基于人機交互的地下電力電纜線路故障排查方法研究

趙宏大,張鳳佳,朱銘霞,杜 漸

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇 南京 210000；2.南京寧眾人力資源咨詢服務(wù)有限公司，江蘇 南京 210000)

1 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，社會各行業(yè)對電力的需求越來越大，輸電網(wǎng)絡(luò)、輸電線路的安全越來越受到人們的重視。因此，研究供電的可靠性和安全性具有重要意義[1]。電纜技術(shù)的不斷研究和創(chuàng)新逐漸彌補了架空線路的缺點，節(jié)省大量空間資源，這也使得地下電力電纜在電力領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。地下電力電纜不需占用空間資源，在使用中深埋在地下或地下的管道中即可，外界的環(huán)境變化對電纜的影響也大幅度減少，從而有效確保了電力電網(wǎng)的穩(wěn)健運行。

隨著電力電纜在電網(wǎng)中的地位越來越高，對電力電纜的故障排查就顯得極為重要。造成地下電力電纜出現(xiàn)故障的因素有很多，電纜敷設(shè)在地下，地下環(huán)境比較復(fù)雜，除了電纜本體的運行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，還有周圍的環(huán)境狀態(tài)，如溫度和濕度，都會對電纜造成影響，導(dǎo)致電纜運行異常。以往對于地下電力電纜的排查多數(shù)依賴于基于決策樹的電力線路故障排查方法[3]和基于泄漏電流的電纜線路故障排查方法[4]。但是因為近年來電力技術(shù)迅猛發(fā)展，已形成了復(fù)雜、緊密的地下網(wǎng)絡(luò)。但隨著電纜自身的老化和外力破壞，電力電纜在運行一段時間后往往會出現(xiàn)不可避免的故障；另一方面地下電力電纜敷設(shè)路徑信息管理的不科學(xué)，電力電纜的改造和維修，都會對電力電纜造成不同程度的影響[5]。傳統(tǒng)的故障排查方法已經(jīng)難以有效解決“地下網(wǎng)絡(luò)”復(fù)雜的情況，排查方法抗干擾性能較差，在排查中存在較大的誤差。

針對傳統(tǒng)方法存在的不足，本文基于人機交互技術(shù)設(shè)計了新的地下電力電纜線路故障排查方法。

2 故障排查方法設(shè)計

2.1 建設(shè)智能機器人本體的應(yīng)用

智能機器人可通過攝像頭檢測地下電力電纜狀態(tài)[6]。在智能機器人上應(yīng)用液晶移動終端，用戶可在操作提示下通過觸屏操作進行操作的控制。液晶移動終端主要為用戶提供地下電力電纜故障排查服務(wù)，通過智能機器人上的攝像頭監(jiān)控地下電力電纜的接頭、接頭井及周邊環(huán)境。

使用網(wǎng)絡(luò)攝像機，通過網(wǎng)絡(luò)將視頻信號直接通過網(wǎng)絡(luò)上傳到控制中心，同時將視頻數(shù)據(jù)上傳到自身的硬盤中。技術(shù)人員通過人機交互界面控制智能機器人行動，根據(jù)傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)判斷整條電纜情況[7]。

在保留攝像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將地下電力電纜路徑檢測儀安裝在智能機器人上，通過檢測電纜周圍微弱磁場信號，從而實現(xiàn)對地下電纜線路敷設(shè)路徑等地理位置的檢測。其中，檢測儀具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力電纜路徑檢測儀結(jié)構(gòu)框圖

從圖1中可以看出，檢測儀主要包括發(fā)射機和接收機兩個部分。其中發(fā)射機是為了將符合檢測要求的交流信號注入到待排查的電纜中。在檢測過程中，主要使用的是接收機部分，用接收機來收集待檢測的電纜周圍的磁場信號，從而確定地下電力電纜線路信息。

在檢測儀中接收機是核心部分，主要負(fù)責(zé)接收電力電纜周圍的磁場信號，在對電路展開預(yù)處理后從噪聲環(huán)境中提取出有效的磁場信號，根據(jù)路徑與磁場的理論關(guān)系計算出現(xiàn)場電力電纜路徑及埋深信息，并將獲得的信息傳輸?shù)娇刂浦行摹Ｍ瑫r利用GPS 對故障位置進行定位，通過人機交互實現(xiàn)電纜的排查。

