基于混沌時域反射技術的電力電纜絕緣缺陷檢測方法

范亞洲

(廣東電網有限責任公司電力科學研究院,廣東 廣州 510080)

0 引言

電力電纜在電力系統中占據十分重要的地位,電纜的絕緣狀態對電力系統的運行狀態產生比較直接的影響。因此,研究電力電纜絕緣缺陷自動檢測方面的技術是一項全新的挑戰[1-2],更有助于排除故障隱患,減少不必要的損失。

在當前電力市場環境下,我國對電力企業提出了更高的要求。隨著電力電纜等級的不斷提升,如果無法確保電力電纜的安全性,那么系統的穩定性也會隨之受到影響。目前,我國電力電纜的維護工作基本以預防為主,只在設定的時間范圍內展開人為檢修。但隨著電壓等級以及輸送容量的不斷提升,電力電纜的使用次數快速增加,傳統的人工檢修方式造成大量人力物力浪費,同時漏檢和錯檢情況也十分嚴重。為有效解決上述問題,國內相關專家給出了一些較好的研究成果[3-5]。但這些方法在實際應用過程中,都比較容易受到電纜信號噪聲的影響,降低絕緣缺陷檢測精度。為解決上述問題,本文基于混沌時域反射技術,設計一種電力電纜絕緣缺陷檢測方法,以實現更加精準的電力電纜絕緣缺陷檢測。

1 電力電纜絕緣缺陷檢測方法

1.1 電力電纜信號去噪處理

(1)

式中:i為第i個經驗模態分量;?i,j為模態函數的基本帶寬;uk為信號梯度;e為常數;ωk為權重因子。

求解變分問題,優先需要引入2個參數,分別為懲罰因子α以及Lagrange乘法算子λ(t),其中,前者存在的主要目的是為了完成信號重構;而后者則是為了完成問題的轉換工作。將方程從約束性問題轉換為非約束問題,進而求解最優解L{(uk)(ωk),λ(t)},即

L{(uk)(ωk),λ(t)}=

(2)

通過懲罰算子交替更新不同方向的懲罰因子以及Lagrange乘法算子,經過拓展處理獲取對應的基本模態分量,具體計算式為

(3)

(4)

式中:j為第j個經驗模態分量;ω為權重;f(w)為等距變換次數之和。

在信噪分離過程中,電力電纜信號的冗余特性也需要展開分析,這樣不僅可以減少損失,同時還有助于選擇最佳分解尺度。為了滿足電力系統運行需求,不僅要提取電力電纜信號特征,同時還需要選擇最佳小波基。其中,最佳小波基的選取主要是為門限函數作為約束條件,經過分析和研究,可以得到電力電纜信號和小波基兩者之間的相似性。

在AVMD分解的基礎上,還需要引入自適應小波包分解方法,詳細的操作流程如圖1所示。

圖1 自適應小波包分解流程

在不同程度的白噪聲干擾條件下,優先采用AVMD分解方法將電力電纜中周期性窄帶干擾和白噪聲分解處理,使其可以分解在對應的基本模態分量中。然后引入自適應小波包分解對電力電纜信號分解處理,使其位于高低頻分量中。最終,采用閾值法將不含有局部信號的分量過濾出來,獲取比較純凈的信號,最終實現電力電纜信號去噪[8-9]。

1.2 基于混沌時域反射技術的電力電纜絕緣缺陷檢測

通過半導體激光在光擾動條件下產生的帶寬連續混沌振動,根據輸出波形構建與之對應的自相關曲線,以此為依據,提出混沌時域反射技術。

混沌時域反射技術主要是根據混沌光時域反射儀的測量原理得到的。其中,光反饋半導體激光器由半導體激光器和反饋裝置共同組成,通過反饋參數使激光器輸出混沌激光;然后,連續的混沌激光被劃分為2路,分別為:參考光;探測光。

當探測光進入到待檢測光纖后,需要將光纖中引發的回波信號轉換為電信號,參考光執行相同的操作。將記錄下來的數據展開相關計算,進而獲取相關曲線,通過相關峰對應的延遲時間即可獲取發生故障的具體坐標位置[10-11]。

混沌OTDR檢測電力電纜絕緣缺陷的核心為:采用混沌信號建立自相關函數Q(t)?Q(t),即

Q(t)?Q(t)=Q(t)2×?(t)

(5)

式中:Q(t)為回波信號;?(t)為探測信號。

回波信號和探測信號兩者的本質相同,但在時間上存在比較明顯的差異,兩者的時間差值可以表示為

Pe(t)=∑RiρPr(t-τi)exp(-β(t))

(6)

式中:Pe(t)為時間差值;Ri為故障點產生的反射率取值;ρ為探測信號和回波信號兩者之間的功率比;Pr為光纖入射角取值;τi為光的傳播速度;β(t)為鄰近兩者故障之間的往返時間。

通過分析2種信號的時間差值可以得到兩者的互相關函數Pr(t)?Pe(t),即

Pr(t)?Pe(t)=

ρ(Pr)2exp(-β(t))*[Q(t)2×?(t)]

