CN117148046A - 基于频变阻抗谱的电缆故障检测定位方法、装置及设备 - Google Patents

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CN117148046A CN202311414951.9A CN202311414951A CN117148046A CN 117148046 A CN117148046 A CN 117148046A CN 202311414951 A CN202311414951 A CN 202311414951A CN 117148046 A CN117148046 A CN 117148046A
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代勇
张寒
荣鹏
叶俊
崔璨
刘文明
王毅
柳晓
王蕾
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Abstract

本发明属于电力电缆检测技术领域，具体提供一种基于频变阻抗谱的电缆故障检测定位方法、装置及设备，所述方法包括如下步骤：建立电缆输入阻抗计算模型；根据建立的电缆输入阻抗计算模型建立表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型；从频变参数模型中提取表征电缆各种运行状态以及表征缺陷位置的特征量；将提取的特征量进行离散傅里叶变换获取电缆末端以及频谱图中的峰值点对应的位置即故障位置。可以完善与发展现有的电缆运行状态检测技术，识别和定位电缆线路中潜在的局部缺陷和各种故障问题。

Description

基于频变阻抗谱的电缆故障检测定位方法、装置及设备
技术领域
本发明涉及电力电缆检测技术领域，具体涉及一种基于频变阻抗谱的电缆故障检测定位方法、装置及设备。
背景技术
随着城市化建设大力推进，架空线入地工程不断开展，城市电网中电力电缆应用日益增多，电缆铺设于电缆沟或直接埋于地下，在温度、水分、酸碱等因素的影响下，易受到腐蚀，形成局部缺陷，地下电缆常因机械外力而导致绝缘受损，进而发展成永久性故障。电力电缆投运量的大幅度增加，使其故障率也在不断上升。然而，电力电缆大多铺设于地下，很难直接发现故障点，这给电缆故障的排查带来了巨大困难，导致停电时间和范围的扩大，造成巨大经济损失，同时由于电缆所处的特殊环境，使得潜在的局部缺陷无法及时发现，进而发展成永久性故障。
针对电缆应用过程中出现的故障问题，当前电缆检测方法包括电气参数法、局部放电检测法、时域反射法等，其中，电气参数法测量绝缘电阻、耐压试验、泄露电流试验等，仅能对电缆整体性状态进行评估，难以发现局部缺陷，无法实现故障定位，且损害电缆。故障局部放电信号十分微弱，极易受到电磁信号干扰，由于放电信号的衰减和频散，局部放电检测法定位精度大为降低。由于所注入脉冲信号的高频成分少，受到信号衰减和色散及电磁干扰的影响，导致时域反射法测试精度较低，更无法有效检测局部缺陷。
鉴于当前电缆检测方法均无法满足故障类型快速识别、故障位置精确定位的需求，需要提供一种在不损害电缆寿命的情况下可检测电缆的故障，并快速识别定位该故障的方法。
发明内容
针对当前电缆检测方法均无法满足故障类型快速识别、故障位置精确定位的需求，本发明提供一种基于频变阻抗谱的电缆故障检测定位方法、装置及设备。
第一方面，本发明技术方案提供一种基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位方法，包括如下步骤：
建立电缆输入阻抗计算模型；
根据建立的电缆输入阻抗计算模型建立表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型；
从频变参数模型中提取表征电缆各种运行状态以及表征缺陷位置的特征量；
将提取的特征量进行离散傅里叶变换获取电缆末端以及频谱图中的峰值点对应的位置即故障位置。
作为本发明技术方案的进一步限定，建立电缆输入阻抗计算模型的步骤包括：
设置电缆首端为坐标原点负载侧方向为正方向计算与电缆首端距离x处的电压和电流；
根据计算的电压、电流以及电缆的特性阻抗创建电缆输入阻抗计算模型。
作为本发明技术方案的进一步限定，与电缆首端距离x处的电压；
与电缆首端距离x处的电流；
电缆输入阻抗计算模型；
式中为负载反射系数，/>为入射电压波，/>为电缆的特性阻抗，/>是传播常数,/>是电缆长度。
作为本发明技术方案的进一步限定，根据建立的电缆输入阻抗计算模型建立表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型的步骤包括：
根据建立的电缆输入阻抗计算模型计算电源频率f下距离电缆首端任意位置x处的输入阻抗；
