基于差分双正交小波熵的电力电缆故障定位方法.pdf

Telecom Power Technology 40 Oct.10,2023,Vol.40 No.19 2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期设计应用技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.19.014基于差分双正交小波熵的电力电缆故障定位方法李少军（国网宁夏石嘴山供电公司，宁夏 石嘴山 753000）摘要：在电力电缆故障定位的过程中，受原始电力电缆运行状态信号特征的影响，导致定位结果误差较大，为此提出基于差分双正交小波熵的电力电缆故障定位方法研究。对原始电力电缆运行状态信号的多分辨率小波分解处理后，采用了差分预处理方式提取差分双正交小波熵。将电力信号的差分双正交小波熵作为故障信号的定位基准参数，确定具体的故障位置。在测试结果中，故障的定位结果不受故障类型和故障距离的影响，且对应的误差基本稳定在2.5%以内。关键词：差分双正交小波熵；电力电缆；故障定位；运行状态信号；差分预处理Power Cable Fault Location Method Based on Differential Biorthogonal Wavelet EntropyLI Shaojun(State Grid Ningxia Shizuishan Power Supply Company,Shizuishan 753000,China)Abstract:In the process of locating power cable faults,due to the influence of the characteristics of the original power cable operation status signal,the positioning results have significant errors.Therefore,a power cable fault location method based on differential biorthogonal wavelet entropy is proposed.After multi resolution wavelet decomposition of the original power cable operation status signal,a differential preprocessing method was used to extract differential biorthogonal wavelet entropy.Using the differential biorthogonal wavelet entropy of the power signal as the positioning reference parameter for the fault signal,determine the specific fault location.In the test results,the fault location results are not affected by the fault type and fault distance,and the corresponding error is basically stable within 2.5%.Keywords:differential biorthogonal wavelet entropy;power cables;fault location;running status signal;differential preprocessing0 引 言作为传输电能过程中不可或缺的一环，配电线路起到极为重要的载体作用1。在具体的运行过程中，为最大限度降低其对基础环境的影响，埋地电缆和架空电缆是较为常见的布设方式，对应的使用率也最高2。但是，受适应年限等客观因素的影响，其发生故障的可能性也是客观存在的。为了降低故障检修阶段的成本开销和时间开销，对故障位置进行精准定位成为了极为重要的工作内容之一。针对此，文献3提出了一种以行波互相关法为基础的故障定位方法，大大提高了定位的精准性，但是当故障距离与检测点的距离较大时，对应的定位结果误差较为明显；文献 4 提出一种以调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）为基础的故障定位方法，能够实现对不同类型、不同状态电缆故障的有效定位，但是定位精准度存在进一步提升的空间。结合上述的分析结果可以看出，加深对于电力电缆故障定位方法的研究极为必要5。为此，文章提出基于差分双正交小波熵的电力电缆故障定位方法研究，并在仿真环境中，通过对比测试的方式分析验证了设计方法的定位性能。1 电力电缆的故障定位方法设计1.1 电力信号的差分双正交小波熵分析为了能够实现对电力电缆故障的有效定位，文章将电力信号的差分双正交小波熵作为基准参数6。在提取电力信号差分双正交小波熵的过程中，引入了多分辨率分析理论，以此适应电力电缆运行状态多样化的属性特征7。其中，对于原始电力电缆运行状态信号的多分辨率小波分解处理方式可以表示为 ()()()()()jj,kjj,kx tc ktdkt=+（1）式中：x(t)表示多分辨率小波分解处理后的电力电缆运行状态信号；cj(k)表示原始电力电缆运行状态信号的离散平滑逼近信号；j 表示小波分解处理阶段对原始电力电缆运行状态信号的分解尺度；k 表示平滑系数；j,k(k)表示多分辨率小波分解的尺度函数；dj(k)表示原始电力电缆运行状态信号的离散细节信号，也就是小波变换系数；j,k(t)表示带通性质约束下的小波函数。按照式（1）完成对原始电力电缆运行状态信号的多分辨率小波分解处理后，对于差分双正交小波熵的提取采用了差分预处理方式，具体的实现方式可以表示为 y(n)=x(n)-x(n-1)（2）收稿日期：2023-09-12作者简介：李少军（1974），男，宁夏石嘴山人，本科，工程师，主要从事输电线路设计工作。2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期 41 Telecom Power TechnologyOct.10,2023,Vol.40 No.19 李少军：基于差分双正交小波熵的 电力电缆故障定位方法式中：y(n)表示电力信号差分双正交小波熵参量；n表示多分辨率小波分解处理后，电力电缆运行信号突变点的奇异性差分值。根据式（2）实现对电力信号差分双正交小波熵的提取，为后续的故障定位提供执行基础。