（电气工程专业论文）基于神经网络模型的电缆故障测距方法研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着城市电网改造工作的开展，在l l o k v 及以下系统中，电力电缆的应用日益 广泛。在一些城市的市区地下电缆己逐步取代架空线路。随着电缆数量的增多及运 行时间的延长，电缆线路因绝缘老化或人为因素的故障越来越频繁，电缆故障的准 确测距显得越来越重要。寻求一种快捷、准确的电力电缆故障测距方法，已日益受 到国内各供电企业和学者的关注，并成为国内外科研技术人员的共同目标。 电缆故障测距的方法很多，包括离线故障测距方法与在线故障测距方法。目前 离线故障测距方法比较成熟，但查找起来比较麻烦；因在线故障测距方法不够完善， 其故障测距结果还不够理想。本文在研究现有的各种电缆故障测距方法的基础上， 给出了基于分布参数电缆物理模型的故障测距方法。 对于一条电缆，由于其分布电容的存在，须用分布参数模型来表征电缆的物理 模型，本文采用分布参数模型，通过对电缆的分段递推，推导出了电缆物理模型的 数学模型。 由于电缆物理模型的分布参数数学模型比较复杂，要辨识电缆模型的参数比较 困难。由于人工神经网络具有逼近复杂系统的求解能力，本文提出了基于人工神经 网络对电缆分布参数数学模型的参数进行辨识的方法，并将辨识后的电缆分布参数 数学模型用于电缆故障的测距。 本文利用m a t l a b 软件平台实现了电缆物理模型的人工神经网络数学模型，在 a t p 仿真平台上搭建了一条l o k v 配电电缆模型，并在此电缆模型上产生了用于电 缆数学模型辨识的数据样本。利用己得到的数据样本，就电缆物理模型的人工神经 网络数学模型进行训练和测试，其训练和测试结果表明，基于人工神经网络对电缆 分布参数数学模型的参数进行辨识是可行的。 基于辨识后的电缆分布参数数学模型，本文利用在a t p 仿真平台上获取的电缆 区内两相短路、三相短路的故障数据，就基于分布参数电缆物理模型的故障测距方 法进行了仿真分析，其仿真分析结果表明，本文给出的电缆故障测距方法具有良好 的鲁棒性，能在线获得电缆故障的距离。 关键词：配网，电缆故障测距，人工神经网络，电磁暂态仿真 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t m o r e a n d m o l ec a b l e sa r e a p p l i e d i n l l o k va n d u n d e r l l o k vs y s t e m s a l o n g w i t h t h e u r b a np o w e rg r i dr e e o n s t n t e f i o n d u et ot h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fc a b l ea n dt h el o n g r u n n m gt i m e ，t h ec a b l ef a u l tc a u s e db yi n s u l a t i o na g i n go rm a n - m a d ef a c t o rh a v eb e c o m e l l l o r ea n dm o r ef r e q u e n t a s1 3 r e s u l t , a l la c c u r a t ec a b l ef a u l tl o c a t i o nm e t h o di sd e m a n d e d a n de s p e c i a l l yi m p o r t a n t d o m e s t i cp o w e r c o m p a n i e sa n da c a d e m i c i a nm a k eg r e a te f f o r t s t of i n daf a s t , a c c u r a t ec a b l ef a u l tl o c a t i o nm e t h o d , s od o e st h ei n t e r n a t i o n a ls c i e n t i f i ca n d t 酬o g i c a lr e s e 戤l a c e n t e r t h e r ea 托s om a n yc a b l ef a u l tl o c a t i o nm e t h o d s , i n c l u d i n go f l i n ea n do n l i n ew a y n o w a d a y st h eo f f l i n ec a b l ef a u l tl o c a t i o nt e c h n i q u ei sm a t u r e ，b u t i ti sv e r yc o m p l i c a t e d b yf a r , t h eo n l i n ec a b l ef a u l tl o c a t i o nm e t h o di sn o ti d e a ac a b l ef a u l tl o c a t i o nm e t h o di s p r