CN109188210A - 一种基于VMD-Hilbert变换的城市电力电缆双端故障测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于VMD‑Hilbert变换的城市电力电缆双端故障测距方法，该故障测距方法为：通过设置在电缆两端的同步测量装置检测故障行波线模初始波头；利用VMD‑Hilbert变换得到的时频图标定波头到达时刻；利用模极大值极性甄别经故障点反射的波头；利用波头到达时刻和已知的电力电缆线路长度推导得到故障点距离。本发明将VMD‑Hilbert变换信号分析方法和双端行波故障测距法结合应用到电力电缆线路。同时仅需测量传播过程中衰减较弱的线模信号、所用故障测距公式不受波速影响。避免了因电力电缆中波速不确定和其零模分量测量导致的测距误差。在电力电缆线路中具有良好的工程实践价值。
Description
技术领域
本发明涉及故障行波到达时间时刻的城市电力电缆双端故障测距方法。
背景技术
在城市电网的建设中，电力电缆取代架空线渐成趋势，与架空线相比，具有无需地上空间、供电可靠性高、电击可能性小等优势，特别适合用于城市供电。城市电网中的电力电缆线路具有距离不长，且更多用于固定两地的电力配送的特点。但地下电力电缆不便检修，一旦发生故障，需要根据测得故障距离及时清除故障，避免影响线路安全稳定运行。
目前，行波测距在架空线路上多有应用，但在电力电缆中，波速难以确定，零模传播特性难以预测。如果直接用传统行波测距的信号分析方法和测距公式用在城市电缆中，测距误差较大。因此，研究选择更优的信号处理方法、设计无关波速和零模分量的城市电力电缆故障测距方法十分必要。
发明内容
为了实现目前城市电力电缆故障的快速准确定位，本发明的目的是提出一种基于VMD-Hilbert变换的城市电力电缆双端故障测距方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于VMD-Hilbert变换的城市电缆双端故障测距方法，包括如下步骤：
(1)以首端M点和末端N点分别表示电缆首末两端测量点，F点表示故障点；电力电缆线路发生故障后，分别提取首端M点与末端N点原始电流行波信号，然后对其进行相模变换，获得原始线模电流故障行波信号，分别记做其中下标M表示首端M点、下标N表示末端N点，上标(1)表示线模；
(2)获取首端M点与末端N点测得的原始线模电流行波信号利用变分模态分解(VMD)将信号分解为一系列离散模态分量；
(3)对两端信号分解后得到的第一个模态分量分别进行Hilbert变换，得到相应的时间-频率关系图，标定时频图中的高频突变为故障初始波头到达M、N两端的时间分别记作
(4)通过变分模态分解(VMD)后第一个模态分量中各模极大值的极性甄别判断出经故障点反射到达M、N两端的行波波头，找出该波头对应的高频突变发生时刻分别记作
(5)将得到的波头到达时刻代入下列公式(1)、(2)
其中，L表示半波长线路全长；
(6)将得到的DMF1、DMF2代入下列公式(3)计算精确的故障距离端点M的距离DMF。
本发明有益效果：
本发明将VMD-Hilbert变换信号分析方法和双端行波故障测距法结合应用到电力电缆线路。同时仅需测量传播过程中衰减较弱的线模信号、所用故障测距公式不受波速影响。避免了因电力电缆中波速不确定和其零模分量测量导致的测距误差。在电力电缆线路中具有良好的工程实践价值。
附图说明
图1为城市电缆线路故障仿真示意图；
图2为本发明流程图。
具体实施方式
以下将结合附图给出本发明实施例,并通过实施例对本发明的技术方案进行进一步的清楚、完整说明。显然,所述实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。
如图2所示，一种基于VMD-Hilbert变换的城市电缆双端故障测距方法，包括如下步骤：
(1)以首端M点和末端N点分别表示电缆首末两端测量点，F点表示故障点；电力电缆线路发生故障后，分别提取首端M点与末端N点原始电流行波信号，然后对其进行相模变换，获得原始线模电流故障行波信号，分别记做其中下标M表示首端M点、下标N表示末端N点，上标(1)表示线模；
(2)获取首端M点与末端N点测得的原始线模电流行波信号利用变分模态分解(VMD)将信号分解为一系列离散模态分量；
(3)对两端信号分解后得到的第一个模态分量分别进行Hilbert变换，得到相应的时间-频率关系图，标定时频图中的高频突变为故障初始波头到达M、N两端的时间分别记作
(4)通过变分模态分解(VMD)后第一个模态分量中各模极大值的极性甄别判断出经故障点反射到达M、N两端的行波波头，找出该波头对应的高频突变发生时刻分别记作
(5)将得到的波头到达时刻代入下列公式(1)、(2)
其中，L表示半波长线路全长；