1.2 电力电缆故障定位结合式（2）提取的电力信号差分双正交小波熵参数，在对电力电缆故障进行定位时，考虑电力电缆的运行状态信号实时更新，这就意味着在定位故障位置时也要适应信号的更新，作出相应的调整。以此为基础，文章设计的具体故障定位实现流程如图 1所示。获取电力电缆的运行信号更新故障信号的位置和速度，计算小波熵初始化比较更新前后的小波熵一致性确定故障信号位置结束是否图 1 电力电缆故障定位流程按照图 1 所示的方式，实现对电力电缆故障的定位。其中，将电力信号差分双正交小波熵作为故障信号的定位基准参数，通过匹配故障信号更新前后小波熵的一致性，确定当前的位置是否为实际的故障位置，以此确保最终定位结果的准确性和可靠性。2 测试与分析2.1 测试环境概况在分析测试文章设计的基于差分双正交小波熵的电力电缆故障定位方法实际应用效果的过程中，以MATLAB/Sinmulink 为基础，搭建了用于测试的电缆故障仿真模型环境。在此基础上，借助仿真系统，模拟不同的电缆线路故障状态，实现对具体电压和电流变化的还原。具体的故障状态设置过程中，结合实际的故障类型，分为单相接地故障、两相短路故障、两相接地故障以及三相短路故障。在测试环境构建过程中，具体的参数设置如表 1 所示。表 1 测试环境参数信息电源参数项配置三相电源输入线电压/kV1 500.000 00频率/Hz50.000 00电源内阻/5.740 00电源电感/H0.045 20分布式电源电缆形式三相电缆频率/Hz50.000 00电缆的电阻极值/（/km）0.386 40电缆的电感极值/（H/km）4.126 4010-3电缆的电容极值/（F/km）7.751 0010-9额定电缆电阻/（/km）0.012 73额定电缆电感/（H/km）0.933 7010-3额定电缆电容/（F/km）12.740 0010-9以表 1 所示的测试环境参数设置情况为基础，在设计故障时，仿真时间设置为 0.10 s，故障发生时间设置为 0.025 s，故障位置以测试环境的左侧断点为起点，对应的距离分别为100.0 km、150.0 km、200.0 km、300.0 km 以及 500.0 km。在具体的测试过程中，为了能够更加客观地对文章设计定位方法的性能作出评价，分别设置了不同的定位方法作为测试的对照组。具体的分别为文献 3 提出的以行波互相关法为基础的定位方法，文献 4 提出的以 FMCW 为基础的定位方法。2.2 测试结果与分析在上述测试环境的基础上，得到了不同故障定位方法的测试结果，具体的数据信息如表 2 所示。结合表 2 所示的测试结果对 3 种不同定位方法的性能进行分析。其中，在行波互相关定位方法的测试结果中，对于故障位置的定位结果受具体故障类型的影响并不明显，但是整体定位准确性与故障距离之间存在直接的相关关系，当故障距离为 100.0 km 时，对应的定位误差稳定在 1.5%以内，但是当故障距离为 500.0 km 时，对应的定位误差达到了 5.0%以上。在FMCW定位方法的测试结果中，对于不同类型故障、不同距离故障的定位结果表现出了较高的稳定性，整体误差基本稳定在 2.35%3.52%。相比之下，在文章设计方法的测试结果中，不仅故障的定位结果不受故障类型和故障距离的影响，且对应的误差基本稳定在 2.5%以内，最大误差也仅为 2.85%。结合上述的测试结果与分析结果可以得出结论，文章设计的基于 2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期Oct.10,2023,Vol.40 No.19Telecom Power Technology 42 差分双正交小波熵的电力电缆故障定位方法可以实现对不同故障状态的精准定位。3 结 论在电力配网规模逐渐加大，覆盖率逐渐提升的背景下，对存在故障的电力电缆位置进行精准定位已经成为了极为必要的电力维护管理辅助手段之一。文章提出基于差分双正交小波熵的电力电缆故障定位方法研究，借助差分双正交小波熵实现对电力电缆运行状态数据的分析，实现了对具体故障位置的准确定位。借助文章对于电力电缆故障定位方法的研究与设计，也希望能够为实际的电力电缆维护管理以及故障检修工作的开展提供有价值的参考。参考文献：1 温才权，韦 鑫，王 杰，等.基于 CEEMD-PSD 算法的变电站控制电缆故障定位方法 J.电网与清洁能源，2023，39（7）：80-89.2 刘 刚，张圆明，陈 晨，等.基于纳秒窄脉冲与时间反演的电缆故障定位系统设计 J.自动化与仪器仪表，2023（7）：170-173.3 宋 柯，王乐宁，唐 诗，等.基于行波互相关法的电力电缆故障定位技术及应用 J.水电能源科学，2023，41（7）：213-217.4 赵书静，龚梁涛，詹博博，等.基于 FMCW 的10kV 配电电缆故障定位及类型识别方法 J.中国电机工程学报，2023，43（11）：4452-4463.5 梁钟颖，周 凯，孟鹏飞，等.基于频域反射系数谱的电缆故障定位与故障类型识别方法研究 J.电工电能新技术，2022，41（8）：79-88.6 王子良，符 爽，范树凯.基于 SWT-TEO的矿用电力电缆故障定位方法 J.煤矿机械，2022，43（7）：149-151.7 谢子殿，符 爽.基于 VMD-TEO 的矿用高压动力电缆故障定位方法J.黑龙江科技大学学报，2021，31（5）：613-618.表 2 不同方法的测试结果对比故障类型故障位置/km行波互相关定位方法FMCW 定位方法本文设计定位方法定位/km误差/%定位/km误差/%定位/km误差/%单相接地短路100101.141.14102.352.35101.461.46150153.842.56154.673.11152.181.45200207.123.56205.922.96204.482.24300312.664.22309.513.17307.082.36500525.955.19516.003.20512.952.59两相接地短路100101.161.16103.223.22102.242.24150153.452.30153.692.46152.091.39200207.683.84205.182.59202.581.29300313.114.37308.492.83307.052.35500526.305.26517.003.40514.252.85三相接地短路100101.131.13103.523.52102.142.14150153.362.24155.043.36152.631.75200207.703.85205.502.75202.241.12300312.904.30308.042.68304.081.36500526.055.21512.652.53506.201.24