基于小波重構(gòu)的電力電纜局部異常放電定位技術(shù)研究

摘 要：電力電纜局部放電定位技術(shù)作為有效的電力電纜質(zhì)量監(jiān)測手段已經(jīng)在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，由于異常放電信號在傳播過程中會(huì)受到各種因素的影響，因此常出現(xiàn)定位結(jié)果不準(zhǔn)確的情況。本文應(yīng)用小波重構(gòu)對電力電纜局部異常放電定位技術(shù)進(jìn)行研究。通過小波分解采集的電力電纜局部異常放電后進(jìn)行信號重構(gòu)，重構(gòu)后的信號提取特征并識別定位電力電纜異常放電位置，實(shí)現(xiàn)對電力電纜質(zhì)量狀態(tài)的監(jiān)測。通過測試技術(shù)方法，證明基于小波重構(gòu)的電力電纜局部異常放電定位技術(shù)為電力電纜的維護(hù)和管理提供了有效的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：小波重構(gòu)；電力電纜；故障定位；局部放電；特征提取

中圖分類號：TM 71 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

電力電纜的運(yùn)行狀態(tài)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。局部異常放電是電力電纜常見的故障之一，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，就可能會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣損壞，甚至引發(fā)嚴(yán)重的電力事故[1]。文獻(xiàn)[2]中提到的紫外光異常放電定位技術(shù)靈敏度高、定位精度高。但是受環(huán)境因素限制，在雨雪天氣條件下大氣吸收和散射都會(huì)影響定位效果。文獻(xiàn)[3]使用了雙光譜法對異常放電進(jìn)行定位，此方法運(yùn)用多光譜的互補(bǔ)性對電纜放電異常進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測定位。然而，由于需要同時(shí)處理可見光和紅外光譜數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)處理和分析的過程變得十分復(fù)雜，對技術(shù)人員的專業(yè)素養(yǎng)和技能水平提出了很高的要求。文獻(xiàn)[4]對阻抗法定位電纜放電異常進(jìn)行研究，簡化了計(jì)算過程，但應(yīng)用范圍較小，僅適用于特定的電纜故障類型。

本文在以往的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于小波重構(gòu)的電力電纜局部異常放電定位技術(shù)研究。該方法解決了環(huán)境干擾大、技術(shù)要求高以及應(yīng)用范圍小等問題，在對電信號進(jìn)行小波分解重構(gòu)后，使用行波法提取特征并定位，快速準(zhǔn)確地判斷了電纜健康狀況。

1 基于小波重構(gòu)的電力電纜局部異常放電定位方法設(shè)計(jì)

1.1 采集處理電力電纜局部異常放電信號

電力電纜因?yàn)殡姛岷蜋C(jī)械等應(yīng)力的影響會(huì)發(fā)生絕緣劣化。局部放電信號作為絕緣性退化的主要表征形式，可以在任何位置發(fā)生，因此準(zhǔn)確地判斷異常放電位置是搶修電纜的重要條件。

使用磁吸式固定器將具有高度靈敏性和選擇性的傳感器安裝在電纜接頭或終端附近的關(guān)鍵位置，以此捕捉放電信號。高靈敏傳感器將微弱的放電信號全部采集，通過信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式化等操作處理，將原始信號轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識別的數(shù)據(jù)格式。

1.2 小波分解電力電纜局部異常放電信號

當(dāng)對電纜局部放電進(jìn)行采集時(shí)，電纜實(shí)際運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，局部信號十分微弱，且被較高水平的噪聲干擾所淹沒，易對局部放電的定位精度造成影響。為了進(jìn)行后續(xù)的分析和處理工作，需要細(xì)致地對采集的信號進(jìn)行預(yù)處理操作。對信號中包括的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗去除，同時(shí)消除了部分在提取時(shí)間序列上有線性變化趨勢的誤差。采用小波分解的方法進(jìn)行降噪處理。小波分解可以將一個(gè)非平穩(wěn)信號分解成多個(gè)具有不同頻率和時(shí)間分辨率的子信號。在電力工程應(yīng)用中，通常只對信號特定的時(shí)段和頻帶感興趣，因此只需要最大可能地在所感興趣的點(diǎn)上對信號進(jìn)行分解。小波分解需要根據(jù)信號本身的特征將信號的高、低頻同時(shí)進(jìn)行分解并對頻段進(jìn)行自適應(yīng)選擇[5]。對含有噪聲的信號進(jìn)行波形圖繪制，如圖1所示。

