（控制理论与控制工程专业论文）基于TMS320LF2407A的电缆故障信号采集系统研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的电缆故障信号采集系统研究 控制理论与控制工程 吴建华 汪梅 摘要 ( 签名) ( 签名) 随着城网、农网改造的深入，电缆的应用范围也越来越大。同时电缆发生的故障也 不断增多。如何快速、准确地对电缆故障的种类、具体位置进行确定，对于提高电缆系 统的供电质量、减小经济损失有非常重要的作用。而国内外较成熟的电缆故障测距方法 大都基于离线状态，电缆在线故障测距，仍缺少有效的方法。因此，实现电缆在线故障测 距，具有迫切的现实意义。本文以小波分析为基础，对电缆故障检测、故障采集与故障 定位进行了研究，并研制了电缆在线故障采集装置。 论文首先介绍了小波分析的基本概念，及小波分析检测奇异性的理论，并从多尺度 分析及模极大值方法的角度出发，对小波变换在电缆线路的应用进行了研究；接着对输 电线路的行波过程进行了阐述，通过采用相模变换的方法消除三相线路之间的耦合影 响，在此基础上分析了行波在故障点、母线等阻抗不连续处的反射和折射情况，提出了 不受波速影响的单端测距公式，在理论上消除了波速对故障测距精度的影响。用e m t p 软件建立电缆故障系统模型，仿真算例表明选用小波变换作为时域频域分析工具，能够 有效的对电缆故障暂态行波进行分析，且不受故障位置、故障类型及过渡电阻的影响， 具有较高的测距精度。 论文随后根据电缆故障暂态行波的实际特点，完成了电缆在线故障采集装置软硬件 的设计。硬件设计共分为3 部分：一是由电流互感器和运放电路组成的信号调理电路： 二是由t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为主c p u 的高速数据采集电路；三是由p c 机作为系统的 上位机实现数据分析、处理和存储等功能。软件设计共分为2 部分：一是由c 和汇编语 言混合编写的下位机程序，主要完成系统初始化、中断采样、数据显示和数据通讯等工 作；二是由v c 语言和m a t l a b 语言编写的上位机分析软件程序，主要完成数据实时 传输、数据文件保存、图形绘制、小波分析以及数据库开发等工作。最后对电缆在线故 障测距装置进行了各项测试。测试表明，该系统硬件和软件设计正确，系统运行正常。 关键词：电缆；行波测距；小波变换；高速数据采集；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho ft h ec a b l ef a u l tg a t h e r i n gs y s t e m b a s e do n t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a s p e c i a l t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g n a m e：w uj i a nh n a i n s t r u c t o r ：w a n g m e i ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc i t ya n dr u r a le l e c t r i cp o w e rn e t w o r k ，t h ep o s s i b i l i t yo ft h e c a b l ef a u l ta c c u r a t ei sa l s ob e c o m i n gm o r ea n dm o r eg r e a t l y h o wd oc a t e g o r ya n dl o c a t i o no f c a b l ef a u l ti sa s c e r t a i n e dq u i c k l ya n da c c u r a t e l y , f o rp o w e rs y s t e mq u a l i t yi m p r o v e m e n to f c a b l ea n dr e d u c i n gt h ee c o n o m i cl o s st ob e i n gt h ev e r yi n f l u e n t i a lr o l e t h em a t u r e t e c h n o l o g yf o rc a b l ef a u l tl o c a t i o ni sm o s t l yb a s e do no f f - l i n ea th o m ea n da b r o a d t h e r ea r e n o te f f i c i e n tm e t h o d sf o rc a b l ef a u l tl o c a t i o no n l i n e ，s ot h i st o p i ch a sa ne x i g e n t l yr e a l i