o p o s e db a s e do nt h ec a b l ed i s l r i b u t e dp a r a m e t e rp h y s i c sm o d e l b e c a u s eo ft h e d i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c e ，t h ec a b l ep h y s i c sm o d e li sr e p r e s e n t e db yd i s t r i b u t e dp a r a m e t e r b a s e do i lt h es t u d yo f v a r i o u se x i s t i n gc a b l ef a u l tl o c a t i o nm e t h o d ，ac a b l ef a u l tl o c a t i o n m e t h o db a s e d0 1 3 t h ec a b l ep h y s i c sm o d e ld e d u c e db yd i s t r i b u t e dc a b l ep a r a m e t e ri sg i v e n i nt h et h e s i s b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo fd i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c e , t h ec a b l ei sc h a 靠嵋翻z e db y d i s t r i b u t e dp a r a m e t e r c a b l em a t h e m a t i c a lm o d e li sd e d u c e di nt h et h e s i s a st h ec o m p l e x i t yo ft h ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e rc a b l em o d e l ，i t sd i f f i c u l tt oi d e n t i f y t h ec a b l ep a r a m e t e r s a m e t h o dw h i c hu s c sa n nm o d e lt oi d e n t i f yt h ec a b l ep a r a m e t e ri s p r o p o s e d , d u et ot h ec a p a b i l i t yo f a n na p p r o a c ht oc o m p l e xo 场e c t t h ec a b l em o d e li s a p p l i e di nt h ec a b l ef a u l tl o c a t i o n t h ea n nm o d e lo ft h ec a b l ei sb u i l tb yt h em a t l a bs o t t w a r e al o k vc a b l e s y s t e mi sb u i l tb ya t p t oc r e a t et h ea n nm o d e lt r a i n i n gs a m p l e sa n ds i m u l a t i o ns a m p l e s t h ei r a i n i n ga n ds i m u l a t i o no f t h ea n nm o d ei sc a r r i e do u tb yu s i n gt h es a m p l e sf i o m a ：豫r e s u l t so ft h es i m u l a 石o ns h o wt h a tt h ec a b l ef a u l tl o c a t i o nm e t h o db a s e do nt h e a n nm o d e lp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o ni sa d a p t a b l e t w o - p h a s e a n dt l a r c e - p h a s ec a b l eg r o u 州l i n gf a u l ti ss i m u l a t e db ya t ef a u l tl o c a t i o n s i m u l a t i o nb a s e do nt h ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e rc a b l em o d e li sc o m p l e t e d ；t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ec a b l ef a u l tl o c a t i o nm e t h o dp r o p o s e di nt h et h e s