CN118226199A - 一种用于电力输送的线缆故障检测*** - Google Patents

一种用于电力输送的线缆故障检测*** Download PDF

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李传鹏
魏义盈
刘峰
李广省
李自习
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Abstract

本发明公开了一种用于电力输送的线缆故障检测***，属于线缆故障检测技术领域，本发明将配电网络的各环网柜作为测量的节点，采集各节点的电压电流时域序列，提取各节点的有功功率序列和无功功率序列，通过每个节点的有功功率序列体现电能的做工情况，通过每个节点的无功功率序列体现电网中电容和电感的变化情况，再构建出综合有功功率序列和无功功率序列的特征向量的节点瞬态特征序列，识别出异常的节点，根据异常节点在电网中的连接关系，确定出连接在该节点上的线缆存在故障，定位出故障电缆。

Description

一种用于电力输送的线缆故障检测***
技术领域
本发明涉及线缆故障检测技术领域，具体涉及一种用于电力输送的线缆故障检测***。
背景技术
电力输送线缆是电力***中的重要组成部分，其安全稳定运行对于整个电力***的正常运行至关重要。然而，由于各种原因，如自然环境、设备老化、人为因素等，电力线缆可能会出现各种故障，如短路、断路、接地、漏电等，这些故障如果不及时检测和处理，可能会导致电力***的运行异常，甚至引发严重的安全事故。因此，对电力线缆的故障检测技术进行研究，对于保障电力***的安全稳定运行具有重要意义。目前，电力线缆的故障检测方法主要包括：电压测量法和电流测量法。
电压测量法通常适用于非屏蔽平衡线，通过检测控制线路各接线点之间的电压来判断故障。而电流测量法则采用线性电流耦合器采集电缆中的电流行波信号，通过分析这些信号在测量端和故障点往返的时间来计算故障距离。更具体地，电压测量法可以分为电压分阶测量法和电压分段测量法。测量时，将万用表转换开关置于合适的电压档位，根据控制电路或主电路的电压进行测量。而电流测量法则需要使用高压击穿故障点，然后利用仪器记录下故障点击穿产生的电流行波信号，通过这些信号的分析来确定故障的位置和性质。
现有电压测量法和电流测量法均是已知某段线缆出现明显故障，再采用电压测量法和电流测量法进行线缆上具体故障点位的定位，但是其无法在电力网络运行过程中确定出线路老化、线路传输能力下降的故障。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种用于电力输送的线缆故障检测***解决了现有方法无法在电力网络运行过程中确定出线路老化、线路传输能力下降的故障的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种用于电力输送的线缆故障检测***，包括：电流电压采集单元、功率提取单元、瞬态特征序列构建单元、异常识别单元和故障定位单元；
所述电流电压采集单元用于将配电网络的各环网柜作为各节点，连续测量各节点电压和电流，得到各节点的电压电流时域序列；
所述功率提取单元用于根据各节点的电压电流时域序列，计算各节点的有功功率序列和无功功率序列；
所述瞬态特征序列构建单元用于分别提取各节点的有功功率序列的特征向量和无功功率序列的特征向量，构成各节点瞬态特征序列；
所述异常识别单元用于根据各节点瞬态特征序列，识别异常节点；
所述故障定位单元用于根据异常节点在电网中的拓扑关系，定位故障线缆。
进一步地，所述每个节点的有功功率序列为P={pi}，其中，P为有功功率序列，pi为有功功率序列中第i个元素，每个节点的无功功率序列为Q={qi}，Q为无功功率序列，qi为无功功率序列中第i个元素，i为正整数，1≤i≤N，N为有功功率序列或无功功率序列中元素的数量。
进一步地，所述有功功率序列中第i个元素pi的表达式为：，所述无功功率序列中第i个元素qi的表达式为：/>，其中，Ui为第i个周期对应的电压时域序列的有效值，Ii为第i个周期对应的电流时域序列的有效值，cos为余弦，sin为正弦，θi为第i个周期的电压时域序列与第i个周期对应的电流时域序列的相位。
进一步地，所述特征向量包括：均值、分布值和波形值。
