浅谈基于数学形态学的电力电缆故障测距方法.pdf

与 建 材装 饰2015 年 10 月 浅谈基于数学形态学的电力电缆故障测距方法 毛俊君 （国网南平供电公司福建 南平353000） 摘要： 当电力电缆运行过程中发生故障时， 需及时迅速准确地找出故障位置， 否则将给电力企业及用户带来巨大损 失。文中在传统的行波测距法的基础上， 将多分辨形态梯度技术 （MMG） 和软阈值技术相结合， 提出了基于数学形态学的 信号处理方法， 通过 MATLAB 等仿真试验分析， 并与传统的小波分析法进行对比， 该方法更好的实现了噪声背景下扰动 突变量的提取， 具有良好的定位精度和检测实时性。验证了该方法的在电力电缆故障检测实际应用中的可行性。 关键词： 电力电缆； 故障测距； 形态学； 多分辨形态梯度 中图分类号： TM75文献标识码： A 文章编号： 1673-0038 （2015） 43-0182-03 1 课题背景 1.1目前电力电缆被越来越广泛地应用于城市电网的建设， 随 着电力电缆长时间运行， 绝缘老化或变质、 过热、 机械类损伤、 电 缆护层的腐蚀、 绝缘部分受潮、 电压过大等原因， 导致电力电缆 发生故障， 给电力企业带来不可估量的损失， 由于电力电缆多埋 在地底及隐蔽位置， 发生故障时候不容易发现明显故障点， 因此 如何快速准确、又能不停电的低成本方式查找出电缆的故障位 置是当前急需解决的问题。 1.2 电力电缆故障的分类 （1） 开路故障： 电力电缆断线类故障称为开路故障。 （2） 低阻故障： 通过该电缆的特性阻抗分析， 电缆故障点的绝 缘电阻下降至该电缆的特性阻抗值，甚至直流电阻为零的故障 均称为低阻故障或为短路故障。 （3） 高阻故障： 当故障点的直流电阻大于该电缆的特性阻抗 的故障均称为高阻故障， 可分为泄露故障和闪络性故障。 1.3 当前电力电缆的故障测距研究情况 （1） 离线测距方法： 需对故障线路进行停电， 通过行波等方法 进行现场测试的故障测距方法， 该方法缺点： 难以对整个网络进 行系统的分析， 且需相应配网停电方能查找故障点， 从而造成电 量损失， 影响配网可靠性及电力客户优质服务质量等。 （2） 在线测距方法： 基于数学形态的在线测距。 与传统的方法不同， 数学形态学 （MM） 是近年来发展起来的 一种有代表性的非线性图像处理和分析理论，是从集合的角度 来分析图像。利用故障行波信号来进行故障测距， 原理上同小波 变换是一致的，其主要测距原理是由故障行波波头到达时间来 判断故障距离。 采用的数学形态学来处理故障行波信号的算法， 比小波变换 来的更加简单直观，数学形态学在对故障行波噪声有效滤波和 对信号奇异点方面的判断上具有更加准确的特点。 1.4 本文研究的内容 对基于数学形态学的电力电缆在线故障测距方法进行了深 入研究， 对数学形态学运用的可行性和有效性进行了初步的研 究和探讨， 并且重点着眼于数学形态学在高压电缆在线故障测 距中的实际应用， 本文通过理论计算和采用基于 MATLAB 仿 真实验的波形分析两个角度来验证数学形态学方法的可行 性。 2 采用的关键技术 2.1 含噪声信号的形态滤波 （1） 我们要进行滤波， 为减小在采样数据产生的误差， 选取从 原始信号进行滤波， 从而有效地筛选出精度高、 误差小的特征信 号， 准确的从故障波形中提取行波信号中的特征信号， 实现在线 测距装置的启动可靠性 （2） 在选择算法的时候， 首先要考虑算法的精度和速度， 算法 的精度则与采样点数的计算量和实际模拟滤波器的误差都有 关， 算法的速度包括运算工作量及采样的点数， 二者呈彼消我长 形态。即当保证算法的速度， 就必然减少采样点数和计算量； 精 度要高， 则要增加采样点数和计算量， 最好还要配合数字滤波器 同时工作。另一方面要考虑算法本身要求的经过滤波后的影响。 电力信号监测中常出现的几种干扰为谐波干扰、 电压波动干 扰、 瞬时脉冲干扰、 暂态振荡干扰。