基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高壓輸電電纜故障定位方法

摘 要：高壓輸電電纜周圍環(huán)境復(fù)雜，存在多種干擾因素，影響故障定位的準(zhǔn)確性。因此，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高壓輸電電纜故障定位方法。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)電纜零序電壓、電流信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、采集、傳輸，采用小波變換技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，之后利用行波測(cè)距理論確定發(fā)生電纜故障的地理位置，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高壓輸電電纜故障定位。實(shí)驗(yàn)證明，所提方法定位結(jié)果與實(shí)際故障地理位置基本一致，最大定位誤差為0.02 m，基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓輸電電纜故障的精準(zhǔn)定位。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；高壓輸電電纜；故障定位；小波變換技術(shù)；行波測(cè)距理論；電纜零序電壓；電流信號(hào)

中圖分類號(hào)：TP39；TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）02-00-03

0 引 言

高壓輸電電纜作為電力傳輸?shù)闹匾d體，由于受到環(huán)境、設(shè)備老化、人為破壞等原因影響，在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)各種故障，如斷線、短路等，這些故障如不能及時(shí)定位并修復(fù)，將可能引發(fā)更大的電力事故[1]，對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。因此，如何快速、準(zhǔn)確地定位高壓輸電電纜的故障位置，成為電力行業(yè)面臨的重要問(wèn)題。

文獻(xiàn)[2]建立了電力電纜分布參數(shù)模型，利用希爾伯特變換獲取包絡(luò)參數(shù)，實(shí)施歸一化處理后，采用8階巴特沃斯帶通濾波器濾除噪聲干擾，完成故障定位。文獻(xiàn)[3]通過(guò)補(bǔ)充集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法分解反射系數(shù)譜，結(jié)合加努塔爾-布萊克曼混合卷積窗獲取故障電纜的定位曲線。但上述2種方法的故障定位需要通過(guò)離線數(shù)據(jù)處理和相應(yīng)運(yùn)算來(lái)獲得結(jié)果，不具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。

為此，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高壓輸電電纜故障定位方法，為電纜故障定位實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜監(jiān)測(cè)

當(dāng)電纜出現(xiàn)故障時(shí)，在故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生行波電流，且電網(wǎng)三相電壓不再對(duì)稱，各線路中將出現(xiàn)零序電流和零序電壓。行波電流會(huì)沿著電纜傳播，并在傳播過(guò)程中產(chǎn)生一系列的物理效應(yīng)和電氣效應(yīng)，通過(guò)對(duì)這些效應(yīng)的測(cè)量和分析，可以確定故障的位置。因此，對(duì)電纜零序電源信號(hào)進(jìn)行采集與監(jiān)測(cè)，是及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決故障的前提。本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)電纜中的零序電壓與零序電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜故障信號(hào)的同步采集?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜監(jiān)測(cè)示意圖如圖1所示。

如圖1所示，在一條高壓輸電電纜線路上設(shè)置若干個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安裝一臺(tái)無(wú)線傳感器，把一條高壓輸電電纜線路分成若干段。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)高壓輸電電纜的零序信號(hào)進(jìn)行同步采集與相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而得到高壓輸電電纜的運(yùn)行狀況。每個(gè)感知節(jié)點(diǎn)通常處于休息狀態(tài)，即在判定高壓輸電電纜是正常狀態(tài)的情況下，不會(huì)主動(dòng)將高壓輸電電纜信息傳送到故障定位中心服務(wù)器。零序電壓無(wú)線網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)在判定電纜零序電壓上升并超出閾值的情況下，將告警信息自動(dòng)發(fā)送到故障定位中心服務(wù)器[4]。在接收到故障警報(bào)后，故障定位中心服務(wù)器開啟各電流物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)電源，通過(guò)對(duì)高壓輸電電纜各支路的零序電流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)匯總，得到豐富的電纜狀態(tài)信息。

考慮到物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)需要完成電纜零序電壓、電流信號(hào)采集，數(shù)據(jù)分析計(jì)算，廣域時(shí)間同步和數(shù)據(jù)通信，根據(jù)該需求，此次選用的傳感器為IYHFA-A4F8A無(wú)線傳感器，IYHFA-A4F8A無(wú)線傳感器芯片基于ARM Cortex-M5內(nèi)核，處理速度快[5]。采用串并聯(lián)的方式將無(wú)線傳感器接入到輸電電纜總線上，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)無(wú)線傳感器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括信號(hào)感知周期、頻率等[6]。任何故障定位都必須要有數(shù)據(jù)的輸入，而且是在可接受范圍內(nèi)的輸入。電纜故障定位過(guò)程中，輸入信號(hào)為電纜中的故障信號(hào)，因此需要識(shí)別電纜中的故障信號(hào)。在IYHFA-A4F8A無(wú)線傳感器中設(shè)定一個(gè)閾值，將閾值與電纜中的零序電壓信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別電纜狀態(tài)，其用式（1）表示為：

