CN113687192B - 输电线路放电信号采集及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及输电线路放电信号采集及定位方法，包括如下步骤:S100、获取故障时刻行波样本数据;S200、对行波样本数据划定时间长度，并截取故障时刻波形片段；S300、由各监测终端所上传的波形片段进行终端之间的波形相似性判定；若为负相似，则波形片段进入S400；若为正相似，则波形片段不进入S400，并打标监测区间外；若为不相似，则直接舍弃；S400、有效波形片段拐点辨识;S500、获取相对波速;S600、电缆故障精确定位。通过选取特定时间长度的波形进行相关判定，可有效提高电缆故障在诊断过程中数据的可信度；借用拟合曲线的方法，达到行波波形拐点辨识的目的，较传统方法拐点识别更为精确。

Description

输电线路放电信号采集及定位方法

技术领域

本发明涉及电缆故障定位技术领域，具体涉及一种输电线路放电信号采集及定位方法。

背景技术

随着我国经济的不断发展，城市建设也在不断扩大，用电负荷也随之增加。城市化建设的不断加剧意味着承载输电这一重要功能的基础设施的规模也急剧增加，结合城市化的相关需求，输电电缆的应用规模也随之增大。输电电缆一般通过电缆井或电缆隧道等方式置于地底，运行过程中易受多种因素的影响而发生故障，为保障快速恢复供电，电缆故障点的精确定位显得尤为重要。

目前，输电电缆故障定位多采用行波精确定位技术，该技术在架空线路上已运用成熟，可有效实现故障点的精确定位。该技术通过在线路上分布式安装监测终端，采集故障时刻产生的行波电流波形及其反射波，实现故障点的精确定位，但由于行波在电缆中传输较架空线路上传输更易产生衰减，随着传输距离的增加，行波在波阻抗不连续点处所产生的反射波的衰减也急剧增大，致使行波单端定位过程中反射波甚至主波拐点淹没在监测终端背景噪声中，对于行波定位技术，反射波不明显将导致诊断系统在波头或波形拐点的辨识方面存在较大的难度和误差，致使最终的定位结果产生较大的误差，给运维增加工作量。

因此，亟需解决目前行波定位方案在实际应用中所存在的难点：

1)干扰多，影响定位；

2)行波波形衰减明显，波形拐点辨识准确率待提高；

3)电缆故障行波传输波速在不同环境下的取值问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种输电线路放电信号采集及定位方法，以克服上述现有技术中的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种输电线路放电信号采集及定位方法，包括如下步骤:

S100、获取故障时刻行波样本数据；

S200、对行波样本数据划定时间长度，并截取故障时刻波形片段；

S300、由各监测终端所上传的波形片段进行终端之间的波形相似性判定；

若为负相似，则波形片段进入S400；

若为正相似，则波形片段不进入S400，并打标监测区间外；

若为不相似，则直接舍弃；

S400、有效波形片段拐点辨识；

S500、获取相对波速；

S600、电缆故障精确定位。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤S100具体为：

S110、电缆上所安装的所有监测终端全时循环录波，录波时间长度N秒，若无触发，则后N秒数据覆盖前N秒数据；

S120、若单台监测终端故障触发，则触发监测终端发送触发单字节信号回数据中心；

S130、数据中心接收指令，下发触发指令给其它监测终端；

S140、其它监测终端接收指令后，录波停止；

S150、获取监测终端故障时刻行波样本数据。

进一步，步骤S200具体为：

S210、以发送触发指令的监测终端的触发时刻作为时间基准，在N秒长度的波形中截取该时间基准后n秒长度的波形片段，N＞n；

S220、对该波形片段内各采样点值的绝对值进行比较，选取绝对值最大的点作为基准点；

S230、选择该基准点前M₁秒长度的波形，以及基准点后M₂秒长度的波形，以共同组合成波形片段。

进一步，N秒长度的波形为1秒长度的波形，n秒长度的波形片段为1ms长度的波形片段，M₁秒长度的波形为50us长度的波形，M₂秒长度的波形为150us长度的波形。

进一步，步骤S300具体为：

S310、记第1台监测终端所上传波形片段序列bx₁＝[z₁，z₂，z₃…z_n]，记第2台监测终端所上传波形片段序列bx₂＝[x₁，x₂，x₃…x_n]，依此类推，记第M台监测终端所上传波形片段序列bx_M＝[y₁，y₂，y₃…y_n]；

