CN115825649A - 一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位*** - Google Patents

一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位*** Download PDF

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胡业林
杨杰
宋晓
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Abstract

本发明公开了一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***，包括感知层、传输层、平台层和应用层，所述结构包括电流磁致信号发送端、电流磁致信号接收端、人机交互端。主要元部件包括待检测的电力电缆、电流磁致信号提取传感器、模拟信号程控放大器、A/D转换器、微型处理器、4G通信模块、Web客户端服务器、数值计算服务器和客户显示终端。本发明涉及电力电缆故障测距技术领域。通过使用本发明，不需要停电，不影响正常生产，使用非接触型电流磁致信号提取传感器是在三相电缆的首端，中点，末端(主要使用中点数据计算，首端和末端为了防止噪声过大或其他因素干扰时进行辅助测量)测定电缆中的电流数据，在数值计算服务器中使用参数优化的变分模态分解来标定行波波头，运用所提出的中点行波法进行计算后获取故障点位置信息，并且可以进行人机交互。

Description

一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障 点中点行波测距在线定位***
技术领域
本发明涉及电力电缆故障测距领域，具体为一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***。
背景技术
随着电力网络的使用年限增加，故障发生的概率也随之增加，对此及时的进行故障定位就很有必要，这不仅可以加速维修时间，也加快了对后续操作的处理速度。针对目前电力电缆故障测距领域常用的诊断方法存在检测不全面、需停电检测等问题，提出一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***。该方法通过使用中点行波测距法，使用非接触型电流磁致信号提取传感器对电力电缆电流信号进行提取，进行相模变换后，获取行波分量，运用参数优化变分模态分解来获取波头数据，进而计算出故障位置，并将信息传达给用户。
电力电缆传统的测距方法如下:
单端测距法：单端测距法仅提取线路一端的故障电气量，标定初始故障行波到达测量端时刻以及反射波到达该端时刻，将其代入单端测距公式确定故障位置。
双端测距法：双端测距法提取线路首末两端的故障电气量，标定初始故障行波到达首端和末端的时刻，将其代入双端测距公式确定故障位置。
这两种方法同时存在的问题就是需要提前获取行波波速来进行计算，但是线路参数受环境影响较大，行波波速也会因此收到影响。
行波波头传统的标定方法是小波变换和希尔伯特黄变换，目前采用的小波变换和经验模态分解等方法测距误差较大，甚至可能有失效的风险。为解决上述问题，并将测距方法用于实际测量中，提出一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***，解决了现有的电力电缆测距领域常用的测距方法存在波速不准确引起测量误差过大的问题，行波波头标定不准确引起的计算误差过大的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***包括感知层、传输层、平台层和应用层，所述结构包括电流磁致信号发送端、电流磁致信号接收端、人机交互端。主要元部件包括待检测的电力电缆、电流磁致信号提取传感器、模拟信号程控放大器、A/D转换器、微型处理器、4G通信模块、Web客户端服务器、数值计算服务器和客户显示终端。
所述电流磁致信号发送端中电流磁致信号提取传感器输出端均通过导线与模拟信号程控放大器的输入端电性连接，所述模拟信号程控放大器的输出端通过导线与A/D转换器的输出端电性连接，且A/D 转换器的输出端通过导线与微处理器的输入端电性连接，所述微处理器通过4G通信模块与电流磁致信号接收层实现电流磁致信号的传输，电流磁致信号通过去噪程序预处理后进入数值计算服务器进行故障距离计算，所述数值计算服务器通过4G通信模块与人机交互层实现故障位置信息的传输，人机交互层中Web客户端服务器通过网络客户显示终端连接。
优选的，所述电流磁致信号提取传感器分别与电力电缆的三相电连接,该三路信号分别来自电力电缆的三相电A、B和C。
优选的，将电流磁致信号传感器所采集信号送给模拟信号程控放大器，且模拟信号程控放大器的输出信号送给A/D转换器。
优选的，所述A/D转换器输出的数字信号送给微处理器，且经微处理器运算预处理后的数据通过4G通信模块无线传送至电流磁致信号接收端。
优选的，预处理的电流磁致信号数据通过去噪程序后送入数值计算服务器进行故障距离计算。
优选的，所述数值计算服务器输出的故障位置信息通过4G通信模块无线传送至人机交互端的Web客户端服务器。
优选的，客户只需通过所述客户显示终端访问Web客户端服务器即能获取电缆故障位置信息及处理建议，从而进行维修操作。
优选的，所述电流磁致信号提取传感器用于提取电力电缆三相电 A、B和C的电流磁致信号，且感知层用于对电流磁致信号的采集和分析处理。
优选的，所述传输层用于对信号数据传送到Web服务器，Web 服务器把数据整理后发送给电缆故障距离数值计算服务器，且平台层用于参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距算法来对来自Web服务器的数据进行计算分析，将结果下发回Web服务器。
