基于混沌時域反射技術(shù)的電力電纜絕緣缺陷檢測方法

范亞洲

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,廣東 廣州 510080)

0 引言

電力電纜在電力系統(tǒng)中占據(jù)十分重要的地位,電纜的絕緣狀態(tài)對電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生比較直接的影響。因此,研究電力電纜絕緣缺陷自動檢測方面的技術(shù)是一項全新的挑戰(zhàn)[1-2],更有助于排除故障隱患,減少不必要的損失。

在當(dāng)前電力市場環(huán)境下,我國對電力企業(yè)提出了更高的要求。隨著電力電纜等級的不斷提升,如果無法確保電力電纜的安全性,那么系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會隨之受到影響。目前,我國電力電纜的維護(hù)工作基本以預(yù)防為主,只在設(shè)定的時間范圍內(nèi)展開人為檢修。但隨著電壓等級以及輸送容量的不斷提升,電力電纜的使用次數(shù)快速增加,傳統(tǒng)的人工檢修方式造成大量人力物力浪費(fèi),同時漏檢和錯檢情況也十分嚴(yán)重。為有效解決上述問題,國內(nèi)相關(guān)專家給出了一些較好的研究成果[3-5]。但這些方法在實際應(yīng)用過程中,都比較容易受到電纜信號噪聲的影響,降低絕緣缺陷檢測精度。為解決上述問題,本文基于混沌時域反射技術(shù),設(shè)計一種電力電纜絕緣缺陷檢測方法,以實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的電力電纜絕緣缺陷檢測。

1 電力電纜絕緣缺陷檢測方法

1.1 電力電纜信號去噪處理

(1)

式中:i為第i個經(jīng)驗?zāi)B(tài)分量;?i,j為模態(tài)函數(shù)的基本帶寬;uk為信號梯度;e為常數(shù);ωk為權(quán)重因子。

求解變分問題,優(yōu)先需要引入2個參數(shù),分別為懲罰因子α以及Lagrange乘法算子λ(t),其中,前者存在的主要目的是為了完成信號重構(gòu);而后者則是為了完成問題的轉(zhuǎn)換工作。將方程從約束性問題轉(zhuǎn)換為非約束問題,進(jìn)而求解最優(yōu)解L{(uk)(ωk),λ(t)},即

L{(uk)(ωk),λ(t)}=

(2)

通過懲罰算子交替更新不同方向的懲罰因子以及Lagrange乘法算子,經(jīng)過拓展處理獲取對應(yīng)的基本模態(tài)分量,具體計算式為

(3)

(4)

式中:j為第j個經(jīng)驗?zāi)B(tài)分量;ω為權(quán)重;f(w)為等距變換次數(shù)之和。

在信噪分離過程中,電力電纜信號的冗余特性也需要展開分析,這樣不僅可以減少損失,同時還有助于選擇最佳分解尺度。為了滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行需求,不僅要提取電力電纜信號特征,同時還需要選擇最佳小波基。其中,最佳小波基的選取主要是為門限函數(shù)作為約束條件,經(jīng)過分析和研究,可以得到電力電纜信號和小波基兩者之間的相似性。

在AVMD分解的基礎(chǔ)上,還需要引入自適應(yīng)小波包分解方法,詳細(xì)的操作流程如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)小波包分解流程

在不同程度的白噪聲干擾條件下,優(yōu)先采用AVMD分解方法將電力電纜中周期性窄帶干擾和白噪聲分解處理,使其可以分解在對應(yīng)的基本模態(tài)分量中。然后引入自適應(yīng)小波包分解對電力電纜信號分解處理,使其位于高低頻分量中。最終,采用閾值法將不含有局部信號的分量過濾出來,獲取比較純凈的信號,最終實現(xiàn)電力電纜信號去噪[8-9]。

1.2 基于混沌時域反射技術(shù)的電力電纜絕緣缺陷檢測

通過半導(dǎo)體激光在光擾動條件下產(chǎn)生的帶寬連續(xù)混沌振動,根據(jù)輸出波形構(gòu)建與之對應(yīng)的自相關(guān)曲線,以此為依據(jù),提出混沌時域反射技術(shù)。

