基于差分雙正交小波熵的電力電纜故障定位方法

李少軍

（國網(wǎng)寧夏石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753000）

0 引 言

作為傳輸電能過程中不可或缺的一環(huán)，配電線路起到極為重要的載體作用[1]。在具體的運(yùn)行過程中，為最大限度降低其對基礎(chǔ)環(huán)境的影響，埋地電纜和架空電纜是較為常見的布設(shè)方式，對應(yīng)的使用率也最高[2]。但是，受適應(yīng)年限等客觀因素的影響，其發(fā)生故障的可能性也是客觀存在的。為了降低故障檢修階段的成本開銷和時間開銷，對故障位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位成為了極為重要的工作內(nèi)容之一。針對此，文獻(xiàn)[3]提出了一種以行波互相關(guān)法為基礎(chǔ)的故障定位方法，大大提高了定位的精準(zhǔn)性，但是當(dāng)故障距離與檢測點(diǎn)的距離較大時，對應(yīng)的定位結(jié)果誤差較為明顯；文獻(xiàn)[4]提出一種以調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）為基礎(chǔ)的故障定位方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同類型、不同狀態(tài)電纜故障的有效定位，但是定位精準(zhǔn)度存在進(jìn)一步提升的空間。結(jié)合上述的分析結(jié)果可以看出，加深對于電力電纜故障定位方法的研究極為必要[5]。為此，文章提出基于差分雙正交小波熵的電力電纜故障定位方法研究，并在仿真環(huán)境中，通過對比測試的方式分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的定位性能。

1 電力電纜的故障定位方法設(shè)計(jì)

1.1 電力信號的差分雙正交小波熵分析

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對電力電纜故障的有效定位，文章將電力信號的差分雙正交小波熵作為基準(zhǔn)參數(shù)[6]。在提取電力信號差分雙正交小波熵的過程中，引入了多分辨率分析理論，以此適應(yīng)電力電纜運(yùn)行狀態(tài)多樣化的屬性特征[7]。其中，對于原始電力電纜運(yùn)行狀態(tài)信號的多分辨率小波分解處理方式可以表示為

式中：x(t)表示多分辨率小波分解處理后的電力電纜運(yùn)行狀態(tài)信號；cj(k)表示原始電力電纜運(yùn)行狀態(tài)信號的離散平滑逼近信號；j表示小波分解處理階段對原始電力電纜運(yùn)行狀態(tài)信號的分解尺度；k表示平滑系數(shù)；φj,k(k)表示多分辨率小波分解的尺度函數(shù)；dj(k)表示原始電力電纜運(yùn)行狀態(tài)信號的離散細(xì)節(jié)信號，也就是小波變換系數(shù)；ψj,k(t)表示帶通性質(zhì)約束下的小波函數(shù)。按照式（1）完成對原始電力電纜運(yùn)行狀態(tài)信號的多分辨率小波分解處理后，對于差分雙正交小波熵的提取采用了差分預(yù)處理方式，具體的實(shí)現(xiàn)方式可以表示為

式中：y(n)表示電力信號差分雙正交小波熵參量；n表示多分辨率小波分解處理后，電力電纜運(yùn)行信號突變點(diǎn)的奇異性差分值。

根據(jù)式（2）實(shí)現(xiàn)對電力信號差分雙正交小波熵的提取，為后續(xù)的故障定位提供執(zhí)行基礎(chǔ)。

1.2 電力電纜故障定位

結(jié)合式（2）提取的電力信號差分雙正交小波熵參數(shù)，在對電力電纜故障進(jìn)行定位時，考慮電力電纜的運(yùn)行狀態(tài)信號實(shí)時更新，這就意味著在定位故障位置時也要適應(yīng)信號的更新，作出相應(yīng)的調(diào)整。以此為基礎(chǔ)，文章設(shè)計(jì)的具體故障定位實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 電力電纜故障定位流程