S320、计算第1台监测终端、第2台监测终端所上传波形片段的相关度系数ρ₁；

S330、将第1台监测终端、第2台监测终端的波形片段序列分别内卷重组，即序列最后一个采样点移动为该序列的第一个采样点，其余采样点保持不变分别获得bx_cz1＝[z_n，z₁，z₂，z₃…z_n-1]、bx_cz2＝[x_n，x₁，x₂，x₃…x_n-1]；

S340、计算第1台监测终端、第2台监测终端内卷重组后的相关度系数ρ₂；

S350、按S330和S340规则循环重组n次，每循环一次，计算一次相关度系数ρ_n；

S360、取相关系数绝对值最大的值作为判断基准数据，记作max|ρ_n|；

若max|ρ_n|≥k，k取值范围[0.7，0.89]，且ρ_n为负数，则两波形负相似，判定为区间内，波形片段进入S400；

若max|ρ_n|≥k，k取值范围[0.7，0.89]，且则ρ_n为正数，则两波形正相似，判定为区间外，波形片段不进入S400，并打标监测区间外；

若max|ρ_n|＜k，k取值范围[0.7，0.89]，则两波形不相似，直接舍弃；

S370、按照S320～S360规则，判断其它监测终端之间波形相似性。

进一步，相关度系数计算公式为：

式中：ρ表示两波形的相关度系数，x_i表示第M台监测终端所采集的波形中第i个采样点的值，x_j表示第M台监测终端所采集的波形中第j个采样点的值,z_i表示第(M-1)台监测终端所采集的波形中第i个采样点的值，z_j表示第(M-1)台监测终端所采集的波形中第j个采样点的值，i和j为常数，取值范围[1，n]，n＞1，M＞1。

进一步，步骤S400具体为：

S410、选取有效波形片段幅值绝对值最大采样点20％～90％区段内的采样点，并划分为拟合波形样本,记20％幅值对应的时间为t₁，幅值记作f_s，90％幅值对应的时间为t_e，幅值记作f_e，则样本区间对应的时间区段为[t₁,t_e]，样本区间对应的幅值区段为[f_s,f_e]；

S420、将该区段内的每两个采样点之间时间间隔固定，构建二次函数

根据区段内采样点搭建求解矩阵:

S430、根据矩阵乘法，求得α，b，c，得到二次函数

S440、求解二次函数f_k＝0对应的解t_j1、t_j2，比较两个解值的大小，取较小的值作为最终解t_n，根据等比计算,求得t_n对应的GPS绝对时间,作为该监测终端最终精确定位时间t_z1。

进一步，步骤S500具体为：

S510、在电缆的不同位置注入信号源，以模拟故障信号处于不同位置，并在注入点观测反射波，得到对应的试验波速；

S520、进行多组试验，最后得到试验数据组；

S530、结合所得到的数据组，根据最小二乘法曲线拟合技术，得到每次故障的行波波速与观测时间之间的二次函数；

S550、结合S400中所得波形拐点时间，最终获取故障点与监测点之间距离不同所对应的相对波速。

进一步，步骤S530中的二次函数为：

其中，t_syk为观测到反射波的时间，v_syk为试验行波波速。

进一步，步骤S600具体为：

根据S400、S500所获取的行波波形拐点及行波在电缆中传输对应的相对波速，通过行波单端、双端定位技术得到故障点与监测点之间的距离，最终进行精确定位。

本发明的有益效果是：

1)通过选取特定时间长度的波形进行相关判定，可有效提高电缆故障在诊断过程中数据的可信度；

2)因行波波形在电缆中传输易产生衰减现象，波形拐点难以识别，本发明借用拟合曲线的方法，达到行波波形拐点辨识的目的，较传统方法拐点识别更为精确；

3)本发明数据采集方式较传统方式而言，全触发方式更为可靠，波形缺失率低。

附图说明

图1为本发明中输电线路放电信号采集及定位方法的流程图；

图2为故障时刻波形片段截取图；

图3为波形序列重组规则示意图；

图4为拟合波形样本区域图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，一种输电线路放电信号采集及定位方法，包括如下步骤：

S100、获取故障时刻行波样本数据；

S200、对行波样本数据划定时间长度，并截取故障时刻波形片段；

S300、由各监测终端所上传的波形片段进行终端之间的波形相似性判定；

若为负相似，判定为区间内，则波形片段进入S400；

若为正相似，判定为区间外，则波形片段不进入S400，并打标监测区间外；

若为不相似，则直接舍弃；

S400、有效波形片段拐点辨识；

S500、获取相对波速；

S600、电缆故障精确定位。

实施例2

本实施例为在实施例1的基础上所进行的进一步改进，具体如下：

对于S100获取故障时刻行波样本数据：

由监测终端完成，主要实现故障时刻波形的提取，传统电缆在线监测类设备通过全终端单触发的模式进行波形采集，即通过故障时刻到达监测点的行波波形超过该点终端设置的触发阈值的方式采集波形，但由于电缆中行波波形衰减较快，常导致部分监测终端无法触发，使得电缆故障无法定位；

