光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统设计

张伟

摘要：由于橡胶電缆易出现老化、磨损等现象，导致电缆故障频发，影响电力正常供应，设计光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统。硬件设计中，系统主要包括了脉冲信号发射模块与回波信号接收模块。软件设计中，系统主要实现了橡胶电缆故障信号的采集与预处理，并通过Hilbert-Huang变换检测信号奇异点，完成橡胶电缆故障点的定位。测试结果表明，电缆故障点定位结果的平均相对误差为0.30%，证实设计系统可以有效且准确地检测出橡胶电缆故障。

关键词：光伏新能源发电站；橡胶电缆；故障检测；系统设计

中图分类号：TQ333;TM74

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）12-0193-04

Design of rubber cable fault detection system for photovoltaic new energy power station

ZHANG Wei

（China Power Investment Xinjiang Energy and Chemical Group Bozhou Co.，Ltd.，Bole 833400，Xinjiang China）

Abstract：Because rubber cable is prone to aging，wear and other phenomena，cable failures are frequently to happen，the normal power supply is affected，and a new energy power station rubber cable fault detection system is designed.In hardware design，the system mainly a pulse signal transmission module and an echo signal reception module.In the software design，the system mainly realizes the collection and preprocessing of rubber cable fault signals，and detects signal singularities through Hilbert Huang transformation to complete the positioning of rubber cable fault points.The test results showed that the average relative error of cable fault location was 0.30%，confirming that the designed system can effectively and accurately detect rubber cable faults.

Key words： photovoltaic new energy power station;rubber cable;fault detection;system design

一直以来，煤炭、石油等化石能源是世界各国使用的主要能源，这类化石能源在燃烧过程中势必会产生大量硫化物、氮氧化物等污染物，严重污染了地球环境，随着全球气候变暖现象的日益严重，环境保护受到各国重视。光伏发电作为一种新型的环保型能源，是解决环境污染与化石能源短缺的有效途径之一，自诞生以来受到世界各国的高度重视与大力支持。时至今日，光伏新能源产业已经成为我国一项具有国际竞争优势的新兴产业，国内光伏新能源电站建设规模不断扩大，标志着光伏产业生产布局趋于成熟。然而，在光伏新能源发电中，仍存在很多问题亟待解决，如发电站内部电气设备与电缆长时间运行，会发生老化、破损现象；同时，由于光伏新能源发电站建设于环境较为恶劣的室外，受天气、动物抓咬等因素的影响，电缆绝缘外皮出现缺陷等，这些原因都会造成光伏新能源发电站发生运行故障，影响发电站的电力供应。其中问题最为严重的当数光伏新能源发电站橡胶电缆故障，橡胶电缆在一年中不仅要承受巨大温差，而且还要承受紫外线辐射、风沙雨雪的侵蚀，导致橡胶电缆故障极为常见，为避免橡胶电缆故障威胁整个光伏新能源发电站的安全稳定运行，设计一个光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统是非常有必要的。

1光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统硬件设计

1.1脉冲信号发射模块设计

设计的光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统，主要基于脉冲测距的原理进行橡胶电缆故障点定位，所以在设计系统的硬件时，主要针对脉冲信号发射模块与回波信号接收模块这两个关键的脉冲测距设备进行详细探讨。首先是脉冲信号发射模块，该模块主要负责向待检测电缆发射检测所需原脉冲，由于在实际的光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测过程中，对于待检测的橡胶电缆长度与故障点位置并不清楚，所以需要设计的系统在发射脉冲信号时可以调节脉冲幅值与宽度，在系统的脉冲信号发射模块中设计了如图1所示结构灵活调控脉冲发射信号的幅值。

由图1可知，在光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统的脉冲信号发射模块中，主要采用了C8051F芯片来控制单刀双掷开关进行多种不同幅值脉冲信号的产生，C8051F是一个内部集成信号调制电路的智能单片机，通过4线的JTAF接口即可对芯片进行编程调试，由于设计的橡胶电缆故障检测系统对脉冲信号发射模块的效率要求较高，所以调试方便且直观的C8051F芯片完全满足系统设计要求，促使脉冲信号发射模块根据检测现场实际情况灵活调整发射脉冲信号的幅值。

