专利名称：一种gis终端电缆故障在线测距方法
技术领域：
本发明涉及电缆故障检测技术领域，尤其涉及一种GIS终端电缆故障在线测距方法。
背景技术：
基于城市变电站建设成本及运行维护成本的考虑，GIS (Gas InsulatedSwitchgear，气体绝缘开关)装置在城市电网中得到广泛的应用，以GIS为终端的电缆线路也日益增多。传统的离线测距方法一方面存在着停电时间长、需专用检测仪器等缺陷；另一方面，由于GIS无外露导体部件，但为了能够施加电压进行离线故障定位，就需要解开电缆终端，这样会影响GIS免维护、免检修、安全可靠的优势，同时也会因拆装电缆终端而带来
新的问题。目前，电力电缆在线测距主要有阻抗法和行波法两大类，但GIS终端电缆在线测距存在以下难题GIS终端内难以安装合适的行波信号传变装置；生产现场存在复杂的电磁干扰，采集到的行波信号中存在较多的白噪声和脉冲噪声；电缆各导体电流之间的强烈耦合而使得各导体电流中存在较复杂的模量干扰；故障行波在故障点、护套交叉互联点、护套直接接地点、母线以及相邻母线等阻抗不匹配点会发生复杂的折反射现象，采集到的信号中行波分量十分复杂；当生产现场中电缆两侧母线的进出线小于3根时，故障初始行波突变较小，运用小波分析方法检测突变点可能失效；现有的测距算法的定位误差较大，其主要来源包括行波速度、GPS授时精度、采样频率以及行波色散等多个方面。因此，研究一种高效可靠的GIS终端地下电缆在线测距方法具有重大意义。
发明内容
基于此，本发明提供了一种GIS终端电缆故障在线测距方法。在GIS终端电缆两端分别安装电流传变装置，同步采集所述GIS终端电缆两端三相护套的故障电流行波信号；采用数字滤波方法滤除采集到的所述故障电流行波信号中的白噪声、脉冲噪声和闻频振荡噪声；消除经滤波后的所述故障电流行波信号中的外模量干扰信号和内模量干扰信号;采用多尺度小波变换法或者导数法获取所述故障电流行波信号突变点所对应的采样点序列；通过辨别初始行波、滤除小干扰行波、识别故障点反射波和推测故障点反射波的方式识别所述故障电流行波信号；根据上述识别结果进行测距。与一般技术相比，本发明GIS终端电缆故障在线测距方法利用传感器准确传变故障电流行波信号后，采用数字滤波方法和相电流相加的方法消除了大部分噪声干扰和模量干扰，在以小波分析方法或导数法求解信号中突变点序列后，定量地识别故障点反射波，并根据行波识别结果选取合适的测距算法进行测距。本发明具有较强的适用性、可靠性和实用性，自动化水平较高，其故障定位的精确性能够满足地下电力电缆系统故障测距的要求。
图I为本发明GIS终端电缆故障在线测距方法的流程示意图；图2为GIS终端电缆故障在线测距方法的仿真示意图；图3为交替混合滤波器滤除白噪声的效果图；图4为交替混合滤波器滤除脉冲噪声的效果图；图5为交替混合滤波器滤除高频振荡噪声的效果图；图6为信号突变点位置分布图之一；图7为信号突变点位置分布图之二。
具体实施例方式为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。请参阅图1，为本发明GIS终端电缆故障在线测距方法的流程示意图。本发明GIS终端电缆故障在线测距方法，包括以下步骤SlOl在GIS终端电缆两端分别安装电流传变装置，同步采集所述GIS终端电缆两端三相护套的故障电流行波信号；作为其中一个实施例，采用基于罗氏线圈原理的穿芯式电流传感器传变三相电缆护套接地线的故障电流行波信号。在电缆两端的金属护套接地线处安装适宜传变高频行波信号的罗氏线圈电流传感器以监测三相护套电流信号，并采用高速同步采样装置记录电缆两端的故障电流行波iAi> iB1、ici以及iA2、iB2> iC2，其采样频率不低于100MHz，时钟同步系统GPS的授时误差不大于 30ns οS102采用数字滤波方法滤除采集到的所述故障电流行波信号中的白噪声、脉冲噪声和闻频振荡噪声；作为其中一个实施例，采用圆形结构元素的交替混合滤波器滤除所述故障电流行波信号中的白噪声；采用三角形结构元素的交替混合滤波器滤除所述故障电流行波信号中的脉冲噪声和高频振荡噪声。采用形态学方法中的交替混合滤波器对采集到的故障电流行波信号进行数字滤波，具体做法是先采用圆形结构元素的交替混合滤波器滤除行波信号中大部分的随机背景噪声(即白噪声)，然后利用三角形结构元素的交替混合滤波器对行波信号再一次进行滤波，去除大部分的脉冲噪声干扰和高频振荡信号，从而得到较真实的三相电流行波信号