混沌時域反射技術(shù)主要是根據(jù)混沌光時域反射儀的測量原理得到的。其中,光反饋半導(dǎo)體激光器由半導(dǎo)體激光器和反饋裝置共同組成,通過反饋參數(shù)使激光器輸出混沌激光;然后,連續(xù)的混沌激光被劃分為2路,分別為:參考光;探測光。

當(dāng)探測光進(jìn)入到待檢測光纖后,需要將光纖中引發(fā)的回波信號轉(zhuǎn)換為電信號,參考光執(zhí)行相同的操作。將記錄下來的數(shù)據(jù)展開相關(guān)計算,進(jìn)而獲取相關(guān)曲線,通過相關(guān)峰對應(yīng)的延遲時間即可獲取發(fā)生故障的具體坐標(biāo)位置[10-11]。

混沌OTDR檢測電力電纜絕緣缺陷的核心為:采用混沌信號建立自相關(guān)函數(shù)Q(t)?Q(t),即

Q(t)?Q(t)=Q(t)2×?(t)

(5)

式中:Q(t)為回波信號;?(t)為探測信號。

回波信號和探測信號兩者的本質(zhì)相同,但在時間上存在比較明顯的差異,兩者的時間差值可以表示為

Pe(t)=∑RiρPr(t-τi)exp(-β(t))

(6)

式中:Pe(t)為時間差值;Ri為故障點產(chǎn)生的反射率取值;ρ為探測信號和回波信號兩者之間的功率比;Pr為光纖入射角取值;τi為光的傳播速度;β(t)為鄰近兩者故障之間的往返時間。

通過分析2種信號的時間差值可以得到兩者的互相關(guān)函數(shù)Pr(t)?Pe(t),即

Pr(t)?Pe(t)=

ρ(Pr)2exp(-β(t))*[Q(t)2×?(t)]

(7)

現(xiàn)階段,混沌時域反射技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了和距離無關(guān)的高精度測量,使其逐漸發(fā)展成為電力電纜絕緣缺陷檢測的重要技術(shù)。

通過對混沌時域反射技術(shù)的深入分析可知,混沌系統(tǒng)中的不同特性全部可以采用動力學(xué)行為展開描述和分析。混沌是非線性系統(tǒng)中一種十分常見的現(xiàn)象,通過其可以更加準(zhǔn)確檢測缺陷信號[12-13]。

將周期策動力的外加強(qiáng)迫項即沒有檢測的信號代入到已經(jīng)建立好的系統(tǒng)方程中,經(jīng)過整理,可以獲取Duffing方程為

(8)

通過Duffing方程可以獲取電力電纜不同運(yùn)行狀態(tài)下時域波形和相平面兩者的變化情況,具體如下:

a.當(dāng)策動力幅值等于0時,需要求解相平面內(nèi)數(shù)據(jù)對應(yīng)的鞍點以及焦點等相關(guān)信息。

b.當(dāng)策動力幅值高于0,則混沌系統(tǒng)可以劃分為幾種不同的動力學(xué)運(yùn)行形態(tài),分別為:

①當(dāng)策動力幅值取值偏低時,借助相軌跡對大量吸引子展開映射處理,使其可以在設(shè)定周期內(nèi)展開振蕩等相關(guān)操作。

②當(dāng)策動力幅值開始逐漸增加,系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換為軌道運(yùn)行狀態(tài)。

采用Duffing-Homes方程設(shè)計特定的混沌系數(shù),當(dāng)外加信號一定時,通過線性方程控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài);當(dāng)恢復(fù)力取值一定時,可以通過外加信號判斷系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

對電力電纜絕緣信號的頻率展開分析處理,得到不同周期對應(yīng)的信號頻率,確定窄帶干擾下產(chǎn)生的混沌子系統(tǒng)閾值,通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)閾值可以準(zhǔn)確獲取系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