s t i c s i g n i f i c a n c e t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so na p p l y i n gw a v e l e ta n a l y s i st od e t e c tt h et i m ef a u l t s o c c u r r e d ，t og a t h e rc a b l ef a u l ta n dt oc a l c u l a t ef a u l t s d i s t a n c eo fc a b l e a tf i r s t , t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h et h e o r i e so fw a v e l e t ，t h es i n g u l a r i t yd e t e c t i o n t h e o r i e so fw a v e l e ta n a l y s i s t h ew a v e l e ti sa p p l i e dc a b l ef a u l tl o c a t i o nf r o mt h em u l t i - s c a l e a n a l y s i sa n dm o d u l em a x i m u m ，t h ew a v ec o u r s eo ft r a n s m i s s i o ni si n t r o d u c e d ，t h ee f f e c to f c o u p l i n ga m o n gt h r e ep h a s el i n e sc a nb es o l v e db yp h a s e m o d et r a n s f o r m t h ee c h oa n d r e f r a c t i o no ft r a v e l i n gw a v e sa tt h ed i s c o n t i n u o u ss p o to fi m p e d a n c e ，s u c ha sf a u l tp o i n to r b u sb a r , a r ea n a l y z e da i m i n ga tt h ep r o b l e mo ft h eu n c e r t a i n t yo fw a v es p e e dw h i c hi n f l u e n c e t h ea c c u r a c yo fl o c a t i o n ，f a u l td i s t a n c ee x p r e s s i o nt h a ta v o i dt h ew a v es p e e di n f l u e n c ei n t h e o r ya r ew o r k e do u t ，a n dm o d e lt h ec a b l ef a u l tb yu s i n ge m t ps o f t w a r e s i m u l a t i o ns h o w t h a tt h ew a v e l e tt r a n s f o r mc a ne f f e c t i v e l ya n a l y z et h et r a n s i e n tt r a v e l i n gw a v e ，a n db e i m m u n et ot h ef a u l tl o c a t i o n ，f a u l tt y p ea n dt r a n s i t i o nr e s i s t a n c e ，a n de n h a n c et h ea c c u r a c yo f l o c a t i o n t h e nt h ed e s i g n i n ga n da p p l i c a t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc a b l ef a u l tl o c a t i o n s y s t e ma r ep e r f o r m e di nt h i sp a p e r t h eh a r d w a r ed e s i g n i n gi n c l u d e st h e r ep a r t s ：t h ef i r s to n e i st h es i g n a la d j u s t m e n tc i r c u i tw h i c hi sm a d eo ft h ec u r r e n tt r a n s f o r m e ra n do p e r a t i o n a l a m p l i f i e r ；t h es e c o n do n e i sh i g h s p e e