瞬时脉冲干扰的情况 （正负脉 冲和脉冲群叠加在波头） ， 以及电力系统中白噪声叠加到仿真得 到的故障行波信号上， 目的是验证形态学滤波算法的有效性。 2.2 基于数学形态学的行波测距方法 步骤一： 对原始信号进行消噪处理， 采用形态学的多尺度形 态滤波法。 步骤二： 对消噪的信号进行多分辨形态梯度变换。 步骤三： 结合软阀值设计算法。 步骤四： 根据 MMG 系数局部模极大值判断故障位置。 3 应用研究 3.1 电力电缆故障测距仿真实验 设仿真实验线路全长为 10km，通过在故障位置 30%、 50%、 图 1 电力电缆行波仿真实验图 电力建设 182 与 建 材装 饰2015 年 10 月 80%三个具有代表性的位置， 对故障行波进行仿真分析： （1） 当故障位置为 30%处， 图 2 是故障接地电流、 经过多分 辨形态梯度技术及软阀值滤波的结果、 将故障电流经过 5 层 db3 小波变换的结果信号分析图。 其中： d5 是基频信号， d4-d1 是相应的高频信号。 （2） 故障发生在 50%处， 图 3 是故障接地电流、 经过多分辨 形态梯度技术及软阀值滤波的结果、将故障电流经过 5 层 db3 小波变换的结果信号分析图。 其中： d5 是基频信号， d4-d1 是相应的高频信号。 （3） 故障发生在 80%处， 图 4 故障接地电流、 经过多分辨形 态梯度技术及软阀值滤波的结果、将故障电流经过 5 层 db3 小 波变换的结果信号分析图。 其中： d5 是基频信号， d4-d1 是相应的高频信号。 3.2 信号处理 将 MATLAB 中已处理的故障信号数据进行局部放大故障波 形如图 5 所示， 并进行进一步放大， 并标注了各奇异点出现的时 间。 电缆中行波的波速度可表示为： V= 1 Lc 姨 = V0 滋r着r 姨 式中： V0光的传播速度， V0=3伊10 8m/s； 滋电缆芯线周围介质的相对导磁系数； 着 电缆芯线周围截止的相对介电系数。 测量后可得出油浸纸绝缘电缆 F=160m/滋s，塑料电缆 V= 170200m/滋s， 橡胶电缆 K=220m/滋s。 L= 1 2 淄线伊 （子2-子1） 3.3通过仿真， 线路全长 10km， 定位结果距离和误差情况如表 1 所示。 通过上述数据可看出： 故障距离越大， 所计算的测距精度越 高。主要是因为故障距离小的时候， 故障行波在故障点与接地点 间往返一次的时间较短， 各个模量叠加以及干扰信号在一起， 对 分辨产生一定误差。然后通过验证小波测距同形态学的定位误 差来看， 其采用形态学效果略好于前者。 4 电力电缆故障测距系统设计 电力电缆故障测距硬件系统设计： 其主要工作原理为： （1） 当电力电缆发生故障时候， 装置产生发送行波信号。 现场 由 LPC2142 处理器生成一个宽度小于 1s 的矩形脉冲信号， 信号 通过调理电路进行处理， 发送至电缆。 （2） 接收调理信号过程。脉冲信号传输的时候在阻抗不匹配 （电缆分接头或故障点终端等）的地方将会形成反射或折射现 象。测量端必须对接收信号进行调理， 中间采用快速缓存器也是 必要的中间设备。其目的为解决微处理器和高速模数采样速度 不能同步及接收到的返回信号在模数采样芯片的模拟电压输入 量的范围之内。 （3） 处理储存故障信号。 采样信号被接收之后存储在 LPC2142 的内部存储器中。 确保了采样信号的有效性， 再经过串口通讯上传 到系统主机中处理计算。然后通过计算结果判定故障距离。 