[发明专利]基于暂态行波模极大值法的电缆线路故障识别与定位方法

摘要

本发明公开了一种基于暂态行波模极大值法的电缆线路故障识别与定位方法，包括步骤：一、信号实时检测及同步上传；二、信号采集及存储；三、电缆故障识别，具体为：电流波形图绘制，分形盒维数计算，电流信号空间变换，对模空间的电流信号进行离散小波变换及小波系数求解，电流信号的初始行波模极大值点检测，电缆故障识别；四、电缆故障定位，具体为：电压波形图绘制，电压信号空间变换，对电源侧电压信号的β模电压分量u_β和负载侧电压信号的β模电压分量u_β′进行离散小波变换及小波系数求解，电压信号的初始行波模极大值点检测，电缆故障定位。本发明方法步骤简单，实现方便，故障识别与定位效率高、精确度高，功能完备，实用性强。

主权项

一种基于暂态行波模极大值法的电缆线路故障识别与定位方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、信号实时检测及同步上传：通过电源侧A相霍尔电流传感器(1)对被检测电缆(11)所在线路电源侧的A相电流进行实时检测，并将实时所检测的电源侧A相电流信号i_a同步上传至第一数据采集卡(7)，同时，将实时所检测的电源侧A相电流信号i_a通过I/V转换电路模块(10)进行I/V转换得到电源侧A相电压信号U_a后同步上传至第二数据采集卡(8)；通过电源侧B相霍尔电流传感器(2)对被检测电缆(11)所在线路电源侧的B相电流进行实时检测，并将实时所检测的电源侧B相电流信号i_b同步上传至第一数据采集卡(7)，同时，将实时所检测的电源侧B相电流信号i_b通过I/V转换电路模块(10)进行I/V转换得到电源侧B相电压信号U_b后同步上传至第二数据采集卡(8)；通过电源侧C相霍尔电流传感器(3)对被检测电缆(11)所在线路电源侧的C相电流进行实时检测，并将实时所检测的电源侧C相电流信号i_c同步上传至第一数据采集卡(7)，同时，将实时所检测的电源侧C相电流信号i_c通过I/V转换电路模块(10)进行I/V转换得到电源侧C相电压信号U_c后同步上传至第二数据采集卡(8)；通过负载侧A相霍尔电流传感器(4)对被检测电缆(11)所在线路负载侧的A相电流进行实时检测，并将实时所检测的负载侧A相电流信号i_a′通过I/V转换电路模块(10)进行I/V转换得到负载侧A相电压信号U_a′后同步上传至第二数据采集卡(8)；通过负载侧B相霍尔电流传感器(5)对被检测电缆(11)所在线路负载侧的B相电流进行实时检测，并将实时所检测的负载侧B相电流信号i_b′通过I/V转换电路模块(10)进行I/V转换得到负载侧B相电压信号U_b′后同步上传至第二数据采集卡(8)；通过负载侧C相霍尔电流传感器(6)对被检测电缆(11)所在线路负载侧的C相电流进行实时检测，并将实时所检测的负载侧C相电流信号i_c′通过I/V转换电路模块(10)进行I/V转换得到负载侧C相电压信号U_c′后同步上传至第二数据采集卡(8)；步骤二、信号采集及存储：第一数据采集卡(7)对电源侧A相电流信号i_a、电源侧B相电流信号i_b和电源侧C相电流信号i_c进行采集并相应进行A/D转换后，同步传送至主控计算机(9)；第二数据采集卡(8)对电源侧A相电压信号U_a、电源侧B相电压信号U_b和电源侧C相电压信号U_c，以及负载侧A相电压信号U_a′、负载侧B相电压信号U_b′和负载侧C相电压信号U_c′进行采集并相应进行A/D转换后，同步传送至主控计算机(9)；主控计算机(9)对电源侧A相电流信号i_a、电源侧B相电流信号i_b和电源侧C相电流信号i_c，电源侧A相电压信号U_a、电源侧B相电压信号U_b和电源侧C相电压信号U_c，以及负载侧A相电压信号U_a′、负载侧B相电压信号U_b′和负载侧C相电压信号U_c′的采样点数量、所有采样点和各采样点所对应的采样时刻进行存储；步骤三、电缆故障识别：当被检测电缆(11)发生故障时，第一数据采集卡(7)传送来的电源侧A相电流信号i_a、电源侧B相电流信号i_b和电源侧C相电流信号i_c为故障信号，此时通过主控计算机(9)对电源侧A相电流信号i_a、电源侧B相电流信号i_b和电源侧C相电流信号i_c进行分析处理，并相应得出被检测电缆(11)的故