CN113640635B - 一种电力电缆绝缘状态在线监测方法 - Google Patents

一种电力电缆绝缘状态在线监测方法 Download PDF

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CN113640635B CN202111207880.6A CN202111207880A CN113640635B CN 113640635 B CN113640635 B CN 113640635B CN 202111207880 A CN202111207880 A CN 202111207880A CN 113640635 B CN113640635 B CN 113640635B
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Abstract

本发明提供一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，在待测电缆两端分别放置测试信号发送设备和测试信号接收设备，其中发送设备发送连续的高频测试信号，接收设备采集该高频测试信号，并利用时域自相关迭代滤波算法，对接收信号进行信号处理和分析，获得自相关峰值的位置、幅度大小等信息，从而判断待测电缆绝缘状态是否存在劣化，劣化位置及劣化程度，实现电缆绝缘状态的检测。

Description

一种电力电缆绝缘状态在线监测方法
技术领域
本发明涉及电力二次设备技术领域，尤其是涉及一种电力电缆绝缘状态在线监测方法。
背景技术
随着城市建设的快速发展，电力电缆凭借着占地面积小、对城市环境友好等优点已逐步取代架空线成为城市输配电网络的主力军。近年来，国家电网公司及南方电网公司电缆规模大、增长快、运行时间长，部分电缆已接近甚至超过其设计使用寿命，故障率长期居高不下。电缆故障大部分发生在电缆本体，主要由主绝缘老化引起，电缆受运行中多种因素的影响导致绝缘材料老化，最终造成的电缆绝缘击穿。如何降低电力电缆故障率、保障电缆线路供电可靠性，已成为不容忽视的问题。
目前，国内外电缆故障检测方法主要有离线测距、带电检测及在线监测等。离线测距方式在故障发生后停电并解开电力电缆，通过相关设备测试故障距离，该方法停电时间较长，影响社会经济生产。此外，离线检测的方法是在故障发生之后，动用人力物力查找原因，定位故障点，效率非常低。带电检测包括直流分量法、介电常数法、分布式光纤测温以及局部放电带电检测等，这些方法仅在试验室的理想环境里可行，但在现场实际运用时难以提供理想效果。目前，在线监测技术尚处于起步阶段，投入实际运行的产品也并不多见。
发明内容
针对上述问题，本发明创新地提出了一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，通过在待测电缆一端注入高频测试信号，在待测电缆另一端接收高频测试信号并对其进行信号处理，判断待测电缆绝缘状态是否存在劣化，劣化位置及劣化程度，实现电缆绝缘状态的带电检测及在线监测。
具体的，本发明提出了一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，包括：
在待测电缆两端分别选择待测电缆信号输入端和输出端，在所述输入端和输出端分别放置测试信号发送设备和测试信号接收设备；由所述测试信号发送设备发送连续高频测试信号，待所述测试信号接收设备接收到该高频测试信号，利用时域自相关迭代滤波算法，对所述高频测试信号进行信号处理和分析，获得自相关峰值的位置，幅度大小信息，判断所述待测电缆的绝缘状态是否存在劣化，若存在，则计算待测电缆劣化位置和计算待测电缆劣化程度，否则，结束检测。
其中，所述高频测试信号，由M个前导序列组成，该M个前导序列相同，且长度为N，记为：
Figure 93640DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，i表示高频测试信号中前导序列的序号，n表示前导序列中采样点的序号，N表示前导序列长度，s n 表示前导序列
Figure 666572DEST_PATH_IMAGE002
={s 1,s 2,...s N}中的第n个元素。
进一步的，分别设置于所述输入端和输出端位置处的耦合器A和耦合器B；
所述测试信号发送设备通过连接耦合器A，由所述耦合器A将高频测试信号耦合到待测电缆中；由输出端的耦合器B提取待测电缆中的高频测试信号，并传至所述测试信号接收设备并进行信号处理和分析。
其中，所述测试信号接收设备采用基于自相关峰值迭代搜寻算法对其进行信号处理，所述信号处理的过程至少包括步骤：
S1：对采集后的所述高频测试信号进行同步处理；
S2：找到所述高频测试信号起始位置后，数据截取模块对所述高频测试信号进行数据截取；
S3：通过自相关计算模块进行自相关计算和门限比较；
S4：对所述自相关计算模块的输入信号进行滤波处理；
S5：峰值信息存储和滤波。
其中，所述S1还包括：通过所述同步处理，找到高频测试信号的起始位置SYNCP1，将接收到的信号和本地存储的前导序列进行自相关计算，得到自相关度量序列：
Figure 649572DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，r表示设备B通过耦合器B采集的数据；s表示长度为N的前导序列，sn*表示前导序列
