某型号电缆故障定位系统的原理及应用

■ 中山火炬开发区电气安装工程有限公司 梁健宁

1 引言

突发的断电事故不仅会给人们的正常生产和生活造成严重混乱，也会给电力公司造成巨大的损失。人们己经不能接受因电缆线路故障造成工矿生产事故，或银行系统、铁路运输系统、机场调度系统和生活供电的中断。另一方面，电缆线路的故障检测比架空输电线路故障检测任务要艰巨很多，因为电缆线路不像架空线路那样具有直接可观测性。如果电缆故障点的检测结果与实际故障相差较大，那么也就失去了意义。所以，电缆故障检测要求精确度更高的方法。基于此，本文对电力电缆故障暂态信号和电力电缆在线故障测距 技术进行研究，利用小波模极大值理论对电缆故障行波的奇异点进行检测，得到初始行波和反射行波的准确到达时间，并构建了基于GPRS的无线通信电力电缆故障检测系统。

2 基于小波的电缆故障在线定位方法

电缆故障定位的关键是准确获得表征故障信息的局部极值点序列，而有用的故障信息都包含在原始数据的高频部分，为了准确分析原始信号，可先将其分解到不同的频率段，再求取信号高频部分的局部极值点序列。小波变换克服了传统 Fourier 变换的缺点，在时频域上具有良好的分析能力。通过多尺度分析，能将信号分解到不同的频率范围，聚焦到信号的任意细节；通过小波变换模极大值，能够准确找出信号中的奇异点，这些对电缆在线故障定位有着十分重要的意义。

2.1 小波变换在电缆故障行波信号分析中的作用

近年来，小波分析技术应用于电缆故障测距的研究已经展开，虽然分析和处理行波信号还是一个新课题，但它已在电缆故障测距中显示出了其优越性和广阔的应用前景。

将小波变换引入电缆故障暂态行波信号分析中，其作用主要有以下几个方面：

（1）对电缆故障信号进行小波变换，提取有用的故障信息。将电缆故障信号分解到不同的频带中去，某个频带或几个频带中会包含所需解决问题的有用信息，以实现信号的提取。

（2）压缩电缆故障信号，用数据量较少的小波系数去记忆大量的原始信号。

（3）利用小波变换模极大值确定出故障初始行波和故障点反射行波到达测量端的时间。

（4）去掉电缆故障信号中的噪声。故障和噪声都会导致信号奇异，而噪声的模极大值会随着尺度的增加而衰减，所以经过适当的尺度分解后，即可消除噪声的影响，从而得到较理想的故障行波信号。

2.2 小波分析在输电线路奇异点检测中的应用

行波法故障定位系统的关键是准确获得表征故障信息的局部极值点序列，而有用的故障信息都包含在原始数据的高频部分，为了准确分析原始信号，可先将其分解到不同的频率段，再求取信号高频部分的局部极值点序列。基于小波的电缆故障定位系统工作流程如图1所示。下位机部分完成对电缆信号的实时采集、处理后送到上位机进行分析。经过小波分析对采集数据的分解、去噪、重构和再分解后，寻找所得高频部分的局部极值点，最后结合测距公式，计算出故障点位置。

由于行波不断的折射、反射和实际电缆中包含的其它多种因素引起的噪声使如何准确获取局部极值点成了一个问题。小波分析的特性使它在故障信号去噪和奇异点检测方面显示了特殊的作用和显著的效果。图2描述了电缆故障定位系统的数据小波分析过程。

由于故障引起的奇异信号点往往包含在信号的高频部分，为了准确捕捉故障信息先对采集信号做多尺度分解，将原始数据分解到多个频率带，本文对原始数据做4层分解，对高频系数做阈值处理，不同频带去噪后重构。重构就是要再现电缆故障的原始信号，重构的信号应包含尽量少的噪声和尽量多的特征信息。将得到的不包含或者包含更少噪声的信号再做小波分解，最后提取得到的高频系数d11 的局部极值点，找到局部极值点对应的时刻值，结合行波的传播规律，计算出故障点位置。

