基于行波原理的电力电缆故障在线监测_冷述文.pdf

2023.05/基于行波原理的电力电缆故障在线监测冷述文1李建光2夏文晖2高伟2翟亮2(1.华能山东发电有限公司2.华能辛店发电有限公司)摘要:在电力输送和配用电方面，电力电缆的应用范围广、优点多，但若发生电网故障就会影响线路监测，主要在于电缆结构复杂，在行波传输原理上较为复杂，且小电流接地电网使得故障点定位困难，人工巡线排除故障难度大，且故障信息测量存在的信息变化快，对行波容易造成影响，为此需要进行在线监测以有效探寻电缆故障。关键词:行波原理;电缆故障;在线监测0引言近年来，由于城市地上空间被架空线路占用影响城市市貌、市容，为此将电缆埋于地下减少对空间的占用，有利于城市文化建设，从而广受欢迎。目前，发电企业、电网企业和用电企业的电力电缆埋于地下，相关故障监测有待进一步研究。由于埋于地下外部层较厚，增加了故障监测定位的难度，故障监测耗时耗力导致停电造成的损失难以估量。为此，寻找一种基于行波原理快速精准监测电缆故障的方法至关重要。1基于行波原理电缆故障在线监测的优势暂态行波故障定位原理比其他故障定位原理更具优势。例如，行波定位原理拥有丰富的实践经验，且输电线路与电缆配网共性较多，针对配电网混合线提出了时间变量的故障搜寻方法，可以结合行波原理计算每段故障经过的时间，逻辑计算更加清晰明了，从而进一步实现了配电网测距1-3 使用的方法，弥补测距时单端存在的问题，以此明确故障所在距离，并且可以在末端安装行波监测装置，进一步强化故障定位。利用初始波头数据测距，尽管有较大的局限性，但可以制定一整套电缆网络故障定位方案，使相关研究具有可行性。由于行波原理基础适用范围广，且在应用过程当中具有可行性，为此，科学的电缆网络故障监测定位方案研究对于现阶段电缆故障监测具有深远意义。可见，基于行波原理的电力电缆故障在线监测模式本身存在着重要的研究意义，主要在于以下几方面。(1)可以快速定点故障所在位置，以此降低停电所造成的经济损失，而这种在线监测模式迅速找到大致故障位置点缩短停电时间，节省物力人力，且显著提高用户用电的稳定性。(2)结合电缆网络运行自身存在的一系列缺陷，利用暂态行波原理拓展故障监测的定位范围进行搜寻，迅速寻找城市电缆故障存在的位置。(3)减少停电时间，提供可靠的供电系数。这种灵活的停电检修方式主要借助于在线系统监测，完成故障检修，大幅提升持续供电水平。(4)电缆网络运行质量水平有所提升。为改变供电电缆受损等一系列问题，在线监测技术应用之后，可以及时发现局部放电或者电缆存在的故障隐患，从而缩小停电范围。2基于行波原理电缆故障在线监测的研究现状目前有关离线电缆故障4-5 监测的方法较多，但本身存在自身缺陷。而基于行波原理在线监测故障位置属于高精准度的定位方法，这种方法对整体系统运行影响较小，从而得以广泛应用。而在上世纪中期，有关行波理论监测故障的研究是经过无数次实验验证的，这提高了行波原理监测故障所在位置的精度。借助于互联网电子技术、通信技术以及智能计算机技术的不断进步，采用行波定位方法切实可行，解决了原本计算存在的局限性，结合时间采集的两次时间差，分别采用两次测量发现故障初始位置以及故障点与母线反射到达的时间，从而计算故障点所在位置。相关文献，通过小波变化和仿真建模的方法进一步对电缆故障位置进行行波测距，例如，可以借助于单端行波测距方法监测电网故障。双端行波定位主要是借助于线路两端对载波同步方法进行测距，启动之后会明确线路两端的测量点绝对时间差，计算出两个固定点之间的距离，借助于行122电气技术与经济/技术与交流/2023.05波检测装置结合电流电压信号计算出故障的初始型波浪，最终所抵达监测位置的所使用的时间。由此可见，采用行波定位原理监测故障位置点，主要是借助于双端行波方法对行波浪涌抵达线路的绝对时间差，计算长度速度，从而得到故障所在的距离。如需要提高测量精度，应明确行播速度以及传输线路的长度，包含有初始波头到达时间，为此要精准计算线路参数，并结合线路长度，明确温度及线路型号，获取实际的线路长度，对线路两端通过精准对时获取时间信息。因为行波传播速度快，倘若两端存在微秒误差，也会影响测距距离，而这种误差会延长到 150m。由此可见，电缆故障定位存在的困难，每一种计算故障所在位置误差的算法本身存在难以克服的困难，主要表现为以下几方面。2.1电力电缆故障监测存在的故障类型复杂运行多变中压电缆网络由于系统中性点接地方式不同，一旦发生不对称故障，会导致整体线路难以区分究竟哪条线路发生故障，检测时也会导致故障监测器失效。