[發明專利]基于暫態行波模極大值法的電纜線路故障識別與定位方法

在審

• 申請號: 201610136376.4
• 申請日: 2016-03-10
• 公開（公告）號: CN105548820A
• 公開（公告）日: 2016-05-04
• 發明（設計）人: 汪梅;郭婭楠;徐長豐;張一哲;姬和靜;朱亮;孫敏
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G01R31/08
• 分類號: G01R31/08
• 代理公司: 西安創知專利事務所 61213
• 代理人: 李艷春

1.一種基于暫態行波模極大值法的電纜線路故障識別與定位方法，其特征在于該方法 包括以下步驟：

步驟一、信號實時檢測及同步上傳：通過電源側A相霍爾電流傳感器(1)對被檢測電纜 (11)所在線路電源側的A相電流進行實時檢測，并將實時所檢測的電源側A相電流信號i_a同 步上傳至第一數據采集卡(7)，同時，將實時所檢測的電源側A相電流信號i_a通過I/V轉換電 路模塊(10)進行I/V轉換得到電源側A相電壓信號U_a后同步上傳至第二數據采集卡(8)；通 過電源側B相霍爾電流傳感器(2)對被檢測電纜(11)所在線路電源側的B相電流進行實時檢 測，并將實時所檢測的電源側B相電流信號i_b同步上傳至第一數據采集卡(7)，同時，將實時 所檢測的電源側B相電流信號i_b通過I/V轉換電路模塊(10)進行I/V轉換得到電源側B相電 壓信號U_b后同步上傳至第二數據采集卡(8)；通過電源側C相霍爾電流傳感器(3)對被檢測 電纜(11)所在線路電源側的C相電流進行實時檢測，并將實時所檢測的電源側C相電流信號 i_c同步上傳至第一數據采集卡(7)，同時，將實時所檢測的電源側C相電流信號i_c通過I/V轉 換電路模塊(10)進行I/V轉換得到電源側C相電壓信號U_c后同步上傳至第二數據采集卡 (8)；通過負載側A相霍爾電流傳感器(4)對被檢測電纜(11)所在線路負載側的A相電流進行 實時檢測，并將實時所檢測的負載側A相電流信號i_a′通過I/V轉換電路模塊(10)進行I/V轉 換得到負載側A相電壓信號U_a′后同步上傳至第二數據采集卡(8)；通過負載側B相霍爾電流 傳感器(5)對被檢測電纜(11)所在線路負載側的B相電流進行實時檢測，并將實時所檢測的 負載側B相電流信號i_b′通過I/V轉換電路模塊(10)進行I/V轉換得到負載側B相電壓信號U_b′ 后同步上傳至第二數據采集卡(8)；通過負載側C相霍爾電流傳感器(6)對被檢測電纜(11) 所在線路負載側的C相電流進行實時檢測，并將實時所檢測的負載側C相電流信號i_c′通過 I/V轉換電路模塊(10)進行I/V轉換得到負載側C相電壓信號U_c′后同步上傳至第二數據采 集卡(8)；

步驟二、信號采集及存儲：第一數據采集卡(7)對電源側A相電流信號i_a、電源側B相電流 信號i_b和電源側C相電流信號i_c進行采集并相應進行A/D轉換后，同步傳送至主控計算機 (9)；第二數據采集卡(8)對電源側A相電壓信號U_a、電源側B相電壓信號U_b和電源側C相電壓 信號U_c，以及負載側A相電壓信號U_a′、負載側B相電壓信號U_b′和負載側C相電壓信號U_c′進行 采集并相應進行A/D轉換后，同步傳送至主控計算機(9)；主控計算機(9)對電源側A相電流 信號i_a、電源側B相電流信號i_b和電源側C相電流信號i_c，電源側A相電壓信號U_a、電源側B相 電壓信號U_b和電源側C相電壓信號U_c，以及負載側A相電壓信號U_a′、負載側B相電壓信號U_b′ 和負載側C相電壓信號U_c′的采樣點數量、所有采樣點和各采樣點所對應的采樣時刻進行存 儲；

步驟三、電纜故障識別：當被檢測電纜(11)發生故障時，第一數據采集卡(7)傳送來的 電源側A相電流信號i_a、電源側B相電流信號i_b和電源側C相電流信號i_c為故障信號，此時通 過主控計算機(9)對電源側A相電流信號i_a、電源側B相電流信號i_b和電源側C相電流信號i_c進行分析處理，并相應得出被檢測電纜(11)的故障類型屬于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兩相短路接地故障、AB相間短路故障、BC兩相短路接地故障、 BC相間短路故障、AC兩相短路接地故障、AC相間短路故障和ABC三相短路接地故障中的哪一 種，其分析處理過程如下：