ds a m p l i n gc i r c u i tw h i c hu s e st h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa s t h em a i nc e n t e rp r o c e s s i n gu n i t ；t h et h i r do n ei sp cc o m p u t e ra st h eu p p e rc o m p u t e ro f s y s t e m t h es o f t w a r ed e s i g n i n gi n c l u d e st w op a r t s ：t h ef i r s tp a r ti st h ef r o n tc o m p u t e r p r o c e d u r e sw h i c ha r ec o m p i l e db yca n da s s e m b l el a n g u a g et h a tc a l la c h i e v em a n yw o r k s a b o u ts y s t e mi n i t i a l i z a t i o n ，i n t e r r u p t i o na c q u i s i t i o n ，d i s p l a y i n gd a t aa n d t r a n s m i t t i n gd a t a t h e s e c o n dp a r ti st h eu p p e r c o m p u t e rp r o c e d u r e sw h i c ha r ec o m p i l e db yv cl a n g u a g ea n de m t p t h a tc a l l a c c o m p l i s hs o m ea s s i g n m e n t sa b o u tr e a lt i m et r a n s m i s s i o no fd a t a , i m a g e b a s e d r e n d e r i n g ，f i l es a v i n g ，w a v e l e ta n a l y s i sa n dd a t ab a n kd e v e l o p m e n t f i n a l l y , t h es y s t e mi st e s t e di n t h i sp a p e r t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h eh a r d u ，a r ea n d s o f t w a r ec a nn o r m a lw o r ka n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so f c a b l ef a u l tl o c a t i o no n1 i n e k e yw o r d s ：c a b l ef a u l tl o c a t i o nw a v e l e tt r a n s f o r m h i g h s p e e dd a t as a m p l i n g t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：昊是竿 日期：p 一吕占1 譬 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文储签名：关砰 指导教师签名：河乏鹨 指导教师签名：以叱缎 加p8 年6 月，8 日 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 高压输电线路和地下电缆是电力系统的重要组成部分。电力设备的状态监视和故障 诊断就是分解和处理电力系统基本设备在运行中产生的各种电磁、机械等物理信号，实 时地判别其状态，以期在故障初期或在故障时发出警报。电力设备在正常运行时发出的 电磁信号较为平稳，一旦状态异常，则必然出现奇异信号。运用小波分析捕捉和处理微 弱突变信号，可以很明显地辨别和追踪系统中各个变量的微弱突变，进而精确地推断出 引起突变的局部故障时间和地点，从而达到状态监视和故障诊断目的【i 】。 在各类电气事故波及的设备中，与电线电缆有关的占了几乎5 0 【2 】，其中大部分又 是因为绝缘损坏所致。由于电力电缆成本的下降和城市电网改造，电缆以其受天气影响 小、占地少、安全隐蔽等优点得到广泛的应用。一旦发生故障，往往需要花费大量的人 力、物力，修复时间过长还会造成额外的停电损失。因此如何快速和准确地查找电力电 缆故障，成为亟待解决的问题。 1 2 研究的目的和意义 随着科技的不断发展，国内外对电缆故障测距的研究已经有了较好的成果。然而， 国外较成熟的故障测距装置，精度很高，但价格十分昂贵。国内较成熟的故障测距装置 几乎都是离线的，即电力电缆停电后，解开电缆，通过相关的设备离线测量故障距离， 即离线测距。这样的故障测距方法存在许多弊端，例如，测距时间过长；电力电缆在运 行中发生的故障有相当一部份是瞬时性的故障，利用离线故障测距方法查找故障点前， 要用高压设备将故障点击穿，高电压对测试设备、电缆和工作人员造成安全隐患等。因 此迫切需要电力电缆在线故障测距方法来弥补离线测距的缺陷和不足。电缆在线测距特 点：利用电缆故障瞬间产生的暂态信号所反映出来的特征，快速实现故障测距；可减小 停电测试时间，大大提高供电可靠系数。本课题作为陕西省科技攻关项目( 2 0 0 3 k 0 6 g 1 9 ) “智能电缆故障预测与定位装置的研制”的一部分。以“基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的电缆故障 信号采集系统研究”为题，研究是在基于电缆绝缘在线监测的前提下，电缆故障信号的 采集，运用小波变换理论分析电力电缆暂态信号故障点，以尽早确定电缆故障的精确位 置，使供电部门能较早的发现故障、排除故障，以确保安全、可靠的电力供应。 西安科技大学硕士学位论文 1 3 电力电缆故障的类型及原因 1 3 1 电力电缆的故障类型 电力电缆故障的分类方法很多，按试验结果一般可将故障分为如下几类【3 】： ( 1 ) 短路故障：短路故障中包括低阻短路故障和高阻短路故障。低阻短路故障是电缆 的单相或多相对地的绝缘电阻、或相与相之间的绝缘电阻低于l o o k q 而单线连结良好， 这类故障一般常见形式有单相接地、两相或三相短路或接地。高阻短路故障是指电 缆的单相或多相对地的绝缘电阻低于正常值但高于l o o k q 且电缆芯线连接良好，这类故 障一般常见形式有单相接地、两相或三相短路或接地。 ( 2 ) 断线故障：电缆的单相或多相导体断开但各相绝缘良好。 ( 3 ) 断线并接地故障：发生此类故障的电缆有单相或多相断开且经电阻接地。 ( 4 ) 间歇性和封闭性故障：在进行预防性试验时有时会发生这两类故障，故障位置多 出现在电缆中间接头或终端接头内，特别是封闭性故障多数发生在注油的电缆头内。故 障发生时，电缆在某一试验电压下绝缘被击穿。若时隔数秒或数分钟后再击穿，这就是 间歇性故障。若击穿发生后，待绝缘恢复，击穿现象便完全停止，则被称为封闭性故障。 1 3 2 电力电缆故障的原因 电力电缆故障的原因大致有以下几点1 4 1 【5 l = ( 1 ) 绝缘老化变质。由于长期在电场的作用下，受到热、化学及机械作用，使绝缘介 质发生物理、化学变化，导致绝缘水平下降。电缆使用到一定年限后，都会发生绝缘老 化故障。 ( 2 ) 绝缘受潮。中自j 接头或终端头在结构上不密封或安装质量不好，制造电缆包铅( 或 铝) 时留下的砂眼或裂纹等缺陷，都会使绝缘受潮。尤其在我国南方及沿海地区敷设的 地下电缆中，由绝缘受潮造成的电缆故障占很大比例。 ( 3 ) 电缆过热。造成电缆过热的原因是多方面的，内因主要是电缆绝缘内部气隙游离 造成局部过热使绝缘碳化。外因是电缆过负荷或散热不良，多发生于安装在电缆密集地 区、电缆沟及电缆隧道等通风不良处的电缆。合理的设计及施工方案可降低这类故障发 生的概率。 ( 4 ) 机械损伤。这类损伤主要是敷设过程中造成的损坏，包括直接受外力作用造成的 破坏，自然力造成损坏等。要减少这些因素的影响，需要高水平的施工队伍和科学的技 术来作保障。 除此外，护层的腐蚀、过电压、材料缺陷、中间接头和终端头的设计和制作工艺问 题，也是电力电缆故障的重要原因。需要通过改进制造技术、提高施工技术来尽量避免。 2 1 绪论 1 4 国内外电缆诊断与定位发展与现状 电缆故障的精确定位与准确识别对快速准确排除故障具有十分重要的意义，而电缆 绝缘的在线监测在提高电缆线路运行的安全性及减小损失方面具有显而易见的主动性， 因而，显得非常重要。 1 4 1 电缆绝缘在线监测方法 ( 1 ) 直流分量法是利用交联聚乙烯电缆中存在着树枝化绝缘缺陷，通过测量回路装置 检测电缆在交流电压下，在树枝端积聚了大量的负电荷，从而产生漂移运动，这种现象 称整流效应。由于整流效应的作用，流过电缆接地线的交流便含有微弱的直流成分，检 测出这种直流成分即可进行裂化诊断。 直流分量法测得的电流极微弱，有时也不大稳定，微小的干扰电流就会引起很大误 差。研究表明，这些干扰主要来自被测电缆的屏蔽层与大地之间的杂散电流，因杂散电 流及真实的由水树枝引起的电流，均经过直流分量装置，以致造成很大误差。可考虑采 取旁路杂散电流火灾杂散电流回路中串入电容将其阻断等方法【5 】。 目前国外将用直流分量法测得的值分为大于1 0 0 n a 、l 1 0 0 n a 、小于l n a 三档， 分别表明绝缘不良、绝缘有问题需要注意、绝缘良好【6 j 。 ( 2 ) 直流叠加法【7 j 的基本原理是在接地的电压互感器的中性点处加进低压直流电源 ( 通常为5 0 v ) ，使该直流电压与施压在电缆绝缘上的交流叠加，从而测量通过电缆绝 缘层的微弱的n a 级直流电流或其它绝缘电阻。 老化判定标准认为，1 0 0 0 m e 2 以上时属良好，当绝缘电阻开始下降时应密却注意， 当达到1 0 m q 以下是进行电缆更换1 2 j 。 ( 3 ) 在线t a n 万法是对运行中电缆的t a n 8 进行测量的方法。通过分压器或电压互感器 获得u ，它反映了加在试品上的电压u ，；经电流互感器获得u 。，它反映了流经试品 的电流，。通常认为，发现集中性的缺陷采用直流分量法较好，因为t a n 6 值往往反映 的是普遍性的缺陷，个别的较集中的缺陷不会引起整根长电缆所测到的t a n 8 值得显著 变化【舯。 ( 4 ) 其他在线检测方法 利用红外线电磁波技术在运行电力设备上的应用【9 1 ；文献 1 0 1 介绍了一种把电缆绝 缘等效为一个电容和一个电阻的并联，先测量出开路电压和短路电流，在以欧姆定律为 理论基础，用开路电压除以短路电流得出电缆的绝缘阻值的电压电流二次测量法：文献 【1 1 1 介绍了附加直流电源的电缆绝缘在线监测即在漏电流保护装黄的基础上，利用附加 3 西安科技大学硕士学位论文 直流电源实现电缆绝缘电阻的在线监测的一种方法，用于检测分支电缆的绝缘电阻，同 时实现选择性的漏电保护。 目前，由直流分量法、直流叠加法和在线介质损耗角正切法三种方法组成的综合电 缆在线检测仪在国外已问世。国内上海电缆研究所研制的c d z 型交联聚乙烯电缆诊断 仪将直流分量法、直流叠加法组合，实现了交联聚乙烯电缆的在线检测、显示及打印等 功能【1 2 】。 1 4 2 电缆故障诊断与定位 长期以来，通过国内外专家学者的不断努力，涌现出许多测距方法和测距装置，这 些方法和装置适用于不同故障情况，各有利弊。 ( 1 ) 电缆离线故障测距方法 电缆故障测距方法有很多，根据其工作原理不同，目前的测距方法分为两大类【l l 】： 故障分析法和行波法；而根据测距所需的信息来源又可分为单端量法和两端量法。其实 际应用大多为离线状态。 故障分析法又称阻抗法，以线路的集中参数模型为基础，根据线路单端或多端的 电压、电流测量值，推导出特定的故障方程进行定位。由于此方法原理简单、容易实现， 多年来一直受到人们的关注。在实际应用中，电桥法是一种较为经典的测试方法，英国 雷迪有限公司生产的b i c c o t e s t - t 2 7 2 电缆故障定位仪和英国s p i r e n t 公司生产的 e 2 0 2 0 电缆故障定位仪就是利用阻抗法中的电桥电路实现对电缆故障的定位。电桥法又 分为直流电阻电桥法和电容电桥法。 直流电阻电桥法适用于低阻故障的探测，般要求故障点的电阻不超过1 0 0 。 基本原理为：将被测电缆的故障相与非故障相短接，电桥两端分别接故障相和非故障相。 调节电桥臂上的可调电阻，使电桥达到平衡，在根据惠更斯电桥原理计算出故障点距离。 电容电桥法的测距原理与电阻电桥法的测距原理基本相同，它用于电缆开路故障的 测距。基本原理为：开路故障测得的电缆电容值与电缆故障距离成正比，只要利用电容电 桥测出电容值大小，并在已知电缆单位长度的电容值的基础上，就可以计算出电缆的故 障距离。 电桥法的优点是原理简单，测量准确度较高，但也有其缺点： 电桥法不适用于高阻和闪络性故障，因为高阻和闪络性故障流过检流计的电流非常 小，一般灵敏度的检流计很难探测这样小的电流。因此需要将高阻故障用高压直流法或 交流法烧成低阻故障，此做法不仅耗时较多，而且容易将故障点烧断，导致故障点电阻 反而增加。 电桥法的另一个缺点是必须知道电缆线路的具体参数，否则会导致测距结果误差过 大。 电桥法对引线接触要求很高，否则，接触电阻的存在会使测距结果产生较大误差。 4 1 绪论 电桥法不适用于电缆三相短路和三相断路故障测距。 电桥法只适用于电缆离线故障测距。 由于电桥法存在较多缺点，目前电桥法已逐渐被其它测距方法所取代。 行波法是电缆故障测距中另一种十分重要的方法，它利用测量行波在故障点和测 量端之间往返的传播时间来确定故障位置。根据产生行波的种类和测量方式不同，传统 的基于行波法的测距方法可分为a 、b 、c 三种类型。近几年来，随着国外学者对行波 法研究的深入，又提出两种新的方法，分别是利用重合闸产生的暂态行波在测量端与故 障点之间的传播时间进行测距和在测量端感受到的故障开断时产生的初始浪涌行波与 故障点反射波之间的时延进行测距。 a 型测距法【l 引 a 型测距方法的原理是利用故障点产生的行波，并根据行波在测量端和故障点之间 往返一次的时间和行波波速来确定故障点的距离。这种方法原理简单，所用装置少，且 不受过渡电阻及对端负荷阻抗的影响，理论上可以达到较高精度。长期以来，由于对故 障点产生的行波特性及在三相线路上的传播特性没有深入的认识，以及对信号采样、确 定行波到达测量端时间要求较高，所以未获得广泛应用。近年来，国内外学者对此进行 了大量的研究，提出了暂态电压测距方法和暂态电流测距方法。常见的a 型测距装置为： 脉冲电压法和脉冲电流法。 脉冲电压法又称闪测法。此方法是6 0 年代发展起来的用于测量高阻与闪络性故障 的方法。它首先利用直流高压或脉冲高压信号将电缆故障点击穿，然后通过测定放电电 压脉冲在测量端与故障点之间往返一次的时间来定位。 脉冲电压法的优点是不必将高阻与闪络性故障烧穿，直接利用故障击穿产生的瞬时 脉冲信号，测试速度快。但也有其缺点，如：安全性差等。仪器通过一个电容电阻分压 器测量电压脉冲信号，仪器与高压回路有电耦合，很容易发生高压信号串入，造成仪器 损坏；为了得到电压信号，增加了接线的复杂性，并且降低了电容放电时加在故障电缆 上的电压，使故障点不容易击穿；在故障放电时，特别是进行冲闪法测试时，分压器 耦合的电压波形变化不尖锐，难以分辨。 脉冲电流法。该方法以安全、可靠、接线简单等优点显示了强大的生命力，它通过 线性电流耦合器测量电缆击穿时产生的电流脉冲信号进行测距，实现了仪器与高压回路 的电耦合，避免了电容与电缆之间的串联电阻和电感的影响，使测量线路变得简单，且 脉冲电流波形易于分辨。 b 型测距法 b 型测距法是利用故障点产生的第一个行波波头，借助通讯通道实现测距。其优点 是只需确定出第一个行波波头到达电缆两端的时间，而不受故障点透射波的影响。目前， 出现的b 型测距装置有基于全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 的双端故障测距 5 西安科技大学硕士学位论文 法，该方法最早是由加拿大学者s a c h d e v 和英国学者a g a r w a l 于1 9 8 8 年提出的i h j 。其 后，很多学者先后提出了各自的双端测距算澍h j 。 c 型测距法 c 型测距法是利用脉冲发射装置向离线的故障线路发射高压高电频或直流脉冲，根 据高频脉冲从装置到故障点往返的时间进行测距。目前出现的c 型测距法有低压脉冲反 射法和二次脉冲法。西安方汇电气有限公司生产的f h 8 6 3 6 电缆故障测试仪和山东科汇 电气股份有限公司生产的9 0 3 电缆故障测距仪就是利用该方法实现对电缆故障的定 位。 低压脉冲反射法。此方法简单、直观、不需要知道电缆的原始参数，根据脉冲反射 波就可识别出电缆接头与分支点的位置。基本原理是：首先向故障电缆首端注入脉冲电 压信号( 电压信号可以选择阶跃电压或脉冲电压) ，通过测量入射电压行波和反射电压行 波的时间差来进行测距。该方法主要适用于低阻和断路故障测距，不适用于高阻与闪络 性故障。 二次脉冲法1 1 6 j 。此方法测量精度高、低压脉冲宽度可调、可以避免故障点闪络时引 起的强烈的电磁干扰。基本原理是：首先利用冲击高压或直流高压击穿故障点，在闪络 维持低阻状态时间内( 一般为5 0 0 m s ) 发射一个低压脉冲，此脉冲在故障点闪络处( 电弧的 电阻值很低) 发生短路反射，并记忆仪器中，电弧熄灭后，再发射一个测量脉冲，该脉 冲信号通过故障点直达电缆末端并发生开路反射，然后比较两次低压脉冲波形就可以判 断出故障点的位置。但此法缺点是仪器较多，另外要把故障点电阻降到很低，当故障点 绝缘受潮严重时，故障点击穿时间较长，测试时间相应增加。由于故障点维持低阻的时 间不确定，因此施a n - 次低压脉冲的控制有一定的难度，测试成功率不高。 目前，国内基本上采用电流行波进行故障测距，原因是电压行波信号不易获取，当 母线上出现较多时电压信号比较弱，而电流信号却很强，电流行波比较获取。 ( 2 ) 电缆在线故障测距方法 随着电力电缆故障检测技术的发展，通过采用高速a d 转换器、精确的时钟系统和 先进的分析工具来分析暂态故障信号，获取电力电缆故障点的特征信息。在这种思路的 引导下产生了许多在线的测距方法。 日本学者提出的采用光纤电流互感器感应出故障时产生的浪涌电流信号，利用采 集速度为1 6 m h z 的快速a d 技术实现不带分支的电缆在线故障测距方法【1 7 】； 美国学者提出的将环形线路开路或在线路末端设置开路点，利用故障时产生的浪 涌电压或电流在开路点发生正或负的全反射，通过设于开路点附近的传感器得到脉冲信 号，测出其脉冲间隔时间实现电缆在线故障测距的方法【1 8 1 ； 我国学者张群峰等人提出的基于电弧特性的电缆在线故障测距方法【1 9 】； 我国学者张晓虹等人提出的利用分布式光纤温度传感器，通过检测故障点附近温 6 1 绪论 度变化情况来实现电缆在线故障测距的方法【2 0 j 等。 基于输电网的g p s 行波故障定位方法是将电缆的地理信息系统( g i s ) 和全球定位 系统( g p s ) 结合起来，形成了电缆故障自动定位系统。当运行中的电缆发生故障时，故 障点产生的行波信号沿线路向两端传输，利用g p s 提供的精确时钟信号记录到达两端 的时间差，即可确定故障点距离。该系统的智能化程度较高，可以实现对电缆故障的自 动测试，并直接给出故障点的地理位置信息【2 。 这些方法对实现电缆在线故障测距都具有很重要的实用价值，当然也不可避免地存 在着一些局限性。然而，从长远发展的角度出发，电缆在线故障测距具有光明的前景。 1 4 3 小波分析在电缆故障诊断中的应用 小波变换应用于电力系统的研究，己显示出优越性和广阔的应用前景。电力系统暂 态信号分析包括滤波与去噪、信号检测与分类识别、数据压缩等内科1 】【2 2 】。小波分析对 非平稳信号的处理和识别具有很多优势，利用小波分析可以对暂态信号进行多分辩分 析、时频分析、多尺度边沿检测等等。