GPS 定位是智能機器人的一個重要輔助功能，在使用地下電力電纜檢測儀完成檢測后，使用GPS 設(shè)備對電纜進行精確定位，將結(jié)果存儲在智能機器人中的EEPROM 中。在完成GPS 定位之后，將存儲在智能EEPROM的電力電纜線路故障位置信息通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到控制中心，再通過可視化技術(shù)將數(shù)據(jù)顯示在人機交互界面上，以此來判斷具體的故障信息，并采取相應(yīng)的措施解決故障。

2.2 地下電力電纜線路故障定位

在對地下電力電纜線路故障定位的工程師，利用線路故障發(fā)生時電纜本身的電氣量和故障距離的函數(shù)關(guān)系計算出故障距離，進而實現(xiàn)故障定位。

將連接電纜的故障相與任一非故障相分別連接在電橋上，其等效電路如圖2所示。

圖2 電橋法測距等效電路

假設(shè)電纜的故障點距離電橋左端的距離為d1，距離電橋右端長度為d2。為了使圖2中C 和D 之間的電流為零，調(diào)節(jié)電橋中電阻的數(shù)值，當(dāng)電流為零時，進行下一步計算。已知電橋平衡原理如下：

其中，電阻R1和R2是已知狀態(tài)，將設(shè)為常數(shù)α，電阻R3和R4可以用固定的參數(shù)表示，如下：

其中，d表示電纜的全長，R表示電纜單位長度的阻值。將公式(2)帶入到公式(1)中，可得到：

已知d=d1+d2，則可得到：

上述計算獲得的d1即為地下電力電纜左端的距離已經(jīng)測得，重復(fù)上述過程即可獲得地下電力電纜右端的距離，從而實現(xiàn)地下電力電纜線路故障的定位。

2.3 使用高能信號源排查故障

在使用高能信號排查地下電力電纜故障時，需選擇合適的故障定位接收器，并將其與高能信號源配合使用，將兩者連接在一起，地下電力電纜線路故障點的電磁信號被傳感器所接收。接收完成后，故障定位接收器對接收到的電磁信號通過內(nèi)部模塊處理成數(shù)字信號，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

對于高能信號源，需要將高壓輸出線連接到高能信號源的輸出端子上，同時在地下電力電纜尋找合適的位置，連接輸出線[8]。此時，將故障傳感器連接到定位接收器上，然后施加高能信號源，根據(jù)現(xiàn)場實際情況隨時調(diào)整電壓的強弱。

由于引發(fā)電纜線路故障的原因較多，因此其故障的表現(xiàn)形式也較多，各故障點的絕緣阻值相差也就較大，因此，只有足夠大的有效擊穿才能夠?qū)⒏吣苊}沖輸送到地下電力電纜中，這就需要使用電壓控制單元調(diào)整輸入電壓的大小，從而達到改變放電模塊中脈沖電容存儲能量的目的。

在電壓控制單元電路中，啟動手操器上高壓啟動按鈕，得到繼電器的線圈通電量，將繼電器所有的常閉觸點都打開，使交流接觸器的觸點閉合，這時放電模塊中的放電球就達到了最大位置，放電接觸開關(guān)處于NO 位置，高能信號源啟動完成。當(dāng)需要升壓操作時，按動升壓按鈕使繼電器線圈通電。此時，受到通電的影響，直流電動機開始轉(zhuǎn)動，電動調(diào)壓器的轉(zhuǎn)動臂開始朝著電壓升高的方向轉(zhuǎn)動，變壓器電壓升高，高能信號源輸出能量升高。同理，需要降低電壓時，通過調(diào)節(jié)電動機反向轉(zhuǎn)動，達到降低高能信號源輸出能量的目的。在上述過程中，繼電器在同一時間內(nèi)只能導(dǎo)通一個，調(diào)壓電動機在同一時間內(nèi)只能朝一個方向轉(zhuǎn)動，避免同時按下操作按鈕時損壞電動機。

至此，完成對基于人機交互的地下電力電纜線路故障排查方法的設(shè)計。

3 實驗研究

3.1 實驗準(zhǔn)備

在地下電力電纜線路故障排查方法實驗研究中，以故障信號的完整性和故障測距誤差作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，在實驗中引用傳統(tǒng)的基于決策樹的電力線路故障排查方法和基于泄漏電流的電纜線路故障排查方法作為對比方法，根據(jù)不同排查方法的實驗結(jié)果作對比分析。