对此本发明提出通过多终端联合触发录波的方式采集故障时刻行波样本数据，具体内容为：

S110、电缆上所安装的所有监测终端全时循环录波，录波时间长度N秒，若无触发，则后N秒数据覆盖前N秒数据，N取任意值均可，在本实施例中，N取值优选为1；

S120、若单台监测终端故障触发，则触发监测终端发送触发单字节信号回数据中心；

S130、数据中心接收指令，下发触发指令给其它监测终端；

S140、其它监测终端接收指令后，录波停止；

S150、获取监测终端故障时刻行波样本数据。

实施例3

本实施例为在实施例1或2的基础上所进行的进一步改进，具体如下：

对于步骤S200具体为：

S210、监测终端采集N秒长度的波形后，以发送触发指令的监测终端的触发时刻作为时间基准，在N秒长度的波形中截取该时间基准后n秒长度的波形片段，N＞n，在实施例2中N取值1秒，对此，在本实施例中，n取值可为1ms；

S220、对该n秒长度的波形片段内各采样点值的绝对值进行比较，选取绝对值最大的点作为基准点；

S230、选择该基准点前M₁秒长度的波形，以及基准点后M₂秒长度的波形，以共同组合成波形片段。

对于实施例3而言，可以假设监测终端采样率为fpsMHz,则选择基准点(含基准点)前50us长度的波形，以及选择基准点(含基准点)后150us长度的波形，共同组合成波形片段，即该波形片段为200us长度的波形，波形片段内的采样点的个数则可以根据采样率与时间的乘积获知，具体如图2所示。

实施例4

本实施例为在实施例1或2或3的基础上所进行的进一步改进，具体如下：

步骤S300具体为：

按照上述规则，将多台监测终端录波所截取的波形片段发送至数据中心，数据中心对不同监测终端的波形进行相似性判定，判定结果主要分为：

①负相似的判定为区间内，进行下列步骤分析；

②正相似的判定为区间外，不进行下列步骤分析，直接打标监测区间外；

③不相似的直接舍弃，为干扰波形。

下面详细介绍样本波形相似性的判定：

S310、多台监测终端分别记为第1台监测终端、第2台监测终端、……、第M台监测终端，其中，记第1台监测终端所上传波形片段序列bx₁＝[z₁，z₂，z₃…z_n]，记第2台监测终端所上传波形片段序列bx₂＝[x₁，x₂，x₃…x_n]，依此类推，记第M台监测终端所上传波形片段序列bx_M＝[y₁，y₂，y₃…y_n]；

S320、计算第1台监测终端、第2台监测终端所上传波形片段的相关度系数ρ₁；

S330、将第1台监测终端、第2台监测终端的波形片段序列分别内卷重组，即序列最后一个采样点移动为该序列的第一个采样点，其余采样点保持不变，例如根据该改则重组，将分别获得新的序列，可以分别对应记作bx_cz1＝[z_n，z₁，z₂，z₃…z_n-1]、bx_cz2＝[x_n，x₁，x₂，x₃…x_n-1]，具体规则可以参见图3；

S340、计算第1台监测终端、第2台监测终端内卷重组后的相关度系数ρ₂；

S350、按S330和S340规则循环重组n次，直至序列重组为bx_czn＝[z₂，z₃…z_n,z₁]，同时，每循环一次，计算一次相关度系数ρ_n；

S360、取相关系数绝对值最大的值作为判断基准数据，记作max|ρ_n|；

若max|ρ_n|≥k，k取值范围[0.7，0.89]，且ρ_n为负数，则两波形负相似，判定为区间内，波形片段进入S400；

若max|ρ_n|≥k，k取值范围[0.7，0.89]，且ρ_n为正数，则两波形正相似，判定为区间外，波形片段不进入S400，并打标监测区间外；

若max|ρ_n|＜k，k取值范围[0.7，0.89]，则两波形不相似，直接舍弃；

S370、同理按照S320～S360规则，判断其它监测终端之间波形相似性。

实施例5

本实施例为在实施例4的基础上所进行的进一步改进，具体如下：

相关度系数计算公式为：

式中：ρ表示两波形的相关度系数，x_i表示第M台监测终端所采集的波形中第i个采样点的值，x_j表示第M台监测终端所采集的波形中第j个采样点的值,z_i表示第(M-1)台监测终端所采集的波形中第i个采样点的值，z_j表示第(M-1)台监测终端所采集的波形中第j个采样点的值，i和j为常数，取值范围[1，n]，n＞1，M＞1。

