一种面向中压电缆潜伏性故障的触发检测及识别方法

1.本发明涉及电缆故障检测领域，具体涉及一种面向中压电缆潜伏性故障的触发检测及识别方法。


背景技术：

2.中压电缆潜伏性故障：指中压电缆的瞬时性的击穿故障，其通常表现为单相接地故障，故障发生在相电压峰值，在相电流过零点自动清除，故障持续时间通常为1/4周波或更长，不同中性点接地方式下的电压特征相似，但电流的幅值差别较大。
3.现有方法在进行电缆故障诊断时主要利用预防性试验，但预防性试验需停电进行，影响供电连续性，而局放和温度需专用传感器就地进行监测，安装、运维成本较高，该种监测手段广泛应用于高压输电电缆，然而中压电缆点多面广，且存在直埋或污水浸泡等问题，基于就地监测的状态感知手段应用受限，因此，亟需针对中压电缆存在的各类故障缺陷，研发经济性好、实用性高、检测灵敏的故障识别技术与装置。
4.对于早期故障触发检测算法，基于零序电压幅值越限记录早期故障扰动，虽然基于这些特征检测到了部分早期故障扰动，然而分析发现，由于所选特征量不能与所有类型的接地型早期故障特征匹配，现有波形记录装置中的算法并不能保证对早期故障的灵敏检测，极有可能存在漏检。近年来，本领域相继提出了基于波形分布特性、相似度计算等高灵敏的扰动检测算法，但该类算法对于硬件要求较高，在实际中应用较少。由于受现场监测装置硬件计算能力的约束，因此检测算法需充分考虑早期故障特征，并在快速性和灵敏性之间取得平衡。对于早期故障检测算法，可以分为基于波形特征、基于模型以及基于机器学习的方法，但这些方法均是针对中性点直接接地系统，主要利用了早期故障期间故障电流瞬时增大的特征，然而我国中压配电网主要采用小电流接地，针对该类系统，有人提出了基于类人概念学习的早期故障检测算法，该方法鲁棒性强，但对数据样本依赖性大，且未对小电流接地系统的早期故障表现模式和特征进行系统分析。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种面向中压电缆潜伏性故障的触发检测及识别方法解决了中压电缆潜伏性故障检测难的问题。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
7.提供一种面向中压电缆潜伏性故障的触发检测及识别方法，其包括以下步骤：
8.s1、计算中压电缆零序电流的有效值的变化量；
9.s2、判断中压电缆零序电流的有效值的变化量是否大于变化量阈值，若是则进入步骤s3；否则判定当前无潜伏性故障；
10.s3、计算各相电流的有效值和各相电压的有效值；
11.s4、通过比较各相的电流有效值和电压有效值获取故障相；
12.s5、计算零序电流越限部分对应的起始时间和终止时间，判断该时间段前后是否
存在负荷变化，若是则判定为其他故障；否则进入步骤s6；
13.s6、计算故障相电压初始角，并判断故障相电压初始角是否处于潜伏性故障相角阈值区间，若是则将该故障判定为潜伏性故障；否则判定为其他故障。
14.进一步地，步骤s1的具体方法包括以下子步骤：
15.s1-1、将采样的滑动步长设置为1/4周期，将计算窗口长度设置为1/2周期。将每周期的采样点数设置为128个；
16.s1-2、根据公式：
[0017][0018]
获取中压电缆采样点k处的零序电流有效值i
rmsx
(k)；其中nb为半波信号的总采样点数；n为采样序列；i
x
表示零序电流采样信号；
[0019]
s1-3、将第一个半波的有效值作为正常运行情况下的零序电流i
0_normal
；
[0020]
s1-4、根据公式：
[0021]
δi0＝i
rmsx
(k)-i
0_normal
[0022]
得到中压电缆零序电流的有效值的变化量δi0。
[0023]
进一步地，步骤s4的具体方法为：
[0024]
将三相电流有效值的最大值、三相电压有效值的最小值对应相作为故障相。
[0025]