1.2回波信号接收模块设计

当脉冲信号发射模块向电缆内部发射脉冲信号后，信号经过检测电缆的传输会发生反射现象，那么为获取相应的回波信号，在光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统中设计了回波信号接收模块，该模块主要负责接收反射回来的脉冲信号。一般来说，满足橡胶电缆故障检测需求的脉冲信号幅值较高，如果反射的高频脉冲信号直接耦合到回波信号接收模块中，可能会对模块中电路元器件造成破坏，所以为保护回波信号接收模块的安全性与稳定性，在模块中设置了图2所示的回波信号限幅电路。

由图2可知，将图2所示的限幅电路设置在回波信号接收模块中后，当脉冲信号发射模块发射较高压脉冲信号时，反射的回波信号就会先经过限幅电路，从电路中输出低压脉冲信号，存入回波信号接收模块，满足光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统的设计需求。

2光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统软件设计

2.1采集橡胶电缆故障信号

如前所述，设计的光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统主要基于脉冲测距的故障定位原理。因此，在系统中设置了橡胶电缆故障信号采集功能。首先，需要选择发射脉冲的参数；第一是脉冲形状的选择，我国发电站电缆故障检测常用的脉冲信号主要包括矩形和钟形等。由于矩形信号形成较为容易，且具有陡峭的上升与下降沿，因此选择了矩形脉冲信号;第二是脉冲宽度的选择。通常用于检测电缆故障的脉冲信号具有一定时间宽度。如果脉冲较窄，信号中包含的频率成分越高，会导致电缆内部出现较高的损耗。相反，如果脉冲较宽，信号畸变严重，难以保证精确的故障检测。因此，在进行光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测时，需要根据检测电缆长度和电缆材质选择适当的脉冲宽度;第三是脉冲幅值。如果脉冲幅值过大，可能会出现噪声干扰。而如果脉冲幅值过小，信号较弱，难以保证准确的信号识别。综合考虑橡胶电缆的实际情况，一般选择最高100 V的单极性脉冲进行电缆故障检测。接下来，利用系统的脉冲信号发射模块将选取的脉冲信号发射到检测电缆中。在信号发射之前，可以利用香农提出的信道容量公式处理系统信道，以增强发射端信号的效果。其表达式：

Q=W·log1+SN（1）

式中：Q表示系统脉冲信号发射模块中信道容量；W表示脉冲信号带宽；SN表示信噪比。

由式（1）可知，要想加大系统脉冲信号发射模块的信道容量，可以提升脉冲信号的带宽或者增大信噪比。因此，根据实际光伏新能源发电站的电缆情况，将脉冲信号注入到检测电缆中，即可在回波信号接收模块的终端采集到橡胶电缆故障检测信号。

2.2预处理橡胶电缆故障信号

通过光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统硬件与软件的配合，即可采集到原始橡胶电缆故障信号，但受電缆运行环境各种外界因素的影响，原始采集信号中存在多种多样的噪声信号，所以为提升后续故障定位精度，对原始信号做相应的预处理。为从噪声中恢复需要检测的故障信号，引入了相关检测算法，假设橡胶电缆脉冲故障信号为Xt，那么系统可观测到的信号为：

Ct=Xt+εt（2）

式中：Ct表示光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统采集的原始脉冲故障信号；εt表示零均值带宽的叠加噪声信号。在式（2）的基础上，对系统原始采集信号做自相关检测，具体表达式：

GCy=ECtCt-y（3）

式中：GCy表示原始信号Ct的自相关检测结果。一般来说，橡胶电缆脉冲故障信号为周期信号，利用式（3）对原始采集信号做自相关运算后，如果信号中存在噪声信号，那么原始信号的自相关系数y在零值附近，此时可以对原始信号做滤波去噪处理。如果自相关系数y较大，那么原始信号中有用信息较多，所以根据自相关运算结果即可将有用检测信号从噪声信号中完全恢复出来，得到无噪声干扰的橡胶电缆脉冲故障信号。