步驟301、電流波形圖繪制：所述主控計算機(9)調用電流波形繪制模塊繪制出電源側A 相電流信號i_a隨采樣時間t變化的電源側A相電流波形圖、電源側B相電流信號i_b隨采樣時間 t變化的電源側B相電流波形圖和電源側C相電流信號i_c隨采樣時間t變化的電源側C相電流 波形圖；

步驟302、分形盒維數計算，具體過程為：

步驟3021、非故障狀態下電流的盒維數計算：假設非故障狀態時電源側A相電流波形、 電源側B相電流波形和電源側C相電流波形中的任意一個波形為歐氏空間的非空有界點集 S_r，用邊長為n的小方格覆蓋該點集S_r時，假設N_n(S_r)為邊長為n時其中包含點集S_r的點的最 小盒子數，所述主控計算機(9)先根據公式計算出非故障狀態下 電流的盒維數特征值Dim(S_r)，再根據公式計算出非故障狀 態下電流的盒維數特征期望值E(Dim^*)；其中，r＝1,2,…,m，m為不小于3的正整數；

步驟3022、故障狀態下電流的盒維數計算：首先，假設電源側A相電流波形是歐氏空間 的非空有界點集S_A，用邊長為n的小方格覆蓋該點集S_A時，假設N_n(S_A)為邊長為n時其中包含 點集S_A的點的最小盒子數，所述主控計算機(9)先根據公式計 算出故障狀態下電源側A相電流的盒維數特征值Dim(S_A)，再根據公式計算 出A相分形維數F_A；接著，假設電源側B相電流波形是歐氏空間的非空有界點集S_B，用邊長為n 的小方格覆蓋該點集S_B時，假設N_n(S_B)為邊長為n時其中包含點集S_B的點的最小盒子數，所 述主控計算機(9)先根據公式計算出故障狀態下電源側B相電 流的盒維數特征值Dim(S_B)，再根據公式計算出B相分形維數F_B；然后，假設 電源側C相電流波形是歐氏空間的非空有界點集S_C，用邊長為n的小方格覆蓋該點集S_C時，假 設N_n(S_C)為邊長為n時其中包含點集S_C的點的最小盒子數，所述主控計算機(9)先根據公式 計算出故障狀態下電源側C相電流的盒維數特征值Dim(S_C)，再 根據公式計算出C相分形維數F_C；

步驟303、電流信號空間變換：所述主控計算機(9)調用電流信號凱倫布爾變換模塊將 電源側A相電流信號i_a、電源側B相電流信號i_b和電源側C相電流信號i_c從相空間變換到模空 間，得到電源側電流信號的0模電流分量i₀、電源側電流信號的α模電流分量i_α和電源側電流 信號的β模電流分量i_β；

步驟304、對模空間的電流信號進行離散小波變換及小波系數求解：首先，所述主控計 算機(9)選取電源側電流信號的0模電流分量i₀作為一維信號f(n₀)并調用離散小波變換模 塊對一維信號f(n₀)進行離散小波變換，相應求得離散小波變換后的各層小波系數，各層所 述小波系數包括各層近似系數和各層細節系數，各層細節系數記作d_j,k，其中，n₀＝0,1, 2,…N-1且N為一維信號f(n₀)的采樣序列中的采樣點數量，一維信號f(n₀)的采樣序列中的 采樣點數量、所有采樣序列點和各采樣序列點所對應的采樣時刻均與步驟二中主控計算機 (9)所存儲的電源側A相電流信號i_a、電源側B相電流信號i_b和電源側C相電流信號i_c的采樣 點數量、所有采樣點和各采樣點所對應的采樣時刻一一對應；j＝1,2,…，J且J為離散小波 變換的層數，k＝0,1,2…,N-1且k為一維信號f(n₀)的采樣序列中的N個采樣序列點的序號； 接著，所述主控計算機(9)選取電源側電流信號的α模電流分量i_α作為一維信號f(n_α)并調用 離散小波變換模塊對一維信號f(n_α)進行離散小波變換，相應求得離散小波變換后的各層 小波系數，各層所述小波系數包括各層近似系數和各層細節系數，各層細節系數記作d′_j,k， 其中，n_α＝0,1,2,…N-1且N為一維信號f(n_α)的采樣序列中的采樣點數量，一維信號f(n_α)的 采樣序列中的采樣點數量、所有采樣序列點和各采樣序列點所對應的采樣時刻均與步驟二 中主控計算機(9)所存儲的電源側A相電流信號i_a、電源側B相電流信號i_b和電源側C相電流 信號i_c的采樣點數量、所有采樣點和各采樣點所對應的采樣時刻一一對應；j＝1,2,…,J且 J為離散小波變換的層數，k＝0,1,2…,N-1且k為一維信號f(n_α)的采樣序列中的N個采樣序 列點的序號；然后，所述主控計算機(9)選取電源側電流信號的β模電流分量i_β作為一維信 號f(n_β)并調用離散小波變換模塊對一維信號f(n_β)進行離散小波變換，相應求得離散小波 變換后的各層小波系數，各層所述小波系數包括各層近似系數和各層細節系數，各層細節 系數記作d″_j,k，其中，n_β＝0,1,2,…N-1且N為一維信號f(n_β)的采樣序列中的采樣點數量，一 維信號f(n_β)的采樣序列中的采樣點數量、所有采樣序列點和各采樣序列點所對應的采樣 時刻均與步驟二中主控計算機(9)所存儲的電源側A相電流信號i_a、電源側B相電流信號i_b和 電源側C相電流信號i_c的采樣點數量、所有采樣點和各采樣點所對應的采樣時刻一一對應； j＝1,2,…,J且J為離散小波變換的層數，k＝0,1,2…,N-1且k為一維信號f(n_β)的采樣序列 中的N個采樣序列點的序號；

