电缆首末端电压和相角；tanδ为电缆介电损耗因数；sinh(·)为双曲正弦函数；2l为电缆总长度；γ为电缆传播系数，且
Figure FDA0003130283380000019
Zc为电缆波阻抗，且
Figure FDA0003130283380000021
Y0为电缆绝缘每单位长度的等效导纳，S/m；R0为电缆线芯单位长度的等效电阻，Ω/m；G0为电缆主绝缘单位长度的等效电导，S/m；L0为电缆线芯单位长度的等效电感，H/m；Z0为电缆绝缘每单位长度的等效阻抗，Ω/m；C0为单位长度电缆主绝缘的等效电容，F/m；j为虚数单位；ω为角频率。
4.根据权利1所述的一种多特征向量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法，其特征在于，所述步骤S1中获取电缆老化因子具体为：
取电缆试样，将电缆试样两端外屏蔽层剥离一段正常对接线的长度，电缆一端可靠绝缘，另一端接极化用高压直流电源，其中导体接正，外金属屏蔽接地，在等温条件下用高压直流电源极化指定时间q秒，采样记录松弛电流；采样得到的等温松弛电流用MATLAB进行软件拟合，得到反映陷阱密度的参数ai以及反映陷阱深度的参数τi，其中i＝1，2，3，根据陷阱密度参数ai及陷阱深度参数τi得到电缆绝缘内无定形与晶体界面影响对应的物理量：
Figure FDA0003130283380000022
其中，e为自然指数；
电缆绝缘内金属盐和水合离子影响对应的物理量：
Figure FDA0003130283380000023
则电缆的老化因子：
Figure FDA0003130283380000024
5.根据权利1所述的一种多特征向量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包含以下步骤：
步骤S2.1：判断电缆泄漏电流是否存在绝缘老化数据，包括以下步骤：
步骤S2.1：判断电缆泄漏电流是否存在绝缘老化数据，包括以下步骤：
步骤S2.1.1：剔除泄露电流异常数据
对泄露电流进行直线回归分析，求得校准曲线回归方程为：
Figure FDA0003130283380000025
其中，
Figure FDA0003130283380000031
为第n个校准后的泄露电流，a为泄露电流校准回归方程的常数项，b为泄露电流校准回归系数，n为泄露电流序列，In为第n个电缆泄露电流；
计算残差en和残差标准差s：
Figure FDA0003130283380000032
Figure FDA0003130283380000033
其中，
Figure FDA0003130283380000034
为第n个校准后泄露电流；m为泄露电流的总个数；
标准化残差：
Figure FDA0003130283380000035
其中，中间变量
Figure FDA0003130283380000036
设定固定的显著性水平α及自由度m-2，查t分布分位表得知标准化残差临界值tα，m-2，若tp≥tα，n-2，则该数据为异常，将其剔除；若tp＜tα，n-2，则该数据为正常，将其保留；
步骤S2.1.2：判断剔除异常泄露电流后的数据中是否存在绝缘老化数据：
若泄露电流I＞2I0，则判断此数据为泄漏电流老化数据；其中，I0为正常泄漏电流；
步骤S2.2：判断电缆介电损耗因数是否存在绝缘老化数据，包括以下步骤
步骤S2.2.1：采用与步骤S2.1.1相同的方法剔除电缆介电损耗因数异常数据；
步骤S2.2.2：判断剔除异常介电损耗因数后的数据中是否存在绝缘老化数据：
若介电损耗因数tanδ＞0.002，则判断此数据为介质损耗因数老化数据；
步骤S2.3：判断电缆老化因子是否存在绝缘老化数据，包括以下步骤：
步骤S2.3.1：采用与步骤S2.1.1相同的方法剔除电缆老化因子异常数据；
步骤S2.3.2：判断剔除异常老化因子的数据中是否存在绝缘老化数据：
若老化因子A＞1.75，则判断此数据为老化因子老化数据；
若泄露电流、电缆介电损耗因数、电缆老化因子中没有出现绝缘老化数据，则返回步骤S1继续执行；若泄露电流、电缆介电损耗因数、电缆老化因子其中一项出现绝缘老化数据，则执行步骤S3。