Figure 310360DEST_PATH_IMAGE002
={s1,s2,...sN}中的第n个元素sn的共轭；|x|表示复数x的幅值；k是自相关度量序列的序号。
进一步的，所述自相关度量序列计算出的结果m[k 0]与一预设门限值T 1进行比较，若m[k 0]>T 1，则完成所述高频测试信号的同步处理，且k=k0为SYNCP1的第一个采样点位置。
其中，所述S2还包括：还包括：对接收的所述高频测试信号进行数据截取和降噪处理，从接收的所述高频测试信号中截取并进行降噪处理后的数据序列记为
Figure 780525DEST_PATH_IMAGE004
={a 1,a 2,...a N}，其中：
Figure 806249DEST_PATH_IMAGE005
。
其中，当迭代次数为1时，所述数据截取模块的输出作为自相关计算模块的输入；否则，滤波模块的输出作为自相关计算模块的输入，表示为：
Figure 604441DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，N iter表示迭代次数，
Figure 193554DEST_PATH_IMAGE007
={f 1,f 2,...f N}表示滤波模块的输出序列；自相关计算模块的输出为一长度为N的序列，记为
Figure 393592DEST_PATH_IMAGE008
={c 1,c 2,..c N}，则：
Figure 793480DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，x mod N表示数值x对N取模；
Figure 6199DEST_PATH_IMAGE010
是前导序列
Figure 8790DEST_PATH_IMAGE002
中某个元素的共轭；bi是自相关计算模块的输入
Figure 735437DEST_PATH_IMAGE011
中的元素。
将向量
Figure 821074DEST_PATH_IMAGE008
中所有元素的幅度与门限值T 2进行比较，若没有一个元素，其幅度大于T 2，则停止迭代并结束接收设备信号处理流程；否则，找到第一个幅度大于门限值T 2的元素，记录其幅度的大小pj和序号dj，表示为：
Figure 328279DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 806664DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，c dj表示第j次迭代从向量
Figure 105928DEST_PATH_IMAGE008
中找到的第一个幅度大于门限值T 2的元素，d j是其序号，p j是其的幅度；
若迭代次数到达设置的上限，则停止迭代并结束接收设备信号处理流程。
其中，所述S4还包括：在第j（j>1）次迭代时，需要对自相关计算模块的输入信号进行滤波处理，公式为：
Figure 706673DEST_PATH_IMAGE014
。
通过接收数据的信号处理，输出两个向量
Figure 842120DEST_PATH_IMAGE015
={p 1,p 2,...,p L}和
Figure 373464DEST_PATH_IMAGE016
={d 1,d 2,...,d L}，分别记录L’次迭代后的幅度的大小pj和序号dj。
进一步的，判断所述待测电缆的绝缘状态是否存在劣化：通过所述向量
Figure 137021DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 315192DEST_PATH_IMAGE016
中元素的个数L，L=L’，判断是否存在电缆劣化状态；若L>1，则待测电缆存在劣化现象，且电缆中存在劣化的点有L-1个；反之，则待测电缆不存在劣化现象；
进一步的，计算待测电缆劣化位置，公式为：
Figure 796989DEST_PATH_IMAGE017
；
其中，Pos i表示第i个劣化点的位置，v是高频信号在电缆中传输速度，d i+1表示向量
Figure 132024DEST_PATH_IMAGE016
中的第i+1个元素，f s表示设备的采样速率；
进一步的，计算待测电缆劣化程度，公式为：
Figure 625454DEST_PATH_IMAGE018
；
其中，Lvl i表示第i个劣化点的劣化程度，p i+1表示向量
Figure 20532DEST_PATH_IMAGE015
中的第i+1个元素。
综上所述，本发明提供一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，在待测电缆两端分别放置测试信号发送设备和测试信号接收设备，其中发送设备发送连续的高频测试信号，接收设备采集该高频测试信号，并利用时域自相关迭代滤波算法，对接收信号进行信号处理和分析，获得自相关峰值的位置、幅度大小等信息，从而判断待测电缆绝缘状态是否存在劣化，劣化位置及劣化程度，实现电缆绝缘状态的检测。
本发明不仅可以判断电缆是否存在绝缘状态劣化现象，还能给出劣化的位置和程度，有利于对电缆绝缘状态进行全面综合的评估，为电缆的监测和维护提供更加可靠、准确的依据。此外，本发明所提出的算法，通过简单的固件升级，就可以在现有的电力线载波设备中实现。利用中低压配电网中大量的电力线载波网络，无需增加额外的硬件设备，即可对中低压配电网中的电缆进行在线监测，具有原理简单、经济实用、应用方便的特点。