障类型属于A相接地短路故障、B相接地短路故障、C相接地短路故障、AB两相短路接地故障、AB相间短路故障、BC两相短路接地故障、BC相间短路故障、AC两相短路接地故障、AC相间短路故障和ABC三相短路接地故障中的哪一种，其分析处理过程如下：步骤301、电流波形图绘制：所述主控计算机(9)调用电流波形绘制模块绘制出电源侧A相电流信号i_a随采样时间t变化的电源侧A相电流波形图、电源侧B相电流信号i_b随采样时间t变化的电源侧B相电流波形图和电源侧C相电流信号i_c随采样时间t变化的电源侧C相电流波形图；步骤302、分形盒维数计算，具体过程为：步骤3021、非故障状态下电流的盒维数计算：假设非故障状态时电源侧A相电流波形、电源侧B相电流波形和电源侧C相电流波形中的任意一个波形为欧氏空间的非空有界点集S_r，用边长为n的小方格覆盖该点集S_r时，假设N_n(S_r)为边长为n时其中包含点集S_r的点的最小盒子数，所述主控计算机(9)先根据公式计算出非故障状态下电流的盒维数特征值Dim(S_r)，再根据公式计算出非故障状态下电流的盒维数特征期望值E(Dim^*)；其中，r＝1,2,…,m，m为不小于3的正整数；步骤3022、故障状态下电流的盒维数计算：首先，假设电源侧A相电流波形是欧氏空间的非空有界点集S_A，用边长为n的小方格覆盖该点集S_A时，假设N_n(S_A)为边长为n时其中包含点集S_A的点的最小盒子数，所述主控计算机(9)先根据公式计算出故障状态下电源侧A相电流的盒维数特征值Dim(S_A)，再根据公式计算出A相分形维数F_A；接着，假设电源侧B相电流波形是欧氏空间的非空有界点集S_B，用边长为n的小方格覆盖该点集S_B时，假设N_n(S_B)为边长为n时其中包含点集S_B的点的最小盒子数，所述主控计算机(9)先根据公式计算出故障状态下电源侧B相电流的盒维数特征值Dim(S_B)，再根据公式计算出B相分形维数F_B；然后，假设电源侧C相电流波形是欧氏空间的非空有界点集S_C，用边长为n的小方格覆盖该点集S_C时，假设N_n(S_C)为边长为n时其中包含点集S_C的点的最小盒子数，所述主控计算机(9)先根据公式计算出故障状态下电源侧C相电流的盒维数特征值Dim(S_C)，再根据公式计算出C相分形维数F_C；步骤303、电流信号空间变换：所述主控计算机(9)调用电流信号凯伦布尔变换模块将电源侧A相电流信号i_a、电源侧B相电流信号i_b和电源侧C相电流信号i_c从相空间变换到模空间，得到电源侧电流信号的0模电流分量i₀、电源侧电流信号的α模电流分量i_α和电源侧电流信号的β模电流分量i_β；步骤304、对模空间的电流信号进行离散小波变换及小波系数求解：首先，所述主控计算机(9)选取电源侧电流信号的0模电流分量i₀作为一维信号f(n₀)并调用离散小波变换模块对一维信号f(n₀)进行离散小波变换，相应求得离散小波变换后的各层小波系数，各层所述小波系数包括各层近似系数和各层细节系数，各层细节系数记作d_j,k，其中，n₀＝0,1,2,…N‑1且N为一维信号f(n₀)的采样序列中的采样点数量，一维信号f(n₀)的采样序列中的采样点数量、所有采样序列点和各采样序列点所对应的采样时刻均与步骤二中主控计算机(9)所存储的电源侧A相电流信号i_a、电源侧B相电流信号i_b和电源侧C相电流信号i_c的采样点数量、所有采样点和各采样点所对应的采样时刻一一对应；j＝1,2,…，J且J为离散小波变换的层数，k＝0,1,2…,N‑1且k为一维信号f(n₀)的采样序列中的N个采样序列点的序号；接着，所述主控计算机(9)选取电源侧电流信号的α模电流分量i_α作为一维信号f(n_α)并调用离散小波变换模块对一维信号f(n_α)进行离散小波变换，相应求得离散小波变换后的各层小波系数，各层所述小波系数包括各层近似系数和各层细节系数，各层细节系数记作d′_j,k，其中，n_α＝0,1,2,…N‑1且N为一维信号f(n_α)的采样序列中的采样点数量，一维信号f(n_α)的采样序列中的采样点数量、所有采样序列点和各采样序列点所对应的采样时刻均与步骤二中主控计算机(9)所存储的电源侧A相电流信号i_a、电源侧B相电流信号i_b和电源侧C相电流信号i_c的采样点数量、所有采样点和各采