利用故障特征频带和TT变换的电缆单端行波测距

杨晓杰

摘  要：相较于架空线路，电缆线路的行波色散问题更加严重，因此对电缆线路行波速度的确定，以及准确测定故障行波到达电缆线路的时间是一个较为重要的内容。将单端的行波暂态信号进行相应的分解或者重新构造，使其形成多个频带的信号，然后再针对去特征进行相应的计算。计算时要确保使用计算方式的合理性，每个频带信号两端的波头系数就是计算的重点内容。在计算时要选择最大的频带信号作为特征频带，该频带的中心频率就是计算电缆行波速度的重要数据，要确保其准确性。在特征频带中采用TT变换算法，对行波波头到达时刻进行精确确定。这就是基于故障特征频带与TT变换的电缆线路单端行波测距方法，在高压电缆故障测距中加以运用，能够提高效果及精确度。

关键词：

中图分类号：TM77          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）16-0054-02

Abstract： Compared with overhead lines， the problem of traveling wave dispersion of cable lines is more serious， so it is more important to determine the traveling wave velocity of cable lines and accurately determine the time of fault traveling waves arriving at cable lines. The single-ended traveling wave transient signal is decomposed or reconstructed to form a signal with multiple frequency bands， and then the corresponding calculation is carried out according to the de-characteristics. In the calculation， it is necessary to ensure the rationality of the calculation method， and the wave head coefficient at both ends of each band signal is the key content of the calculation. In the calculation， the largest frequency band signal should be selected as the characteristic frequency band， and the central frequency of this frequency band is the important data for calculating the traveling wave velocity of cable， so it is necessary to ensure its accuracy. In the characteristic frequency band， the TT transform algorithm is used to accurately determine the arrival time of the traveling wave head. This is the cable line single-ended traveling wave ranging method based on fault characteristic band and TT transform， which can improve the effect and accuracy when used in high-voltage cable fault location.

Keywords： fault characteristic frequency band; TT transform; cable line single-ended traveling wave ranging

引言

近年来，我国社会经济水平不断提升，电缆基础设施的建设也越来越多，发生故障的概率也随之增加。受电缆敷设方式特殊性的影响，发生故障后无法直观地对故障进行检查，因此加强对电缆故障测距方式的研究对于提高电缆安全与稳定具有重要意义。离线测量是电缆故障测距的传统方法，会造成测距效果不佳、容易影响电缆寿命等问题，无法满足新时期电缆故障测距的需求。利用行波对电缆故障进行测距是改善传统测距方法弊端的重要方式。行波测距在电力故障测距中得到了一定的运用，但对于频率相关更强、色散更严重的电缆而言，运用行波测距时必须要考虑到行波起始点与恒定行波波速带来的误差。对暂态信号进行小波分解和重构成，选取多个频带信号中的一个作为特征频带，并根据其中心频率进行波速检测及达到时刻确定，以提高电缆线路故障测距准确度。

1 确定故障特征频带的方法以及行波速度的测定方法

什么是小波分解呢？实际上就是指将原信号的频带进行分离之后的不同频带信号再通过小波重构滤掉高频噪声，仅保留有用的信号，这个过程就被称之为小波分解。在小波分解完成后，可以发现，初始波头以及故障点发射出的反射波头他们的频带特征都会有一定的差异性。特征频带的选择需要选取最能代表行波波头的频带，然后在特征频道中进行行波到达时刻的确定及波速的确定。从故障点的反射波时域表达式中可以观察到，故障点的反射波也就是被延時之后的电缆初始行波波头，那么就可以得出：初始行波波头与故障点所凸显出来的反射波头是相似的。用对应的分析计算法得出每个频带下初始波头和反射波头的相关系数，相关系数更大，说明在这一频带之下，初始行波波头与故障点所呈现出的发射波头之间也就越相似，呈现出的特征也就越明显。因此，这一频带被称作为“特征频带”。

从各层小波重构系数来看，当出现近端电缆故障问题时，高频分量的衰弱程度会相对减弱，因此可以知道：在此频带下，初始行波与故障发射波之间，所表现的系数是越来越大，因此也就把一频带叫做特征频带。如果是出现远端电缆行波故障，其故障点的反射波的频带行波分量衰弱的速度也就越快，同时故障点呈现出的反射系数也会随过渡电阻的增加而降低，导致在行波频率到达可测量点时，初始的行波发生了变化。由此可以得出结论，虽然故障出现的位置有差异，但是行波的特征频段移动的方向都是一致的。