* I A I A I ['I ΤΛn* f A f
丄 Α1Λ丄 Β1Λ丄 Cl匕人从丄 Α2Λ丄 Β2Λ丄 C20S103消除经滤波后的所述故障电流行波信号中的外模量干扰信号和内模量干扰
信号；
根据多导体相模变换的原理，将电缆两端滤波后的三相护套电流分别相加得到模量干扰较少的和电流行波信号^和i2，突显测距所关注的主内模分量，即I1 =
i Al + i Bl + i Cl 和 “ 一i A2+i B2 + i C2。S104采用多尺度小波变换法或者导数法获取所述故障电流行波信号突变点所对应的采样点序列；作为其中一个实施例，利用高斯小波或者三次B样条小波进行小波变换，并在尺度为2、4、8上进行多尺度分析，获取各尺度的模极大值点；以小波变换后最低尺度的分析结果判断通过小波变换能否检测到模极大值最大的初始行波； 根据所述判断结果，如果通过小波分析能够检测到两端故障行波信号的初始行波，则采纳小波分析的结果，并从最高尺度往最低尺度检测得到最低尺度上电缆两端故障行波信号突变点所对应的采样点序列；根据所述判断结果，如果通过小波分析不能检测到两端故障行波信号的初始行波，则采用求导数的方法将前后两个采样点的数值进行差分，记录定时采样时间段内局部最大差分值及其所对应的采样点，并把这些采样点所对应时刻确定为行波到达检测端的时亥IJ，以获得电缆两端故障行波信号突变点所对应的采样点序列。优先采用多尺度小波分析技术检测信号il和i2中的突变点，当采用小波分析方法未能找到行波突变点时，转用导数法求解，具体做法如下利用高斯小波或者三次B样条小波将故障行波信号进行小波变换，并在尺度为2、
4、8上进行多尺度分析，从而获取各尺度的模极大值点；以小波变换后最低尺度的分析结果判断小波变换方法能否在行波采集装置启动故障录波后的一段时间(行波在整根电缆传播所需时间)内检测到模极大值绝对值最大的初始行波；如果采用小波分析方法能够检测到两端故障行波信号的初始行波，则采纳小波分析的结果，并从最高尺度往最低尺度检测得到最低尺度上电缆两端故障行波信号突变点所对应采样点序列％、Sf Sm以及tp V·· tn ；如果采用小波分析方法未能检测到电缆两端信号的初始行波，则采用求导数的方法将前后两个采样点的数值进行差分，记录定时采样时间段内局部最大差分值及其所对应的采样点，并将这些采样点确定为行波到达检测端引起的突变点，从而获得导数法求解电缆两端故障行波突变点所对应的采样点序列TpPfPx以及qi、q^qy。S105通过辨别初始行波、滤除小干扰行波、识别故障点反射波和推测故障点反射波的方式识别所述故障电流行波信号； 作为其中一个实施例，以检测到的突变点绝对值最大的采样点为初始行波到达时刻对应的采样点S1和T1，如果在突变点序列中有其他采样点位于S1和T1之前，则判断这些位于S1和T1之前的采样点为干扰行波对应的采样点并将其舍弃；根据初始行波突变值绝对值选取阈值，滤除能量值在所述阈值以下的干扰行波，得到两端故障信号突变点的新序列；利用以电缆线芯及其护套为回路的内模量行波速度、电缆总长以及行波到达检测端时刻之间的数学关系识别故障点反射波到达时刻S2和τ2。
作为其中一个实施例，所述识别所述故障电流行波信号的步骤，包括如下采用突变值特征识别故障点反射波的步骤排除由母线等效电容的充放电效应使行波到达该母线后其突变值符号在一段时间内发生翻转而引起的干扰行波；将突变点检测过程中绝对值仅次于初始行波的突变点确定为故障点反射波到达两端时所对应的采样点。利用行波传播特性以及突变值特性识别故障初始行波和故障点反射行波，其具体做法如下以突变点检测过程中突变值绝对值最大的采样点为初始行波到达时刻对应的采样点S1和1\。若突变点序列中有其他采样点位于S1和T1之前，则判断这些位于S1和T1之前的采样点为干扰行波对应的采样点并将其舍弃； 选取初始行波突变值绝对值的5%作为阈值τ来滤除小干扰行波，从而得到电缆两端故障信号突变点的新序列分别为f\、^…匕和gl、gfgb，且令初始行波采样点=S!