3 电缆故障检测系统

电力电缆故障检测系统的主要工作原理是接受从电缆故障实时监控模块中得到的暂态故障电流信号，经过信号调理电路和A/D转换后送入DSP处理器中，然后经过计算得到电缆线路的线模分量，通过小波系数的模极大值序列来确定故障发生的时刻，计算出故障距离，实现测距定位功能。本文主要介绍组成电缆在线故障监测系统各部分的硬件设计。一般来说，对于故障测距等数据采集、处理系统，有如下几个比较重要的指标：

（1）实时性：实时性指的是系统必须在确定的时间内对外部输入数据完成指定的处理，即数据处理的速度必须大于或等于输入数据更新的速度，而且从信号输入到处理后输出的延迟必须足够小。对于某些具有突发性质观测量的处理，实时性显得尤为重要。

（2）测量精度：测量精度取决于观测量的精度和数据处理的精度。对于电力电缆故障测距来说，一旦采用固定的测距算法，观测量的精度就已经确定。观测量数据处理会影响精度，为了逼近测距算法所确定的精度，必需采用优良的测距算法和尽可能高的采样率。

（3）数据处理算法复杂度：算法复杂度是指对数据处理的复杂程度，一般由对单位数据完成单次处理所需要的操作数来衡量。对DSP系统来说，操作数可以是乘法和加法运算的次数，也可以是非并行操作时占用的时钟周期数。

经过方案论证，采用基于DSP的数据处理系统完成全部数据处理任务的方案。信号处理子系统对前端测量子系统采集到的原始观测量进行分析和处理，以获得精确的故障点距离信息 。

系统采用的是点到多点的远程无线双向数据通信和控制结构。整个系统在逻辑上由3层组成：上层监控中心、中层GPRS网络、下层为多个检测单元。上层管理机负责数据的收集整理、并对整个电力电缆网络实施监管，由数据库，监控中心组成。中层GPRS网络主要作用是对双向传送短信进行转发和远距离信息无线连接，它由移动通信运营商负责理与维护。下层检测单元完成数据采集与数据发送，并负责响应和传监控中心管理机的命令。监控 中心与检测单元的通信由GPRS短信模 SIM100来实现。该模块采用AT指令，可以通过AT指令对SIM100模块进行初始化和数据的接收与发送。该模块的工作温度在-20～+65℃范围内，并有较强的抗震性，可以很好地满足户外安装和使用的需要。整个系统的网络结构原理如图3所示。

3.1 监控中心

监控中心是整个系统的上层管理机部分，由PC机通过串口与SIM100模块相连接构成，主要功能是定时或者实时地向各监测单元发送查询命令、设置参数、接收并分析其返回的数据，对数据进行分析处理，判断电力电缆网络运行状态，同时将所需数据存入数据库以备数据对比分析和历史查询。为提高电力电缆网络管理与维护水平，把相应主管人员和维护人员在管 理机中建立起一张任务责任表。一旦管理机接收到某监测单元报警短信，立即收集电力电缆网中对应的各项故障参数，进行故障定性和定位分析，确定故障原因和区域，启动责任连接机制，除正常报警外，马上将报警信号和其相关人员联系起来，通过手机发送提示或指令短信，以便责任人以最快速度进入故障区，快速、准确地查明故障并加以解决，保证电力电缆网络的正常运行。

3.3 检测单元

检测单元主要由DSP芯片、A/D转换电路、数据存储器、时钟电路、复位电路和电源电路等组成，如图4所示。

整个单元以DSP芯片为核心，由GPRS模块SIM100通过GPRS网络与监控中心连接。主要完成接收上层管理机传送下来的命令，并对命令进行分析，然后根据命令对相应的数据采集系统进行管理与设置，定时将采集并经过分析处理的数据通过GPRS网络发送给监控中心。根据获得的数据快速、准确地查明故障并加以解决，保证电力电缆网络的正常运行。

4 结束语

随着电网规模的不断扩大，电缆故障的影响范围也越来越大，为了减小电缆故障所造成的损失，对电缆故障定位方法的准确性和快速性的要求越来越高。本文研究了基于小波的电缆故障在线定位方法，将GPRS技术应用到故障监测装置中，完成故障检测系统与监测中心之间的数据交换任务，选择了与GPRS配套的接口电路，实现了监测中心与外场测量站之间一对多的远程网络化数据传输。

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