计算电缆末端开路状态时位置x处的输入阻抗即待处理输入阻抗；
运用欧拉公式结合传播常数将待处理输入阻抗进行处理得到表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型。
作为本发明技术方案的进一步限定，表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型为：
为电缆的特性阻抗，/>为电磁波衰减长度，x为与电缆首端的距离，/>是电缆长度，f为电源频率。
作为本发明技术方案的进一步限定，从频变参数模型中提取表征电缆各种运行状态以及表征缺陷位置的特征量的步骤包括：
计算频变参数模型的幅值并根据幅值判断故障及缺陷信息；
分析电缆故障及缺陷对输入阻抗谱的影响在频变参数模型中提取影响因子即携带位置信息的变频函数。
作为本发明技术方案的进一步限定，将提取的特征量进行离散傅里叶变换获取电缆末端以及频谱图中的峰值点对应的位置即故障位置的步骤包括：
将携带位置信息的变频函数进行离散傅里叶变换提取距离因子；
提取距离因子中包含的故障位置信息。
第二方面，本发明技术方案提供一种基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位装置，包括第一模型建立模块、第二模型建立模块、特征提取模块和分析定位模块；
第一模型建立模块，用于建立电缆输入阻抗计算模型；
第二模型建立模块，用于根据建立的电缆输入阻抗计算模型建立表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型；
特征提取模块，用于从频变参数模型中提取表征电缆各种运行状态以及表征缺陷位置的特征量；
分析定位模块，用于将提取的特征量进行离散傅里叶变换获取电缆末端以及频谱图中的峰值点对应的位置即故障位置。
作为本发明技术方案的进一步限定，第一模型建立模块，用于设置电缆首端为坐标原点负载侧方向为正方向计算与电缆首端距离x处的电压和电流；根据计算的电压、电流以及电缆的特性阻抗创建电缆输入阻抗计算模型。
与电缆首端距离x处的电压；
与电缆首端距离x处的电流；
电缆输入阻抗计算模型；
式中为负载反射系数，/>为入射电压波，/>为电缆的特性阻抗，/>是传播常数,/>是电缆长度。
作为本发明技术方案的进一步限定，第二模型建立模块包括设置单元、第一计算单元和处理创建单元；
设置单元，用于根据建立的电缆输入阻抗计算模型计算电源频率f下距离电缆首端任意位置x处的输入阻抗；
第一计算单元，用于计算电缆末端开路状态时位置x处的输入阻抗即待处理输入阻抗；
处理创建单元，用于运用欧拉公式结合传播常数将待处理输入阻抗进行处理得到表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型。
表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型为：
为电缆的特性阻抗，/>为电磁波衰减长度，x为与电缆首端的距离，/>是电缆长度，f为电源频率。
本发明在电缆输入阻抗谱的基础上，利用缺陷的共振信息来辨别电缆故障和局部缺陷，进而实现故障定位。
作为本发明技术方案的进一步限定，特征提取模块包括计算处理单元和提取单元；
计算处理单元，用于计算频变参数模型的幅值并根据幅值判断故障及缺陷信息；
提取单元，用于分析电缆故障及缺陷对输入阻抗谱的影响在频变参数模型中提取影响因子即携带位置信息的变频函数。
作为本发明技术方案的进一步限定，分析定位模块，具体用于将携带位置信息的变频函数进行离散傅里叶变换提取距离因子；提取距离因子中包含的故障位置信息。
第三方面，本发明技术方案提供一种电子设备，所述电子设备包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序指令，所述计算机程序指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如第一方面所述的基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位方法。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：可以完善与发展现有的电缆运行状态检测技术，识别和定位电缆线路中潜在的局部缺陷和各种故障问题，进而制定有效的维护计划，可使电网非计划停电损失降到最小，提高电网运行的可靠性。
此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
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，对于本领域普通技术人员而言，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是本发明一个实施例的方法的示意性流程图。