i si sf e a s i b l ea n dc 孤o b l a i nt h e f a u l tl o c a t i o n 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 k e y w o r d s ：e l e c t r i c i t yd i s t r i b u t i o nn e t w o r k , n e t w o r k s , e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ts i m u l a t i o n m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：母3 乍、 签字日期： k 7 年s 月, 4 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书a 本学位论文属于 不保密( 、厂) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：童壬咪乙 导师签名： 签字日期：加 年 月砷日 签字吼1 年c 月毕 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 电缆故障测距研究的意义 随着经济建设的不断发展，电力电缆在城区配电网中得到了越来越广泛的应用。 同架空线相比，电力电缆具有供电可靠性高，不受地面和空间建筑物的影响，安全、 隐蔽、耐用等优点。另外电缆还具有不受恶劣气候和鸟类侵害，供电可靠，维护工 作量小，防潮，防腐和防损伤等优点。 随着电缆应用数量的增多及运行时间和负荷的不断增长等原因，电力电缆的故 障越来越频繁。由于电缆线路大多敷设在电缆沟内或埋入地下，因此发生故障后一 般不能通过直观法直接发现故障点，为了尽快找出故障点，需要组织大量的人力物 力，既费时费力耗资巨大，又存在很大的误差，延迟了送电时间，给电力系统带来 了巨大的经济损失和社会影响。因此，对电力系统输电线路进行快速准确的故障定 位是保证电力系统安全稳定运行的有效途径之一。在这个前提下，输电线路故障测 距装置的研究和开发就有着重要的理论意义和实用价值。 目前已有的输电线路故障测距装置主要是针对高压和超高压输电线路开发的。 然而随着农网、城网改造的进一步深入，高电压等级的建设已十分完备，自动化水 平较高，调度管理、运行管理也比较规范。相比之下，l o k v 、3 5 k v 供电网络由于 历史的原因，自动化水平基本上较低，处于长期被忽视的状态，且存在线路复杂， 线损率高、供电可靠性差、故障率高等问题1 4 j 。 城市供电网络电压等级主要是以l o k v 、3 5 k v 为主( 约占整个供电用户数量的 9 0 以上) ，部分l l o k v 供电线路也以电缆方式供电。随着城市建设的发展，配网 线路的敷设方式逐步由裸线架空型过渡到电缆地下暗敷设。虽然电力电缆故障率较 低，但是一旦发生故障，查询起来十分困难和繁琐，对提高配电网络可靠性和安全 性带来了很大障碍。 为适应市场经济的发展，在加大力度进行电网建设的同时，加强配电网络的自 动化工作，提高配电网络的管理水平和供电服务质量，这也是当前的一项重要任务。 因此，快速地发现故障，并确定故障点的位置就成为城市配网运行中的一个重要课 题。 近几十年来，基于输电线路故障测距，特别是架空输电线路故障测距问题的研 究，国内外学者已作了大量的工作，提出了许多实用的方法【3 4 3 1 。比较架空输电线 路和电力电缆线路，两者虽有相通之处，但也有不同之处。例如，一般架空线的电 感比电缆电感大，而架空线电容比电缆电容小，架空线路一般用于中高压输电。且 线路较长，而电缆则多用于中低压输电，且长度较短等。考虑到它们的异同点，可 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 以帮助我们在原有输电线路故障测距方法的基础上，结合电力电缆自身特点，在原 理和方法上进行深入研究，提出在工程上更实用、更精确的故障测距方法。 1 2 电缆故障测距研究的要求 故障测距装置又称为故障定位装置，是一种测定故障点位置的自动装置。它能 根据不同的故障特征迅速准确的测定故障点，不仅能大大减轻人工选线的大量劳动， 而且还能查出人们难以发现的故障。因此，给电力部门带来的社会、经济效益是难 以估计的。对故障测距装置的基本要求： 可靠性： ( 1 ) 装置在故障发生后能可靠的测定故障点的位置，不应由于测距原理、方法 或者工艺等任何问题使装置拒绝动作。 ( 2 ) 装置在需要测距以外的任何条件下不应错误的发出测距的指示或信号。 ( 3 ) 装置应既能测定永久性也能测定瞬时性故障。 准确性： 准确性是对故障测距装置最重要的要求，没有足够的准确性就意味着装置失效。 衡量准确性的标准是测距误差，可用绝对误差和相对误差表示。绝对误差以长度表 示，例如5 0 米，1 0 0 0 米等，而相对误差以被测线路的全长的百分比表示，例如l ，2 等。影响准确性的因数有： ( 1 ) 装置本身的误差 硬件引起的误差。测距装置的测量电压和电流值在相当大的范围内变化，因此 要求电压和电流变换器要有足够的精度。此外，不同的测距原理对硬件的要求也不 同，其中包括采样频率、模数变换器的精度以及字长的选择等。软件中数学模型和 算法引起的误差。这主要与数学模型适用范围，算法中对某些不可测量值使用可测 量值替换时引起的误差。 c 2 ) 故障点的过渡电阻。 由于过渡电阻的存在，对于利用单端电气量实现测距的装置带来较大误差。在 没有过渡电阻的条件下，这类装置的测距精度是相当满意的，但是过渡电阻的存在 及其数值的增大将测量误差增大至不能应用的程度 ( 3 ) 线路分布电容。 与高压输电线路相比，配电线路的分布电容不连续，运行方式的多变，使对地 电容的变化复杂，这会导致比较复杂的情况。因此会产生较大的误差。 经济性： ( 1 ) 装置应物美价廉。 ( 2 ) 运行维护费要低。 2 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 方便性： 装置应自动给出测距结果，不用或者尽量减少人的工作量。 1 3 电缆故障的类型 电力电缆故障主要有以下的类型哪： 机械损伤。机械损伤引起的电缆故障所占的故障率最大( 约为5 7 ) 。有些 机械损伤很轻微，当时并没有造成故障，但在几个月甚至几年后损伤部位才发展成 故障。造成机械损伤的主要原因有：1 ) 安装时损伤：安装时机械牵引力过大而拉伤 电缆，或电缆过度弯曲而损伤电缆。2 ) 直接手外力损坏：再安装后电缆路径上或电 缆附近进行城建施工，使电缆收到直接外力损伤。3 ) 行使车辆的震动或冲击性负荷 会造成地下电缆的铅包裂损。4 ) 因自然现象造成的损伤：如中间接头或终端头内绝 缘胶膨胀而胀裂外壳或电缆户套。 绝缘受潮。绝缘受潮的故障率约为1 3 。主要是由电缆中间头或终端头密 封工艺不良或密封失效、电缆外护层有孔或裂纹造成的。 绝缘老化。绝缘老化故障率为1 9 。电缆绝缘介质内部气隙在电场作用下 产生游离使绝缘下降。当绝缘介质电离时，气隙中产生臭氧、硝酸等化学生成物， 腐蚀绝缘层；绝缘层中水分使绝缘纤维产生水解，造成绝缘下降。过热会引起绝缘 层老化变质。电缆内部气隙产生电游离造成局部过热，使绝缘层碳化。电缆过负荷 是电缆过热很重要的因素。安装于电流密集地区、电缆沟及电缆隧道等通风不良处 的电缆、穿在干燥管中以及电缆与热力管道接近的部分等都会因本身过热而使绝缘 层加速损坏 过电压。大气内部过电压作用，使电流绝缘层击穿，形成故障，击穿点一般 是存在材料缺陷 设计和制作工艺不良。中间接头和终端头的水、电场分布设计不周密，材料 选用不当，工艺不不良、不按规程要求制作等，会造成电缆头故障。 材料缺陷。材料缺陷主要表现在三个方面。一是电缆制造的问题，铅( 铝) 护层留下的缺陷；在包缠绝缘层过程中，纸绝缘层上出现褶皱、裂损、破口和重叠 间隙等缺陷；二是电缆附件制造上的缺陷，如铸铁件游砂眼，磁件的机械强度不够， 其他零件不负荷规格或组装时不密封等；三是对绝缘材料的维护管理不善，造成电 缆绝缘层受潮、脏污和老化。 护层的腐蚀。由于地下酸碱腐蚀、杂散电流的影响，使电缆铅外皮受腐蚀出 现麻点、开裂或穿孔，造成故障。 电缆的绝缘物流失。油浸纸绝缘电缆敷设时地沟凸凹不平，或处在电杆上的 户外头，由于起伏、高低落差悬殊，高处的绝缘油流向低处而使高处电缆绝缘性能 3 重庆大学硕士学位论文i 绪论 下降，导致故障发生。 电力电缆故障从形式上可分为串联故障和并联故障。串联故障指电缆一个或多 个导体断开；通常在电缆至少一个导体短路之前，串联故障是不容易发现的。并联 故障是导体对外皮或导体之间绝缘下降，不能承受正常运行电压。实际的故障形式 组合是很多的。 根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为开路、低阻、高阻和闪络性故 障，如下表1 1 所示： 表1 1 电缆故障性质的分类 t a b l e l 1t h ec l a s s i f i c a t i o no f t h ec a b l ef a u l t 故障性质r |间隙击穿情况 开路在直流或高压脉冲作用下击穿 低阻 小于l oz 0 r ，不是太低时，可用高压脉冲击穿 高阻 大于1 0 2 0 高压脉冲击穿 闪络 直流或高压脉冲击穿 低阻故障。一般情况下电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电 阻低于4 0 0o 时，而导体连续性良好者称为低阻故障。常见低阻故障有单相接地、 二相短路或接地等。 高阻故障。一般情况下电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电 阻低于正常值很多，但高于4 0 0o ，而导体连续性良好者称为高阻故障。常见高阻 故障有单相接地、二相短路或接地等。 断线故障。电缆各芯绝缘良好，但有一芯或数芯导体不连续者称为断线故障。 断线并接地或短路故障。电缆有一芯或数芯导体不连续，经过( 高或低) 电阻 接地或短路。 泄漏性故障。泄漏性故障是高阻故障的一种极端形式。在进行电缆绝缘预防 性耐压实验时，其泄漏电流随实验电压的升高而增大，直至超过泄漏电流的允许值， 这种高阻故障称为泄漏性故障。 闪络性故障。闪络性故障是高阻故障的又一种极端形式。在进行电缆绝缘预 防性耐压试验时，泄漏电流小而平稳。当试验电压升到某一值时，泄漏电流突然增 大并迅速产生闪络击穿，这种高阻故障称为闪络性故障。 