进一步地，所述均值的表达式为：，其中，/>为均值，ri为有功功率序列或无功功率序列中第i个元素，N为有功功率序列或无功功率序列中元素的数量，i为正整数。
进一步地，所述分布值的表达式为：，其中，/>为分布值，rmax为有功功率序列或无功功率序列中最大元素，rmin为有功功率序列或无功功率序列中最小元素。
进一步地，所述波形值的表达式为：，其中，/>为波形值。
进一步地，构建每个节点瞬态特征序列为X={xk}，k=1,2,3，其中，X为节点瞬态特征序列，xk为节点瞬态特征序列中第k个元素，第k个元素xk等于每个节点的有功功率序列的特征向量中第k个元素与对应节点无功功率序列的特征向量中第k个元素的加权。
进一步地，所述异常识别单元包括：分类模块和异常识别模块；
所述分类模块用于任取一个节点作为参考节点，计算参考节点与其他节点的节点瞬态特征序列的距离，判断是否存在与参考节点的距离小于距离阈值的其他节点，若是，则将距离小于距离阈值的参考节点和其他节点归为一个类，若否，则将参考节点归为一个类，再从未分类的节点中选出一个节点作为参考节点，直到所有节点分类完；
所述异常识别模块用于提取出类中节点数量为1的节点，作为异常节点。
进一步地，所述计算参考节点与其他节点的节点瞬态特征序列的距离的公式为：，其中，dn为参考节点与其他第n个节点的节点瞬态特征序列的距离，xo,k为参考节点的节点瞬态特征序列中第k个元素，xn,k为其他第n个节点的节点瞬态特征序列中第k个元素，n为正整数，M为节点瞬态特征序列中元素的数量。
本发明的有益效果为：本发明将配电网络的各环网柜作为测量的节点，采集各节点的电压电流时域序列，提取各节点的有功功率序列和无功功率序列，通过每个节点的有功功率序列体现电能的做工情况，通过每个节点的无功功率序列体现电网中电容和电感的变化情况，再构建出综合有功功率序列和无功功率序列的特征向量的节点瞬态特征序列，识别出异常的节点，根据异常节点在电网中的连接关系，确定出连接在该节点上的线缆存在故障，定位出故障电缆。
本发明测量的电力网络运行过程中电缆的故障，由于本发明提取各节点的有功功率序列和无功功率序列，有功功率序列能反应电网的运行效率；电缆的老化时，其上的电容和电感会发生变化，无功功率序列不直接做工，但其能反应电容和电感的变化情况，因此，本发明选择有功功率序列和无功功率序列，构建节点瞬态特征序列，识别异常节点可确定出线路老化、线路传输能力下降的线缆。
附图说明
图1为一种用于电力输送的线缆故障检测***的***框图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种用于电力输送的线缆故障检测***，包括：电流电压采集单元、功率提取单元、瞬态特征序列构建单元、异常识别单元和故障定位单元；
所述电流电压采集单元用于将配电网络的各环网柜作为各节点，连续测量各节点电压和电流，得到各节点的电压电流时域序列；
所述功率提取单元用于根据各节点的电压电流时域序列，计算各节点的有功功率序列和无功功率序列；
所述瞬态特征序列构建单元用于分别提取各节点的有功功率序列的特征向量和无功功率序列的特征向量，构成各节点瞬态特征序列；
所述异常识别单元用于根据各节点瞬态特征序列，识别异常节点；
所述故障定位单元用于根据异常节点在电网中的拓扑关系，定位故障线缆。
通过监测有功功率，可以了解电能在电阻元件上的消耗情况，这部分功率通常转换为热能、光能或机械能，是电网中实际做功的部分。监测有功功率参数有助于评估电网的运行效率，及时发现效率低下的问题。
无功功率反映了电源与电感和电容之间能量交换的最大值，它不直接做功，但对于电网的稳定运行至关重要。
线路老化或传输能力下降会导致线路损耗增加，通过监测有功和无功功率的变化，可以估计出这种损耗的程度。这有助于电力公司采取措施，如更换老旧线缆或进行必要的维护，以减少损耗。
线路老化或传输能力下降会导致线路损耗增加，通过监测有功和无功功率的变化，可以估计出这种损耗的程度。这有助于电力公司采取措施，如更换老旧线缆或进行必要的维护，以减少损耗。
线路老化可能导致故障率增加，通过对有功功率和无功功率的监测，可以预测潜在的故障点，从而提前进行干预，避免大规模停电事件的发生。
综上所述，本发明通过监测有功功率和无功功率的变化特征，不仅能够提供关于电网运行状况的实时信息，还能够预测和预防潜在的问题，从而提高电网的整体性能和可靠性。