与输电线路相对比，配电电缆线路本身更具敏感性，这也会导致故障位置影响在线监测精度，而这种复杂的故障类型，导致相关算法计算存在误差。2.2结合线路结构选择故障定位方案难度较大、电缆错综复杂故障定位成为难题，尤其是各区段和故障点定位大多以较长线路为主，对于配电电缆网络适配性差。在配网整体规划过程当中，要结合实际情况设计电缆线路，这种定位方法与架空线路存在差异性。架空线路定位方案可以针对电缆进行优化，目前所使用的定位仪以及故障指示器在配电电缆线路测量时，故障时定位并不精准。2.3人工智能方法应用存在局限性随着计算机技术和智能技术的不断发展，配电网自动化建设在农村领域尚未实现实际应用，即便在城市区域配电网，智能自动化技术也尚未完全得到普及。主要在于人工智能本身存在优点，但未来有关故障监测定位有待进一步研究主要在于这个部分技术应用尚不成熟，在实际应用当中受到算法复杂、前期投资成本过高等问题的制约。2.4电缆线行波时差判断故障位置为了赶上第一波的发射时间，在电缆的一端和两个角之间安装了一个辅助设备。以达到时间扩散，必须遵守行波时差内在关系，关闭显示和功能故障密切相关的时差，如果两个位置点没有故障，直路行波时间差值只会与线路整体长度有关。分支存在故障应按照最短路径原则依次接收支路信息来判断。因此如果确定区域内存在故障，需要借助于各端点结束行波时间来确定故障所在的线路分支，按照各区域线路末端时差判断区域内是否存在故障。如果某一区内确实存在故障，这个线路末端多头接收时间会受故障位置影响。3电力电缆故障在线监测定位方法3.1基于行波原理电缆故障定位方法利用行波测距算法以及定位原理，测量了线段长度和终点之间时间错位之间的关系。电缆线路拓朴结构如下图所示。图电缆线路拓扑结构电缆主干线路两端 H1和 H6作为位置点，Hn代表各个线路的末端，每条线路均有自己的末端位置。LH1O1、LO1O2、LH6O2分别代表距离分支点之间的距离长短。Lnm=LHnOk LHmOkn=1，2，N;m=1，2，M;k=1，2，K;(1)利用中间布下分支或信息的网路连结，处理两端和分支点，确定支点的数目。由此得出:在 K 区末端有 5 个分支的电缆网。每当某点出故障时，都要列举电缆到每条线底部的时间(n=1)。LHNOk 是一根线缆的长度。如果给定线段的边点是最近的附近节点，那么不同线段之间的距离将以已知的流线条结构和线段长度为基础来计算，精确线程:LHnOk 和 LHmOk可以显示距离。如果发生不可恢复的扰动时，电缆末端的监测设备，即行波波头到故障位置的时间，以及双端行波故障可以算出两端点的扰动距离。DHn=LHnHm+v(tn tm)2(2)DHm=LHnHm+v(tm tn)2(3)式中，n 到 m 点的线路距离主要是线路末端 Hn到另一个线路末端 Hm的线路长度，字母分别代表行波波头与故障线路末端所使用的时间，v 代表传播行波的速度。通过分析故障所在位置与监测所存在的距离差距，以此来确保线路分支点、线路、主干线路之间的222电气技术与经济/技术与交流2023.05/关系，进而判断电缆存在故障的位置。为此，需要从以下情况判断故障发生位置点。如果电缆的分支线路存在故障，也就是其中任意一个分支存在问题，从而构建出主干线路与各线路分支点、线之间的关系。Dnm Lnm0(nm)Dmn Lmn0(nm)(4)线路当中任意一个分支点存在故障，需要明确连接两端点的分支线路具体位置，然后构建不同分支线路与主干线之间的关系。Dnm Lnm0Dmn Lmn0(5)故障位置点与其他没有故障的分支线路各节点连接形成的分支线路之间的关系路线如下。Dpq Lpq0Dqp Lqp0(6)假设电缆当中的主干线路的某一线段存在故障，则需要计算不同节点相连线路的分支结构，明确各分支相连位置端点各端点的关系如下。Dmn Lnm=0Dnp Lnp0Dnq Lnq0(7)由此可见，在本文所研究的基于行波原理，在线监测电力电缆故障，在检测分支线路故障所采用的定位方法，同样也可以使用于监测主干线路存在的故障。3.2行波时差矩阵故障定位的理论探究结合在线监测故障定位，相关理论探究主要借助于行波时差矩阵监测故障所在位置。3.2.1行波时差矩阵计算基于行波管理监测电缆故障，主要对线路前端的距离差值进行计算，从而明确每一个线路之间区段差值并形成一个矩阵关系，形成各线路之间固有差值的矩阵 L。并结合线路原本所具有的固有差值矩阵，构建阶矩阵，结合电力电缆相关参数，计算出线路长度以及线路自身结构，以此明确所形成的矩阵本身，在电缆长度以及结构不变的状态下，矩阵也不会再次发生变化，并结合各支段线路区段的距离差值，进一步明确故障点到各区段末端 Dnm所形成的距离差值，基于此形成对应的矩阵，也被称之为故障计算的差值矩阵 D。