图2是本发明一个实施例的装置的示意性框图。
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中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。
电力电缆的故障多数是由于绝缘层遭到破坏，进而发展成低阻短路故障、高阻泄漏故障、高阻闪络性故障、受潮故障等永久性故障，为了适应电力工业地下输配电系统电缆故障定位的需求，如图1所示，本发明实施例提供一种基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位方法，包括如下步骤：
步骤1：建立电缆输入阻抗计算模型；
具体包括：设置电缆首端为坐标原点负载侧方向为正方向计算与电缆首端距离x处的电压和电流；
根据计算的电压、电流以及电缆的特性阻抗创建电缆输入阻抗计算模型。
其中，与电缆首端距离x处的电压；
与电缆首端距离x处的电流；
电缆输入阻抗计算模型；
式中为负载反射系数，/>为入射电压波，/>为电缆的特性阻抗，/>是传播常数,/>是电缆长度。
步骤2：根据建立的电缆输入阻抗计算模型建立表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型；
本步骤中，根据建立的电缆输入阻抗计算模型计算电源频率f下距离电缆首端任意位置x处的输入阻抗；计算电缆末端开路状态时位置x处的输入阻抗即待处理输入阻抗；运用欧拉公式结合传播常数将待处理输入阻抗进行处理得到表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型。
表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型为：
为电缆的特性阻抗，/>为电磁波衰减长度，x为与电缆首端的距离，/>是电缆长度，f为电源频率。相位常数通过电磁波的波速和频率计算得出。
步骤3：从频变参数模型中提取表征电缆各种运行状态以及表征缺陷位置的特征量；
步骤4：将提取的特征量进行离散傅里叶变换获取电缆末端以及频谱图中的峰值点对应的位置即故障位置。
电缆中若存在故障点，电缆的输入阻抗会发生改变，常见的电缆故障类型包括高阻组长、开路故障和短路故障。
根据建立的电缆输入阻抗计算模型可以计算任意故障点的输入阻抗，在这里需要与正常电缆的输入阻抗谱进行比较根据输入阻抗谱的差异实现对故障的识别定位。
进行故障识别时，需要建立相应故障的模型进行仿真并将仿真结果与正常电缆的输入阻抗谱进行比较得到不同故障类型对应变化。对设定长度的电缆进行仿真建模获取不同故障类型下的电缆输入阻抗谱并将其与正常电缆的输入阻抗谱进行比对分析实现对故障点的类型识别和定位。
在这里需要说明的是，从频变参数模型中提取表征电缆各种运行状态以及表征缺陷位置的特征量的步骤包括：
计算频变参数模型的幅值并根据幅值判断故障及缺陷信息；
分析电缆故障及缺陷对输入阻抗谱的影响在频变参数模型中提取影响因子即携带位置信息的变频函数。
相应的，将提取的特征量进行离散傅里叶变换获取电缆末端对应设定频率的所在位置即故障位置的步骤包括：
将携带位置信息的变频函数进行离散傅里叶变换提取距离因子；
提取距离因子中包含的故障位置信息。
本实施例中，基于传输线理论，对于单位长度的电缆进行分析计算电缆的特性阻抗的步骤包括：基于传输线理论，对于单位长度的电缆进行分析获取每单位长度电缆对应的电阻、电感、电导和电容；根据获取的电阻、电感、电导和电容计算电阻的特性阻抗；/>依次为每单位长度电缆对应的电阻、电感、电导和电容。
如图2所示，本发明实施例供一种基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位装置，包括第一模型建立模块、第二模型建立模块、特征提取模块和分析定位模块；
第一模型建立模块，用于建立电缆输入阻抗计算模型；
第二模型建立模块，用于根据建立的电缆输入阻抗计算模型建立表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型；
特征提取模块，用于从频变参数模型中提取表征电缆各种运行状态以及表征缺陷位置的特征量；
分析定位模块，用于将提取的特征量进行离散傅里叶变换获取电缆末端对应设定频率的所在位置即故障位置。
第一模型建立模块，用于设置电缆首端为坐标原点负载侧方向为正方向计算与电缆首端距离x处的电压和电流；根据计算的电压、电流以及电缆的特性阻抗创建电缆输入阻抗计算模型。
与电缆首端距离x处的电压；
与电缆首端距离x处的电流；
电缆输入阻抗计算模型；
