某型號電纜故障定位系統(tǒng)的原理及應(yīng)用

■ 中山火炬開發(fā)區(qū)電氣安裝工程有限公司 梁健寧

1 引言

突發(fā)的斷電事故不僅會給人們的正常生產(chǎn)和生活造成嚴(yán)重混亂，也會給電力公司造成巨大的損失。人們己經(jīng)不能接受因電纜線路故障造成工礦生產(chǎn)事故，或銀行系統(tǒng)、鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)、機(jī)場調(diào)度系統(tǒng)和生活供電的中斷。另一方面，電纜線路的故障檢測比架空輸電線路故障檢測任務(wù)要艱巨很多，因為電纜線路不像架空線路那樣具有直接可觀測性。如果電纜故障點(diǎn)的檢測結(jié)果與實際故障相差較大，那么也就失去了意義。所以，電纜故障檢測要求精確度更高的方法?；诖?，本文對電力電纜故障暫態(tài)信號和電力電纜在線故障測距 技術(shù)進(jìn)行研究，利用小波模極大值理論對電纜故障行波的奇異點(diǎn)進(jìn)行檢測，得到初始行波和反射行波的準(zhǔn)確到達(dá)時間，并構(gòu)建了基于GPRS的無線通信電力電纜故障檢測系統(tǒng)。

2 基于小波的電纜故障在線定位方法

電纜故障定位的關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲得表征故障信息的局部極值點(diǎn)序列，而有用的故障信息都包含在原始數(shù)據(jù)的高頻部分，為了準(zhǔn)確分析原始信號，可先將其分解到不同的頻率段，再求取信號高頻部分的局部極值點(diǎn)序列。小波變換克服了傳統(tǒng) Fourier 變換的缺點(diǎn)，在時頻域上具有良好的分析能力。通過多尺度分析，能將信號分解到不同的頻率范圍，聚焦到信號的任意細(xì)節(jié)；通過小波變換模極大值，能夠準(zhǔn)確找出信號中的奇異點(diǎn)，這些對電纜在線故障定位有著十分重要的意義。

2.1 小波變換在電纜故障行波信號分析中的作用

近年來，小波分析技術(shù)應(yīng)用于電纜故障測距的研究已經(jīng)展開，雖然分析和處理行波信號還是一個新課題，但它已在電纜故障測距中顯示出了其優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景。

將小波變換引入電纜故障暫態(tài)行波信號分析中，其作用主要有以下幾個方面：

（1）對電纜故障信號進(jìn)行小波變換，提取有用的故障信息。將電纜故障信號分解到不同的頻帶中去，某個頻帶或幾個頻帶中會包含所需解決問題的有用信息，以實現(xiàn)信號的提取。

（2）壓縮電纜故障信號，用數(shù)據(jù)量較少的小波系數(shù)去記憶大量的原始信號。

（3）利用小波變換模極大值確定出故障初始行波和故障點(diǎn)反射行波到達(dá)測量端的時間。

（4）去掉電纜故障信號中的噪聲。故障和噪聲都會導(dǎo)致信號奇異，而噪聲的模極大值會隨著尺度的增加而衰減，所以經(jīng)過適當(dāng)?shù)某叨确纸夂?，即可消除噪聲的影響，從而得到較理想的故障行波信號。

2.2 小波分析在輸電線路奇異點(diǎn)檢測中的應(yīng)用

行波法故障定位系統(tǒng)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲得表征故障信息的局部極值點(diǎn)序列，而有用的故障信息都包含在原始數(shù)據(jù)的高頻部分，為了準(zhǔn)確分析原始信號，可先將其分解到不同的頻率段，再求取信號高頻部分的局部極值點(diǎn)序列?；谛〔ǖ碾娎|故障定位系統(tǒng)工作流程如圖1所示。下位機(jī)部分完成對電纜信號的實時采集、處理后送到上位機(jī)進(jìn)行分析。經(jīng)過小波分析對采集數(shù)據(jù)的分解、去噪、重構(gòu)和再分解后，尋找所得高頻部分的局部極值點(diǎn)，最后結(jié)合測距公式，計算出故障點(diǎn)位置。

由于行波不斷的折射、反射和實際電纜中包含的其它多種因素引起的噪聲使如何準(zhǔn)確獲取局部極值點(diǎn)成了一個問題。小波分析的特性使它在故障信號去噪和奇異點(diǎn)檢測方面顯示了特殊的作用和顯著的效果。圖2描述了電纜故障定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)小波分析過程。

由于故障引起的奇異信號點(diǎn)往往包含在信號的高頻部分，為了準(zhǔn)確捕捉故障信息先對采集信號做多尺度分解，將原始數(shù)據(jù)分解到多個頻率帶，本文對原始數(shù)據(jù)做4層分解，對高頻系數(shù)做閾值處理，不同頻帶去噪后重構(gòu)。重構(gòu)就是要再現(xiàn)電纜故障的原始信號，重構(gòu)的信號應(yīng)包含盡量少的噪聲和盡量多的特征信息。將得到的不包含或者包含更少噪聲的信號再做小波分解，最后提取得到的高頻系數(shù)d11 的局部極值點(diǎn)，找到局部極值點(diǎn)對應(yīng)的時刻值，結(jié)合行波的傳播規(guī)律，計算出故障點(diǎn)位置。

3 電纜故障檢測系統(tǒng)

電力電纜故障檢測系統(tǒng)的主要工作原理是接受從電纜故障實時監(jiān)控模塊中得到的暫態(tài)故障電流信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換后送入DSP處理器中，然后經(jīng)過計算得到電纜線路的線模分量，通過小波系數(shù)的模極大值序列來確定故障發(fā)生的時刻，計算出故障距離，實現(xiàn)測距定位功能。本文主要介紹組成電纜在線故障監(jiān)測系統(tǒng)各部分的硬件設(shè)計。一般來說，對于故障測距等數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)，有如下幾個比較重要的指標(biāo)：