优选的，所述应用层用于通过Web服务器，将诊断结果显示在用户终端。
优选的，两端三相电流、电压信号相互耦合，采用新提出的相模变换矩阵进行解耦，所述相模变换矩阵如下：
Figure BDA0003960387000000041
相模变换计算公式如下：
Figure BDA0003960387000000042
其中，ua,ub,uc,ia,ib,ic分别为A、B、C相线路上的故障电压、电流行波，u0,uα,uβ,i0,iα,iβ分别为电压、电流行波的0模、α模、β模分量。
优选的，对电力电缆故障位置进行分类：
MO上发生故障，ON上发生故障；
其中，MO为电力电缆左侧，ON为电力电缆右侧。
优选的，速度计算公式为
Figure BDA0003960387000000051
故障距离计算公式为
Figure BDA0003960387000000052
其中t1为行波第一次经过中点的时刻，t2为第一次行波经过母线M 反射后经过中点的时刻，t3为第一次行波经过母线N反射后经过中点的时刻。
优选的，电缆故障距离数值计算服务器使用乌燕鸥优化算法优化的变分模态分解对行波特征分解，用Teager-Kaiser能量算子来进行波头标定，用所得时间数据进行故障定位。
(三)有益效果
本文提供了一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***。与现有技术相比有以下有益效果：包括感知层、传输层、平台层和应用层，所述结构包括电流磁致信号发送端、电流磁致信号接收端、人机交互端。主要元部件包括待检测的电力电缆、电流磁致信号提取传感器、模拟信号程控放大器、 A/D转换器、微型处理器、4G通信模块、Web客户端服务器、数值计算服务器和客户显示终端。通过使用本发明，无需断电，消除了波速对行波测距的影响，波头标定更加准确。使用非接触型电流磁致信号提取传感器是在三相电缆的首端，中点，末端(主要使用中点数据计算，首端和末端为了防止噪声过大或其他因素干扰时进行辅助测量) 测定电缆中的电流数据，进行计算后获取故障点位置信息。
附图说明
图1为本发明***结构原理框图
图2为图2为本发明感知层、传输层、平台层和应用层的结构原理框图
图3，图4为中点行波法示意图
图5为乌燕鸥优化算法优化的变分模态分解算法流程图
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明实施例提供一种技术方案：一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***，
包括感知层、传输层、平台层和应用层，所述结构包括电流磁致信号发送端、电流磁致信号接收端、人机交互端。主要元部件包括待检测的电力电缆、电流磁致信号提取传感器、模拟信号程控放大器、 A/D转换器、微型处理器、4G通信模块、Web客户端服务器、数值计算服务器和客户显示终端。
本发明实施例中，电流磁致信号发送端中电流磁致信号提取传感器输出端均通过导线与模拟信号程控放大器的输入端电性连接，所述模拟信号程控放大器的输出端通过导线与A/D转换器的输出端电性连接，且A/D转换器的输出端通过导线与微处理器的输入端电性连接，所述微处理器通过4G通信模块与电流磁致信号接收层实现电流磁致信号的传输，电流磁致信号通过去噪程序预处理后进入数值计算服务器进行故障距离计算，所述数值计算服务器通过4G通信模块与人机交互层实现故障位置信息的传输，人机交互层中Web客户端服务器通过网络客户显示终端连接。
本发明实施例中，电流磁致信号传感器所采集信号送给模拟信号程控放大器，且模拟信号程控放大器的输出信号送给A/D转换器。所述A/D转换器输出的数字信号送给微处理器，且经微处理器运算预处理后的数据通过4G通信模块无线传送至电流磁致信号接收端。预处理的电流磁致信号数据通过去噪程序后送入数值计算服务器进行故障距离计算。所述数值计算服务器输出的故障位置信息通过4G 通信模块无线传送至人机交互端的Web客户端服务器。客户只需通过所述客户显示终端访问Web客户端服务器即能获取电缆故障位置信息及处理建议，从而进行维修操作。
本发明实施例中，电流磁致信号提取传感器用于提取电力电缆三相电A、B和C的电流磁致信号，且感知层用于对电流磁致信号的采集和分析处理。所述传输层用于对信号数据传送到Web服务器，Web 服务器把数据整理后发送给电缆故障距离数值计算服务器，且平台层用于参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距算法来对来自Web服务器的数据进行计算分析，将结果下发回Web服务器。所述应用层用于通过Web服务器，将诊断结果显示在用户终端。
本发明实施例中，两端三相电流、电压信号相互耦合，采用新提出的相模变换矩阵进行解耦，所述相模变换矩阵如下：
Figure BDA0003960387000000081
相模变换计算公式如下：
Figure BDA0003960387000000082
其中，ua,ub,uc,ia,ib,ic分别为A、B、C相线路上的故障电压、电流行波，u0,uα,uβ,i0,iα,iβ分别为电压、电流行波的0模、α模、β模分量。
本发明实施例中，对电力电缆故障位置进行分类： MO上发生故障，ON上发生故障；
其中，MO为电力电缆左侧，ON为电力电缆右侧。
速度计算公式为
Figure BDA0003960387000000083
故障距离计算公式为
Figure BDA0003960387000000084
其中t1为行波第一次经过中点的时刻，t2为第一次行波经过母线M 反射后经过中点的时刻，t3为第一次行波经过母线N反射后经过中点的时刻。