在本实施例中，所述每个节点的有功功率序列为P={pi}，其中，P为有功功率序列，pi为有功功率序列中第i个元素，每个节点的无功功率序列为Q={qi}，Q为无功功率序列，qi为无功功率序列中第i个元素，i为正整数，1≤i≤N，N为有功功率序列或无功功率序列中元素的数量。
所述有功功率序列中第i个元素pi的表达式为：，所述无功功率序列中第i个元素qi的表达式为：/>，其中，Ui为第i个周期对应的电压时域序列的有效值，Ii为第i个周期对应的电流时域序列的有效值，cos为余弦，sin为正弦，θi为第i个周期的电压时域序列与第i个周期对应的电流时域序列的相位。
所述特征向量包括：均值、分布值和波形值。
本发明提取了有功功率序列和无功功率序列后，一方面为了缩减数量，另一方面为了凸显数据的特征，提取出有功功率序列和无功功率序列的特征向量，通过特征向量反应序列的结构特性。
在本实施例中，所述均值的表达式为：，其中，/>为均值，ri为有功功率序列或无功功率序列中第i个元素，N为有功功率序列或无功功率序列中元素的数量，i为正整数。
本发明计算出有功功率均值和无功功率均值反应每个节点的功率水平。
在本实施例中，所述分布值的表达式为：，其中，/>为分布值，rmax为有功功率序列或无功功率序列中最大元素，rmin为有功功率序列或无功功率序列中最小元素。
本发明选出有功功率序列或无功功率序列中最大元素和最小元素，计算出最大元素与均值的差值，计算出最小元素与均值的差值，将差值和除以总的功率，用于表征有功功率和无功率的稳定性，这个比值越小，说明功率序列的稳定性越好，即功率输出较为平稳；反之，比值越大，说明功率序列的稳定性越差，即功率输出波动较大。如果***经常出现最大功率或最小功率极端值，这可能是***即将出现故障的信号。通过对这些差值的分析，可以提前发现潜在的问题并进行维护，从而避免更严重的故障发生。
在本实施例中，所述波形值的表达式为：，其中，/>为波形值。
本发明通过计算波形值可以了解有功功率和无功功率的波动情况，从而评估整体上节点处有功功率和无功功率的稳定性。
构建每个节点瞬态特征序列为X={xk}，k=1,2,3，其中，X为节点瞬态特征序列，xk为节点瞬态特征序列中第k个元素，第k个元素xk等于每个节点的有功功率序列的特征向量中第k个元素与对应节点无功功率序列的特征向量中第k个元素的加权。
在本实施例中，节点瞬态特征序列中第k个元素xk的表达式为：，其中，RP,k为有功功率序列的特征向量中第k个元素，RQ,k为无功功率序列的特征向量中第k个元素，α1为第一加权系数，α2为第二加权系数。在本实施例中，第一加权系数α1设置大于第二加权系数α2，在电缆异常时，电阻更容易发生改变，因此，α1大于α2使得识别异常节点的精度更高。
所述异常识别单元包括：分类模块和异常识别模块；
所述分类模块用于任取一个节点作为参考节点，计算参考节点与其他节点的节点瞬态特征序列的距离，判断是否存在与参考节点的距离小于距离阈值的其他节点，若是，则将距离小于距离阈值的参考节点和其他节点归为一个类，若否，则将参考节点归为一个类，再从未分类的节点中选出一个节点作为参考节点，直到所有节点分类完；
所述异常识别模块用于提取出类中节点数量为1的节点，作为异常节点。
所述计算参考节点与其他节点的节点瞬态特征序列的距离的公式为：，其中，dn为参考节点与其他第n个节点的节点瞬态特征序列的距离，xo,k为参考节点的节点瞬态特征序列中第k个元素，xn,k为其他第n个节点的节点瞬态特征序列中第k个元素，n为正整数，M为节点瞬态特征序列中元素的数量。
在本实施例中，M等于3，距离阈值根据实验或经验进行具体设置。
本发明根据各节点瞬态特征序列间的距离，将各个节点的节点瞬态特征序列进行分类，挑选出类中节点数量为1的节点，作为异常节点。
在计算各节点瞬态特征序列间的距离时，分别对比节点瞬态特征序列中每个元素。
本发明将配电网络的各环网柜作为测量的节点，采集各节点的电压电流时域序列，提取各节点的有功功率序列和无功功率序列，通过每个节点的有功功率序列体现电能的做工情况，通过每个节点的无功功率序列体现电网中电容和电感的变化情况，再构建出综合有功功率序列和无功功率序列的特征向量的节点瞬态特征序列，识别出异常的节点，根据异常节点在电网中的连接关系，确定出连接在该节点上的线缆存在故障，定位出故障电缆。