2.3橡胶电缆故障定位

橡胶电缆故障定位是设计的光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统中的关键功能，主要引入了Hilbert-Huang变换技术，简单来说就是先对橡胶电缆脉冲信号进行分解，再进行频谱分析，确定脉冲信号中奇异点，信号中的奇异点即为故障点。那么在利用Hilbert-Huang变换进行橡胶电缆故障定位时，经验模态分解是关键部分，就是将原始较为复杂的脉冲检测信号分解成众多互不干扰的非正弦信号分量，具体流程：首先，在橡胶电缆脉冲故障信号Xt中找出极大与极小这2个极值点，根据极值点拟合即可获取信号的上、下包络线lmaxt、lmint，此时根据下式即可求出平均包络：

l0t=lmaxt+lmint2（4）

式中：l0t表示橡胶电缆脉冲故障信号上、下包络线的平均值。然后从原始橡胶电缆脉冲故障信号Xt中剔除平均包络，得到新信号ft，也即IMF分量：

ft=Xt-l0t（5）

根据上述步骤对原橡胶电缆脉冲故障信号进行不断筛选，直至分解得到全部的IMF分量u1t，u2t，…，unt。在分量分解成功后，利用式（6）对分量做Hilbert变换：

u'it=1π∫Ruiτt-τdτ（6）

式中：u'it表示Hilbert变换后的IMF分量；uiτ表示残余信号分量。经过Hilbert变换处理后，即可得到橡胶电缆脉冲故障信号Xt的Hilbert谱。通过信号的Hilbert谱，即可直观看出信号在频域上的幅值变化，并清晰反映出频率分量奇异点，最后完整且全面地提取信号奇异点细节信息，可得到橡胶电缆故障点信息，完成光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测与定位。

3系统测试

3.1故障测试

在研究设计的光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统中，可以基于脉冲信号在故障点与橡胶电缆两端之间的传播时间，确定故障点距离电缆任何一端的距离，也即达到了橡胶电缆故障检测及定位功能。因此，针对设计的光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统的故障定位功能展开测试，旨在通过测试结果判断设计系统是否可以上线应用。在本次系统测试中，采用某光伏新能源发电站内110 kV橡胶高压电缆作为测试电缆，电缆全长为1 860 m，考虑到实际应用中经常出现错误情况，为了避免测试结果的偶然性，本次系统测试中在该电缆上设置了8个不同的故障点，具体数据如表1所示。

基于上述模拟故障橡胶电缆，搭建设计的光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统，对电缆进行故障检测与定位。在利用系统进行电缆故障检测定位之前，需要先采用系统对无故障的橡胶电缆进行脉冲检测，根据脉冲检测结果来标定脉冲波的波速，其波形图如图3所示。

由图3可知，当实验橡胶电缆无任何故障时，脉冲一次反射时间为18.53 μs，根据下式即可求出本次系统测试中的电缆故障检测波速：

V0=2L0t0=2×186018.53=200.76（7）

式中：V0表示橡胶电缆检测脉冲波速；L0表示光伏新能源发电站橡胶电缆长度；t0表示脉冲在橡胶电缆中的一次反射时间。根据式（7）所求电缆实际检测波速为200.76 m/μs，满足我国规定的橡胶绝缘电缆脉冲传播速度192～213 m/μs的数据需求，这个数据不仅对系统后续计算故障定位结果很重要，同样也验证了设计的光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统的可行性。

3.2测试结果

在按照上述内容完成系统测试场地的布置后，在电缆上加压模拟故障，并在每次故障模拟过程中采用设计的系统进行故障检测定位，实时记录脉冲在故障电缆中的一次反射時间，参考式（7）求出故障点与电缆左端之间的距离，作为本次光伏新能源发电站橡胶电缆故障定位结果。本次系统测试中，上述8个模拟故障点的具体检测定位结果如表2所示。

由表2可知，设计的光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统可以有效实现电缆故障的检测与定位，各故障点定位结果与实际数据之间的平均相对误差为0.30%，定位精准度较高。因此，根据本次系统测试结果表明，研究的故障检测系统应用于光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测定位中是可行的，且具有较高的故障检测准确性，能够正式上线应用。

4结语

综上所述，对于设计的光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统，针对系统的硬件与软件设计展开了详细探讨，并通过测试实验对设计系统的可行性与有效性进行了验证。结果表明，设计的光伏新能源发电站橡胶电缆故障检测系统可以准确定位到电缆故障点位置，从而保障光伏新能源发电站的安全稳定运行。在本次研究内容的基础上，下一阶段的研究工作将重点关注发电站电气设备故障检测等方面，期待可以为我国光伏新能源的健康发展做出贡献。

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