式中为负载反射系数，/>为入射电压波，/>为电缆的特性阻抗，/>是传播常数,/>是电缆长度。
第二模型建立模块包括设置单元、第一计算单元和处理创建单元；
设置单元，用于根据建立的电缆输入阻抗计算模型计算电源频率f下距离电缆首端任意位置x处的输入阻抗；
第一计算单元，用于计算电缆末端开路状态时位置x处的输入阻抗即待处理输入阻抗；
处理创建单元，用于运用欧拉公式结合传播常数将待处理输入阻抗进行处理得到表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型。
表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型为：
为电缆的特性阻抗，/>为电磁波衰减长度，/>为相位常数，x为与电缆首端的距离，/>是电缆长度，f为电源频率。
本发明在电缆输入阻抗谱的基础上，利用缺陷的共振信息来辨别电缆故障和局部缺陷，进而实现故障定位。
特征提取模块包括计算处理单元和提取单元；
计算处理单元，用于计算频变参数模型的幅值并根据幅值判断故障及缺陷信息；
提取单元，用于分析电缆故障及缺陷对输入阻抗谱的影响在频变参数模型中提取影响因子即携带位置信息的变频函数。
作为本发明技术方案的进一步限定，分析定位模块，具体用于将携带位置信息的变频函数进行离散傅里叶变换提取距离因子；提取距离因子中包含的故障位置信息。
本发明实施例还提供一种基于上述实施例所述装置的测试平台，包括信号发生器、信号调理电路、高速采集卡、IV转换电路；
信号发生器核心为AD9959芯片，此芯片具有与此项目需求相匹配的特性、参数，用AD9959的特性对信号之间因为放大、滤波等信号调理或PCB布局不当而引起不平衡问题进行校正。其串行I/O端口可支持多种配置，如SPI。而且，AD9959采用了高级DDS技术，且可选择4~20倍的REFCLK倍增器(PLL)，高性能、低功耗，强大的性能完全满足本系统的设计需求。
信号调理电路包括电压放大和功率放大，电压放大模块以AD8099芯片为核心构建，AD8099是一款电压反馈运算放大器，噪声超低(0.95nV/√Hz)、失真超低(-92dBc @10MHz)且有高压摆率（1350V/µs），可在电源电流仅为15mA下驱动100Ω的负载，此外，AD8099具有宽电源电压范围（5V~12V）、高带宽(G=2时频率为700MHz)以及高达3.8GHz的增益带宽积(GBWP)，且最大偏移电压为0.5mV。本系统的功率放大模块以THS3091芯片为核心构建，THS3091是电流反馈运算放大器，±5~±15V宽电压范围，低失真(-69dBc @10MHz)，在G=2、RL=100Ω时带宽为210MHz。此外，THS3091还具备7300V/µs的高压摆率，最大驱动电流高达250mA，良好的性能使得非常适用于高电压的信号驱动器应用。
I/V转换电路以OPA818芯片为核心构建，OPA818是一款低噪声（2.2nV/√Hz）、低失真（-72dBc @ 50MHz）、电压反馈运算放大器，大信号带宽为400MHz（2Vpp时），增益带宽积2.7GHz。此外，OPA818还具备1400V/µs的超高压摆率，6V~13V的宽电压范围。基于OPA818优异的性能，它常用于宽带跨阻放大器 （TIA）、光学通信模块和高速高增益数据采集等等。
使用USB8914高速采集卡，双通道直接采集输入DUT前的信号Asin(ω_c t+θ_1 )与输出DUT后的信号Bsin(ω_c t+θ_2)，得到前后两个信号幅度与相位的变化值，后期通过计算得出DUT的交流阻抗谱。
本发明实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信。通信总线可以用于电子设备与传感器之间的信息传输。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行如下方法：建立电缆输入阻抗计算模型；根据建立的电缆输入阻抗计算模型建立表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型；从频变参数模型中提取表征电缆各种运行状态以及表征缺陷位置的特征量；将提取的特征量进行离散傅里叶变换获取电缆末端对应设定频率的所在位置即故障位置。
此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过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，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立电缆输入阻抗计算模型；
根据建立的电缆输入阻抗计算模型建立表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型；
