基于人机交互的地下电力电缆线路故障排查方法研究

赵宏大,张凤佳,朱铭霞,杜 渐

(1.国网江苏省电力有限公司经济技术研究院，江苏 南京 210000；2.南京宁众人力资源咨询服务有限公司，江苏 南京 210000)

1 引言

随着经济社会的发展，社会各行业对电力的需求越来越大，输电网络、输电线路的安全越来越受到人们的重视。因此，研究供电的可靠性和安全性具有重要意义[1]。电缆技术的不断研究和创新逐渐弥补了架空线路的缺点，节省大量空间资源，这也使得地下电力电缆在电力领域得到了广泛应用[2]。地下电力电缆不需占用空间资源，在使用中深埋在地下或地下的管道中即可，外界的环境变化对电缆的影响也大幅度减少，从而有效确保了电力电网的稳健运行。

随着电力电缆在电网中的地位越来越高，对电力电缆的故障排查就显得极为重要。造成地下电力电缆出现故障的因素有很多，电缆敷设在地下，地下环境比较复杂，除了电缆本体的运行状态和设备状态，还有周围的环境状态，如温度和湿度，都会对电缆造成影响，导致电缆运行异常。以往对于地下电力电缆的排查多数依赖于基于决策树的电力线路故障排查方法[3]和基于泄漏电流的电缆线路故障排查方法[4]。但是因为近年来电力技术迅猛发展，已形成了复杂、紧密的地下网络。但随着电缆自身的老化和外力破坏，电力电缆在运行一段时间后往往会出现不可避免的故障；另一方面地下电力电缆敷设路径信息管理的不科学，电力电缆的改造和维修，都会对电力电缆造成不同程度的影响[5]。传统的故障排查方法已经难以有效解决“地下网络”复杂的情况，排查方法抗干扰性能较差，在排查中存在较大的误差。

针对传统方法存在的不足，本文基于人机交互技术设计了新的地下电力电缆线路故障排查方法。

2 故障排查方法设计

2.1 建设智能机器人本体的应用

智能机器人可通过摄像头检测地下电力电缆状态[6]。在智能机器人上应用液晶移动终端，用户可在操作提示下通过触屏操作进行操作的控制。液晶移动终端主要为用户提供地下电力电缆故障排查服务，通过智能机器人上的摄像头监控地下电力电缆的接头、接头井及周边环境。

使用网络摄像机，通过网络将视频信号直接通过网络上传到控制中心，同时将视频数据上传到自身的硬盘中。技术人员通过人机交互界面控制智能机器人行动，根据传输的视频数据判断整条电缆情况[7]。

在保留摄像数据的基础上，将地下电力电缆路径检测仪安装在智能机器人上，通过检测电缆周围微弱磁场信号，从而实现对地下电缆线路敷设路径等地理位置的检测。其中，检测仪具体结构如图1所示。

图1 电力电缆路径检测仪结构框图

从图1中可以看出，检测仪主要包括发射机和接收机两个部分。其中发射机是为了将符合检测要求的交流信号注入到待排查的电缆中。在检测过程中，主要使用的是接收机部分，用接收机来收集待检测的电缆周围的磁场信号，从而确定地下电力电缆线路信息。

在检测仪中接收机是核心部分，主要负责接收电力电缆周围的磁场信号，在对电路展开预处理后从噪声环境中提取出有效的磁场信号，根据路径与磁场的理论关系计算出现场电力电缆路径及埋深信息，并将获得的信息传输到控制中心。同时利用GPS 对故障位置进行定位，通过人机交互实现电缆的排查。

GPS 定位是智能机器人的一个重要辅助功能，在使用地下电力电缆检测仪完成检测后，使用GPS 设备对电缆进行精确定位，将结果存储在智能机器人中的EEPROM 中。在完成GPS 定位之后，将存储在智能EEPROM的电力电缆线路故障位置信息通过无线网络上传到控制中心，再通过可视化技术将数据显示在人机交互界面上，以此来判断具体的故障信息，并采取相应的措施解决故障。

2.2 地下电力电缆线路故障定位

在对地下电力电缆线路故障定位的工程师，利用线路故障发生时电缆本身的电气量和故障距离的函数关系计算出故障距离，进而实现故障定位。

将连接电缆的故障相与任一非故障相分别连接在电桥上，其等效电路如图2所示。

图2 电桥法测距等效电路

假设电缆的故障点距离电桥左端的距离为d1，距离电桥右端长度为d2。为了使图2中C 和D 之间的电流为零，调节电桥中电阻的数值，当电流为零时，进行下一步计算。已知电桥平衡原理如下：

其中，电阻R1和R2是已知状态，将设为常数α，电阻R3和R4可以用固定的参数表示，如下：

其中，d表示电缆的全长，R表示电缆单位长度的阻值。将公式(2)带入到公式(1)中，可得到：

已知d=d1+d2，则可得到：

上述计算获得的d1即为地下电力电缆左端的距离已经测得，重复上述过程即可获得地下电力电缆右端的距离，从而实现地下电力电缆线路故障的定位。

2.3 使用高能信号源排查故障

在使用高能信号排查地下电力电缆故障时，需选择合适的故障定位接收器，并将其与高能信号源配合使用，将两者连接在一起，地下电力电缆线路故障点的电磁信号被传感器所接收。接收完成后，故障定位接收器对接收到的电磁信号通过内部模块处理成数字信号，通过无线网络传输到控制中心。