按照圖1所示的方式，實(shí)現(xiàn)對電力電纜故障的定位。其中，將電力信號差分雙正交小波熵作為故障信號的定位基準(zhǔn)參數(shù)，通過匹配故障信號更新前后小波熵的一致性，確定當(dāng)前的位置是否為實(shí)際的故障位置，以此確保最終定位結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 測試與分析

2.1 測試環(huán)境概況

在分析測試文章設(shè)計(jì)的基于差分雙正交小波熵的電力電纜故障定位方法實(shí)際應(yīng)用效果的過程中，以MATLAB/Sinmulink為基礎(chǔ)，搭建了用于測試的電纜故障仿真模型環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，借助仿真系統(tǒng)，模擬不同的電纜線路故障狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對具體電壓和電流變化的還原。具體的故障狀態(tài)設(shè)置過程中，結(jié)合實(shí)際的故障類型，分為單相接地故障、兩相短路故障、兩相接地故障以及三相短路故障。在測試環(huán)境構(gòu)建過程中，具體的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 測試環(huán)境參數(shù)信息

以表1所示的測試環(huán)境參數(shù)設(shè)置情況為基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)故障時，仿真時間設(shè)置為0.10 s，故障發(fā)生時間設(shè)置為0.025 s，故障位置以測試環(huán)境的左側(cè)斷點(diǎn)為起點(diǎn)，對應(yīng)的距離分別為100.0 km、150.0 km、200.0 km、300.0 km以及500.0 km。

在具體的測試過程中，為了能夠更加客觀地對文章設(shè)計(jì)定位方法的性能作出評價，分別設(shè)置了不同的定位方法作為測試的對照組。具體的分別為文獻(xiàn)[3]提出的以行波互相關(guān)法為基礎(chǔ)的定位方法，文獻(xiàn)[4]提出的以FMCW為基礎(chǔ)的定位方法。

2.2 測試結(jié)果與分析

在上述測試環(huán)境的基礎(chǔ)上，得到了不同故障定位方法的測試結(jié)果，具體的數(shù)據(jù)信息如表2所示。

表2 不同方法的測試結(jié)果對比

結(jié)合表2所示的測試結(jié)果對3種不同定位方法的性能進(jìn)行分析。其中，在行波互相關(guān)定位方法的測試結(jié)果中，對于故障位置的定位結(jié)果受具體故障類型的影響并不明顯，但是整體定位準(zhǔn)確性與故障距離之間存在直接的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)故障距離為100.0 km時，對應(yīng)的定位誤差穩(wěn)定在1.5%以內(nèi)，但是當(dāng)故障距離為500.0 km時，對應(yīng)的定位誤差達(dá)到了5.0%以上。在FMCW定位方法的測試結(jié)果中，對于不同類型故障、不同距離故障的定位結(jié)果表現(xiàn)出了較高的穩(wěn)定性，整體誤差基本穩(wěn)定在2.35%～3.52%。相比之下，在文章設(shè)計(jì)方法的測試結(jié)果中，不僅故障的定位結(jié)果不受故障類型和故障距離的影響，且對應(yīng)的誤差基本穩(wěn)定在2.5%以內(nèi)，最大誤差也僅為2.85%。結(jié)合上述的測試結(jié)果與分析結(jié)果可以得出結(jié)論，文章設(shè)計(jì)的基于差分雙正交小波熵的電力電纜故障定位方法可以實(shí)現(xiàn)對不同故障狀態(tài)的精準(zhǔn)定位。

3 結(jié) 論

在電力配網(wǎng)規(guī)模逐漸加大，覆蓋率逐漸提升的背景下，對存在故障的電力電纜位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位已經(jīng)成為了極為必要的電力維護(hù)管理輔助手段之一。文章提出基于差分雙正交小波熵的電力電纜故障定位方法研究，借助差分雙正交小波熵實(shí)現(xiàn)對電力電纜運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析，實(shí)現(xiàn)了對具體故障位置的準(zhǔn)確定位。借助文章對于電力電纜故障定位方法的研究與設(shè)計(jì)，也希望能夠?yàn)閷?shí)際的電力電纜維護(hù)管理以及故障檢修工作的開展提供有價值的參考。