附图说明
图1为本发明所述的电力电缆绝缘状态在线监测用电气元件关系图。
图2为本发明所述的一种电力电缆绝缘状态在线监测方法流程图。
图3为本发明所述的接收设备信号处理框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面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。
本发明提出了一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，其系统示意图如图1所示，包括一个测试信号发送设备，设置在待测电缆的一端，并将该端作为信号输入端，一个测试信号接收设备，设置在待测电缆的另一端，并将该端作为信号输出端别设置于所述输入端和输出端位置处的耦合器A和耦合器B。其中，测试信号发送设备用于发射高频测试信号；测试信号接收设，以及分备用于接收设备采集该高频测试信号，并利用时域模板匹配迭代算法，对接收信号进行信号处理和分析，获得自相关峰值的位置，幅度大小信息，判断所述待测电缆的绝缘状态是否存在劣化，若存在，则计算待测电缆劣化位置和计算待测电缆劣化程度，否则，结束检测。
进一步的，本发明所述的一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，其检测流程如图2所示：
（1）图1中的设备A发送高频测试信号，并通过耦合器A注入到待测电缆中；
（2）设备B通过耦合器B采集待测电缆中的高频测试信号；
（3）设备B对采集的高频测试信号进行信号处理；
（4）设备B利用信号处理后的数据，判断待测电缆是否存在劣化现象，如果存在，则进入步骤（5）；反之，则进入步骤（7）；
（5）设备B计算待测电缆劣化位置；
（6）设备B计算待测电缆劣化程度；
（7）结束检测。
进一步的，当所述高频测试信号发送后：
设备A发送的高频测试信号格式如图3所示。高频测试信号由M个前导序列（SYNCP1，SYNCP2，...，SYNCPM）组成，这M个前导序列相同，且长度为N，即公式1：
Figure 989625DEST_PATH_IMAGE001
。
其中，i表示高频测试信号中前导序列的序号，n表示前导序列中采样点的序号，N表示前导序列长度，s n 表示前导序列
Figure 551187DEST_PATH_IMAGE002
={s 1,s 2,...s N}中的第n个元素。
其中，高频测试信号格式如下所示：
Figure 554915DEST_PATH_IMAGE019
。
然后进行信号处理：
设备B通过耦合器B采集待测电缆中的高频测试信号，并采用基于自相关峰值迭代搜寻算法对其进行信号处理（如图3所示），所述信号处理的过程至少包括步骤：
S1：对采集后的所述高频测试信号进行同步处理；
S2：找到所述高频测试信号起始位置后，数据截取模块对所述高频测试信号进行数据截取；
S3：通过自相关计算模块进行自相关计算和门限比较；
S4：对所述自相关计算模块的输入信号进行滤波处理；
其中，所述S1还包括：
本发明提出的接收端信号处理方法中，需要对采集后的数据进行同步，找到高频测试信号的起始位置，即SYNCP1的第一个采样点位置。首先，将接收到的信号和本地存储的前导序列进行自相关计算，得到自相关度量序列，如公式2：
Figure 120895DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，r表示设备B通过耦合器B采集的数据；s表示长度为N的前导序列，sn*表示前导序列
Figure 187071DEST_PATH_IMAGE002
={s1,s2,...sN}中的第n个元素sn的共轭；|x|表示复数x的幅值；k是自相关度量序列的序号。
式（2）的输出将会与一个特定的门限值T 1进行比较，如果超过了这个门限值,即m[k 0]>T 1,则说明同步上了高频测试信号，且k=k0就是SYNCP1的第一个采样点位置。
所述S2还包括：
本发明提出的接收端信号处理方法，在找到高频测试信号起始位置后，对接收信号进行数据截取和降噪处理。从接收信号中截取并进行降噪处理后的数据序列记为
Figure 863909DEST_PATH_IMAGE004
={a 1,a 2,...a N}，具体为公式3：
Figure 190985DEST_PATH_IMAGE005
；
所述S3还包括：
本发明提出的接收端信号处理方法，在完成数据截取后，进入自相关计算模块。该模块的输入是一个长度为N的序列，记为
Figure 881860DEST_PATH_IMAGE011
={b 1,b 2,..b N}。当迭代次数为1时，数据截取模块的输出作为自相关模块的输入；否则，滤波模块的输出作为作为自相关模块的输入，即公式4：
Figure 764495DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，N iter表示迭代次数，
Figure 58073DEST_PATH_IMAGE007
={f 1,f 2,...f N}表示滤波模块的输出序列。自相关计算模块的输出也是一个长度为N的序列，记为
Figure 646181DEST_PATH_IMAGE008
={c 1,c 2,..c N}，有公式5：