实施例6

本实施例为在实施例1～5任一实施例的基础上所进行的进一步改进，具体如下：

步骤S400具体为：

S410、S300中已获取有效波形片段，有效波形片段幅值绝对值最大点记作

选取有效波形片段幅值绝对值最大采样点20％～90％区段内的采样点，并划分为拟合波形样本,采样点幅值及时间记作{f_k，t_k}，如图4阴影部分所示，记20％幅值对应的时间为t₁，幅值记作f_s，90％幅值对应的时间为t_e，幅值记作f_e，则样本区间对应的时间区段为[t₁,t_e]，样本区间对应的幅值区段为[f_s,f_e]；

S420、将处于幅值绝对值最大的采样点20％～90％区段内的采样点{f_k，t_k}，k＝1,2,3…n,其中，n为图4中阴影区间内采集点的个数，该区段内的每两个采样点之间时间间隔固定，为

本步骤目的即为求取图4中t_n构建二次函数

根据阴影部分采样点搭建求解矩阵:

S430、根据矩阵乘法，求得α，b，c，得到二次函数

S440、求解二次函数f_k＝0对应的解t_j1、t_j2，比较两个解值的大小，取较小的值作为最终解t_n，根据等比计算,图4中t₁对应的GPS绝对时间已知，t_n与t₁差值已知，每两个相邻的采样点时间间隔已知为

可求得t_n对应的GPS绝对时间,作为该监测终端最终精确定位时间t_z1。

实施例7

本实施例为在实施例1～6任一实施例的基础上所进行的进一步改进，具体如下：

步骤S500具体为：

S510、通过试验的方法测试故障点位于电缆不同位置所对应的相对波速，试验通过在电缆的不同位置注入信号源，以模拟故障信号处于不同位置，并在注入点观测反射波，得到对应的试验波速

其中，其中l为故障点到信号注入点的距离，

为试验行波波速，

为观测到反射波的时间(设定原始波形注入时刻为0)；

S520、进行多组试验，最后得到试验数据组

其中k＝1，2，3…N，N为试验次数；

S530、结合所得到的数据组，根据最小二乘法曲线拟合技术，得到每次故障的行波波速与观测时间之间的二次函数：

其中，t_syk为观测到反射波的时间，v_syk为试验行波波速。

S550、结合S400中所得波形拐点时间，最终获取故障点与监测点之间距离不同所对应的相对波速。

实施例8

本实施例为在实施例1～7任一实施例的基础上所进行的进一步改进，具体如下：

步骤S600具体为：

根据S400、S500所获取的行波波形拐点及行波在电缆中传输对应的相对波速，通过行波单端、双端定位技术得到故障点与监测点之间的距离，最终进行精确定位。

为便于理解，下面将分别介绍一下行波单端、双端定位技术：

单端定位：

其中ν_s为S500中相对波速，t_s为监测终端行波起始点与反射波拐点之间的时间差，l为故障点到监测点的距离,可与S500拟合曲线的方程联合l。

双端定位：

其中设t_x、t_y分别为第1台监测终端主波拐点时间，第2台监测终端主波拐点时间，由S400可得，ν_s为S500中相对波速，L为第1台监测终端与第2台监测终端之间的距离，x为电缆故障点与第1台监测终端之间的距离。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种输电线路放电信号采集及定位方法，其特征在于，包括如下步骤:

S100、获取故障时刻行波样本数据；

S200、对行波样本数据划定时间长度，并截取故障时刻波形片段；

S300、由各监测终端所上传的波形片段进行终端之间的波形相似性判定；

若为负相似，则波形片段进入S400；

若为正相似，则波形片段不进入S400，并打标监测区间外；

若为不相似，则直接舍弃；

S400、有效波形片段拐点辨识；

S500、获取相对波速；

S600、电缆故障精确定位；

所述步骤S100具体为：

S110、电缆上所安装的所有监测终端全时循环录波，录波时间长度N秒，若无触发，则后N秒数据覆盖前N秒数据；

S120、若单台监测终端故障触发，则触发监测终端发送触发单字节信号回数据中心；

S130、数据中心接收指令，下发触发指令给其它监测终端；

S140、其它监测终端接收指令后，录波停止；

S150、获取监测终端故障时刻行波样本数据；

所述步骤S200具体为：

S210、以发送触发指令的监测终端的触发时刻作为时间基准，在N秒长度的波形中截取该时间基准后n秒长度的波形片段，N＞n；

S220、对该波形片段内各采样点值的绝对值进行比较，选取绝对值最大的点作为基准点；

S230、选择该基准点前M₁秒长度的波形，以及基准点后M₂秒长度的波形，以共同组合成波形片段；

所述步骤S300具体为：

S310、记第1台监测终端所上传波形片段序列bx₁＝[z₁，z₂，z₃…z_n]，记第2台监测终端所上传波形片段序列bx₂＝[x₁，x₂，x₃…x_n]，依此类推，记第M台监测终端所上传波形片段序列bx_M＝[y₁，y₂，y₃…y_n]；

