基于时频特性分析的地下电缆早期故障识别方法与系统

技术领域

本发明涉及基于时频特性分析的地下电缆早期故障识别方法与系统，属于电力系统继电保护领域。

背景技术

配电网是电力系统的关键一环，在系统中起着承上启下的作用。承上指与输电系统直接相连，启下则是与用户直接相连，与人民群众的生活密不可分，是人民生产生活、安居乐业至关重要的环节。

当前，随着社会经济的快速发展，电网作为经济的先行者也在快速的更新换代。配电网在城区中原本以架空线为主逐渐转变为以地下电缆为主的发展模式。随着城市化进程的脚步加快，城市发展的规模越来越大，城市配电网的地下电缆规模也越来越大，随之所带来的问题也愈见明显。电缆线路具有比架空线路的显著优势：在城市发展越来愈大、越来越复杂的今天，架空线路显然不再符合城市发展中需要的美观、安全等要求，而电缆则因在地下具有天然的不需要地面杆塔，不占用额外土地资源，比架空线路更加安全、美观、不易受损、供电可靠性高，受到广泛使用。然而电缆也有他独特的缺点，其造价要比架空线路再每单位长度的价格贵8到15倍左右，因电缆长时间掩埋在地下，在电力传输能力差的时候，更易于因为局部放电、闪络等原因引发永久性扰动，且电缆的永久性扰动一般都是从早期故障慢慢演变而来的。

当配电网地下电缆发生早期故障时，通常表现为有极短时间的放电或者电流脉冲现象，持续时间很短大多是微秒级别，在实际的工程现场中对地下电缆的局部放电现象进行检测是非常困难的事情。电缆早期的扰动持续时间一般较长，多为四分之一个周波至四个周波之间，若能及时的识别电缆的早期故障，及时对出现问题的电缆采取相应的补救措施则可避免电缆早期故障发展为电缆的永久性扰动。因此电缆早期故障的识别不仅可以维持配电网的供电可靠性，而且对于地下电缆的维修检查计划的制定，以及避免发生电缆永久性扰动对城市供电造成的巨大影响，减少扰动带来的经济损失等都具有重要意义。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，所要解决的技术问题在于，提供基于时频特性分析的地下电缆早期故障识别方法与系统。该方法可以实现电缆早期故障的识别和检测准确、可靠。

为解决上述技术问题，本发明一方面提供了基于时频特性分析的地下电缆早期故障识别方法，具体步骤为：

Step1：监测地下电缆相电流和相电压是否发生扰动；

Step2：提取扰动的电缆相电流进行时频变换；

Step3：分析变换后电流信号的时频特性；

Step4：根据时频特性确定地下电缆早期故障是否发生。

进一步的，在Step1中：监测地下电缆的相电流和相电压是否发生突然扰动，如发生扰动则进行电缆早期故障识别。

进一步的，在Step2中：提取电缆的扰动相电流，进行时频变换。

进一步的，在Step3中：对时频变换后的电流信号，分析其时频特性。

进一步的，在Step3中：根据变换后电流信号的时频特性，分析扰动时电流信号的上升幅度大小和暂态时间持续长短。

进一步的，在Step4中：根据分析变换后电流信号的时频特性，实现地下电缆半周波、多周波早期故障的识别和检测。

本发明另一方面提供一种基于时频特性分析的地下电缆早期故障识别系统，包括：

数据采集模块：用于采集电缆扰动时的相电流和相电压；

数值计算模块：用于计算采集的相电流进行变换，便于分析其时频特性；

逻辑判断模块：用于判断电缆相电压和电流分量是否发生突然扰动以及判断地下电缆是否发生了早期故障。

进一步的，所述数据采集模块具体包括：

数据采集单元：用于从广域分布式测点或者传感器在被测单元中采集电缆的相电流、相电压；

模数变换单元：用于将采集到的模拟量信号的瞬时值变换成数字量信号的数字值。

进一步的，所述数值计算模块具体包括：

启动计算单元：用于计算相电压和相电流分量是否发生扰动；

信号计算单元：用于处理提取的电缆的相电压和相电流；

早期故障计算单元：用于对处理的信号计算其时频特性；

对比分析计算单元：用于对比信号的时频特性是否符合正常工作下电缆信号的时频特性。

进一步的，所述逻辑判断模块具体包括：

启动判断单元：用于判断电缆相电流和相电压是否发生扰动；

早期故障判断单元：用于判断信号的时频特性是否符合正常工作下电缆信号的时频特性；用于判断地下电缆是否发生了早期故障。

本发明的有益效果是：

1、本发明将电缆发生扰动时的时域和频域特性相结合，克服单独依靠扰动信号的时域或者频域不准确的缺点。

2、本发明受能够覆盖电缆早期的单周波或者多周波扰动，克服以前只能单一识别一个扰动的缺点。

3、本发明受电缆不同中性点接地方式的影响较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在没有实施创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于时频特性分析的地下电缆早期故障识别方法的流程图；