Figure 367012DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，x mod N表示数值x对N取模；
Figure 968632DEST_PATH_IMAGE020
是前导序列
Figure 472426DEST_PATH_IMAGE002
中某个元素的共轭；bi是自相关计算模块的输入
Figure 695466DEST_PATH_IMAGE011
中的元素。
将向量
Figure 993723DEST_PATH_IMAGE008
中所有元素的幅度与门限值T 2进行比较，若没有一个元素，其幅度大于T 2，则停止迭代并结束接收设备信号处理流程；否则，找到第一个幅度大于门限值T 2的元素，记录其幅度的大小和序号，即公式6-7：
Figure 833372DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 344119DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，c dj表示第j次迭代从向量
Figure 687244DEST_PATH_IMAGE008
中找到的第一个幅度大于门限值T 2的元素，d j是其序号，p j是其的幅度。
若迭代次数到达设置的上限，则停止迭代并结束接收设备信号处理流程。
所述S4还包括：
本发明提出的接收端信号处理方法，在第j（j>1）次迭代时，需要对自相关计算模块的输入信号进行滤波处理。滤波器的输出信号为公式8：
Figure 15458DEST_PATH_IMAGE014
；
进一步的，进行状态检测过程如下：
通过接收数据的信号处理，输出两个向量
Figure 765239DEST_PATH_IMAGE015
={p 1,p 2,...,p L}和
Figure 391261DEST_PATH_IMAGE016
={d 1,d 2,...,d L}，分别记录L’次迭代中式（6）和式（7）中的数值。
（1）状态判别
通过向量
Figure 667522DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 42002DEST_PATH_IMAGE016
中元素的个数L，L=L’，判断是否存在电缆劣化状态。若L>1，则表示待测电缆存在劣化现象，且电缆中存在劣化的点有L-1个；反之，则表示待测电缆不存在劣化现象。
（2）劣化位置
若待测电缆存在劣化现象，则进一步判断劣化点的位置，如公式9所示：
Figure 862103DEST_PATH_IMAGE017
；
其中，Pos i表示第i个劣化点的位置，v是高频信号在电缆中传输速度，d i+1表示向量
Figure 776969DEST_PATH_IMAGE016
中的第i+1个元素，f s表示设备的采样速率。
（3）劣化强度
若待测电缆存在劣化现象，则进一步计算劣化程度，如公式10所示：
Figure 297949DEST_PATH_IMAGE018
；
其中，Lvl i表示第i个劣化点的劣化程度，p i+1表示向量
Figure 702386DEST_PATH_IMAGE015
中的第i+1个元素。
由上可见，本发明提出了一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，不仅可以判断电缆是否存在绝缘状态劣化现象，还能给出劣化的位置和程度，有利于对电缆绝缘状态进行全面综合的评估，为电缆的监测和维护提供更加可靠、准确的依据。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为主。

Claims (9)

1.一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，其特征在于，分别选择待测电缆信号输入端和输出端，在所述输入端和输出端分别放置测试信号发送设备和测试信号接收设备；由所述测试信号发送设备发送连续高频测试信号，待所述测试信号接收设备接收到该高频测试信号，利用时域自相关迭代滤波算法，对所述高频测试信号进行信号处理和分析，获得自相关峰值的位置，幅度大小信息，判断所述待测电缆的绝缘状态是否存在劣化，若存在，则计算待测电缆劣化位置和计算待测电缆劣化程度，否则，结束检测；
基于时域自相关迭代滤波算法，至少包括步骤：
S1：对采集后的所述高频测试信号进行同步处理；
S2：找到所述高频测试信号起始位置后，数据截取模块对所述高频测试信号进行数据截取；
S3：通过自相关计算模块进行自相关计算和门限比较；
S4：对所述自相关计算模块的输入信号进行滤波处理。
2.根据权利要求1所述的一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，其特征在于，还包括：所述高频测试信号，由M个前导序列组成，该M个前导序列相同，且长度为N，记为：
SYNCPi(n)＝sn i＝1,2,...,M；n＝1,2,...,N；
其中，i表示高频测试信号中前导序列的序号，n表示前导序列中采样点的序号，N表示前导序列长度，sn表示前导序列
Figure FDA0003379922810000011
中的第n个元素。
3.根据权利要求2所述的一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，其特征在于，还包括：分别设置于所述输入端和输出端位置处的耦合器A和耦合器B；