样点所对应的采样时刻一一对应；j＝1,2,…,J且J为离散小波变换的层数，k＝0,1,2…,N‑1且k为一维信号f(n_α)的采样序列中的N个采样序列点的序号；然后，所述主控计算机(9)选取电源侧电流信号的β模电流分量i_β作为一维信号f(n_β)并调用离散小波变换模块对一维信号f(n_β)进行离散小波变换，相应求得离散小波变换后的各层小波系数，各层所述小波系数包括各层近似系数和各层细节系数，各层细节系数记作d″_j,k，其中，n_β＝0,1,2,…N‑1且N为一维信号f(n_β)的采样序列中的采样点数量，一维信号f(n_β)的采样序列中的采样点数量、所有采样序列点和各采样序列点所对应的采样时刻均与步骤二中主控计算机(9)所存储的电源侧A相电流信号i_a、电源侧B相电流信号i_b和电源侧C相电流信号i_c的采样点数量、所有采样点和各采样点所对应的采样时刻一一对应；j＝1,2,…,J且J为离散小波变换的层数，k＝0,1,2…,N‑1且k为一维信号f(n_β)的采样序列中的N个采样序列点的序号；步骤305、电流信号的初始行波模极大值点检测：首先，所述主控计算机(9)按照一维信号f(n₀)的采样序列的采样顺序，由前至后对第J层细节系数d_J,k的模极大值点进行检测与记录，且检测得出当k＝i时，d_J,k取得模极大值点，即电源侧电流信号的0模电流分量i₀的初始行波模极大值I₀＝d_J,i；接着，所述主控计算机(9)按照一维信号f(n_α)的采样序列的采样顺序，由前至后对第J层细节系数d′_J,k的模极大值点进行检测与记录，且检测得出当k＝i时，d′_J,k取得模极大值点，即电源侧电流信号的α模电流分量i_α的初始行波模极大值I_α＝d′_J,i；然后，所述主控计算机(9)按照一维信号f(n_β)的采样序列的采样顺序，由前至后对第J层细节系数d″_J,k的模极大值点进行检测与记录，且检测得出当k＝i时，d″_J,k取得模极大值点，即电源侧电流信号的β模电流分量i_β的初始行波模极大值I_β＝d″_J,i；其中，i＝0,1,2,…,N‑1；步骤306、电缆故障识别：所述主控计算机(9)对A相分形维数F_A、B相分形维数F_B和C相分形维数F_C进行比对，并对电源侧电流信号的0模电流分量i₀的初始行波模极大值I₀、电源侧电流信号的α模电流分量i_α的初始行波模极大值I_α和电源侧电流信号的β模电流分量i_β的初始行波模极大值I_β进行比对，并根据比对结果对电缆故障进行识别，具体为:当F_c>F_a>F_b时，判定为ABC三相短路接地故障，识别结束并输出识别结果；当F_b>F_a>F_c时，首先判断是否有I_α≠0，当I_α≠0时，判断是否有I_β≠0，当I_α≠0且I_β≠0时，判定为A相接地短路故障；当I_α≠0且I_β＝0时，判定为B相接地短路故障；当I_α＝0时，判定为C相接地短路故障；识别结束并输出识别结果；当F_c>F_b>F_a时，首先判断是否有I₀＝0，当I₀＝0时，判定为AB相间短路故障；当I₀≠0时，判定为AB两相短路接地故障；识别结束并输出识别结果；当F_b>F_c>F_a时，首先判断是否有I₀＝0，当I₀＝0时，判定为AC相间短路故障；当I₀≠0时，判定为AC两相短路接地故障；识别结束并输出识别结果；当F_a>F_b>F_c时，首先判断是否有I₀＝0，当I₀＝0时，判定为BC相间短路故障；当I₀≠0时，判定为BC两相短路接地故障；识别结束并输出识别结果；步骤四、电缆故障定位：当被检测电缆(11)发生故障时，第二数据采集卡(8)传送来的电源侧A相电压信号U_a、电源侧B相电压信号U_b和电源侧C相电压信号U_c，以及负载侧A相电压信号U_a′、负载侧B相电压信号U_b′和负载侧C相电压信号U_c′为故障信号，此时通过主控计算机(9)对电源侧A相电压信号U_a、电源侧B相电压信号U_b和电源侧C相电压信号U_c，以及负载侧A相电压信号U_a′、负载侧B相电压信号U_b′和负载侧C相电压信号U_c′进行分析处理，并相应得出被检测电缆(11)的故障位置，其分析处理过程如下：步骤401、电压波形图绘制：首先，所述主控计算机(9)调用电压波形绘制模块绘制出电源侧A相电压信号U_a随采样时间t变化的电源侧A相电压波形图、电源侧B相电压信号U_b