可以通过计算两个行波波头呈现出来的相关系数，来进行确定相关的参数，同时需要将不同频带呈现出的中心频率记录下来，记录数据如表1所示。由表1可知，频带不同，行波的速度也会有一定的差异。

2 TT变换算法在波头到达时刻确定中的运用

2.1 TT变换的简单概述

TT变换是一种实时分析法，也就是通过对信号时域进行局部的分析之后，将其转化为二维时域的展示状态。TT变换法可以有效规避信号噪音对频率造成的影响，被广泛运用于多种频率成分信号的局部化中。TT变换虽然来源于S变换，但相较于S变换，其对于信号时域特征的描述方面具有更好的优势，可以使表达出的信号故障初始时间更加的准确。TT变換分析方式具有极性特征，在非平稳信号的处理方面具有十分好的优势。

TT变换分析方式是一种将一维的时域信号转换为二维时域信号的分析方式，在对时域信号进行局部转化的过程中，其频率的聚焦处理方面有着较好的优势，能够将低频信号压制住，并且突出高频信号。另外高频分量的一个最大特征就是行波波头的到达时刻一直都是保持在一定的标准中。这是由于TT变换方式具有较好的极性特点，可以将行波波头的起始时间准确计算出。根据TT变换的频谱展示图可以看出，越靠近对角线，其能量越高。

2.2 行波到达时刻的确定

选取两个特殊序列并加以分析，可以看出高频成分比低频成分的幅值高，但是原信号中的低频分量的幅值是比较高频分量的幅值更高。

在行波测距的过程中，会把初始行波的到达时间作为检测到达两个侧端的最高频率分类的到达时间，而其中TT变换中对元素的能源是大于远离对角线的。而且可以分析得出，对角元素周围的高频成分相比较低频成分，高频成分的积极能力更强，总的来讲，以对角线元素为中心的分布范围对频率分布是有着一定影响的，分布范围越窄，低频分布也就越广[4]。

另外从紧支性方面来分析，TT变换的紧支区间相比较小波函数，要小一些，所以TT变换的局部化能力更强，进而得出TT变换对行波波头到达时刻的确定更加准确的结论。分别用TT变换和小波函数对行波波头的到达时刻进行确定。

2.3 小波变换与TT变换结合的行波测距

首先，将暂态行波信号进行小波分解并重构，选择其中相关系数最大的频带为特征频带，利用该频带的中心频率进行波速确定，再利用TT变换确定行波波头的到达时刻，然后用电阻性障碍、电弧故障对测距方法进行说明[2]。

如果当外部条件恒定，电弧电流在一定的时间之内，维持某一值的时候会产生电弧电导值，在对电弧特性进行实时监测的时候，其电弧电压可以被看作是一个方波信号，而方波信号也就是奇次谐波累加。通过方波信号来判断奇次谐波和偶次谐波，奇次谐波越大，偶次谐波也就越小。

3 结束语

TT变换会受到电缆线路参数频便特性对行波传播特性的影响，所以为了提高测距准确性，在利用TT变换进行电缆故障测距的时候，需要将小波变换与TT变换相结合来进行行波测距。首先要将故障暂态信号用小波进行分解和重构，选取最能体现行波特征的频带为特征频带，然后用该频带的中心频率来进行波速计算;TT变换中对角元素附近的高频成分距离能力更高有限支撑更窄，便于行波波头到达时刻的确定，所以将小波与TT相结合进行行波测距能够提高行波测距的准确度。

参考文献：

[1]束洪春，田鑫萃，董俊，等.利用故障特征频带和TT变换的电缆单端行波测距[J].中国电机工程学报，2013（22）：103-112.

[2]昆明理工大学.一种利用故障特征频带和TT变换的电缆单端行波测距方法：CN201210539698.5[P].2013-04-03.

[3]陈琛.基于自然频率的高压电缆单端行波故障测距方法研究[D].山东理工大学，2016.

[4]苗淑贤.基于小波变换的电力电缆单端行波测距的实现[C].//中国电机工程学会.2012年中国电机工程学会年会论文集，2012：1-6.