由于行波故障信号的多尺度检测或小波分解能够 全面描述行波故障信号特征，因此，可以利用小波分析对行波故障分量进行多尺度分解， 再根据它们在不同频带( 尺度) 下的表现判定故障是否发生的保护区内。对不同尺度下 小波变换的结果进行干扰的分析和抑制、提取信号故障特征参数，实现故障的精确测距。 1 5 本文研究的主要工作 1 5 1 本课题中所做的主要工作 ( 1 ) 在查阅大量参考文献的基础上，概述了目前国内外电缆故障测距的基本方法和原 理，并对各种测距方法的应用情况以及优缺点进行了分析比较；对输电线路行波基本理 论及测距原理和小波理论在电力系统中的应用进行了较详细地阐述并提出自己的改进 思想和方法。 ( 2 ) 研制了电缆故障采集实验装置。以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心，信号调理、m a x 3 2 3 2 等为周边器件的高速数据采集电路。 ( 3 ) 在电缆故障采集装置的硬件基础上，编写出以c c s 2 2 为开发环境的下位机程序， 实现数据采集、数据存储、数据显示、数据传输等功能；编写出以v c + + 6 0 和m a t l a b 为开发环境的上位机程序，实现小波分析、数据库存储等功能；并对硬件及软件功能进 行测试，并对测试结果进行仔细分析。 1 5 2 本文章节安排 本文基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的电缆故障信号采集系统研究。论文各章主要内容如下： 7 西安科技大学硕士学位论文 第一章绪论。概述了目前国内外电缆故障测距的基本方法和原理，并对各种测距 方法的应用情况以及优缺点进行了分析比较，提出了本文的研究方向和主要工作。 第二章小波分析理论及其在线路故障中的应用。阐述了小波分析的理论基础，重 点对小波变换下的多尺度分析、m a l l a t 算法以及小波变换模极大值检测奇异点等内容进 行了研究并提出了在线路故障中所选小波函数的条件，编写相应的小波变换程序，应用 该程序完成故障行波信号的突变检测、模极大值提取工作。 第三章输电线路的故障行波测距。介绍行波的传播规律，行波法的电力电缆故障 测距算法；并在此基础上提出了不受波速影响的改进型单端法测距公式，在理论上消除 了波速对故障测距精度的影响，进行了故障仿真，对仿真结果进行了分析。 第四章采集系统硬件设计。研制出以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心故障采集装置；系统 包括采集电路、调理电路和电源电路。 第五章采集系统软件设计。在电缆故障采集系统硬件基础上，编出以c c s 2 2 为开 发环境的下位机程序和以v c + + 6 0 和m a t l a b 为开发环境的上位机程序。 第六章系统的软、硬件调试及测试结果。 第七章结论。对本文工作进行了总结，并结合在研究中遇到的问题和体会，对电 缆故障测距研究提出了几点看法。 8 2 小波分析理论及其在线路故障中的应用 2 1 引言 2 小波分析理论及其在线路故障中的应用 传统的傅里叶分析在平稳信号的分析和处理中具有重要的作用。它将时间域内复杂 信号的分析转换为频域内的具有简单参数的频谱度的分析，或者分解为频域内的具有简 单形状的信号之和。这种从一个分析域转换到另一个分析的方法是信号分析中的常用的 方法。由于它使用的是一种全局的变换，要么完全在时域，要么完全在频域，而没有刻 画出特定肘问段或频域段的特性，而这种特性恰恰是非平稳信号最根本和最关键的性 质。因此，传统的傅里叶变换在分析实际的时变信号时，具有很大的局限性。为了分析 和处理非平稳信号，人们在此基础上提出并发展了许多改进理论：窗口傅里叶变换、小 波变换等等。窗口傅里叶变换分析的基本思想是：在时域内，选定一个基本窗函数g ( ，) ， 然后将g ( t ) 沿时间轴，平移得到一组窗函数 g ( t 一6 ) 挺r ，其中b 为时间位移，一般取离散 值，使得窗函数组较好地覆盖时间轴。平移后的窗函数分别与原信号相乘f ( t ) g ( t 一6 ) ， 其结果就等效于提取了原信号的不同时间段内的信息而屏蔽了段外的信号。将每一段内 的信号视为平稳的，对其进行傅罩叶分析。加窗傅里叶变换有很大的局限性，主要表现 为：当基本窗函数一旦取定，窗口的时窗宽度和频窗宽度就固定了，不会随着时域和频 域的位移而变化。 小波变换是一种窗口大小固定不变，但其形状可改变，在时域和频域上同时具有良好 的局部化特性的分析方法，具有多分辨率分析的特点【2 3 j 。即在低频部分具有较高的频率 分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的分辨率，自适 应地，调节时频窗口，能够聚焦到信号时域和频域的任何细节，被誉为信号分析的“显微 镜”。 2 2 小波理论 2 2 1 连续小波变换 设( ，) l 2 ( 尺) ，其傅里叶变换为( 缈) ，如果满足： f 1 2 陟( 国) i c 2 喈揪栅 ( 2 1 ) 贝l j 9 ( t ) 称为基本小波基本小波或母小波。式( 2 1 ) 通常称为小波的容许条件，它表明个 函数成为小波的首要条件。 