步驟305、電流信號的初始行波模極大值點檢測：首先，所述主控計算機(9)按照一維信 號f(n₀)的采樣序列的采樣順序，由前至后對第J層細節系數d_J,k的模極大值點進行檢測與 記錄，且檢測得出當k＝i時，d_J,k取得模極大值點，即電源側電流信號的0模電流分量i₀的初 始行波模極大值I₀＝d_J,i；接著，所述主控計算機(9)按照一維信號f(n_α)的采樣序列的采樣 順序，由前至后對第J層細節系數d′_J,k的模極大值點進行檢測與記錄，且檢測得出當k＝i 時，d′_J,k取得模極大值點，即電源側電流信號的α模電流分量i_α的初始行波模極大值I_α＝ d′_J,i；然后，所述主控計算機(9)按照一維信號f(n_β)的采樣序列的采樣順序，由前至后對第 J層細節系數d″_J,k的模極大值點進行檢測與記錄，且檢測得出當k＝i時，d″_J,k取得模極大值 點，即電源側電流信號的β模電流分量i_β的初始行波模極大值I_β＝d″_J,i；其中，i＝0,1,2,…, N-1；

步驟306、電纜故障識別：所述主控計算機(9)對A相分形維數F_A、B相分形維數F_B和C相分 形維數F_C進行比對，并對電源側電流信號的0模電流分量i₀的初始行波模極大值I₀、電源側 電流信號的α模電流分量i_α的初始行波模極大值I_α和電源側電流信號的β模電流分量i_β的初 始行波模極大值I_β進行比對，并根據比對結果對電纜故障進行識別，具體為:

當F_c>F_a>F_b時，判定為ABC三相短路接地故障，識別結束并輸出識別結果；

當F_b>F_a>F_c時，首先判斷是否有I_α≠0，當I_α≠0時，判斷是否有I_β≠0，當I_α≠0且I_β≠0時， 判定為A相接地短路故障；當I_α≠0且I_β＝0時，判定為B相接地短路故障；當I_α＝0時，判定為C 相接地短路故障；識別結束并輸出識別結果；

當F_c>F_b>F_a時，首先判斷是否有I₀＝0，當I₀＝0時，判定為AB相間短路故障；當I₀≠0時， 判定為AB兩相短路接地故障；識別結束并輸出識別結果；

當F_b>F_c>F_a時，首先判斷是否有I₀＝0，當I₀＝0時，判定為AC相間短路故障；當I₀≠0時， 判定為AC兩相短路接地故障；識別結束并輸出識別結果；

當F_a>F_b>F_c時，首先判斷是否有I₀＝0，當I₀＝0時，判定為BC相間短路故障；當I₀≠0時， 判定為BC兩相短路接地故障；識別結束并輸出識別結果；

步驟四、電纜故障定位：當被檢測電纜(11)發生故障時，第二數據采集卡(8)傳送來的 電源側A相電壓信號U_a、電源側B相電壓信號U_b和電源側C相電壓信號U_c，以及負載側A相電壓 信號U_a′、負載側B相電壓信號U_b′和負載側C相電壓信號U_c′為故障信號，此時通過主控計算 機(9)對電源側A相電壓信號U_a、電源側B相電壓信號U_b和電源側C相電壓信號U_c，以及負載側 A相電壓信號U_a′、負載側B相電壓信號U_b′和負載側C相電壓信號U_c′進行分析處理，并相應得 出被檢測電纜(11)的故障位置，其分析處理過程如下：

步驟401、電壓波形圖繪制：首先，所述主控計算機(9)調用電壓波形繪制模塊繪制出電 源側A相電壓信號U_a隨采樣時間t變化的電源側A相電壓波形圖、電源側B相電壓信號U_b隨采 樣時間t變化的電源側B相電壓波形圖和電源側C相電壓信號U_c隨采樣時間t變化的電源側C 相電壓波形圖，以及負載側A相電壓信號U_a′隨采樣時間t變化的負載側A相電壓波形圖、負 載側B相電壓信號U_b′隨采樣時間t變化的負載側B相電壓波形圖和負載側C相電壓信號U_c′隨 采樣時間t變化的負載側C相電壓波形圖；

