CN108828398B - 一种基于结构相似性算法的单芯电缆局放定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于结构相似性算法的单芯电缆局放定位方法，针对电力电缆线路经常出现的绝缘故障，基于结构相似性算法提高电缆局放定位精确度，进而提高输电线路的稳定性。所述定位方法主要包括以下步骤：首先通过离线测定，对某一特定型号的电缆测量出相关实验参数；其次通过在电缆接头处的金属护层接地端安装的高频电流互感器实时监测PD信号，并传回控制中心分析；最后应用SSIM算法比对两端脉冲信号的相似度，实现对PD源的精确定位。该方法不仅能在线完成PD源定位，且对靠近电缆接头和终端的PD源也能有效定位，试验结果的误差在1m内，为后续的故障控制、清除提供可靠的保护动作依据。

Description

一种基于结构相似性算法的单芯电缆局放定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于结构相似性算法的单芯电缆局放定位方法，属于电力***继电保护技术领域。
背景技术
随着现代电网的不断发展，输电线路作为其中重要的一环越来越受到重视，交联聚乙烯(XLPE)电力电缆以优异的电气绝缘性能被广泛的应用在智能电网、发电厂、飞机、轨道交通和大型船舶等***中，而它的运行状况、绝缘性能直接关系到整个***的稳定运行。根据电力电缆的设计，其寿命一般在15-20年之间，但在投运的初期故障率较高，原因是电缆本身及附件中存在的绝缘缺陷易引发局部放电(PD)，特别是在城市电网中，因电缆常年直埋地下受温度、水、有机化合物、酸、碱和微生物等影响，加速了绝缘层中局部放电的发展过程，逐渐形成电树枝最终诱发永久性故障，导致整个局部***的停运甚至失控。为减少电缆的故障率，在永久性故障发生前定位PD源显得尤为重要。
目前常见的定位方法：幅值频率图法(AF)，通过不同位置采集的PD信号，经时域和频域分析计算实现定位，但因模糊的定位结果该方法仅能作为预测手段；相位差方法，根据入射波和反射波在频域中的相位差实现定位，该方法对于靠近电缆接头或终端的PD源无法定位。
本发明目的在于克服传统局放定位方法的不足，提出一种基于结构相似性算法的单芯电缆局放定位方法。该方法实时监测电缆接头处金属护层的PD信号，并进行数据分析，应用SSIM算法比对线路两端脉冲信号的相似度，实现对PD源的精确定位，为后续的故障控制、清除提供可靠的保护动作依据。
本发明所采用的技术方案是：通过离线测定对某一特定型号的电缆测量出相关实验参数，为后续分析计算做铺垫；再通过安装在接头处金属护层接地端的高频电流互感器实时监测可能出现的PD信号，并传回控制中心分析计算脉冲信号的SSIM值，当该值大于设置的阈值时，判断为外部源，反之为内部源；最后在判定为内部源的情况下，应用SSIM算法比对进行局放源的精确定位。
附图说明
附图1是电力电缆等效模型
附图2是基于SSIM算法的PD源定位流程图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施过程对本发明作进一步描述。
首先参见图1，当在电缆1内部设置PD源时，规定PD源相对于电缆接头1和2属于外部源，相对于电缆接头1和3属于内部源。在每个电缆接头处的金属护层接地端安装高频电流互感器，实时监测PD脉冲信号。图中L为一节电缆的长度，U为流经电缆接头的局放电压信号，I为电缆接头接地点的电流信号，IRS为电缆接头接地点电流的模变换值。
参见图2,本发明所述的一种基于结构相似性算法的单芯电缆局放定位方法包括以下步骤：
(1)离线测定传输函数A，计算步长Δt，电缆的单位长度Lmin，传播时延τ等实验参数，并选取合适的数据窗口(DataWindows，DW)
DW＝min{DW1,DW2}
其中
Figure BDA0001592130920000021
式中的τC和τS分别为线芯和金属护层两种模态下的传播时延；
(2)通过高频电流互感器实时监测每个接头外金属护层的PD信号，以电缆2节为例，将接头1和接头2监测到的首个脉冲信号经信号处理分别为IRS1和I2·m，再将IRS1与
Figure BDA0001592130920000022
相乘后的曲线波形x与I2·m的曲线波形y相比对，应用SSIM算法得出二者的相似度数值SSIM(x,y)，将该相似度数值与设置的阈值1相比较，若大于阈值1则判定为外部源，反之则为内部源。
Figure BDA0001592130920000023
为电缆线芯的传输函数，阈值1设置在0.7-0.9之间。计算公式如下：
Figure BDA0001592130920000024
其中μx、μy分别是两幅图像信号的亮度平均值，
Figure BDA0001592130920000025
分别为图像信号x和y的标准差，σxy是x、y的协方差，c1、c2、c3是使公式中分母不为零的很小的常数，α、β、γ是对应因子的权重。SSIM算法的结果是有界的：0＜SSIM(x，y)≤1，结果越大，两幅图的相似度越高，当两幅图一模一样时，SSIM(x，y)＝1。
(3)在判定为内部源时，需要进一步确定PD源的位置，以PD源设置在电缆1节中，假设距离接头1有一计算长度l,其数值为Lmin的整数倍。将接头1与接头2监测到的脉冲信号经信号处理得I1·m和I3·m，再将I1·m与
Figure BDA0001592130920000031
相乘后的曲线波形x'和I3·m与
Figure BDA0001592130920000032
相乘后的曲线波形y'相比对，应用SSIM算法得出二者的相似度数值SSIM(x',y')，将该数值与设置的阈值2相比较，若大于阈值2则可将该相似度数值对应的位置作为一个参考结果。若小于阈值2，则再将l与L比较，若l大于L，则进行综合评价参考结果，取SSIM(x',y')最大值对应的位置为PD源。若l小于L，则重新赋值l进行判断。