据统计：电缆在运行中出现的故障，故障点过渡电阻都不高，一般只有几十欧， 只有几个别出现上千欧的情况，而在电缆定期检测时则多出现高阻故障和闪络故障， 约占整个电缆故障总数的9 0 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 4 国内外电缆测距研究现状 国内外现有的电力系统故障定位( 也称故障测距) 方法主要可划分为两大类：利 用故障发生时的电量信号( 电压和电流) 进行故障测距，利用外加信号( 音频) 进行 故障测距。第一类主要分为行波法和阻抗法，并依据数据来源角度的不同，又都包括 单端法和双端法：第二类主要分为声测法和音频感应法。 1 4 1 行波故障测距法 行波故障测距法的原理是根据行波到达母线后反射到故障点，再由故障点反射 到达母线的时问差，或是根据行波初始波头到达两侧母线的时间差进行测距的一种 算法。 其中单端行波法是基于单端信息量的一种测距方法，单端行波测距的关键是准 确求出行波第一次到达测量端与其从故障点反射回到测量端的时间差，并包括故障 行波分量的提取。常用的行波单端故障测距算法有求导数法、相关法、匹配滤波器 法和主频率法。由于行波在特征阻抗变化处的折反射情况比较复杂( 如行波到达故 障点后会发生反射也会通过故障点折射到对侧母线上去) ，非故障线路不是“无限 长”，由测量点折射过去的行波分量经一定时间后，又会从测量点折射回故障线路等， 使行波分析和利用单端行波精确故障测距有较大困难。所以现在研究的较多的是双 端行波法。双端行波法的关键是准确纪录下电流或电压行波到达线路两端的时间， 误差在数个脚以内，以保证故障测距误差在数百米以内。但是它需要专用的同步时 间单元f 4 】。 在实际输电线路中，由于线路结构变化、换位方法不同、输电线沿线大地电阻 率的不均匀、线路参数随频率的变化、行波色散等问题，使得故障产生行波的特点 不能被充分利用，行波分析和研究比较困难，并且对装置的要求很高。 1 4 2 阻抗故障测距法 阻抗故障测距法是通过求解从故障点到测量点的线路阻抗值来估计故障阻抗点 距离的一种方法。在建立输电线路故障阻抗测距模型时，通常把故障距离作为一个 电路参数考虑进去，通过求解电路方程，求出阻抗距离【5 】。 阻抗法的原理基于输电线路为均匀线的假设，即假设故障回路阻抗或电抗与测 量点到故障点的距离成正比。故障时，测量装置由启动元件启动，测得故障时的电 压和电流等参数，进而计算出故障回路的阻抗。由于线路长度与阻抗成正比，因此 可以求出由装置安装处到故障点的距离。 故障阻抗的计算可以使用线路两端的信息进行，也可以仅利用一端测量信息进 行近似处理。最初人们多采用单端阻抗法，其具体的算法也非常多，但是单端法只 用到线路一侧的电压、电流测量值，在理论上无法克服过渡电阻的影响，并且需要 在测距算法中做一定的假设，所以在很多情况下其测量精度难以保证。 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 随着通信技术的飞速发展，双端故障测距已成为人们研究的重点，提出了许多 有价值的算法。双端量故障测距利用线路两端的电流、电压信息，能在理论上消除 故障点过渡电阻、系统阻抗和故障类型对测距精度的影响，具有精确测距的能力。 双端量故障测距算法可分为两种：一是基于两端非同步数据的算法。它不要求 两端的同步采样，但算法复杂，计算量大；二是基于两端同步数据的算法，它需要 两端的同步采样，但算法简单，测距精度高。同时值得注意的是，迄今所提出的双 端量测距算法还不能完全消除下列因素对测距精度的影响；线路模型、线路参数不 平衡、线路参数不准确、负荷电流、同步测量精度和基波分量的提取精度。 1 4 3 外加信号测距法 目前，比较常用的外加信号电缆故障测距方法是声测法和音频感应法。 所谓声测法就是在故障电缆上加冲击高压，使故障点放电产生爆声，然后利用 仪器直接或间接探测这爆声发出的位置，就能找到故障点。由于当故障电阻很小或 金属性短路时，故障点的放电声非常微弱，因此，声测法只适用于高阻故障。 所谓音频法就是在故障电缆上施加音频电流，使故障电缆发出音频电磁波，然 后在地面上用探头沿故障电缆路径接收电磁场变化的信号，将这信号送入耳机变为 声音，最后根据耳机中声音的强弱来判断故障点的位置。 在实际应用中，声测法常因受到电缆故障点环境因素干扰，如振动噪声过大， 电缆埋设过深等而造成定点困难。为解决这一矛盾，采用声磁同步检测法，即声磁 法【3 】。 1 5 电力电缆在线测距的发展 目前国外一些公司在不断研究新的测试方法时引入了计算机技术，拟将电缆的 运行管理，故障测试与g i s ( 地理信息系统) 结合起来。在g i s 中输入各电缆的资 料信息，在测试时，将测试结果与g i s 数据库相连，仪器所测的故障点自动在g i s 系统中显示出来，g i s 将故障点相对位置与实际位置对应起来，以便于检修，但这 必须有非常完善的基础资料以及软硬件支持。直线监测及全自动测试是未来电缆故 障测试的发展趋势。然而至今为止，电力电缆故障在线检测与测距没有架空线路那 么成熟，国内外科技人员正在努力填补这项空白。 