(6)将得到的DMF1、DMF2代入下列公式(3)计算精确的故障距离端点M的距离DMF。
本发明中所涉及的各种方法如下：
1.线路故障电压线模初始波头识别方法
电力电缆线路发生故障后，故障点产生的电流行波会沿着线路传至两端测量点。本方法首先利用变分模态分解(VMD)将信号分解为一系列离散模态分量，对信号分解后得到的第一个模态分量分别进行Hilbert变换，得到相应的时间-频率关系图，标定时频图中的第一个高频突变为故障初始波头到达两端的时间。
2.线路故障点反射波头的方法
在通过VMD分解后，在第一个模态分量中的第N个模极大值极性首次与第一个模极大值极性相同，则在Hilbert变换后的时频图中，第N个高频突变对应的时刻即为故障点反射波头到达时刻。
仿真验证
为了验证本发明的有效性与可靠性，在PSCAD/EMTDC上搭建电力电缆线路模型，如图1所示。采用符合实际线模依频特性的线路模型，采用三芯电缆模型，电压等级为6KV。因为单相接地短路故障是最常见的短路故障，约占总故障的70％，所以本发明故障设定为单相接地短路故障。线路首端和末端安装有电流行波测量装置，分别在不同的故障距离、故障电阻、负载大小的影响下进行故障模拟仿真。根据本文方法，利用MATLAB软件计算相关参数及故障距离。故障测距误差e由下式定义：
上式中，Xc为计算得到的故障距离，Xr为实际故障距离，L＝10km为线路总长度。故障定位计算结果如下表1所示。限于篇幅，表1中故障距离均为距离线路首端M点的距离。下表1中，S为负载功率，RFL为实际故障距离，Rf为故障电阻。
表1不同故障情况下的故障定位计算结果
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于VMD-Hilbert变换的城市电力电缆双端故障测距方法，其特征在于，该故障测距方法为：通过设置在电缆两端的同步测量装置检测故障行波线模初始波头；利用VMD-Hilbert变换得到的时频图标定波头到达时刻；利用模极大值极性甄别经故障点反射的波头；利用波头到达时刻和已知的电力电缆线路长度推导得到故障点距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于VMD-Hilbert变换的城市电力电缆双端故障测距方法，其特征在于：以首端M点和末端N点分别表示电缆首末两端测量点，F点表示故障点；电力电缆线路发生故障后，分别提取首端M点与末端N点原始电流行波信号，然后对其进行相模变换，获得原始线模电流故障行波信号，分别记做其中下标M表示首端M点、下标N表示末端N点，上标(1)表示线模。
3.根据权利要求2所述的一种基于VMD-Hilbert变换的城市电力电缆双端故障测距方法，其特征在于：
获取首端M点与末端N点测得的原始线模电流行波信号利用变分模态分解将信号分解为一系列离散模态分量；
第一个模态分量中含有大量高频信号，对两端信号分解后得到的第一个模态分量分别进行Hilbert变换，得到相应的时间-频率关系图，标定时频图中的高频突变为故障初始波头到达M、N两端的时间分别记作
4.根据权利要求3所述的一种基于VMD-Hilbert变换的城市电力电缆双端故障测距方法，其特征在于：通过变分模态分解后第一个模态分量中各模极大值的极性甄别判断出经故障点反射到达M、N两端的行波波头，找出该波头对应的高频突变发生时刻分别记作
5.根据权利要求4所述的一种基于VMD-Hilbert变换的城市电力电缆双端故障测距方法，其特征在于：
将得到的波头到达时刻代入下列公式(1)、(2)
其中，L表示半波长线路全长。
6.根据权利要求5所述的一种基于VMD-Hilbert变换的城市电力电缆双端故障测距方法，其特征在于：
将得到的DMF1、DMF2代入下列公式(3)计算精确的故障距离端点M的距离DMF；
7.根据权利要求3所述的一种基于VMD-Hilbert变换的城市电力电缆双端故障测距方法，其特征在于：电缆故障点线模初始波头到达时刻通过以下方法得到：对原始线模信号进行变分模态分解后，对首个模态分量进行Hilbert变换，在得到的时频图中，标定第一个高频突变时刻为初始波头到达时刻。
8.根据权利要求4所述的一种基于VMD-Hilbert变换的城市电力电缆双端故障测距方法，其特征在于：电缆故障点线模反射波头到达时刻通过以下方法得到：在第一个模态分量中的第N个模极大值极性首次与第一个模极大值极性相同，则在Hilbert变换后的时频图中，第N个高频突变对应的时刻即为故障点反射波头到达时刻。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190111 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |