一种基于LMD分解的行波故障定位方法及装置与流程

本发明属于电力电缆故障检测，尤其涉及一种基于lmd分解的行波故障定位方法及装置。

背景技术：

1、电力是关系国计民生的基础性资源，在电力电缆发生故障后，如果不能快速的定位故障点并及时排除故障，将严重影响系统的运行安全。当线路发生故障时，故障点会产生向故障点两端传播的电压、电流暂态行波，暂态行波在传递过程中遇到不连续阻抗时会发生反射和透射现象，行波法就是利用同一行波到达检测点的不同时刻列写方程求得故障距离。

2、行波测距主要分为单端行波测距和双端行波测距两种。在很多线路结构和故障情况下，无法进行单端测距，并且单端测距还会存在测距死区的问题。双端行波测距法原理简单，测距精度高，适应范围广，具有较高的可靠性，检测到的暂态行波均为首次到达，不必担忧对端反射波的干扰，且没有端点的反射和故障点的折射影响，能量损耗较小、行波幅值较大，容易检测。在分析故障行波时，常用的经验模态分解（empirical mode decomposition,emd）法由于存在端点效应和模态混叠的问题，无法准确获知行波波头的到达时刻，导致故障定位偏差。

技术实现思路

1、为解决基于emd的行波故障定位法存在的上述问题，进一步提高行波故障的定位精度，本发明提出一种基于局部均值分解法（local mean decomposition，lmd）的行波故障定位方法及装置，具体的技术方案如下：

2、一种基于lmd分解的行波故障定位方法，包括以下步骤：

3、s1、在电缆故障点的两端采集电缆故障时产生的行波信号；

4、s2、分别对采集到的行波信号进行lmd分解，通过瞬时频率突变点确定行波信号到达测量端的初始时刻；

5、s3、利用行波信号到达测量点的时间，计算故障点到测量端的距离。

6、进一步地，步骤s1中，通过基于rogowski线圈的电子式电流互感器采集电流行波模拟信号，并通过高速ad芯片将采集到模拟信号转换为数字信号，得到电流行波信号。

7、进一步地，步骤s2中，所述lmd分解包括以下步骤：

8、s201、获取原始行波信号的极值点，并计算局部均值和包络估计值；

9、s202、将局部均值和行波信号端点的折线连线采用滑动平均法进行平滑处理，得到局部均值函数；

10、s203、将包络估计值和行波信号端点的折线连线采用滑动平均法进行平滑处理，得到包络估计函数；

11、s204、将局部均值函数从原始行波信号中分离，得到，并利用包络估计函数对进行解调，得到；

12、s205、将作为原始行波信号重复上述步骤，得到对应的包络估计函数，判断是否满足且，若不满足则重复迭代步骤s201~s204，直至满足条件，即且，此时有：

13、

14、

15、s206、求瞬时幅值函数，第一个pf分量 pf1，瞬时相位和瞬时频率：

16、

17、

18、

19、

20、s207、将第一个pf分量 pf1从中分离出来，得到新信号，将作为新的原始信号，重复上述步骤s201至s206，循环k次，直到为一个单调函数为止，此时有：

21、

22、行波信号被分解为k个pf分量和一个单频信号之和：

23、

24、s208、将瞬时频率的突变点对应的时刻作为行波信号到达测量点的初始时刻。

25、进一步地，步骤s201中，，。

26、进一步地，在fpga上实现lmd分解，包括极值点计算和包络估计函数计算：首先通过fpga将接收到的待处理原始信号存入ram中；然后读取原始信号序列中的值分别放入寄存器abc中，通过数值比较模块判断极大值和极小值，然后进入包络估计函数计算模块。

27、进一步地，步骤s3中，根据双端法，利用行波信号到达测量端的时间，计算故障点到测量端的距离：假设线路长度为 s，故障点为f点， f点两侧的测量端分别为m端和n端， f点处产生的行波信号到达m端和n端的时刻分别为和，且，则有：