1 5 1 应用高速光电传感技术的电缆故障测距 文献【1 4 】介绍了一种电缆故障测距系统，文章认为：当电缆发生故障时，故障点 产生浪涌电流向电缆两端传播，当浪涌电流到达测试端时，对应时刻分别未t 1 和t 2 ， 则传播时间差就为a t = i t t 一，：i ，从而故障点到测试端的距离三，可以表达为； 0 = 丁l - v a t ( 1 1 ) 6 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 其中l 为电缆总长，v 为浪涌电流在电缆中的传播速度。由上式可见，如何准 确地确定时间差出，是解决问题的关键。由于浪涌电流是一个很快的过程，该系统 采用了光磁传感器，另外，该系统采用高速a d 转换器，对浪涌波形进行采样，形 成数据，以便更精确地确定浪涌电流到达的时间差。浪涌电流在电缆传播过程中， 由于频率不同，衰减不同，发生色散现象，浪涌波形发生畸变，上升时间也产生延 迟。浪涌电流达到比较值之前的延迟时间，对传统方法来说，是产生故障测距误差 的一个重要原因。该系统中，光磁传感器产生光信号，要经过一个高速光电转换器， 把光信号变成电信号。该电信号经过高速a d 转换器，变成离散数字信号，再根据 上面公式计算出故障距离。 该系统在电缆在线故障测距领域取得重大进展，进度离实际要求相差不远，能 够迅速发现故障，减少停电损失，其缺点是：、浪涌波形上升点的确定，该系统 采用计算离散点数目的方法，理论上没有太大的误差。但是由于浪涌波形在传播过 程中的色散现象以及外界的电磁干扰，此方法仍然可能出错。、浪涌速度取经验 值，对测距精度也由影响。而且，应用这种方法，故障点在电缆中点附近时，测距 精度较高，而在靠近电缆线路两端时，误差很大。这种误差根源于故障波形的延迟 上升。 文献【1 5 】【2 1 】同样利用光纤来进行电缆故障测距，但采用的是光纤温度分布传感 器，将光纤复合到电缆中，做成光纤复合电缆。光纤温度分布传感器完全不受电磁 感应的影响，激光束注入光纤后，用分光仪将拉曼( r a m a n ) 后向散射光线分离出 来，通过监测温度间接监测电缆线路运行情况是否正常。而故障距离可以通过激光 脉冲的注入时间反射光线的到达时间差来计算，激光在此类光纤中的传播速度为 0 2 m n s 。该方法对故障的定位准确，定位时间少，而且对电缆的损伤小于其他行波 法；但是制造复合光纤电缆造价高，保护光纤不受损伤比电缆本身更有难度。 1 5 2 应用g p s 的电缆双端故障测距 文献【2 2 】成功地将全球定位系统( g p s ) 应用于电缆故障测距，又将电缆故障测距 技术推进了一步。在该系统中，同样采用故障浪涌到达电缆两端的时间差来定位的。 这就要求电缆两端的时间要同步。日本的藤仓电线公司生产出的这种故障测距系统， 利用g p s 技术，来保证各个终端的精确同步。g p s 同步卫星装配由高精度的原子时 钟，保证了时间、位置等信息的高度准确性。g p s 同步卫星向地球发射高精度脉冲 信号( 被称为c a 码) ，安装在测距终端的计时器，利用高精度晶体振荡器和脉冲信 号的同步，实现各个终端对时间同步。g p s 的应用使浪涌到达时刻的获得更为精确， 系统的测距误差也更小。同时，由于每个终端都可以独立与同步卫星同步，就没必 要在终端安装同步机，使系统更简单。由于电缆阻抗的频率响应，浪涌电流的波形 在电缆传播过程中发生畸变，使该系统对此进行了补偿，进一步提高测距的精度。 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 故障行波波头发生色散后，上升点的准确确定比较困难。该系统虽然对它进行 了修正补偿，仍不能完全排除上述困难，外界的干扰仍然会影响测距结果。此外浪 涌电流的传播速度也是影响测距结果的重要因素之一。对行波在电力电缆中的传播 特性也有待于进一步研究。 1 5 3 应用小波分析的电力电缆故障测距 八十年代发展起来的小波变换，具有表征特征信号突变特征的能力以及对非平 稳信号的良好的处理效果，可以从不同尺度下信号小波变换的结果进行干扰分析和 抑制、提取信号故障特征参数，实现故障测距。文献 2 3 1 用小波变换来检测行波准 确到达时间，在输电线路上已经成功应用。相同的原理也可以用于电缆的故障检测， 但因为电缆的距离比较短又埋于地下，行波传播过程更为复杂，要达到几米的精确 测距，需要克服更多的困难。 文献 2 4 1 基于同步采样技术和行波传播理论，应用g p s 来提高数据采样的同步 精度，故障计算同式( 1 1 ) ，小波分析来实现故障行波到达时问的精确检测。文献 2 5 】 提出将小波用于电缆故障测距的算法，是一种离线测距方法，在脉冲电流测试法的 基础上，引入小波变换，再进行3 尺度小波分解于重构，再对重构信号进行5 尺度 小波分解，在分解尺度上检测模极大值，以确定放电脉冲和反射脉冲的起始点k l 和k 2 ，然后利用公式( 1 2 ) 来确定故障距离： l ，：v ( k 2 - k 1 )( 1 。 2 f , 、。 其中k l 和k 2 是离散采样点，f 是采样频率，v 是脉冲传播速度。 另外，单端测距也在研究中，输电线路的单端测距，文献【2 6 】的研究也有了一 定的进展。文献 2 7 1 提出了一种基于阻抗法的单端在线测距方法。考虑到电缆发生 故障时，故障点的电弧呈现纯电阻性，故障点的电流和故障点两端的电压同相位， 然后根据电缆首端的电压和电流的测量值，在线路的分布参数理论基础上求出沿电 缆各点的电压、电流值以及它们的相位差。建立故障测距方程后就可以进行在线故 障测距了。 1 5 4 实时专家系统 专家系统，即用计算机来模拟专家思维，解决某一领域内的重大问题。