由于放電信號和噪聲信號在頻域上存在差異，放電信號往往具有特定的頻率峰值或能量分布，而噪聲信號則表現(xiàn)為更廣泛的頻帶分布和均勻的功率譜密度。對小波分解進(jìn)行三層分解，示意圖如圖2所示。

通過小波分解將噪聲成分從子信號中分辨去除，從而得到較為純凈的放電信號。

1.3 小波重構(gòu)電力電纜局部異常放電信號

經(jīng)過小波分解后有效地去除噪聲成分，保留局部異常放電相關(guān)的有用信息。隨后將需要分解的信息小波重構(gòu)。將三層分解的每個(gè)小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，得到重構(gòu)信號Hm，n，得到重構(gòu)信號后需要計(jì)算能量并按原順序進(jìn)行排序，根據(jù)各級別的系數(shù)，逐步還原出信號的各個(gè)頻段成分，最終得到重構(gòu)后的電力電纜局部異常放電信號。計(jì)算能量如公式（1）所示。

（1）

式中：Em，n為低頻信號；m為重構(gòu)小波系數(shù)所在的分解層數(shù)；n為示重構(gòu)小波系數(shù)在m層的排序位置；x為序列長度。

排序后獲得對應(yīng)的重構(gòu)信號能量序列Gm，第一層能量序列如公式（2）所示。

G1=（E1，1，E1，2，E1，3） " " " " "（2）

以此類推，對三層重構(gòu)信號的能量序列進(jìn)行排序，并根據(jù)重構(gòu)信號繪制能量序列的波形。通過波形圖可以明顯區(qū)分電力電纜局部異常信號的能量分布差距。

1.4 電力電纜局部異常放電信號特征提取

經(jīng)過小波分解重構(gòu)強(qiáng)化放電信號后，需要對電力電纜局部異常信號進(jìn)行特征提取。將特征提取模塊分割得到的第z個(gè)脈沖信號段進(jìn)行特征參數(shù)提取，以此達(dá)到脈沖匹配時(shí)可以直接根據(jù)匹配調(diào)教進(jìn)行脈沖參數(shù)檢驗(yàn)的目的。繪制特征提取系統(tǒng)的流程圖，如圖3所示。

將正常信號與異常放電信號在經(jīng)過特征提取后進(jìn)行了系統(tǒng)性地整理，構(gòu)建一個(gè)完整的數(shù)據(jù)集。為了讓模型能夠準(zhǔn)確識別異常放電信號，為后續(xù)的電力電纜局部異常放電定位提供可靠的數(shù)據(jù)支持，在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫過程中需要確保數(shù)據(jù)集的全面性，信號數(shù)據(jù)需要覆蓋各種放電類型和程度。通過精心構(gòu)建的數(shù)據(jù)集，模型提供了豐富的訓(xùn)練樣本，使其能夠更好地適應(yīng)各種實(shí)際情況，提高定位的可靠性。

1.5 電力電纜異常放電識別定位

提取特征后一旦識別出異常放電信號，就需要對其進(jìn)行定位分析。基于信號的傳播特性和電纜的結(jié)構(gòu)信息，本文采用行波法推算出電力電纜異常放電的位置并繪制行波法局部放電定位原理，如圖4所示。