对于高能信号源，需要将高压输出线连接到高能信号源的输出端子上，同时在地下电力电缆寻找合适的位置，连接输出线[8]。此时，将故障传感器连接到定位接收器上，然后施加高能信号源，根据现场实际情况随时调整电压的强弱。

由于引发电缆线路故障的原因较多，因此其故障的表现形式也较多，各故障点的绝缘阻值相差也就较大，因此，只有足够大的有效击穿才能够将高能脉冲输送到地下电力电缆中，这就需要使用电压控制单元调整输入电压的大小，从而达到改变放电模块中脉冲电容存储能量的目的。

在电压控制单元电路中，启动手操器上高压启动按钮，得到继电器的线圈通电量，将继电器所有的常闭触点都打开，使交流接触器的触点闭合，这时放电模块中的放电球就达到了最大位置，放电接触开关处于NO 位置，高能信号源启动完成。当需要升压操作时，按动升压按钮使继电器线圈通电。此时，受到通电的影响，直流电动机开始转动，电动调压器的转动臂开始朝着电压升高的方向转动，变压器电压升高，高能信号源输出能量升高。同理，需要降低电压时，通过调节电动机反向转动，达到降低高能信号源输出能量的目的。在上述过程中，继电器在同一时间内只能导通一个，调压电动机在同一时间内只能朝一个方向转动，避免同时按下操作按钮时损坏电动机。

至此，完成对基于人机交互的地下电力电缆线路故障排查方法的设计。

3 实验研究

3.1 实验准备

在地下电力电缆线路故障排查方法实验研究中，以故障信号的完整性和故障测距误差作为衡量标准，在实验中引用传统的基于决策树的电力线路故障排查方法和基于泄漏电流的电缆线路故障排查方法作为对比方法，根据不同排查方法的实验结果作对比分析。

实验中设置电力电缆位置如图3所示。

图3 实验中电力电缆位置示意图

假定电力电缆位置D为：y=ηx+a，z=q，其中q 表示地下深度，η表示电力电缆在地下深度分别为1、2、5时的实际位置，η'表示路径斜率。以示意图为基准，电力电缆在地下深度的实际位置η与路径斜率η'关系如图4所示。

图4 不同埋深的路径检测偏差示意图

从图4可以看出，排查到的路径斜率η'和实际位置η几乎一致，在此基础上，建立如图3所示的地下电力电缆仿真模型。利用Matlab软件进行仿真，得到待测电力电缆路径走向和埋深结果，在结果上执行不同的排查方法，根据故障信号的完整性实验结果和故障测距误差实验结果，分析不同排查方法的优劣。

3.2 故障信号完整性实验结果与分析

故障信号完整性实验中，分别使用基于决策树的故障排查方法、基于泄漏电流的故障排查方法以及本文设计的基于人机交互的故障排查方法提取出目标故障信号，并使用Matlab 得到矩形窗的幅频响应，实验结果如图5所示。

对比观察图5中结果，基于决策树的方法随着角频率的变化，幅度存在两处突变，故障信息并没有显示完整；基于泄漏电流的方法前期幅度呈上升趋势，在角频率为0.5 处，幅度开始下降，这说明在信号提取前期需要适应时间，不能及时将完整的信号提取出来；本文基于人机交互的方法故障信号幅度变化均匀正常，未发生突变和异常情况，故障信号提取完整。

图5 不同排查方法的故障信号完整性实验结果

综上所述，基于人机交互的故障排查方法提取出的故障信息更加完整。

3.3 故障测距实验结果与分析

考虑实验的严谨性，再进行故障测距实验。将故障信号完整性实验结果与故障测距实验结果结合在一起，共同分析不同的地下电力电缆线路故障排查方法的实际应用水平。

在实验准备的地下电力电缆仿真模型中模拟电缆不同故障类型、不同故障位置、不同故障电阻，使用不同的地下电力电缆线路故障排查方法测量故障距离与相对误差，设置两种实验条件：第一种是电缆全长10km，分解层数为5，故障电阻为0.01Ω；第二种实验条件是电缆全长10km，分解层数5，故障电阻为100Ω。在两种实验条件下，不同故障排查方法实验结果如表1、表2所示。

表1 条件一故障测距实验结果

表2 条件二故障测距实验结果

根据结果分析可知，在条件一的情况，对于单相和两相两种故障，所提的基于人机交互的故障排查方法相对误差最低，与传统排查方法计算的相对误差相差倍数较大。结合故障信号完整性实验结果，

综上可知，本文设计的基于人机交互的地下电力电缆线路故障排查方法的抗干扰性更强。

4 结束语

电力电缆是电力系统中的重要设备，其运行的可靠性将直接影响用电安全。本文在研究现有的地下电力电缆线路故障排查方法的基础上，结合地下电力电缆的实际运行情况，对电力电缆在实际运行中易出现故障进行分析，设计了基于人机交互的地下电力电缆线路故障排查方法，并通过实验结果验证了该方法的可行性。

相对于地面架空线来说，地下电缆不会占用地面空间，促进了电力电缆的大量铺设，对当代社会的重要性不言而喻。因此，基于人机交互的地下电力电缆线路故障排查方法的研究具有重要意义，为保证地下电力电缆的正常运行提供了支持。