9 西安科技大学硕士学位论文 将母小波( f ) 进行栗柙伸缩和半移后得： 吲，) 2 丽1 y ( t - 口b ) a , b r ；a o ( 2 2 ) 称沙础( ，) 为小波基函数，其中口称为尺度因子或伸缩因子，b 称为平移因子，二者都是 连续变化的量。式中的系数苫的作用是使拉伸变形后函数的能量保持不变。 h 将所妻分析的信号厂( ，) 在小波基函数下进行投影分解，就是连续小波变换。其定义 如下： 吁( 口，6 ) - ( 加帆以) 孺 1 1 ( f ) 少( 学) 西 ( 2 3 ) 定义为函数厂( ，) 的连续小波变换。变换结果啊( 口，6 ) 称为小波变换系别划2 5 1 。 2 2 2 离散小波变换 在实际中，由于采用的是计算机进行数字处理。因此，必须将连续小波变换进行离 散化。离散小波变换【2 6 】【2 7 1 是相对于连续小波变换而言的，实质上是针对连续的尺度参数 和连续的平移参数的。一般地，尺度参数a ，平移参数b 的离散化公式分别取：a = a o 。 与6 = 砜。6 0 。其中，j f ，k z 。将离散后的尺度因子和平移因子带入连续小波基函数和 连续小波变换公式中，得到离散小波基函数和离散小波变化，分别为： 杪t ( f ) ：a 0 77 2 y ( 口i 。卜勋o ) ( 2 4 ) m s to ，七) = ( 几) ，y ，j ( f ) ) = 口0 叫2e 凡) ；，。( t ) d t ( 2 5 ) 若取口o = 2 ，玩= 1 ，即a = 2 n , b = n k ，从而得到二进小波基函数和二进小波离散 变化，分别为 f ，i = 2 77 2 ( 2 一t - k ) ( 2 。6 ) w t ( j ，七) = ( 儿) ，沙，乒( ，) ) = 2 叫2e 巾) 以2 一，t - k ) a t ( 2 7 ) 2 2 3 多尺度分析 多分辨分析( m u l t i r e s o l u t i o n - a n a l y s i s ，简称m r a ) ，s m a l l a t 和y m e y e r 提出的，它 的主要思想是将r ( r ) 按分辨率为盆一) 分解为一串嵌套子空间序列e j ，在通过正交补 l o 2 小波分析理论及其在线路故障中的应用 的塔式分解，将l 2 ( r ) 分解为一串正交小波子空间序列杪， 。然后将r ( 尺) 中的函数厂( ，) 表示成一系列近似函数的逼近，其中每一个近似函数都是厂在不同分辨率子空间上的投 影，通过这些投影来研究和分析厂在不同子空间上的性态及特征。其实质是在r 的某个 子空间建立基底，然后用简单的变换，把子空间上的基底扩充到r 中去。 多尺度分析【2 3 】是指满足下列性质的一系列闭子空间 y 。：，即满足下列条件要求： ， 一致单调性：c 矿，c 矿+ l 互l 2 ( r ) ； 渐进逼近性：ny ，= o ) ，u = l 2 ( r ) ； ，e z l e a 伸缩性： ) 巧厂( 2 ，) 巧一，；v ez 平移性不变性：( f ) 屹f ( t 一七) 巧： 存在函数垆( f ) v o ，使得妒( ，) 缈o 一七) 眦构成的规范正交基。其中，缈( f ) 称 为多尺度分析的尺度函数。 根据多尺度分析的概念和补空间的定义可以建立小波空间 彬 的概念。 若l 2 ( r ) 中的子空间+ 。与尺度空间巧与巧一。之间满足如下关系 圪= 巧+ low j + l ，w j + l 上巧+ l z ( 2 8 ) 则称嘭+ 。为巧的正交补空间，亦称w j + 。为j + l 尺度上的小波空间。由式( 2 8 ) 显然有 彬+ 一= 圪一巧+ 。 ( 2 9 ) v o = ok = 彤o o = 形o o 呢。巧= = 职o o 形o ( 2 1 0 ) 有r ( r ) 2 是，这样，r ( r ) 可分解成小波子空间的正交和。 由于小波空间是两个相邻空间的差，而这种差反映的是信号在两个尺度空间投 影之间的细小差别，故有时又称小波空间为细节空间。 2 2 4m a l l a t 算法 由多尺度分析理论可知，r ( r ) 可以分解为两个子空间序列，即 r ( r ) = 面- - i m v ，, ( 2 1 1 ) j e zj - o r ( r ) = q 矿， ( 2 1 2 ) 仍，t ( f ) ) ”。z ， f ，( ，) ) ， 。：分别是尺度空间巧和小波空间的规范正交基。 西安科技大学硕士学位论文 式( 2 1 2 ) 表明，对v f ( t ) 三2 ( r ) ，有 厂o ) = ( ，缈 ) 1 吩。( f ) = d j ，。 ( f ) ( 2 1 3 ) j ，k zj ，k e z 式中，乃j = ，歹，k z 是厂( ，) 离散小波变换，也称为正交离散小波变换。式( 2 。1 3 ) 称为f ( t ) 的小波级数，也称为f ( t ) 的正交小波分解，同时也可以看成f ( t ) 的重构公式。 式( 2 1 2 ) 表明，对于充分的歹，有三2 ( 足) 。此时，对夥( f ) r ( 灭) 有 巾) - s v , c ,