、gi = T1 ；利用以电缆线芯及其护套为回路的内模量行波速度V、电缆总长L以及行波到达检测端时刻之间的数学关系识别故障点反射波到达时刻S2和T2，具体做法如下设电缆两端的初始行波对应的采样点为和gl，则根据电缆两端故障点反射波与初始行波的数学关系，在两端故障行波信号突变点新序列中循环寻找两个采样点A和gj使得它们满足下列不等式关系I (f-f^gj-g!) X ΔΤΧV-2L| ( L0其中，Λ T为信号采样时间间隔，Ltl是识别行波所用的允许距离误差(一般可取100至150m，应视具体测距条件而定)，则&和g]为故障点反射波到达两端的时刻对应的采样点。若小波分析法和导数法均未能检测到其中一端信号的初始行波或采用上述方法未能同时找到电缆两端故障点反射波所对应的采样点，则以能检测到初始行波的一端行波信号进行分析，并根据故障点初始行波、故障点反射波和故障点二次反射行波之间关系识别行波。以电缆一端行波突变点新序列f为例，在该序列中寻找两个采样点A和&使其满足如下近似关系式II ( F0其中，Ftl为识别行波时所允许的采样点数误差(采样频率为IOOMHz时可取50-100，应视具体测距条件而定)，则为第一个故障点反射波对应的采样点，&为第二个故障点反射波对应的采样点。若采用上述数学关系识别故障点反射波时有几组采样点序列同时满足要求，则采用下列办法进行处理①设这几组采样序列组合中，有组合(Ui, Vj), (Ui, VJ+1)同时满足(a)或(b)中一个数学关系式，其中，k > Vjtl-Vj > O (k为正整数)，则把出现时间较早、突变值的绝对值也较大的采样点，即组合(Ui, ')，确定为故障点反射波对应的采样点； 当这几组采样序列组合的元素各不相同，即有组合(Ui, Vj), (Uffl, Vn)同时满足(a)或(b)中一个数学关系式，且这两对组合的突变值有IWuiI < IffumI, Iffvj < WvnI，则选取突变值绝对值均较大的一组，即(um，vn)，作为所要求的组合。
若采用上述行波识别方法无法定量计算得到电缆两端故障点反射波，则采用突变值特征来识别故障点反射波，具体做法是首先，排除由母线等效电容的充放电效应使行波到达该母线后突变值符号在一段时间内发生翻转(采样频率为IOOMHz时，该时间段约为10至100个采样点间隔且随测距条件变化)而引起的干扰行波；然后，把行波信号突变点新序列中绝对值仅次于初始行波的突变点f' 2和g' 2确定为故障点反射波到达两端时所对应的采样点。若小波分析法和导数 法均未能识别出电缆两端信号中故障初始行波，则行波自动识别方法完全失效，需要结合相关工作经验进行人工识别行波。S106根据上述识别结果进行测距。作为其中一个实施例，采用D型双端测距法或者A型单端测距法进行测距。作为其中一个实施例，如果行波采集装置的GPS工作正常且电缆两端的故障初始行波对应的采样点均能准确识别，则采用D型双端测距法来计算故障点到电缆两端的距离；如果行波采集装置的GPS工作正常，但通过小波分析法和求导数法均不能检测到某端电流信号中初始行波，则利用另一端电流信号进行分析并采用A型测距法进行故障定位；如果行波采集装置的GPS工作不正常，或者未能同时识别两端信号中的初始行波或故障点反射波，则选取能够识别初始行波一端的行波信号进行行波识别并采用A型单端测距法进行故障定位。根据行波识别结果并结合行波采集装置的实际工作情况，选择适当的测距算法进行测距，具体做法如下如果行波采集装置的GPS工作正常且电缆两端的故障初始行波和gl均能准确识别，则优先采用D型双端测距方法来计算故障点到电缆两端距离Dif和D2f分别为
权利要求
1.一种GIS终端电缆故障在线测距方法，其特征在于，包括以下步骤 在GIS终端电缆两端分别安装电流传变装置，同步采集所述GIS终端电缆两端三相护套的故障电流行波信号； 采用数字滤波方法滤除采集到的所述故障电流行波信号中的白噪声、脉冲噪声和高频振荡噪声； 消除经滤波后的所述故障电流行波信号中的外模量干扰信号和内模量干扰信号； 采用多尺度小波变换法或者导数法获取所述故障电流行波信号突变点所对应的采样点序列； 通过辨别初始行波、滤除小干扰行波、识别故障点反射波和推测故障点反射波的方式识别所述故障电流行波信号； 根据上述识别结果进行测距。
2.根据权利要求I所述的GIS终端电缆故障在线测距方法，其特征在于，在所述同步采集所述GIS终端电缆两端三相护套的故障电流行波信号的步骤中，采用基于罗氏线圈原理的穿芯式电流传感器传变三相电缆护套接地线的故障电流行波信号。