（1）

式中：R表示高壓輸電電纜狀態(tài)的識(shí)別結(jié)果；0表示正常狀態(tài)；1表示故障狀態(tài)；u表示電纜中的零序電壓；表示閾值[7]。

如式（1）所示，當(dāng)識(shí)別結(jié)果為電纜處于故障狀態(tài)時(shí)，由故障定位中心服務(wù)器驅(qū)動(dòng)零序電流物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)，采集電纜中的零序電流信號(hào)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦收隙ㄎ恢行姆?wù)器上。

GPRS網(wǎng)絡(luò)通信是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的關(guān)鍵，GPRS網(wǎng)絡(luò)的搭建采用集成化程度較高的KB5060無(wú)線數(shù)傳模塊。采用標(biāo)準(zhǔn)RS 323接口作為GPRS網(wǎng)絡(luò)通信接口，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、心跳時(shí)間、服務(wù)器IP地址等[8]進(jìn)行配置。完成GPRS網(wǎng)絡(luò)配置后，將KB5060無(wú)線數(shù)傳模塊連接到無(wú)線傳感器一號(hào)端口，通過(guò)一號(hào)端口接收與發(fā)送故障數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜故障監(jiān)測(cè)。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)濾波

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電纜故障信號(hào)的采集與傳輸，但是物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)在采集故障信號(hào)過(guò)程中很容易受到外界因素的干擾。為了保證后續(xù)電纜故障的定位精度，采用小波變換技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。在待濾波信號(hào)的時(shí)間域上加一個(gè)窗口函數(shù)，利用窗口函數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行乘積運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)窗口內(nèi)小波的傅里葉變換，其用式（2）表示為：

（2）

式中：S（w， t）表示傅里葉變換后的電纜故障監(jiān)測(cè)信號(hào)；x表示原始監(jiān)測(cè)信號(hào)；g（t）表示窗口函數(shù)；t表示信號(hào)采樣時(shí)間；ε表示電纜故障信號(hào)頻率；j表示窗口內(nèi)故障信號(hào)序列長(zhǎng)度；w表示電纜故障信號(hào)幅值[9]。窗口函數(shù)作為光滑低通函數(shù)，通過(guò)對(duì)窗中信號(hào)頻率成分的幅值進(jìn)行檢測(cè)，獲取一定時(shí)間點(diǎn)附近的故障信號(hào)的頻率信息，并對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，以改善窗中故障信號(hào)的時(shí)間分辨能力，從而減小故障信號(hào)的頻率分辨率，起到對(duì)窗內(nèi)故障信號(hào)時(shí)間和頻率分辨率的制約作用。通過(guò)對(duì)不同頻率的故障信號(hào)時(shí)頻窗口進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信號(hào)的小波變換處理，其用式（3）表示為：

（3）

式中：W（a， b）表示小波變換后的電纜故障信號(hào)；a表示尺度因子；b表示移動(dòng)因子；ψ表示小波基函數(shù)。通過(guò)對(duì)電纜故障信號(hào)進(jìn)行小波變換處理，將信號(hào)時(shí)域與頻域做局部化處理，以此濾除原始故障信號(hào)中的噪聲分量，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的濾波處理。

3 輸電電纜故障定位

在實(shí)際應(yīng)用中，高壓輸電電纜本身的特點(diǎn)決定了它并非是純阻性的，而是含有雜散電感和雜散電容，所以在發(fā)生故障時(shí)，電纜中的電流、電壓會(huì)發(fā)生改變，但這種改變不會(huì)立即在高壓輸電電纜線路的其他部位出現(xiàn)，而是會(huì)以突變點(diǎn)為原點(diǎn)，以電磁波的形式向高壓輸電電纜線路的其他部位傳播，其中電磁波稱為行波。簡(jiǎn)而言之，在高壓輸電電纜中，如果阻抗是連續(xù)的，那么行波就不會(huì)發(fā)生折射或反射，而當(dāng)高壓輸電電纜發(fā)生故障時(shí)，以某一速度傳播的行波將會(huì)發(fā)生折射或反射，通過(guò)接收到的反射波的傳播時(shí)間以及傳播速度，就能對(duì)高壓輸電電纜故障的位置進(jìn)行推算。因此在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)濾波的基礎(chǔ)上，利用行波測(cè)距理論確定電纜故障位置。假設(shè)高壓輸電電纜故障點(diǎn)為電流信號(hào)的突變點(diǎn)，故障電纜產(chǎn)生的零序電流沿著線路傳輸，從而產(chǎn)生行波并向故障點(diǎn)傳播，當(dāng)行波達(dá)到故障點(diǎn)時(shí)發(fā)生反射，被無(wú)線傳感器接收，無(wú)線傳感器發(fā)送與接收行波信號(hào)之間存在時(shí)間差，可通過(guò)時(shí)間差與信號(hào)的傳播速度計(jì)算故障點(diǎn)到無(wú)線傳感器的距離，其用式（4）表示為：