Claims (2)

1.一种基于结构相似性算法的单芯电缆局放定位方法，其特征在于：首先通过离线测定，对某一特定型号的电缆测量出相关参数；
具体为：离线测定传输函数，计算步长Δt，电缆的单位长度Lmin，传播时延作为实验参数，并选取合适的数据窗口DW，
DW＝min{DW1,DW2}
其中，
Figure FDA0002671031230000011
式中的τC和τS分别为线芯和金属护层两种模态下的传播时延，L为一节电缆的长度；
其次通过在每节电缆接头处的金属护层接地端安装的高频电流互感器实时监测PD信号，并传回控制中心分析；最后应用SSIM算法比对两端脉冲信号的相似度，实现对PD源的精确定位，具体为：
将电缆两端接头监测到的首个脉冲信号经信号处理分别为IRS1和I2·m，再将IRS1与
Figure FDA0002671031230000012
相乘后的曲线波形x与I2·m的曲线波形y相比对，应用SSIM算法得出二者的相似度数值SSIM(x,y)，将该相似度数值SSIM(x,y)与设置的阈值1相比较，若大于阈值1则判定为外部源，反之则为内部源；
Figure FDA0002671031230000013
为电缆线芯的传输函数，阈值1设置在0.7-0.9之间，计算公式如下：
Figure FDA0002671031230000014
其中μx、μy分别是曲线波形x、曲线波形y的亮度平均值，
Figure FDA0002671031230000015
分别为曲线波形x和曲线波形y的标准差，σxy是曲线波形x、曲线波形y的协方差，c1、c2是使公式中分母不为零的常数；SSIM算法的结果是有界的：0＜SSIM(x，y)≤1，结果越大，两个曲线波形的相似度越高，当两个曲线波形一模一样时，SSIM(x，y)＝1；
在判定为内部源时，需要进一步确定PD源的位置，假设PD源设置在电缆1节中，电缆1节两端的接头分别为接头1和接头3，PD源距离接头1有一计算长度l,其数值为Lmin的整数倍，将接头1和接头3监测到的脉冲信号经信号处理得I1·m和I3·m，再将I1·m与
Figure FDA0002671031230000016
相乘后的曲线波形x'和I3·m与
Figure FDA0002671031230000017
相乘后的曲线波形y'相比对，应用SSIM算法得出二者的相似度数值SSIM(x',y')，将该相似度数值SSIM(x',y')与设置的阈值2相比较，若大于阈值2则可将该相似度数值SSIM(x',y')对应的位置作为一个参考结果，若小于阈值2，则再将l与L比较，若l大于L，则进行综合评价参考结果，取SSIM(x',y')最大值对应的位置为PD源，若l小于L，则重新赋值l进行判断。
2.如权利要求1所述的一种基于结构相似性算法的单芯电缆局放定位方法，其特征在于，该方法采用模块化设计，主要由以下三部分组成：离线测定模块、初步定位模块和精确定位模块；其中离线测定模块是对某一特定型号的电缆测量出相关实验参数，为后续分析计算做铺垫；初步定位模块通过安装在接头处金属护层接地端的高频电流互感器实时监测可能出现的PD信号，并传回控制中心分析计算脉冲信号从SSIM算法中得到的值，当该值大于设置的阈值1时，判断为外部源，反之为内部源；在判定为内部源的情况下，再应用SSIM算法比对进行局放源的精确定位。
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