文献 2 8 1 1 2 9 1 指出，电缆故障测距专家系统将专家知识库作为电脑的基本数据库，用一套 规则来维护和更新知识库。它根据故障定位的三个主要内容把任务分为三各阶段： 故障诊断、故障预定位、故障精确定点，文献 2 8 1 1 2 9 都采用脉冲电流法。精确定点 阶段采用常用的定点方法( 音频感应法、声磁同步法等) 。 8 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1 6 论文研究的内容和目标 本论文在学习现有的电缆故障测距方法基础上，对配电网中的中压( 即 6 - - 1 0 k v ) 电力电缆的故障测距方法( 属于小电流接地系统) 进行了探讨。在系统发 生故障后的恢复处理中，故障测距的结果是查找故障点位置的重要依据，准确的故 障测距对故障的迅速恢复具有重要的实用价值。对于配电网中( 6 - 1 0 ) k v 线路的故障 测距研究，是一个棘手的难题，研究历史不长，未能在实际中真正的应用，与输电 系统中线路的故障测距相比较尚属不成熟的阶段。在配电网中，电缆故障测距所存 在的问题不同于输电系统。随着人工智能原理和新数学工具的发展，给研究者开辟 新途经的研究提供了理论依据。新的数学工具的应用，已提出了不少新的配电网故 障测距方法。其中文献【5 2 】将故障后暂态电气量作为研究对象，采用时间序列用小 波神经网络原理实现单相接地故障测距；文献【5 3 】采用f 1 u 所采集到的故障后各 节点的故障暂态信息，使用故障前后的基频电气量进行故障测距。 本论文拟对基于分布参数电缆物理模型的测距方法进行研究，在对故障测距机 理深入分析的基础上，从故障测距的模型构造、实现原理、计算方法上去研究和实 现。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 在了解国内外配电网电缆故障测距研究工作的基础上，对配电网电缆故障 测距的各种方法进行归纳总结，为本文的研究工作打下理论基础。 ( 2 ) 针对电缆故障在线测距的困难性，拟就基于分布参数电缆物理模型的故障 测距方法进行研究。 ( 3 ) 就电缆存在分布电容的特点，开展电缆分布参数模型的数学模型的研究， 拟推导出电缆物理模型的数学模型。 ( 4 ) 由于电缆物理模型的分布参数数学模型比较复杂，要辨识电缆模型的参数 比较困难，本文拟采用基于人工神经网络对电缆分布参数数学模型的参数进行辨识 的方法，并将辨识后的电缆分布参数数学模型用于电缆故障的测距。 ( 5 ) 本文拟利用m a t l a b 软件平台实现电缆物理模型的人工神经网络数学模型， 在a t p 仿真平台上搭建一条1 0 k v 配电电缆模型，并在此电缆模型上产生用于电缆 数学模型辨识的数据样本。利用得到的数据样本，就电缆物理模型的人工神经网络 数学模型进行训练和测试。 ( 6 ) 基于辨识后的电缆分布参数数学模型，本文拟利用在a r p 仿真平台上获 取的电缆区内两相短路、三相短路的故障数据，就基于分布参数电缆物理模型的故 障测距方法进行仿真分析，拟证明故障测距方法的可行性。 9 重庆大学硕士学位论文 2 基于电缆物理模型的故障测距原理 2 基于电缆物理模型的故障测距原理 对于一个实际的物理电缆，其物理模型是客观存在的，其物理模型可以用代表 电路特性的各个参数进行表征。如果一条电缆的正确物理模型已知，则当电缆发生 故障时，确定故障点就变得比较容易。下面就基于电缆物理模型的故障测距方法进 行讨论。 2 1 基于电缆物理模型的故障测距原理 假设在电缆参数已知情况下，可以对电缆的数学模型进行推导。 当电缆发生故障时，故障示意图如图2 1 所示： 蠊e 7 叫负荷 图2 1 电缆故障示意图 f i g _ 2 1s k e t c hf o rc a b l ef a u l t 图中，为电缆总长，为电缆m 端到故障点的长度，盖，为电缆接地短路时的过 渡电阻。 对图2 1 所示的一条故障电缆，假设电缆参数已知，为了求得电缆故障距离“ 必须先求出故障点处电压( 1 ，) 与m 、n 端电流、电压( 0 ，0 ，v ) 的关系，因 为在电路中只有m 、n 端电流、电压可以通过测量得到。 当电缆发生故障时，假设能够得到故障点处电压满足； ，= f , q 1 ，0 ) ( 2 1 ) 1 ，= 以u 一，1 ，i n ) ( 2 2 ) 式中，0 为m 端电压电流，0 为n 端电压电流。 由式( 2 1 ) ( 2 2 ) 可得： v = z “，0 ) 2 厶u 一，1 ，0 ) ( 2 3 ) 在式( 2 3 ) 中，在电缆参数已知情况下，只有一个未知数，通过求解( 2 3 ) 方程就可求出值。下面将对砸) 表达式z 以，0 ) 、办( 1 - i ，v ，如) 进行推导。 1 0 重庆大学硕士学位论文2 基于电缆物理模型的故障测距原理 2 2 电缆故障测距数学模型 对于一条电缆线路，由于分布电容的存在，集中参数模型已经不能够满足电缆 测距的要求，所以本文中采用电缆的分布参数模型，考虑了分布电容对电缆测距的 影响。 卜一t 叫 图2 2 电缆示意图 f i g 2 2s k e t c hf o rc a b l e 如图2 2 所示的一条电缆，m 端为电源端，n 端为负荷端，为电缆总长，x 为 电缆中任意一点p 到m 端的距离。 