6.根据权利1所述的一种多特征向量协同作用下的电缆绝缘状态监测方法，其特征在于，所述步骤S3中判定电缆绝缘老化等级具体为先利用绝缘老化数据分别聚类中心处理初步判断电缆绝缘老化等级，进行聚类中心处理的数学模型为：
Figure FDA0003130283380000041
Figure FDA0003130283380000042
Figure FDA0003130283380000043
其中，MI泄露电流绝缘老化数据聚类中心结果，Mtanδ为介质损耗因数绝缘老化数据聚类中心结果，MA为老化因子绝缘老化数据聚类中心结果，y为绝缘老化数据总个数，Ip为第p个泄露电流绝缘老化数据，tanδp为第p个介质损耗因数绝缘老化数据，Ap为第p个老化因子绝缘老化数据；
当泄漏电流聚类中心结果MI＜3I0，则判定待测电缆绝缘老化等级为轻度老化；当泄漏电流聚类中心结果3I0≤MI＜4I0，则判定待测电缆绝缘老化等级为中度老化；当泄漏电流聚类中心结果MI≥4I0，则判定待测电缆绝缘老化等级为严重老化；
当介质损耗因数聚类中心结果Mtanδ＜0.005，则判定待测电缆绝缘老化等级为轻度老化；介质损耗因数聚类中心结果0.005≤Mtanδ＜5，则判定待测电缆绝缘老化等级为中度老化；当介质损耗因数聚类中心结果Mtanδ≥5，则判定待测电缆绝缘老化等级为严重老化；
当老化因子聚类中心结果MA≤1.90，则判定待测电缆绝缘老化等级为轻度老化；老化因子聚类中心结果1.90＜MA≤2.10，则判定待测电缆绝缘老化等级为中度老化；老化因子聚类中心结果MA＞2.10，则判定待测电缆绝缘老化等级为严重老化；
若泄漏电流聚类中心结果、介质损耗因数聚类中心结果、老化因子聚类中心结果判定的电缆老化等级相同，则为最终的电缆老化等级；若泄漏电流聚类中心结果、介质损耗因数聚类中心结果、老化因子聚类中心结果判定的电缆老化等级不同，则进行继续执行以下判断：
首先对各老化指标的绝缘老化数据进行标准化处理，其数学模型为
Figure FDA0003130283380000051
Figure FDA0003130283380000052
Figure FDA0003130283380000053
其中，YI为泄漏电流绝缘老化数据标准化处理结果；Ip为第p个泄露电流绝缘老化数据，IX为泄露电流绝缘老化数据的集合；max(IX)为泄露电流绝缘老化数据的集合中的最大泄露电流绝缘老化数据；min(IX)为泄露电流绝缘老化数据的集合中的最小泄露电流绝缘老化数据；Ytanδ为介质损耗因数绝缘老化数据标准化处理结果；tanδp为第p个介质损耗因数绝缘老化数据；δX为介质损耗因数绝缘老化数据的集合；max(tanδX)为介质损耗因数绝缘老化数据的集合中的最大介质损耗因数绝缘老化数据；min(tanδX)为介质损耗因数绝缘老化数据的集合中的最小介质损耗因数绝缘老化数据；YA为老化因子绝缘老化数据标准化处理结果；Ap为第p个老化因子绝缘老化数据合；AX为老化因子老化数据的集合；max(AX)为老化因子绝缘老化数据的集合中的最大老化因子绝缘老化数据；min(AX)为老化因子绝缘老化数据的集合中的最小老化因子绝缘老化数据；
接着对泄漏电流、介质损耗因数、老化因子的绝缘老化数据的信息熵，其数学模型为：
Figure FDA0003130283380000054
其中，E为EI、Etanδ、EA；y为绝缘老化数据总个数；中间变量
Figure FDA0003130283380000055
Yp为YIp、Ytanδp、YAp；
最后计算泄漏电流、介质损耗因数、老化因子的绝缘老化数据的权重，其数学模型为：
Figure FDA0003130283380000061
其中，W为WI、Wtanδ、WA，f为老化指标总个数，取值为1,2,3；Er为第r个老化因子的信息熵；
将泄漏电流、介质损耗因数、老化因子泄漏电流、介质损耗因数、老化因子的绝缘老化数据的权重对应于相应的泄漏电流聚类中心结果、介质损耗因数聚类中心结果、老化因子聚类中心结果判定的电缆老化等级，将相同类型的电缆老化等级对应的权重相加，以权重最大的老化等级为最终的电缆老化等级。
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