本发明测量的电力网络运行过程中电缆的故障，由于本发明提取各节点的有功功率序列和无功功率序列，有功功率序列能反应电网的运行效率；电缆的老化时，其上的电容和电感会发生变化，无功功率序列不直接做工，但其能反应电容和电感的变化情况，因此，本发明选择有功功率序列和无功功率序列，构建节点瞬态特征序列，识别异常节点可确定出线路老化、线路传输能力下降的线缆。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于电力输送的线缆故障检测***，其特征在于，包括：电流电压采集单元、功率提取单元、瞬态特征序列构建单元、异常识别单元和故障定位单元；所述电流电压采集单元用于将配电网络的各环网柜作为各节点，连续测量各节点电压和电流，得到各节点的电压电流时域序列；所述功率提取单元用于根据各节点的电压电流时域序列，计算各节点的有功功率序列和无功功率序列；所述瞬态特征序列构建单元用于分别提取各节点的有功功率序列的特征向量和无功功率序列的特征向量，构成各节点瞬态特征序列；所述异常识别单元用于根据各节点瞬态特征序列，识别异常节点；所述故障定位单元用于根据异常节点在电网中的拓扑关系，定位故障线缆。
2.根据权利要求1所述的用于电力输送的线缆故障检测***，其特征在于，所述每个节点的有功功率序列为P={pi}，其中，P为有功功率序列，pi为有功功率序列中第i个元素，每个节点的无功功率序列为Q={qi}，Q为无功功率序列，qi为无功功率序列中第i个元素，i为正整数，1≤i≤N，N为有功功率序列或无功功率序列中元素的数量。
3.根据权利要求2所述的用于电力输送的线缆故障检测***，其特征在于，所述有功功率序列中第i个元素pi的表达式为：，所述无功功率序列中第i个元素qi的表达式为：/>，其中，Ui为第i个周期对应的电压时域序列的有效值，Ii为第i个周期对应的电流时域序列的有效值，cos为余弦，sin为正弦，θi为第i个周期的电压时域序列与第i个周期对应的电流时域序列的相位。
4.根据权利要求1所述的用于电力输送的线缆故障检测***，其特征在于，所述特征向量包括：均值、分布值和波形值。
5.根据权利要求4所述的用于电力输送的线缆故障检测***，其特征在于，所述均值的表达式为：，其中，/>为均值，ri为有功功率序列或无功功率序列中第i个元素，N为有功功率序列或无功功率序列中元素的数量，i为正整数。
6.根据权利要求5所述的用于电力输送的线缆故障检测***，其特征在于，所述分布值的表达式为：，其中，/>为分布值，rmax为有功功率序列或无功功率序列中最大元素，rmin为有功功率序列或无功功率序列中最小元素。
7.根据权利要求6所述的用于电力输送的线缆故障检测***，其特征在于，所述波形值的表达式为：，其中，/>为波形值。
8.根据权利要求1所述的用于电力输送的线缆故障检测***，其特征在于，构建每个节点瞬态特征序列为X={xk}，k=1,2,3，其中，X为节点瞬态特征序列，xk为节点瞬态特征序列中第k个元素，第k个元素xk等于每个节点的有功功率序列的特征向量中第k个元素与对应节点无功功率序列的特征向量中第k个元素的加权。
9.根据权利要求1所述的用于电力输送的线缆故障检测***，其特征在于，所述异常识别单元包括：分类模块和异常识别模块；所述分类模块用于任取一个节点作为参考节点，计算参考节点与其他节点的节点瞬态特征序列的距离，判断是否存在与参考节点的距离小于距离阈值的其他节点，若是，则将距离小于距离阈值的参考节点和其他节点归为一个类，若否，则将参考节点归为一个类，再从未分类的节点中选出一个节点作为参考节点，直到所有节点分类完；所述异常识别模块用于提取出类中节点数量为1的节点，作为异常节点。
10.根据权利要求9所述的用于电力输送的线缆故障检测***，其特征在于，所述计算参考节点与其他节点的节点瞬态特征序列的距离的公式为：，其中，dn为参考节点与其他第n个节点的节点瞬态特征序列的距离，xo,k为参考节点的节点瞬态特征序列中第k个元素，xn,k为其他第n个节点的节点瞬态特征序列中第k个元素，n为正整数，M为节点瞬态特征序列中元素的数量。
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