S320、计算第1台监测终端、第2台监测终端所上传波形片段的相关度系数ρ₁；

S330、将第1台监测终端、第2台监测终端的波形片段序列分别内卷重组，即序列最后一个采样点移动为该序列的第一个采样点，其余采样点保持不变分别获得bx_cz1＝[z_n，z₁，z₂，z₃…z_n-1]、bx_cz2＝[x_n，x₁，x₂，x₃…x_n-1]；

S340、计算第1台监测终端、第2台监测终端内卷重组后的相关度系数ρ₂；

S350、按S330和S340规则循环重组n次，每循环一次，计算一次相关度系数ρ_n；

S360、取相关系数绝对值最大的值作为判断基准数据，记作max|ρ_n|；

若max|ρ_n|≥k，k取值范围[0.7，0.89]，且ρ_n为负数，则两波形负相似，判定为区间内，波形片段进入S400；

若max|ρ_n|≥k，k取值范围[0.7，0.89]，且ρ_n为正数，则两波形正相似，判定为区间外，波形片段不进入S400，并打标监测区间外；

若max|ρ_n|＜k，k取值范围[0.7，0.89]，则两波形不相似，直接舍弃；

S370、按照S320～S360规则，判断其它监测终端之间波形相似性。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路放电信号采集及定位方法，其特征在于：

N秒长度的波形为1秒长度的波形，n秒长度的波形片段为1ms长度的波形片段，M₁秒长度的波形为50us长度的波形，M₂秒长度的波形为150us长度的波形。

3.根据权利要求1所述的一种输电线路放电信号采集及定位方法，其特征在于：

相关度系数计算公式为：

式中：ρ表示两波形的相关度系数，x_i表示第M台监测终端所采集的波形中第i个采样点的值，x_j表示第M台监测终端所采集的波形中第j个采样点的值,z_i表示第(M-1)台监测终端所采集的波形中第i个采样点的值，z_j表示第(M-1)台监测终端所采集的波形中第j个采样点的值，i和j为常数，取值范围[1，n]，n＞1，M＞1。

4.根据权利要求1所述的一种输电线路放电信号采集及定位方法，其特征在于：

所述步骤S400具体为：

S410、选取有效波形片段幅值绝对值最大采样点20％～90％区段内的采样点，并划分为拟合波形样本,记20％幅值对应的时间为t₁，幅值记作f_s，90％幅值对应的时间为t_e，幅值记作f_e，则样本区间对应的时间区段为[t₁,t_e]，样本区间对应的幅值区段为[f_s,f_e]；

S420、将该区段内的每两个采样点之间时间间隔固定，构建二次函数

根据区段内采样点搭建求解矩阵:

S430、根据矩阵乘法，求得α，b，c，得到二次函数

S440、求解二次函数f_k＝0对应的解t_j1、t_j2，比较两个解值的大小，取较小的值作为最终解t_n，根据等比计算,求得t_n对应的GPS绝对时间,作为该监测终端最终精确定位时间t_z1。

5.根据权利要求1所述的一种输电线路放电信号采集及定位方法，其特征在于：

所述步骤S500具体为：

S510、在电缆的不同位置注入信号源，以模拟故障信号处于不同位置，并在注入点观测反射波，得到对应的试验波速；

S520、进行多组试验，最后得到试验数据组；

S530、结合所得到的数据组，根据最小二乘法曲线拟合技术，得到每次故障的行波波速与观测时间之间的二次函数；

S550、结合S400中所得波形拐点时间，最终获取故障点与监测点之间距离不同所对应的相对波速。

6.根据权利要求5所述的一种输电线路放电信号采集及定位方法，其特征在于：所述步骤S530中的二次函数为：

其中，t_syk为观测到反射波的时间，v_syk为试验行波波速。

7.根据权利要求1所述的一种输电线路放电信号采集及定位方法，其特征在于：

所述步骤S600具体为：

根据S400、S500所获取的行波波形拐点及行波在电缆中传输对应的相对波速，通过行波单端、双端定位技术得到故障点与监测点之间的距离，最终进行精确定位。

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