随采样时间t变化的电源侧B相电压波形图和电源侧C相电压信号U_c随采样时间t变化的电源侧C相电压波形图，以及负载侧A相电压信号U_a′随采样时间t变化的负载侧A相电压波形图、负载侧B相电压信号U_b′随采样时间t变化的负载侧B相电压波形图和负载侧C相电压信号U_c′随采样时间t变化的负载侧C相电压波形图；步骤402、电压信号空间变换：所述主控计算机(9)调用电压信号凯伦布尔变换模块将电源侧A相电压信号U_a、电源侧B相电压信号U_b和电源侧C相电压信号U_c从相空间变换到模空间，得到电源侧电压信号的0模电压分量u₀、电源侧电压信号的α模电压分量u_α和电源侧电压信号的β模电压分量u_β；并将负载侧A相电压信号U_a′、负载侧B相电压信号U_b′和负载侧C相电压信号U_c′从相空间变换到模空间，得到负载侧电压信号的0模电压分量u′₀、负载侧电压信号的α模电压分量u_α′和负载侧电压信号的β模电压分量u_β′；步骤403、对电源侧电压信号的β模电压分量u_β和负载侧电压信号的β模电压分量u_β′进行离散小波变换及小波系数求解：首先，所述主控计算机(9)选取电源侧电压信号的β模电压分量u_β作为一维信号f(m_β)并调用离散小波变换模块对一维信号f(m_β)进行离散小波变换，相应求得离散小波变换后的各层小波系数，各层小波系数包括各层近似系数和各层细节系数，各层细节系数记作d_j′,k′，其中，m_β＝0,1,2,…M‑1且M为一维信号f(m_β)的采样序列中的采样点数量，一维信号f(m_β)的采样序列中的采样点数量、所有采样序列点和各采样序列点所对应的采样时刻均与步骤二中主控计算机(9)所存储的电源侧A相电压信号U_a、电源侧B相电压信号U_b和电源侧C相电压信号U_c的采样点数量、所有采样点和各采样点所对应的采样时刻一一对应；j′＝1,2,…,J′且J′为离散小波变换的层数，k′＝0,1,2…,M‑1且k′为一维信号f(m_β)的采样序列中的M个采样序列点的序号；然后，所述主控计算机(9)选取负载侧电压信号的β模电压分量u′_β作为一维信号f(m′_β)并调用离散小波变换模块对一维信号f(m′_β)进行离散小波变换，相应求得离散小波变换后的各层小波系数，各层小波系数包括各层近似系数和各层细节系数，各层细节系数记作d′_j′,k′，其中，m′_β＝0,1,2,…M‑1且M为一维信号f(m′_β)的采样序列中的采样点数量，一维信号f(m′_β)的采样序列中的采样点数量、所有采样序列点和各采样序列点所对应的采样时刻均与步骤二中主控计算机(9)所存储的电源侧A相电压信号U_a、电源侧B相电压信号U_b和电源侧C相电压信号U_c的采样点数量、所有采样点和各采样点所对应的采样时刻一一对应；j′＝1,2,…,J′且J′为离散小波变换的层数，k′＝0,1,2…,M‑1且k′为一维信号f(m_β)的采样序列中的M个采样序列点的序号；步骤404、电压信号的初始行波模极大值点检测：首先，所述主控计算机(9)按照一维信号f(m_β)的采样序列的采样顺序，由前至后对第J′层细节系数d_J′,k′的模极大值点进行检测与记录，且检测得出当k′＝i′时，d_J′,k′取得模极大值点，即电源侧电压信号的β模电压分量u_β的初始行波模极大值U_β＝d_J′,i′，记录电源侧电压信号的β模电压分量u_β的初始行波模极大值U_β出现的时刻t₁；然后，所述主控计算机(9)按照一维信号f(m′_β)的采样序列的采样顺序，由前至后对第J′层细节系数d′_J′,k′的模极大值点进行检测与记录，且检测得出当k′＝i′时，d′_J′,k′取得模极大值点，即负载侧电压信号的β模电压分量u′_β的初始行波模极大值U′_β＝d′_J′,i′，记录负载侧电压信号的β模电压分量u′_β的初始行波模极大值U′_β出现的时刻t₂；其中，i′＝0,1,2,…,M‑1；步骤405、电缆故障定位：所述主控计算机(9)根据公式计算电缆故障位置到电源侧A相霍尔电流传感器(1)、电源侧B相霍尔电流传感器(2)和电源侧C相霍尔电流传感器(3)的安装位置的距离x，其中，l为被检测电缆(11)的总长度，v为暂态行波在被检测电缆(11)上传播的速度且L为被检测电缆(11)单位长度的电感，C为被检测电缆(11)单位长度的电容。