进一步地，步骤s6中计算故障相电压初始角的具体方法为：
[0026]
根据零序电流越限部分对应的起始时间，获取故障前一周波的电压采样信号；
[0027]
根据公式：
[0028][0029][0030]
获取故障相电压初始角其中a1和b1为中间参数；n为一个周期的采样点数；vk为故障前一周波的电压采样信号中第k次采样值；π为圆周率。
[0031]
进一步地，潜伏性故障相角阈值区间为80
°
～100
°
，以及260
°
～280
°
。
[0032]
本发明的有益效果为：本方法不需要依赖大量的数据样本，综合考虑相电压、电流和零序电压、电流的扰动变化规律作为判据特征，所用特征量简单、计算量少。本方法针对小电流接地系统，根据触发检测和故障检测算法对灵敏性、快速性和准确性的要求，紧密结合该类系统早期故障特征，同时考虑相电压/电流和零序电压/电流的故障变化量特征，实现中压电缆潜伏性故障的早期检测，对于及时发现小电流接地系统中的早期故障(瞬时故障)，减少非计划停电、提高供电可靠性具有重要意义。
附图说明
[0033]
图1为本方法的流程示意图；
[0034]
图2为不同计算窗口和滑动步长条件下的电压有效值计算结果示意图；
[0035]
图3为不同采样频率下的电压有效值计算结果示意图；
[0036]
图4为潜伏性故障起止时刻检测示意图。
具体实施方式
[0037]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0038]
如图1所示，该面向中压电缆潜伏性故障的触发检测及识别方法包括以下步骤：
[0039]
s1、计算中压电缆零序电流的有效值的变化量；
[0040]
s2、判断中压电缆零序电流的有效值的变化量是否大于变化量阈值，若是则进入步骤s3；否则判定当前无潜伏性故障；
[0041]
s3、计算各相电流的有效值和各相电压的有效值；
[0042]
s4、通过比较各相的电流有效值和电压有效值获取故障相；
[0043]
s5、计算零序电流越限部分对应的起始时间和终止时间，判断该时间段前后是否存在负荷变化，若是则判定为其他故障；否则进入步骤s6；
[0044]
s6、计算故障相电压初始角，并判断故障相电压初始角是否处于潜伏性故障相角阈值区间，若是则将该故障判定为潜伏性故障；否则判定为其他故障。
[0045]
步骤s1的具体方法包括以下子步骤：
[0046]
s1-1、将采样的滑动步长设置为1/4周期，将计算窗口长度设置为1/2周期。将每周期的采样点数设置为128个；
[0047]
s1-2、根据公式：
[0048][0049]
获取中压电缆采样点k处的零序电流有效值i
rmsx
(k)；其中nb为半波信号的总采样点数；n为采样序列；i
x
表示零序电流采样信号；
[0050]
s1-3、将第一个半波的有效值作为正常运行情况下的零序电流i
0_normal
；
[0051]
s1-4、根据公式：
[0052]
δi0＝i
rmsx
(k)-i
0_normal
[0053]
得到中压电缆零序电流的有效值的变化量δi0。
[0054]
在具体实施过程中，本方法实现触发检测的关键参数包括计算窗长、滑动步长、采样频率、算法起始点。利用零序电流/电压有效值进行触发检测时，当各个参数的选择满足一定的条件可具有更优的触发检测效果，如下将逐一列出为触发检测算法的参数设置提供参考：
[0055]
①
滑动步长和计算窗口的选择
[0056]
图2分析了不同计算窗口和滑动步长条件下的电压有效值计算结果(持续时间为1/4周波的电压)。由图可知，半波计算窗口的参数条件下所得残余电压更低，从这一点来看其计算准确性明显优于全波计算窗口。因此，在选择滑动步长和计算窗口长度时需满足以下条件：
[0057]
a、滑动步长≤计算窗口长度；
[0058]
b、计算窗口长度不能小于1/4周期，一般选择半波和全波；
[0059]
c、当选择计算窗口为1/4周期时，滑动步长应选为1/4周期。