（1）實時性：實時性指的是系統(tǒng)必須在確定的時間內(nèi)對外部輸入數(shù)據(jù)完成指定的處理，即數(shù)據(jù)處理的速度必須大于或等于輸入數(shù)據(jù)更新的速度，而且從信號輸入到處理后輸出的延遲必須足夠小。對于某些具有突發(fā)性質(zhì)觀測量的處理，實時性顯得尤為重要。

（2）測量精度：測量精度取決于觀測量的精度和數(shù)據(jù)處理的精度。對于電力電纜故障測距來說，一旦采用固定的測距算法，觀測量的精度就已經(jīng)確定。觀測量數(shù)據(jù)處理會影響精度，為了逼近測距算法所確定的精度，必需采用優(yōu)良的測距算法和盡可能高的采樣率。

（3）數(shù)據(jù)處理算法復(fù)雜度：算法復(fù)雜度是指對數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜程度，一般由對單位數(shù)據(jù)完成單次處理所需要的操作數(shù)來衡量。對DSP系統(tǒng)來說，操作數(shù)可以是乘法和加法運(yùn)算的次數(shù)，也可以是非并行操作時占用的時鐘周期數(shù)。

經(jīng)過方案論證，采用基于DSP的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成全部數(shù)據(jù)處理任務(wù)的方案。信號處理子系統(tǒng)對前端測量子系統(tǒng)采集到的原始觀測量進(jìn)行分析和處理，以獲得精確的故障點(diǎn)距離信息 。

系統(tǒng)采用的是點(diǎn)到多點(diǎn)的遠(yuǎn)程無線雙向數(shù)據(jù)通信和控制結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)在邏輯上由3層組成：上層監(jiān)控中心、中層GPRS網(wǎng)絡(luò)、下層為多個檢測單元。上層管理機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集整理、并對整個電力電纜網(wǎng)絡(luò)實施監(jiān)管，由數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控中心組成。中層GPRS網(wǎng)絡(luò)主要作用是對雙向傳送短信進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和遠(yuǎn)距離信息無線連接，它由移動通信運(yùn)營商負(fù)責(zé)理與維護(hù)。下層檢測單元完成數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)發(fā)送，并負(fù)責(zé)響應(yīng)和傳監(jiān)控中心管理機(jī)的命令。監(jiān)控 中心與檢測單元的通信由GPRS短信模 SIM100來實現(xiàn)。該模塊采用AT指令，可以通過AT指令對SIM100模塊進(jìn)行初始化和數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。該模塊的工作溫度在-20～+65℃范圍內(nèi)，并有較強(qiáng)的抗震性，可以很好地滿足戶外安裝和使用的需要。整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

3.1 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是整個系統(tǒng)的上層管理機(jī)部分，由PC機(jī)通過串口與SIM100模塊相連接構(gòu)成，主要功能是定時或者實時地向各監(jiān)測單元發(fā)送查詢命令、設(shè)置參數(shù)、接收并分析其返回的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷電力電纜網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，同時將所需數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫以備數(shù)據(jù)對比分析和歷史查詢。為提高電力電纜網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)水平，把相應(yīng)主管人員和維護(hù)人員在管 理機(jī)中建立起一張任務(wù)責(zé)任表。一旦管理機(jī)接收到某監(jiān)測單元報警短信，立即收集電力電纜網(wǎng)中對應(yīng)的各項故障參數(shù)，進(jìn)行故障定性和定位分析，確定故障原因和區(qū)域，啟動責(zé)任連接機(jī)制，除正常報警外，馬上將報警信號和其相關(guān)人員聯(lián)系起來，通過手機(jī)發(fā)送提示或指令短信，以便責(zé)任人以最快速度進(jìn)入故障區(qū)，快速、準(zhǔn)確地查明故障并加以解決，保證電力電纜網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

3.3 檢測單元

檢測單元主要由DSP芯片、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)存儲器、時鐘電路、復(fù)位電路和電源電路等組成，如圖4所示。

整個單元以DSP芯片為核心，由GPRS模塊SIM100通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心連接。主要完成接收上層管理機(jī)傳送下來的命令，并對命令進(jìn)行分析，然后根據(jù)命令對相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行管理與設(shè)置，定時將采集并經(jīng)過分析處理的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控中心。根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確地查明故障并加以解決，保證電力電纜網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電纜故障的影響范圍也越來越大，為了減小電纜故障所造成的損失，對電纜故障定位方法的準(zhǔn)確性和快速性的要求越來越高。本文研究了基于小波的電纜故障在線定位方法，將GPRS技術(shù)應(yīng)用到故障監(jiān)測裝置中，完成故障檢測系統(tǒng)與監(jiān)測中心之間的數(shù)據(jù)交換任務(wù)，選擇了與GPRS配套的接口電路，實現(xiàn)了監(jiān)測中心與外場測量站之間一對多的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸。

[1]蔡桂榮.應(yīng)用光纖傳感器定位電纜故障的方法[J].電線電纜, 2000,2(6): 31-37.

[2]任艷霞.電力電纜故障診斷與監(jiān)測[D].北京:北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007:22-46

[3]徐長發(fā)，李國寬.實用小波方法[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2004:23-56.

[4]禹水琴，基于小波分析電纜故障點(diǎn)定位方法研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2006: 9-16.

[5]鄭繼明，周宗放，楊春德.基于小波變換的信號奇異性檢測[J].重慶郵電學(xué)院學(xué)報，1998,10(01): 8-12.

[6]陳澤鑫.小波基函數(shù)在故障診斷中的最佳選擇[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2005:172-174.