28、

29、由此求得，f点到m端的距离：

30、

31、式中，表示波速，和分别为f点到m端和n端的距离。

32、进一步地，波速， l、 c分别为单位长度电缆的电感值和电容值。

33、一种基于lmd分解的行波故障定位装置，包括fpga模块和分别设置于电缆两端测量端的互感器模块；

34、所述互感器模块包括依次连接的互感器、ad转换模块和通讯模块，所述互感器用于采集行波模拟信号，所述ad转换模块用于将采集到的行波模拟信号转换为数字信号以得到行波信号，所述通讯模块与fpga模块中的通讯模块通讯连接，用于将行波信号传送到fpga模块；

35、所述fpga模块还包括依次连接的lmd分解模块、波头检测模块和故障距离计算模块，所述lmd分解模块用于对接收到的行波信号执行上述定位方法中的lmd分解步骤，所述波头检测模块用于根据lmd分解结果，通过瞬时频率突变点确定行波信号到达测量端的初始时刻，所述故障距离计算模块用于执行上述定位方法中的距离计算步骤，获取故障点到测量端的距离。

36、优选地，所述互感器采用基于rogowski线圈的电子式电流互感器，所述ad转换模块采用高速ad转换芯片。

37、本发明的有益效果：本发明提供的一种基于lmd分解的行波故障定位方法，在算法上，lmd分解得到的pf分量比emd分解得到的imf分量能提取更多的频率和包络信息，而且lmd分解避免了由于hilbert变换自身问题在计算瞬时频率时产生的无法解释的负频率现象，同时采用的双端行波测距方法具有较高的可靠性，检测到的暂态行波均为首次到达，不必担忧对端反射波的干扰，且没有端点的反射和故障点的折射影响，能量损耗较小、行波幅值较大，容易检测。本发明提供的行波故障定位装置基于fpga器件实现，有着高速、并行、集成的优势，能够快速处理大量数据，且灵活可编程，对于提高故障测距精度有着重大的意义。

技术特征：

1.一种基于lmd分解的行波故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于lmd分解的行波故障定位方法，其特征在于，步骤s1中，通过基于rogowski线圈的电子式电流互感器采集电流行波模拟信号，并通过高速ad芯片将采集到模拟信号转换为数字信号，得到电流行波信号。

3.如权利要求1所述的一种基于lmd分解的行波故障定位方法，其特征在于，步骤s201中，，。

4.如权利要求1所述的一种基于lmd分解的行波故障定位方法，其特征在于，在fpga上实现lmd分解，包括极值点计算和包络估计函数计算：首先通过fpga将接收到的待处理原始信号存入ram中；然后读取原始信号序列中的值分别放入寄存器abc中，通过数值比较模块判断极大值和极小值，然后进入包络估计函数计算模块。

5.如权利要求1所述的一种基于lmd分解的行波故障定位方法，其特征在于，步骤s3中，根据双端法，利用行波信号到达测量端的时间，计算故障点到测量端的距离：假设线路长度为s，故障点为f点， f点两侧的测量端分别为m端和n端， f点处产生的行波信号到达m端和n端的时刻分别为和，且，则有：

6.如权利要求5所述的一种基于lmd分解的行波故障定位方法，其特征在于，波速，l、c分别为单位长度电缆的电感值和电容值。

7.一种基于lmd分解的行波故障定位装置，其特征在于，包括fpga模块和分别设置于电缆两端测量端的互感器模块；

8.如权利要求7所述的一种基于lmd分解的行波故障定位装置，其特征在于，所述互感器采用基于rogowski线圈的电子式电流互感器，所述ad转换模块采用高速ad转换芯片。

技术总结
本发明提供一种基于LMD分解的行波故障定位方法及装置，所述方法包括步骤：在电缆故障点的两端采集电缆故障时产生的行波信号；分别对采集到的行波信号进行LMD分解，通过瞬时频率突变点确定行波信号到达测量端的初始时刻；利用行波信号到达测量点的时间，计算故障点到测量端的距离。所述装置包括FPGA模块和分别设置于电缆两端测量端的电流互感器模块。在定位方法上，LMD分解避免了EMD分解法存在的端点效应和模态混叠问题，能够准确获知行波的到达时刻；在定位装置上，本发明基于FPGA器件实现，有着高速、并行、集成的优势，能够快速处理大量数据，且灵活可编程，对于提高故障测距精度有着重大的意义。

技术研发人员：单鸣雷,汤祺,眭珊珊
受保护的技术使用者：常州长创力智能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14