从频变参数模型中提取表征电缆各种运行状态以及表征缺陷位置的特征量；
将提取的特征量进行离散傅里叶变换获取电缆末端以及频谱图中的峰值点对应的位置即故障位置。
2.根据权利要求1所述的基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位方法，其特征在于，建立电缆输入阻抗计算模型的步骤包括：
设置电缆首端为坐标原点负载侧方向为正方向计算与电缆首端距离x处的电压和电流；
根据计算的电压、电流以及电缆的特性阻抗创建电缆输入阻抗计算模型。
3.根据权利要求2所述的基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位方法，其特征在于，与电缆首端距离x处的电压；
与电缆首端距离x处的电流；
电缆输入阻抗计算模型；
式中为负载反射系数，/>为入射电压波，/>为电缆的特性阻抗，/>是传播常数, />是电缆长度。
4.根据权利要求3所述的基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位方法，其特征在于，根据建立的电缆输入阻抗计算模型建立表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型的步骤包括：
根据建立的电缆输入阻抗计算模型计算电源频率f下距离电缆首端任意位置x处的输入阻抗；
计算电缆末端开路状态时位置x处的输入阻抗即待处理输入阻抗；
运用欧拉公式结合传播常数将待处理输入阻抗进行处理得到表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型。
5.根据权利要求4所述的基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位方法，其特征在于，表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型为：
为电缆的特性阻抗，/>为电磁波衰减长度，x为与电缆首端的距离，/>是电缆长度，f为电源频率。
6.根据权利要求5所述的基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位方法，其特征在于，从频变参数模型中提取表征电缆各种运行状态以及表征缺陷位置的特征量的步骤包括：
计算频变参数模型的幅值并根据幅值判断故障及缺陷信息；
分析电缆故障及缺陷对输入阻抗谱的影响在频变参数模型中提取影响因子即携带位置信息的变频函数。
7.根据权利要求6所述的基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位方法，其特征在于，将提取的特征量进行离散傅里叶变换获取电缆末端以及频谱图中的峰值点对应的位置即故障位置的步骤包括：
将携带位置信息的变频函数进行离散傅里叶变换提取距离因子；
提取距离因子中包含的故障位置信息。
8.一种基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位装置，其特征在于，包括第一模型建立模块、第二模型建立模块、特征提取模块和分析定位模块；
第一模型建立模块，用于建立电缆输入阻抗计算模型；
第二模型建立模块，用于根据建立的电缆输入阻抗计算模型建立表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型；
特征提取模块，用于从频变参数模型中提取表征电缆各种运行状态以及表征缺陷位置的特征量；
分析定位模块，用于将提取的特征量进行离散傅里叶变换获取电缆末端以及频谱图中的峰值点对应的位置即故障位置。
9.根据权利要求8所述的基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位装置，其特征在于，第二模型建立模块包括设置单元、第一计算单元和处理创建单元；
设置单元，用于根据建立的电缆输入阻抗计算模型计算电源频率f下距离电缆首端任意位置x处的输入阻抗；
第一计算单元，用于计算电缆末端开路状态时位置x处的输入阻抗即待处理输入阻抗；
处理创建单元，用于运用欧拉公式结合传播常数将待处理输入阻抗进行处理得到表征电缆缺陷与电缆首端输入阻抗谱关系的频变参数模型。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序指令，所述计算机程序指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至7中任一项所述的基于频变阻抗谱的电力电缆故障检测定位方法。
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