D=D11D21Dn1D12D22Dn2D1nD2nDnn(8)基于行波原理所形成的各线路独有的差值矩阵所构建的接矩阵，从而明确故障监测设置以行波速度为既定的前提下，由此可以测出行波波头。监测所在线路段的各个位置所使用的时间，就能明确故障所在具体位置。由于线路当中的故障存在差异性。由此可见，行波波头要抵达每一条支路线段的末端，所使用的时间也存在差异性，从而形成了线路差值矩阵，导致矩阵也会发生变化。结合线路差值矩阵，进一步减去原来固有的差值矩阵，将会得到在线监测所要判断的故障矩阵 B=D L。3.2.2依据故障判定矩阵判断故障区段(1)在各分支线路一旦出现故障，所形成的故障判断矩阵更容易判断出故障所在的位置点，利用矩阵形成一种表格形式，使其呈现出直观的对应特征，结合线路末端行波元素和列元素行列元素的交点为0，其余各元素均大于 0。由此可见，在行波原理下可以看出，除横向、纵向交点之间元素等于 0 之外，正常情况均大于 0，一旦在线监测设备所监测到的数据小于 0，则证明该线路存在故障。同理，也可以在矩阵当中明确端与端点这个行元素与列元素之间的交点处为 0，其余列元素也会呈现出负数的形式，行元素呈现出正数形式由此判。故障发生的这一段距离哪一分支点的支路最近。(2)分支点的故障分支点发生故障的时候，结合判断矩阵，如故障发生在每一节点位置，那么与这一节点相连的其他各线路的手段，各列元素呈现出0。由此可见，在分支点矩阵出现故障时，各相连端点元素为 0，此时可以判断这一分支位置处存在故障。(3)主干线路故障，在与各相邻的分支之间连接的主干线路，一旦存在故障，结合故障判断矩阵，就会发现在线监测到的子矩阵，呈现出了分块对角阵，此时就可以判断主干线路的这一段分支节点存在故障，这种分块对角说明主干线连接两分支点的端点呈现的对角阵状况，证明故障在两个分支点之间的这一段主线路上。3.2.3故障测距利用故障矩阵的判断方法确定故障所发生的线路区段之后，需要借助于在线监测装置进一步确定所在区段的位置点。为此，需要结合不同故障点测算方法，进一步明确故障所在位置点。(1)如果故障位于分支线路判断矩阵会得到列元素的相关平均值，也就是端点到最近节点之间的距离 LHn为:322电气技术与经济/技术与交流/2023.05LHn=Lm2+LHnOk(9)如果故障位于主干线路上，而且这一主干线是分支线路支点之间的这一段距离，为此可以截取这一线故障线路两端节点分支，利用双端定位方法测定故障位置。3.2.4电缆线路故障定位流程电缆线路在线监测故障的流程主要是记录各行波波头到达各支点端点位置的时间，例如，结合首端点距离节点形成分支结构，明确故障前固有差值，矩阵建立故障特有差值矩阵，并结合固有特有差值矩阵得到判定故障的矩阵。根据这一方法明确故障所在的区段，然后采用可行的方法对故障位置点进行定位。因此，基于行波原理在线监测电缆故障位置点，主要是通过矩阵寻找故障位置点。4结束语测量电缆线故障所在位置点的主要困难在于其特殊性、复杂性，这种电缆主要设计为多斜线和复杂环境，电缆常常被固定在地下，由于系统中发出的电流少导致要把电缆软管埋在地下，必须避免上述两项难题。由于故障在线监测利用行波原理故障差值矩阵发现故障区段，在终端支点中间可分别使用电缆故障检测仪器进行远程监测处理，电缆支线从各分支线路中可识别出电缆的故障，因此电缆采用行波原理监测故障点存在难度。本文结合多端故障信息作为探测故障位置的定位方案，综合网络模型分析电缆线路结构以及行波传播路径，提出了时差矩阵算法以定位多分支电缆存在的故障，采用改进后的双端行波故障定位方法，简化定位算法，提高定位效率，明确时差矩阵算法判断所测位置精度值更高，更具可靠性。通过分区段锁定故障所在位置实现故障区段判定以及故障点定位，减少复杂的电缆线计算，这种方法更具优越性。参考文献 1楚德全 基于行波技术的电缆故障预警及测距技术的研究与应用 J 电世界，2012，53(5):1-4 2蔡楚宝，周长城 高压电力电缆故障监测技术的研究 J 中国科技投资，2013(26):90 3张鹏，李京，周继功 基于行波原理的电缆故障在线双端测距研究 J 国网技术学院学报，2014，17(2):5-8 4卢西玉，张峥 电缆故障和路径中测绘一体化技术的应用 J 科技创新导报，2019，16(15):36-37 5卢忠亮 电缆在线监测及故障预警测距系统方案实践 J 冶金动力，2019(11):11-15(收稿日期:2023-03-24)422电气技术与经济/技术与交流