本发明实施例中，电缆故障距离数值计算服务器使用乌燕鸥优化算法优化的变分模态分解对行波特征分解，用Teager-Kaiser能量算子来进行波头标定，用所得时间数据进行故障定位。
综上，通过使用本发明，不需要停电，在线监测，不影响正常生产，消除了波速对行波测距的影响，波头标定更加准确。该方法通过对电力电缆电流信号的提取、运算后得到行波波头数据，利用中点行波法，解决了传统行波测距方法中波速不准造成测距误差问题，利用参数优化变分模态分解使波头标定更加准确。
同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***，其特征在于：包括感知层、传输层、平台层和应用层，所述结构包括电流磁致信号发送端、电流磁致信号接收端、人机交互端。主要元部件包括待检测的电力电缆、电流磁致信号提取传感器、模拟信号程控放大器、A/D转换器、微型处理器、4G通信模块、Web客户端服务器、数值计算服务器和客户显示终端；
所述电流磁致信号发送端中电流磁致信号提取传感器输出端均通过导线与模拟信号程控放大器的输入端电性连接，所述模拟信号程控放大器的输出端通过导线与A/D转换器的输出端电性连接，且A/D转换器的输出端通过导线与微处理器的输入端电性连接，所述微处理器通过4G通信模块与电流磁致信号接收层实现电流磁致信号的传输，电流磁致信号通过去噪程序预处理后进入数值计算服务器进行故障距离计算，所述数值计算服务器通过4G通信模块与人机交互层实现故障位置信息的传输，人机交互层中Web客户端服务器通过网络客户显示终端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***，其特征在于：所述电流磁致信号提取传感器分别与电力电缆的三相电连接,该三路信号分别来自电力电缆的三相电A、B和C。
3.根据权利要求2所述的一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***，其特征在于：将电流磁致信号传感器所采集信号送给模拟信号程控放大器，且模拟信号程控放大器的输出信号送给A/D转换器。
4.根据权利要求3所述的一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***，其特征在于：所述A/D转换器输出的数字信号送给微处理器，且经微处理器运算预处理后的数据通过4G通信模块无线传送至电流磁致信号接收端。预处理的电流磁致信号数据通过去噪程序后送入数值计算服务器进行故障距离计算。所述数值计算服务器输出的故障位置信息通过4G通信模块无线传送至人机交互端的Web客户端服务器。
5.根据权利要求4所述的、一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***，其特征在于：客户只需通过所述客户显示终端访问Web客户端服务器即能获取电缆故障位置信息及处理建议，从而进行维修操作。
6.根据权利要求1所述的一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***，其特征在于：所述电流磁致信号提取传感器用于提取电力电缆三相电A、B和C的电流磁致信号，且感知层用于对电流磁致信号的采集和分析处理。
7.根据权利要求1所述的一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***，其特征在于：所述传输层用于对信号数据传送到Web服务器，Web服务器把数据整理后发送给电缆故障距离数值计算服务器，且平台层用于参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距算法来对来自Web服务器的数据进行计算分析，将结果下发回Web服务器。
8.根据权利要求1所述的一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***，其特征在于：所述应用层用于通过Web服务器，将诊断结果显示在用户终端。
9.根据权利要求1所述的一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***，其特征在于：两端三相电流、电压信号相互耦合，采用新提出的相模变换矩阵进行解耦，所述相模变换矩阵如下：
Figure FDA0003960386990000031
相模变换计算公式如下：
Figure FDA0003960386990000032
其中，ua,ub,uc,ia,ib,ic分别为A、B、C相线路上的故障电压、电流行波，u0,uα,uβ,i0,iα,iβ分别为电压、电流行波的0模、α模、β模分量。
10.根据权利要求1所述的一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***，其特征在于：对电力电缆故障位置进行分类：
MO上发生故障，ON上发生故障；
其中，MO为电力电缆左侧，ON为电力电缆右侧。
速度计算公式为
Figure FDA0003960386990000033
故障距离计算公式为
Figure FDA0003960386990000041
其中t1为行波第一次经过中点的时刻，t2为第一次行波经过母线M反射后经过中点的时刻，t3为第一次行波经过母线N反射后经过中点的时刻。
11.根据权利要求4所述的一种基于电流磁致信号和参数优化变分模态分解的电缆故障点中点行波测距在线定位***，其特征在于：电缆故障距离数值计算服务器使用乌燕鸥优化算法优化的变分模态分解对行波特征分解，用Teager-Kaiser能量算子来进行波头标定，用所得时间数据进行故障定位。
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