图2为本发明的配电网地下电缆仿真简化拓扑图；

图3为本发明电缆早期半周波故障时的相电压；

图4为本发明电缆早期半周波故障的相电流；

图5为本发明电缆早期半周波故障的原始信号波形；

图6为本发明电缆早期半周波故障的时频变换后的图形；

图7为本发明电缆早期多周波故障的相电压；

图8为本发明电缆早期多周波故障的相电流；

图9为本发明电缆早期多周波故障的原始信号波形；

图10为本发明电缆早期多周波故障的时频变换后的图形；

图11为本发明基于时频特性分析的地下电缆早期故障识别系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明附图和实施例，对本发明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不付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。

实施例1

本发明的目的是提供的基于时频特性分析的地下电缆早期故障识别方法与系统，旨在解决现有配电网电缆早期故障识别不准确，方便等问题。先在PSCAD搭建了含有电缆和架空线路的配电网模型，共有6条分支线，在电缆中间加入了早期故障模型，模拟在配电网电缆中发生的早期故障。设置采样率位10kHZ。配电网地下电缆仿真简化拓扑图如图2所示。

图1是本发明提供的基于时频特性分析的地下电缆早期故障识别方法的具体实施流程图，如图1所示，具体步骤包括：

Step1：监测地下电缆电流和相电压是否发生扰动；

Step2：提取扰动的电缆相电流进行时频变换；

图3、图4为发生配电网地下电缆早期半周波故障时的相电压和相电流，图5为电缆早期半周波故障的原始信号波形。

Step3：分析变换后电流信号的时频特性；

Step4：根据时频特性确定地下电缆早期故障是否发生。

由仿真可知，扰动的发生时间约为0.1325s扰动的停止时间约为0.1385s，扰动的持续时间约为0.006s，由图6可知，两个极大值点的间距为0.0065s符合配电网地下电缆早期半周波故障特征，电缆早期半周波故障的周波为0.25至0.5个周波。因此鉴定为，在电缆中发生了早期半周波扰动。

实施例2

本发明的目的是提供的基于时频特性分析的地下电缆早期故障识别方法与系统，旨在解决现有配电网电缆早期故障识别不准确，方便等问题。先在PSCAD搭建了含有电缆和架空线路的配电网模型，共有6条分支线，在电缆中间加入了早期故障模型，模拟在配电网电缆中发生的早期故障。设置采样率位10kHZ。

图1是本发明提供的基于时频特性分析的地下电缆早期故障识别方法与系统的具体实施流程图，如图1所示，具体步骤包括：

Step1：监测地下电缆电流和相电压是否发生扰动；

Step2：提取扰动的电缆相电流进行时频变换；

图7、图8为发生配电网地下电缆早期多周波故障时的相电压和相电流，图9为本发明电缆早期多周波故障的原始信号波形。

Step3：分析变换后电流信号的时频特性；

Step4：根据时频特性确定地下电缆早期故障是否发生。

由仿真可知，扰动发生时间约为0.1325s扰动的停止时间约为0.2125s，扰动的持续时间约为0.08s，由图10可知，两个模极大值的距离为0.016s符合配电网地下电缆早期多周波故障特征，多周波一般为1个周波至4个周波之间。因此鉴定为，在电缆中发生了早期多周波故障。

如图11所示，本发明还提供一种基于时频特性分析的地下电缆早期故障识别系统，包括：

数据采集模块：用于采集电缆扰动时的相电流和相电压；

数值计算模块：用于计算采集的相电流进行变换，便于分析其时频特性；

逻辑判断模块：用于判断电缆相电压和电流分量是否发生突然扰动以及判断地下电缆是否发生了早期故障。

进一步的，所述数据采集模块具体包括：

数据采集单元：用于从广域分布式测点或者传感器在被测单元中采集电缆的相电流、相电压；

模数变换单元：用于将采集到的模拟量信号的瞬时值变换成数字量信号的数字值。

进一步的，所述数值计算模块具体包括：

启动计算单元：用于计算相电压和相电流分量是否发生扰动；

信号计算单元：用于处理提取的电缆的相电压和相电流；

早期故障计算单元：用于对处理的信号计算其时频特性；

对比分析计算单元：用于对比信号的时频特性是否符合正常工作下电缆信号的时频特性。

进一步的，所述逻辑判断模块具体包括：

启动判断单元：用于判断电缆相电流和相电压是否发生扰动；

早期故障判断单元：用于判断信号的时频特性是否符合正常工作下电缆信号的时频特性；用于判断地下电缆是否发生了早期故障。

本发明基于时频特性分析的地下电缆早期故障识别方法与系统在经过对电缆早期故障的扰动信号进行处理分析其时频特性，比对电缆早期半周波故障和多周波故障时频上的特性，确定是否发生电缆早期故障。即可对的电缆早期故障进行准确的识别，本发明在理论分析和技术仿真上均取得了成功。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。