5 结 论 本文通过分析电力电缆的应用情况、 电力电缆的类型及线路 特点、 电力电缆故障的类型和原因、 电力电缆故障测距的研究现 图 2 故障位置为 30%处信号分析图 图 3 故障发生在 50%处信号分析图 图 4 故障发生在 80%处信号分析图 图 5 故障信号处理 故障数据 小波测距结果 （km） 小波测距误差 （km） 形态学测距结 果 （km） 形态学测距误 差 （km） ag30%13.22790.22863.18890.1891 ag30%23.15620.15613.15640.1555 ag50%15.19890.19894.8251-0.1743 ag50%25.14870.14784.9612-0.0392 ag80%18.06530.06498.00320.0031 ag80%27.9669-0.03198.08490.0879 最大误差0.22830.1891 最小误差0.06490.1085 平均误差0.13840.1085 表 1 图 6 系统设计图 电力建设 183 与 建 材装 饰2015 年 10 月 状， 阐述了数学形态学的基本原理和算法， 提出了基于形态学方 法的电力电缆故障行波测距方法。 通过分析数学形态学在电力电缆故障行波测距中的波形， 可 以看出形态学具有很好的滤波效果， 且由于小波变换， 能够准确 地对故障行波中的奇异点进行检测， 即得到故障测距， 该分析的 方法有点是基于极值比较和简单的加减法，从硬件实现的角度 来看比较方便同时形态学将小波分解系数有时会大大衰减或出 现相位偏移的问题得到有效解决， 在电力电缆故障在线测距的实 际应用中具有相对较高的精度， 为在电力电缆配网工程上提供了 更便于使用的故障测距方法。 收稿日期： 2015-10-1 火力发电厂脱硫技改工程建设安全管理研究 樊皓亮 （西北电建监理公司陕西 西安710000） 摘要： 火力发电厂实施脱硫技改工程的最主要目的是为了减少二氧化硫的排放量， 进而进行火力发电对大气的污染。 对火力发电厂脱硫技改工程中所存在的问题作了简要分析， 然后介绍了该工程建设安全管理的几项基本原则， 最后提出 了一个相关的安全管理对策， 以期为相关研究提供参考。 关键词： 火力发电厂； 脱硫技改工程； 安全管理 中图分类号： X773文献标识码： A 文章编号： 1673-0038 （2015） 43-0184-02 引 言 火力发电厂的脱硫技改工程建设会受到施工场地和设备等 因素的影响， 所以需要对其进行安全管理。脱硫工程是电力工程 的组成部分之一， 与其他组成部分所不同的是该工程更加环保， 但这也造成了一个相对比较矛盾的问题。就是该工程在电力系 统中处于弱势地位， 但其在环保工程中却处于非常重要的地位。 1 火力发电厂脱硫技改工程建设安全管理中存 在的问题 在我国， 传统的安全管理体制所奉行的是 “国家监察、 企业负 责、 行业管理和群众监督” 的方式， 这在一定程度上制约了火力 发电厂脱硫技改工程建设的安全管理。 （1） 因为制度明确要求企业负责， 所以建设单位就按照 “企业 负责” 这一要求拟订合同， 让施工单位承担了全部的安全管理责 任， 无论施工单位的安全工作开展如何， 都全由施工单位负责。 如此一来， 所有的安全风险也完全由施工单位独自承担， 这从本 质上使得施工单位在此工程中的安全管理地位以合同的方式规 避了各种风险， 使施工单位也处于弱势地位。造成建设和施工单 位风险和利益关系的严重失衡，没能从根本上促使建设单位加 强对安全管理工作的重视， 更无法谈及相关责任的履行。 （2） 在实际的脱硫技改工程建设中， 安全生产的激励机制也相 对比较缺乏。脱硫技改工程建设的市场随着生产力和社会经济的 发展而不断扩大，经济利益的诱惑使得不少安全资质不全的企业 不折手段地承揽大量工程，最终使得施工安全面临严重的挑战和 威胁。在侥幸不出事的情况下， 企业能够获取高额的利润， 而即便 是出了事情， 国家和行业对这些企业的处罚力度也是不够的。 当前 的市场经济环境并不算成熟，大多数企业都太过注重眼前的短期 利益， 盲目追求成本最小化和利益最大化， 不愿意将大量的成本和 精力放在安全管理这样一些见效时间较长的工作上。 （3） 我国目前的脱硫技改工程所实行的是建设项目申报制度。 然而在具体实施时，不免有一部分不符合程序规定的项目工程 不按要求进行申报， 甚至是逃避申报， 还有的将规定置之度外， 擅自开工。政府与行业的相关管理部门也对项目状况一无所知， 无法对其实施质量监控和安全管理。受人力和财力条件的限制 “行业管理” 和 “国家监察” 这一制