在圖4中，直接抵達(dá)最近端的脈沖被稱為入射波，而經(jīng)過電纜遠(yuǎn)端反射后回到最近端的脈沖則被稱為反射波。通過計(jì)算時(shí)間差，將獲取信號在電纜中往返傳播所需的時(shí)間。再結(jié)合已知的脈沖在特定電纜上的最大傳播速度v，可以利用速度與時(shí)間的關(guān)系來精確地計(jì)算出局部放電發(fā)生的位置。計(jì)算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：a為局部放電發(fā)生的位置；L為電纜長度；v為最大傳播速度；?t為入射波和反射波信號之間的時(shí)間差。

根據(jù)公式（3）計(jì)算即可得到電力電纜異常發(fā)電定位的具體數(shù)據(jù)，為電力電纜的日常維護(hù)和檢修提供重要技術(shù)支持。

2 基于小波重構(gòu)的電力電纜局部異常放電定位技術(shù)方法測試

2.1 測試準(zhǔn)備

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上文所提到的定位方法在實(shí)際中的應(yīng)用效果，本次測試精心挑選了一段具有局部異常放電特征的電力電纜作為目標(biāo)試驗(yàn)對象。該測試中所使用的電纜關(guān)鍵參數(shù)見表1。

接著利用電纜的長度、波速以及校準(zhǔn)系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，分別采用人工定位方法、本文采用的定位方法、文獻(xiàn)[2]中紫外光檢測定位法以及文獻(xiàn)[3]中雙光譜檢測定位法對局部放電信號進(jìn)行定位測試。

2.2 測試結(jié)果

統(tǒng)計(jì)不同測試方法的定位結(jié)果，并繪制局部放電定位圖，如圖5所示。

從圖5中可以清晰地看到，本文的定位方法與人工定位方法所得的定位點(diǎn)基本重合，定位點(diǎn)主要集中在電纜放電位置近端15m～25m的范圍內(nèi)。但紫外光檢測定位法和雙光譜檢測定位法與人工定位的定位點(diǎn)有個(gè)別出入。為避免測驗(yàn)的片面性，對不同電壓等級下3種定位方法與人工定位的定位點(diǎn)的重合數(shù)目和重合率進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果匯總，見表2。

結(jié)合圖5和表2的數(shù)據(jù)可以看出，與紫外光檢測定位法和雙光譜檢測定位法相比，本文提出的方法與人工定位結(jié)果重合率更高，意味本文方法定位更精確。可以得出結(jié)論，在現(xiàn)場測試中，本文所提供的定位技術(shù)可以有效地取代傳統(tǒng)人工完成電力電纜局部放電的定位任務(wù)，其定位成果可以精確反應(yīng)線纜的缺陷狀況，在實(shí)際工作中有良好的適用性和實(shí)用性。

3 結(jié)語

本文深入探討了基于小波重構(gòu)的電力電纜局部異常放電定位技術(shù)，從信號采集與處理、特征提取、異常放電識別到精確定位，全面分析了該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理和應(yīng)用效果。通過小波變換和重構(gòu)成功提取了異常放電信號的關(guān)鍵特征，實(shí)現(xiàn)了對放電點(diǎn)的精確定位。試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)具有較高的定位精度和穩(wěn)定性，為電力電纜的維護(hù)和管理工作提供了有力的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]肖小龍，郭佳豪，郭茂森，等.基于改進(jìn)GCC算法的交流配電電纜局部放電在線定位方法研究[J].機(jī)械與電子，2024，42（3）：26-31，39.

[2]宋鵬，白曉晨，林曉煥，等.電力傳輸線異常放電紫外光檢測定位仿真與模擬驗(yàn)證[J].光學(xué)精密工程，2022，30（10）：1160-1169.

[3]張弛，曹夢，何金，等.基于雙光譜輻射特性的絕緣異常放電檢測方法研究[J].絕緣材料，2021， 54（9）：79-85.

[4]袁建軍，歐陽本紅，夏榮，等.高壓電纜局部放電在線監(jiān)測裝置有效性測評方法研究及現(xiàn)場應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2023， 49（增刊1）：17-23.

[5]鄒文磊，趙來軍，孫巖洲，等.基于CEEMDAN與改進(jìn)小波閾值的電纜局部放電信號降噪方法[J].電工技術(shù)，2023，（13）：192-195，200.