根据分布参数电路理论可知，电缆上距m 端x 处点的电压、电流，不仅是时间 t 的函数，而且是电缆长度x 的函数，即： v - v ( x , o ( 2 4 ) 【扣i ( x ，) 对图2 2 所示一条电缆线路，若取一小段，如图2 3 ： ab v i 卜一屹 i 如 图2 3 一小段电缆 f i g 2 3o n es h o r tc a b l e 则这小段上的电压、电流满足式( 2 5 ) ( 2 6 ) ： 竺d r ：一r i a b c 一工竺d r 出 西 旦出：_ c 竺凼 苏 西 其中r ：电缆单位电阻，l ：电缆单位电感，c ：电缆单位电容， 中间任意一点p 处电流、电压。 由式( 2 5 ) ( 2 6 ) 可得： 罢= - c 昏西b a 。 由式( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 可得式( 2 8 ) ： ( 2 5 ) ( 2 6 ) i ，v 为电缆 ( 2 7 ) 重庆大学硕士学位论文2 基于电缆物理模型的故障测距原理 h = v 2 + r 啦+ 肋j t + r c f ( r 害咖) 凼+ 工c f ( f 鲁凼) 凼 ( 2 8 ) 其中为a 端处电压，v ：为b 端处的电压，如为b 端处的电流。 从式( 2 8 ) 可以看, h i ，对一条均匀的电缆，a 端电压可f hb 端电压、电流推导 得到。 在一条电缆中，电流、电压波传播速度较低，电缆中的电流电压波长很短。对 于油浸纸绝缘电缆，其电流波长大概为3 2 0 0 k i n ，而对于塑料电缆，波长约为3 4 0 0 - - 4 0 0 0 k m ，橡胶电缆约为4 4 0 0 k i n 。但r h 于配电网中电缆长度，一般很小，短的在几 百米。对于几公里长的电缆，流过电缆两端的电流、电压关于时间的导数在f 上的 变化都很小，电压对时间导数可近似为常数。由式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 可得式( 2 9 ) ： 卜+ a 鲁+ 譬e晓9 ， 卜匕+ r l i 2 + l l i 2 + 等 + 争2 e 其中电流、电压的导数为对时间求导。 对式( 2 9 ) ，如果所求的一段电缆的长度为距a 端长度为x 的点，电压、电流 为v 、f ，则式( 2 9 ) 可改写为式( 2 1 0 ) ： i f 。如+ c ( ，一x ) + c 2 ( 1 ，- - x ) 2v ； 【v * 屹圳叫如州h 蜘等) 2 v ：+ 等u 叫e 即求得中间任意一点处电压、电流与b 端电压、电流的表达式。 同理可以求得中间任意一点处电压、电流与a 端电压、电流的表达式如式 ( 2 1 1 ) ： f f 。+ 叫+ 华 【v 硝+ z , x i l + 等“+ 等“ 对于式( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ，只有在z 足够小，电压、电流的波长远远大于电缆长度 时才有足够的计算精度。 对于图2 2 所示的电缆，原理上可将电缆分为图2 3 所示的多个小段。本文从 - r 程角度，将电缆分为n 等分，其示意图如图2 4 所示。n 越大，竺在长度为l n 上变化越小，式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 越准确。 重庆大学硕士学位论文 2 基于电缆物理模型的故障测距原理 v 1 ( f ) v 一- 1 ( o v o ( t ) m 卜_ j j j l 一n 12 n - i n 图2 4 分段电缆示意图 f i g 2 4s k e t c hf o rd i v i d e dc a b l e 由于电缆的波长很长，为3 2 0 0 k m 4 2 0 0 k m ，尝在电缆上的各个点处的变化很 讲 小，在电缆上各点的尝基本为常数。可把图2 4 所示电缆二等分进行数学模型推导， 讲 二等分( 即n = 2 ) 以后的电缆如图2 5 所示： 卜一，一l 1l k j _ i 卜i i m 卜_ 一in p 图2 5 二等分电缆示意图 f 嘻2 5s k e t c hf o rb i s e c t i o nc a b l e 对式( 2 1 0 ) 进行两次迭代，就可得由n 端处的电流、电压表示的m 端电压： *vr+2rli+(2+2+华，3)o+(-半-i+2rli r c i + 上a 2 + 罢拿，3 ) 矗+ 三疗二+ v r+ ( 2 + 2 + 竿，3 ) 0 + 上a 2 + ! 警，3 ) 矗+ 三疗二+ 删“+ ( 丝，倒l c 22+ 壁2n 丝4 ，4 ) 西+ 擘2n 墅4 ，4 ) 嵋+ 竿，2 “、 7 “、7 “ 4 。一 ( 2 1 2 ) 式中r 为电缆单位电阻，l 为电缆单位电感，c 为电缆单位电容，为电缆总 长，为m 端电压，h 为n 端电压，k 为n 端电流。 对于电缆，有时候还需进一步把电缆进行多等分，以减少电缆过长时：t t v 不近似 讲 常数导致的电缆数学模型的误差。若电缆的分段越多，娑对模型推导的影响越小， 模型越准确。 如图2 4 所示的电缆线路，进行n 等分后，长度为n 的一段电缆的末端电压 可以由该等分段的首端电压表示。只要n 选择合