實驗中設(shè)置電力電纜位置如圖3所示。

圖3 實驗中電力電纜位置示意圖

假定電力電纜位置D為：y=ηx+a，z=q，其中q 表示地下深度，η表示電力電纜在地下深度分別為1、2、5時的實際位置，η'表示路徑斜率。以示意圖為基準(zhǔn)，電力電纜在地下深度的實際位置η與路徑斜率η'關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同埋深的路徑檢測偏差示意圖

從圖4可以看出，排查到的路徑斜率η'和實際位置η幾乎一致，在此基礎(chǔ)上，建立如圖3所示的地下電力電纜仿真模型。利用Matlab軟件進行仿真，得到待測電力電纜路徑走向和埋深結(jié)果，在結(jié)果上執(zhí)行不同的排查方法，根據(jù)故障信號的完整性實驗結(jié)果和故障測距誤差實驗結(jié)果，分析不同排查方法的優(yōu)劣。

3.2 故障信號完整性實驗結(jié)果與分析

故障信號完整性實驗中，分別使用基于決策樹的故障排查方法、基于泄漏電流的故障排查方法以及本文設(shè)計的基于人機交互的故障排查方法提取出目標(biāo)故障信號，并使用Matlab 得到矩形窗的幅頻響應(yīng)，實驗結(jié)果如圖5所示。

對比觀察圖5中結(jié)果，基于決策樹的方法隨著角頻率的變化，幅度存在兩處突變，故障信息并沒有顯示完整；基于泄漏電流的方法前期幅度呈上升趨勢，在角頻率為0.5 處，幅度開始下降，這說明在信號提取前期需要適應(yīng)時間，不能及時將完整的信號提取出來；本文基于人機交互的方法故障信號幅度變化均勻正常，未發(fā)生突變和異常情況，故障信號提取完整。

圖5 不同排查方法的故障信號完整性實驗結(jié)果

綜上所述，基于人機交互的故障排查方法提取出的故障信息更加完整。

3.3 故障測距實驗結(jié)果與分析

考慮實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，再進行故障測距實驗。將故障信號完整性實驗結(jié)果與故障測距實驗結(jié)果結(jié)合在一起，共同分析不同的地下電力電纜線路故障排查方法的實際應(yīng)用水平。

在實驗準(zhǔn)備的地下電力電纜仿真模型中模擬電纜不同故障類型、不同故障位置、不同故障電阻，使用不同的地下電力電纜線路故障排查方法測量故障距離與相對誤差，設(shè)置兩種實驗條件：第一種是電纜全長10km，分解層數(shù)為5，故障電阻為0.01Ω；第二種實驗條件是電纜全長10km，分解層數(shù)5，故障電阻為100Ω。在兩種實驗條件下，不同故障排查方法實驗結(jié)果如表1、表2所示。

表1 條件一故障測距實驗結(jié)果

表2 條件二故障測距實驗結(jié)果

根據(jù)結(jié)果分析可知，在條件一的情況，對于單相和兩相兩種故障，所提的基于人機交互的故障排查方法相對誤差最低，與傳統(tǒng)排查方法計算的相對誤差相差倍數(shù)較大。結(jié)合故障信號完整性實驗結(jié)果，

綜上可知，本文設(shè)計的基于人機交互的地下電力電纜線路故障排查方法的抗干擾性更強。

4 結(jié)束語

電力電纜是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其運行的可靠性將直接影響用電安全。本文在研究現(xiàn)有的地下電力電纜線路故障排查方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合地下電力電纜的實際運行情況，對電力電纜在實際運行中易出現(xiàn)故障進行分析，設(shè)計了基于人機交互的地下電力電纜線路故障排查方法，并通過實驗結(jié)果驗證了該方法的可行性。

相對于地面架空線來說，地下電纜不會占用地面空間，促進了電力電纜的大量鋪設(shè)，對當(dāng)代社會的重要性不言而喻。因此，基于人機交互的地下電力電纜線路故障排查方法的研究具有重要意義，為保證地下電力電纜的正常運行提供了支持。