3.根据权利要求I所述的GIS终端电缆故障在线测距方法，其特征在于，所述采用数字滤波方法滤除采集到的所述故障电流行波信号中的白噪声、脉冲噪声和高频振荡噪声的步骤，包括以下步骤 采用圆形结构元素的交替混合滤波器滤除所述故障电流行波信号中的白噪声； 采用三角形结构元素的交替混合滤波器滤除所述故障电流行波信号中的脉冲噪声和高频振荡噪声。
4.根据权利要求I所述的GIS终端电缆故障在线测距方法，其特征在于，所述采用多尺度小波变换法或者导数法获取所述故障电流行波信号突变点所对应的采样点序列的步骤，包括以下步骤 利用高斯小波或者三次B样条小波进行小波变换，并在尺度为2、4、8上进行多尺度分析，获取各尺度的模极大值点； 以小波变换后最低尺度的分析结果判断通过小波变换能否检测到模极大值最大的初始行波； 根据所述判断结果，如果通过小波分析能够检测到两端故障行波信号的初始行波，则采纳小波分析的结果，并从最高尺度往最低尺度检测得到最低尺度上电缆两端故障行波信号突变点所对应的采样点序列； 根据所述判断结果，如果通过小波分析不能检测到两端故障行波信号的初始行波，则采用求导数的方法将前后两个采样点的数值进行差分，记录定时采样时间段内局部最大差分值及其所对应的采样点，并把这些采样点所对应时刻确定为行波到达检测端的时刻，以获得电缆两端故障行波信号突变点所对应的采样点序列。
5.根据权利要求I所述的GIS终端电缆故障在线测距方法，其特征在于，所述识别所述故障电流行波信号的步骤，包括以下步骤 以检测到的突变点绝对值最大的采样点为初始行波到达时刻对应的采样点S1和T1，如果在突变点序列中有其他采样点位于S1和T1之前，则判断这些位于S1和T1之前的采样点为干扰行波对应的采样点并将其舍弃；根据初始行波突变值绝对值选取阈值，滤除能量值在所述阈值以下的干扰行波，得到两端故障信号突变点的新序列； 利用以电缆线芯及其护套为回路的内模量行波速度、电缆总长以及行波到达检测端时刻之间的数学关系识别故障点反射波到达时刻S2和τ2。
6.根据权利要求I所述的GIS终端电缆故障在线测距方法，其特征在于，所述识别所述故障电流行波信号的步骤，包括如下采用突变值特征识别故障点反射波的步骤 排除由母线等效电容的充放电效应使行波到达该母线后其突变值符号在一段时间内发生翻转而引起的干扰行波； 将突变点检测过程中绝对值仅次于初始行波的突变点确定为故障点反射波到达两端时所对应的采样点。
7.根据权利要求I所述的GIS终端电缆故障在线测距方法，其特征在于，在所述根据上述识别结果进行测距的步骤中，采用D型双端测距法或者A型单端测距法进行测距。
8.根据权利要求7所述的GIS终端电缆故障在线测距方法，其特征在于，所述根据上述识别结果进行测距的步骤，包括以下步骤 如果行波采集装置的GPS工作正常且电缆两端的故障初始行波对应的采样点均能准确识别，则采用D型双端测距法来计算故障点到电缆两端的距离； 如果行波采集装置的GPS工作正常，但通过小波分析法和求导数法均不能检测到某端电流信号中初始行波，则利用另一端电流信号进行分析并采用A型测距法进行故障定位； 如果行波采集装置的GPS工作不正常，或者未能同时识别两端信号中的初始行波或故障点反射波，则选取能够识别初始行波一端的行波信号进行行波识别并采用A型单端测距法进行故障定位。
全文摘要
本发明公开了一种GIS终端电缆故障在线测距方法，包括同步采集所述GIS终端电缆两端三相护套的故障电流行波信号；滤除采集到的所述故障电流行波信号中的白噪声、脉冲噪声和高频振荡噪声；消除经滤波后的所述故障电流行波信号中的外模量干扰信号和内模量干扰信号；获取所述故障电流行波信号突变点所对应的采样点序列；识别所述故障电流行波信号；根据上述识别结果进行测距。本发明具有较强的适用性、可靠性和实用性，自动化水平较高，其故障定位的精确性能够满足地下电力电缆系统故障测距的要求。
文档编号G01R31/11GK102944818SQ20121049488
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者张群峰, 夏成军, 区伟潮, 詹清华, 朱文滔, 周勇彪, 李国伟, 沈勇, 张鸣, 张俊 申请人:广东电网公司佛山供电局