電力電纜絕緣缺陷信號的形成主要包含2個比較關(guān)鍵的參數(shù),分別為:延遲;幅值。

延遲是信號發(fā)生器的主要部分,通過脈沖產(chǎn)生固定延遲,在延遲產(chǎn)生之后,需要再次發(fā)送脈沖信號,同時二次采樣,以此達(dá)到信號等效采樣的目的。其中,相關(guān)峰的時間延遲產(chǎn)生的主要流程如圖2所示,具體如下:

圖2 相關(guān)峰的時間延遲形成流程

a.優(yōu)先形成時鐘。

b.引入游標(biāo)卡尺原理獲取脈沖。

c.計數(shù)器處理工作。

d.輸出比較器結(jié)果。

e.形成相關(guān)峰的時間延遲。

相關(guān)峰的幅值信息也是電力電纜發(fā)生器的重要組成部分,通過幅值信號產(chǎn)生形成固定寬度的脈沖信號。

在完成電力電纜信號發(fā)生器設(shè)計后,對脈沖的控制重點體現(xiàn)在相關(guān)峰的時間延遲以及幅值信息中。因此,相關(guān)峰的時間延遲是為了完成等效采樣處理,幅值信息則是通過測量電纜的長度完成。由于時基不同,所以需要自動選擇延遲取值范圍。

根據(jù)脈沖時間差可以獲取最大采樣率和采樣周期之間的倍數(shù)關(guān)系,進(jìn)而確定采樣數(shù)據(jù)組,具體的表達(dá)形式為

(9)

式中:M為采樣數(shù)據(jù)組;div為時間基。

經(jīng)過上述分析,通過混沌時域反射技術(shù)將電力電纜信號劃分為2種不同類型的信號,分別為參考信號和探測信號,通過分析獲取電力電纜絕緣位置故障點的反射信號,進(jìn)而完成采樣處理。同時根據(jù)已知的相關(guān)峰的時間延遲以及幅值信息中獲取缺陷發(fā)生的位置,最終達(dá)到電力電纜絕緣缺陷檢測的目的[14-15]。

2 實驗測試與分析

為驗證本文所提的基于混沌時域反射技術(shù)的電力電纜絕緣缺陷檢測方法的有效性,選擇某電力企業(yè)正在檢修的3條電纜作為實驗對象,結(jié)合智能電纜故障測試儀_DMS-40D2共同展開測試,采樣頻率為30 MHz、60 MHz、120 MHz、200 MHz多種采樣頻率,測試距離可達(dá)165 km,測試脈沖:0.1～9.9 μs,Max 200 V,讀數(shù)分辨率小于0.4 m。本次實驗用故障測試儀如圖3所示。

圖3 故障測試儀

電力電纜的基本實驗參數(shù)如表1所示。

表1 電力電纜實驗參數(shù)設(shè)定

為驗證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性,將文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[4]方法作為對比方法,采用3種方法對3條電纜進(jìn)行絕緣缺陷檢測,以視在放電量為檢測指標(biāo),與實際缺陷放電量進(jìn)行對比,結(jié)果越相近,表明對電纜絕緣缺陷檢測的準(zhǔn)確性越高。針對3條電纜的檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法的電力電纜絕緣缺陷檢測結(jié)果對比分析

分析圖4中的實驗數(shù)據(jù)可知,本文方法對3條電纜的視在放電量的檢測結(jié)果,與實際缺陷放電量較為一致,可以更加準(zhǔn)確檢測電力電纜絕緣缺陷,而其他2種方法的檢測結(jié)果與實際缺陷放電量有所差距,由此可以驗證,本文方法與真實的檢測結(jié)果較為一致,檢測精度較高,具有一定的實際應(yīng)用性能。

3 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)方法缺陷檢測方法存在的一系列不足,結(jié)合混沌時域反射技術(shù),提出一種基于混沌時域反射技術(shù)的電力電纜絕緣缺陷檢測方法。經(jīng)過大量實驗測試證明,本文方法可以精準(zhǔn)檢測電力電纜絕緣缺陷,獲取比較滿意的檢測結(jié)果。