步驟402、電壓信號空間變換：所述主控計算機(9)調用電壓信號凱倫布爾變換模塊將 電源側A相電壓信號U_a、電源側B相電壓信號U_b和電源側C相電壓信號U_c從相空間變換到模空 間，得到電源側電壓信號的0模電壓分量u₀、電源側電壓信號的α模電壓分量u_α和電源側電壓 信號的β模電壓分量u_β；并將負載側A相電壓信號U_a′、負載側B相電壓信號U_b′和負載側C相電 壓信號U_c′從相空間變換到模空間，得到負載側電壓信號的0模電壓分量u′₀、負載側電壓信 號的α模電壓分量u_α′和負載側電壓信號的β模電壓分量u_β′；

步驟403、對電源側電壓信號的β模電壓分量u_β和負載側電壓信號的β模電壓分量u_β′進 行離散小波變換及小波系數求解：首先，所述主控計算機(9)選取電源側電壓信號的β模電 壓分量u_β作為一維信號f(m_β)并調用離散小波變換模塊對一維信號f(m_β)進行離散小波變 換，相應求得離散小波變換后的各層小波系數，各層小波系數包括各層近似系數和各層細 節系數，各層細節系數記作d_j′,k′，其中，m_β＝0,1,2,…M-1且M為一維信號f(m_β)的采樣序列 中的采樣點數量，一維信號f(m_β)的采樣序列中的采樣點數量、所有采樣序列點和各采樣序 列點所對應的采樣時刻均與步驟二中主控計算機(9)所存儲的電源側A相電壓信號U_a、電源 側B相電壓信號U_b和電源側C相電壓信號U_c的采樣點數量、所有采樣點和各采樣點所對應的 采樣時刻一一對應；j′＝1,2,…,J′且J′為離散小波變換的層數，k′＝0,1,2…,M-1且k′為 一維信號f(m_β)的采樣序列中的M個采樣序列點的序號；然后，所述主控計算機(9)選取負載 側電壓信號的β模電壓分量u′_β作為一維信號f(m′_β)并調用離散小波變換模塊對一維信號f (m′_β)進行離散小波變換，相應求得離散小波變換后的各層小波系數，各層小波系數包括各 層近似系數和各層細節系數，各層細節系數記作d′_j′,k′，其中，m′_β＝0,1,2,…M-1且M為一維 信號f(m′_β)的采樣序列中的采樣點數量，一維信號f(m′_β)的采樣序列中的采樣點數量、所有 采樣序列點和各采樣序列點所對應的采樣時刻均與步驟二中主控計算機(9)所存儲的電源 側A相電壓信號U_a、電源側B相電壓信號U_b和電源側C相電壓信號U_c的采樣點數量、所有采樣 點和各采樣點所對應的采樣時刻一一對應；j′＝1,2,…,J′且J′為離散小波變換的層數，k′ ＝0,1,2…,M-1且k′為一維信號f(m_β)的采樣序列中的M個采樣序列點的序號；

步驟404、電壓信號的初始行波模極大值點檢測：首先，所述主控計算機(9)按照一維信 號f(m_β)的采樣序列的采樣順序，由前至后對第J′層細節系數d_J′,k′的模極大值點進行檢測 與記錄，且檢測得出當k′＝i′時，d_J′,k′取得模極大值點，即電源側電壓信號的β模電壓分量 u_β的初始行波模極大值U_β＝d_J′,i′，記錄電源側電壓信號的β模電壓分量u_β的初始行波模極大 值U_β出現的時刻t₁；然后，所述主控計算機(9)按照一維信號f(m′_β)的采樣序列的采樣順序， 由前至后對第J′層細節系數d′_J′,k′的模極大值點進行檢測與記錄，且檢測得出當k′＝i′時， d′_J′,k′取得模極大值點，即負載側電壓信號的β模電壓分量u′_β的初始行波模極大值U′_β＝ d′_J′,i′，記錄負載側電壓信號的β模電壓分量u′_β的初始行波模極大值U′_β出現的時刻t₂；其 中，i′＝0,1,2,…,M-1；

步驟405、電纜故障定位：所述主控計算機(9)根據公式計算電纜故 障位置到電源側A相霍爾電流傳感器(1)、電源側B相霍爾電流傳感器(2)和電源側C相霍爾 電流傳感器(3)的安裝位置的距離x，其中，l為被檢測電纜(11)的總長度，v為暫態行波在被 檢測電纜(11)上傳播的速度且L為被檢測電纜(11)單位長度的電感，C為被檢測 電纜(11)單位長度的電容。