（4）

式中：L表示電纜故障點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離；t1、t2分別表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)刻；v表示零序電流信號(hào)在高壓輸電電纜中的傳播速度[10]。由此即可定位到輸電電纜故障的位置，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高壓輸電電纜故障定位。

4 實(shí)驗(yàn)論證

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

根據(jù)研究需求，將本文方法應(yīng)用在某高壓電網(wǎng)輸電電纜線路上，該輸電站的電壓為220 kV，對(duì)應(yīng)電纜為典型的高壓輸電電纜，線路長(zhǎng)度為5 645.05 m，線芯材質(zhì)為裸銅線，截面形狀為圓形，截面面積為1.65 mm2，芯數(shù)為5芯，交流額定電壓為1 kV。該高壓輸電電纜所在區(qū)域環(huán)境比較惡劣，且電纜使用時(shí)間比較長(zhǎng)，距今已經(jīng)使用2年，部分線路遭到動(dòng)物啃食、人為破壞以及雨水侵蝕，經(jīng)常發(fā)生故障。利用本文方法對(duì)該高壓輸電電纜故障進(jìn)行定位，根據(jù)該輸電電纜的實(shí)際情況，在電纜上安裝了5臺(tái)無(wú)線傳感器，布設(shè)了5個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)高壓輸電電纜的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)上，將本文方法嵌入到該平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓輸電電纜故障信號(hào)遠(yuǎn)程感知設(shè)備的控制以及故障實(shí)時(shí)定位等功能。在方法應(yīng)用過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與無(wú)線傳感器建立TCP/IP連接，對(duì)無(wú)線傳感器技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，遠(yuǎn)程啟動(dòng)無(wú)線傳感器設(shè)備，并且接收傳感器設(shè)備反饋的故障信號(hào)。通過(guò)對(duì)故障信號(hào)的處理與分析，測(cè)量高壓輸電電纜故障處和監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜故障的定位。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本次實(shí)驗(yàn)共定位了50個(gè)電纜故障點(diǎn)，為驗(yàn)證所提的方法，隨機(jī)選取8個(gè)故障定位結(jié)果，將文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]的方法與本文方法進(jìn)行對(duì)比。高壓輸電電纜故障定位結(jié)果見表1。

從表1可以看出，本文方法對(duì)于電纜故障定位結(jié)果與實(shí)際故障位置基本一致，最大定位誤差為0.02 m，基本可以忽略不計(jì)；而文獻(xiàn)[2]方法對(duì)于電纜故障定位結(jié)果與實(shí)際差距較大，最大誤差為44 m；文獻(xiàn)[3]方法的故障定位最大誤差將近45 m。2種主流方法的故障定位誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本文方法。通過(guò)對(duì)比與分析以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了本文方法對(duì)于高壓輸電電纜故障定位具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力和空間定位優(yōu)勢(shì)，且定位的準(zhǔn)確度比較高，具有良好的可行性與實(shí)用性。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，本文實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓輸電電纜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，從而更快速、準(zhǔn)確地定位故障位置。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高壓輸電電纜故障定位方法具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓輸電電纜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，從而更快速、準(zhǔn)確地定位故障位置。同時(shí)，該方法還具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，滿足不同的需求。

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作者簡(jiǎn)介：徐 研（1985—），男，吉林長(zhǎng)春人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檩旊娋€路運(yùn)維。

陳文教（1984—），男，廣東韶關(guān)人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦邏弘娎|運(yùn)維。

胡成樂(lè)（1987—），男，湖北武漢人，工程師，研究方向?yàn)檩旊娋€路運(yùn)維。

賁 成（1993—），男，湖北宜昌人，碩士，工程師，研究方向?yàn)檩旊娋€路運(yùn)維。

收稿日期：2024-01-18 修回日期：2024-02-29

基金項(xiàng)目：廣東電網(wǎng)廣州供電局輸電類科技項(xiàng)目（GDKJXM20222 320）