所述测试信号发送设备通过连接耦合器A，由所述耦合器A将高频测试信号耦合到待测电缆中；由输出端的耦合器B提取待测电缆中的高频测试信号，并传至所述测试信号接收设备并进行信号处理和分析。
4.根据权利要求1所述的一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，其特征在于，所述S1还包括：通过所述同步处理，找到高频测试信号的起始位置SYNCP1，将接收到的信号和本地存储的前导序列进行自相关计算，得到自相关度量序列：
Figure FDA0003379922810000012
其中，r表示接收设备通过耦合器B采集的数据；s表示长度为N的前导序列，sn*表示前导序列
Figure FDA0003379922810000013
中的第n个元素sn的共轭；|x|表示复数x的幅值；k是自相关度量序列的序号。
5.根据权利要求4所述的一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，其特征在于，还包括：所述自相关度量序列计算出的结果m[k0]与一预设门限值T1进行比较，若m[k0]>T1，则完成所述高频测试信号的同步处理，且k＝k0为SYNCP1的第一个采样点位置。
6.根据权利要求5所述的一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，其特征在于，所述S2还包括：还包括：对接收的所述高频测试信号进行数据截取和降噪处理，从接收的所述高频测试信号中截取并进行降噪处理后的数据序列记为
Figure FDA0003379922810000021
其中：
Figure FDA0003379922810000022
7.根据权利要求6所述的一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，其特征在于，所述S3通过自相关计算模块进行自相关计算和门限比较，还包括：
当迭代次数为1时，所述数据截取模块的输出作为自相关计算模块的输入；否则，滤波模块的输出作为自相关计算模块的输入，表示为：
Figure FDA0003379922810000023
其中，Niter表示迭代次数，
Figure FDA0003379922810000024
表示滤波模块的输出序列；
所述自相关计算模块的输出为一长度为N的序列，记为
Figure FDA0003379922810000025
对
Figure FDA0003379922810000026
中其中每个元素的定义，为：
Figure FDA0003379922810000027
其中，x mod N表示数值x对N取模；S* (n+i-1)modN是前导序列
Figure FDA0003379922810000028
中某个元素的共轭；bi是自相关计算模块的输入
Figure FDA0003379922810000029
中的元素；
将向量
Figure FDA00033799228100000210
中所有元素的幅度与门限值T2进行比较，若没有一个元素，其幅度大于T2，则停止迭代并结束
Figure FDA00033799228100000211
Figure FDA00033799228100000212
其中，cdj表示第j次迭代从向量
Figure FDA00033799228100000213
中找到的第一个幅度大于门限值T2的元素，dj是其序号，pj是其的幅度；
若迭代次数到达设置的上限，则停止迭代并结束接收设备信号处理流程。
8.根据权利要求7所述的一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，其特征在于，所述S4还包括：在第j(j>1)次迭代时，需要对自相关计算模块的输入信号进行滤波处理，公式为：
Figure FDA0003379922810000031
9.根据权利要求8所述的一种电力电缆绝缘状态在线监测方法，其特征在于，还包括：分别记录L’次迭代后的幅度的大小pj和序号dj，记为：
Figure FDA0003379922810000032
和
Figure FDA0003379922810000033
判断所述待测电缆的绝缘状态是否存在劣化：通过所述向量
Figure FDA0003379922810000034
和
Figure FDA0003379922810000035
中元素的个数L，L＝L’，判断是否存在电缆劣化状态；若L>1，则待测电缆存在劣化现象，且电缆中存在劣化的点有L-1个；反之，则待测电缆不存在劣化现象；
计算待测电缆劣化位置，公式为：
Figure FDA0003379922810000036
其中，Posi表示第i个劣化点的位置，v是高频信号在电缆中传输速度，di+1表示向量
Figure FDA0003379922810000037
中的第i+1个元素，fs表示设备的采样速率；
计算待测电缆劣化程度，公式为：
Figure FDA0003379922810000038
其中，Lvli表示第i个劣化点的劣化程度，pi+1表示向量
Figure FDA0003379922810000039
中的第i+1个元素。
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