[0060]
综上所述，本方法可以将滑动步长选择为1/4周期，计算窗口长度选择为1/2周期。
[0061]
②
采样频率的选择
[0062]
图3分析了在逐点滑动半波计算窗口条件下，不同采样频率对电压有效值计算结果的影响。可知，当每周期采样点数n分别取为8、16、32、64时，对逐点半波有效值算法的电压有效值计算结果的影响相比于n＝128、256、512、1024时更大。表1记录了不同采样频率下的电压有效值最低值。当n≥128，各次计算得出的电压有效值最低值基本趋于稳定。因此，本方法将每周期采样点数n设置为128，即可在提高算法快速性的同时保证准确性。
[0063]
表1：不同采样频率下电压有效值最低值
[0064][0065]
③
算法起始点的影响
[0066]
将算法起始点定为第一个电压过零点，即相角为0
°
时计算效果最佳。但当滑动步长为1/4周波时，不论采用半波还是全波计算窗口，算法起始点的选择对计算结果影响不明显；当滑动步长为1/2周波且计算窗口为全波时，算法起始点的影响也不大。因此在正确选择滑动步长和计算窗口的状况下，可忽略算法起始点的选择。
[0067]
当故障为潜伏性故障时，会存在“自清除”的情况，即故障消除后，电压/电流运行状态将回归正常，因此故障除了有起始时间以外，一定会有故障结束时刻，如果没有故障结束时刻，则代表该故障不是潜伏性故障。
[0068]
a.故障起始采样点判据：
[0069]i0_rms
(n
start-1)《i
th2
&&i
0_rms
(n
start
)》i
th2
[0070]
其中n
start
为故障起始采样点，i
0_rms
为零序电流有效值，故障采样点n
start
对应的时刻计为故障起始时刻t
start
。i
th2
为零序电流有效值的阈值。
[0071]
b.故障结束采样点判据：
[0072]i0_rms
(n
end-1)》i
th2
&&i
0_rms
(n
end
)《i
th2
[0073]
其中n
end
为故障结束采样点，i
0_rms
为零序电流有效值，故障采样点n
end
对应的时刻
计为故障结束时刻t
end
。潜伏性故障起止时刻检测示意图如图4所示。
[0074]
c.计算故障持续时间δt
break
：
[0075]
δt
break
＝t
end-t
start
[0076]
当准确识别出故障起始时刻t
start
后，利用故障前一周波进行fft分析，根据电压波形数据计算其故障初相角假设电压采样信号为v(t)，将其展开成傅里叶级数形式：
[0077][0078]
其中，m为自然数，am、bm为各次谐波的余弦项和正弦项的幅值，a1、b1分别为基波分量的余弦和正弦的振幅，考虑到ω1t＝2kπ/n，n为一个周期的采样点数，a1、b1可表示为：
[0079][0080]
其中vk为电压信号的第k次采样值，此时电压的故障初相角可表示为：
[0081][0082]
需注意的是，用上式计算的采样点为故障起始采样点n
start
的前n个采样点，即故障发生前一周波的采样信号。
[0083]
由于潜伏性故障发生在电压峰值时刻，因此如果该故障为潜伏性故障，则故障初相角应接近峰值时刻(即90
°
或270
°
附近)，潜伏性故障相角阈值区间的两个端点值和可以取80
°
和100
°
(以及260
°
和280
°
)。
[0084]
综上所述，本发明不需要依赖大量的数据样本，综合考虑相电压、电流和零序电压、电流的扰动变化规律作为判据特征，所用特征量简单、计算量少。本方法针对小电流接地系统，根据触发检测和故障检测算法对灵敏性、快速性和准确性的要求，紧密结合该类系统早期故障特征，同时考虑相电压/电流和零序电压/电流的故障变化量特征，实现中压电缆潜伏性故障的早期检测，对于及时发现小电流接地系统中的早期故障(瞬时故障)，减少非计划停电、提高供电可靠性具有重要意义。