(7)

現階段,混沌時域反射技術已經實現了和距離無關的高精度測量,使其逐漸發展成為電力電纜絕緣缺陷檢測的重要技術。

通過對混沌時域反射技術的深入分析可知,混沌系統中的不同特性全部可以采用動力學行為展開描述和分析。混沌是非線性系統中一種十分常見的現象,通過其可以更加準確檢測缺陷信號[12-13]。

將周期策動力的外加強迫項即沒有檢測的信號代入到已經建立好的系統方程中,經過整理,可以獲取Duffing方程為

(8)

通過Duffing方程可以獲取電力電纜不同運行狀態下時域波形和相平面兩者的變化情況,具體如下:

a.當策動力幅值等于0時,需要求解相平面內數據對應的鞍點以及焦點等相關信息。

b.當策動力幅值高于0,則混沌系統可以劃分為幾種不同的動力學運行形態,分別為:

①當策動力幅值取值偏低時,借助相軌跡對大量吸引子展開映射處理,使其可以在設定周期內展開振蕩等相關操作。

②當策動力幅值開始逐漸增加,系統自動轉換為軌道運行狀態。

采用Duffing-Homes方程設計特定的混沌系數,當外加信號一定時,通過線性方程控制系統的運行狀態;當恢復力取值一定時,可以通過外加信號判斷系統的運行情況。

對電力電纜絕緣信號的頻率展開分析處理,得到不同周期對應的信號頻率,確定窄帶干擾下產生的混沌子系統閾值,通過調節系統閾值可以準確獲取系統當前的運行狀態。

電力電纜絕緣缺陷信號的形成主要包含2個比較關鍵的參數,分別為:延遲;幅值。

延遲是信號發生器的主要部分,通過脈沖產生固定延遲,在延遲產生之后,需要再次發送脈沖信號,同時二次采樣,以此達到信號等效采樣的目的。其中,相關峰的時間延遲產生的主要流程如圖2所示,具體如下:

圖2 相關峰的時間延遲形成流程

a.優先形成時鐘。

b.引入游標卡尺原理獲取脈沖。

c.計數器處理工作。

d.輸出比較器結果。

e.形成相關峰的時間延遲。

相關峰的幅值信息也是電力電纜發生器的重要組成部分,通過幅值信號產生形成固定寬度的脈沖信號。

在完成電力電纜信號發生器設計后,對脈沖的控制重點體現在相關峰的時間延遲以及幅值信息中。因此,相關峰的時間延遲是為了完成等效采樣處理,幅值信息則是通過測量電纜的長度完成。由于時基不同,所以需要自動選擇延遲取值范圍。

根據脈沖時間差可以獲取最大采樣率和采樣周期之間的倍數關系,進而確定采樣數據組,具體的表達形式為

(9)

式中:M為采樣數據組;div為時間基。

經過上述分析,通過混沌時域反射技術將電力電纜信號劃分為2種不同類型的信號,分別為參考信號和探測信號,通過分析獲取電力電纜絕緣位置故障點的反射信號,進而完成采樣處理。同時根據已知的相關峰的時間延遲以及幅值信息中獲取缺陷發生的位置,最終達到電力電纜絕緣缺陷檢測的目的[14-15]。

2 實驗測試與分析

為驗證本文所提的基于混沌時域反射技術的電力電纜絕緣缺陷檢測方法的有效性,選擇某電力企業正在檢修的3條電纜作為實驗對象,結合智能電纜故障測試儀_DMS-40D2共同展開測試,采樣頻率為30 MHz、60 MHz、120 MHz、200 MHz多種采樣頻率,測試距離可達165 km,測試脈沖:0.1～9.9 μs,Max 200 V,讀數分辨率小于0.4 m。本次實驗用故障測試儀如圖3所示。

圖3 故障測試儀

電力電纜的基本實驗參數如表1所示。

表1 電力電纜實驗參數設定

為驗證檢測結果的準確性,將文獻[3]方法與文獻[4]方法作為對比方法,采用3種方法對3條電纜進行絕緣缺陷檢測,以視在放電量為檢測指標,與實際缺陷放電量進行對比,結果越相近,表明對電纜絕緣缺陷檢測的準確性越高。針對3條電纜的檢測結果如圖4所示。

圖4 不同方法的電力電纜絕緣缺陷檢測結果對比分析

分析圖4中的實驗數據可知,本文方法對3條電纜的視在放電量的檢測結果,與實際缺陷放電量較為一致,可以更加準確檢測電力電纜絕緣缺陷,而其他2種方法的檢測結果與實際缺陷放電量有所差距,由此可以驗證,本文方法與真實的檢測結果較為一致,檢測精度較高,具有一定的實際應用性能。

3 結束語

針對傳統方法缺陷檢測方法存在的一系列不足,結合混沌時域反射技術,提出一種基于混沌時域反射技術的電力電纜絕緣缺陷檢測方法。經過大量實驗測試證明,本文方法可以精準檢測電力電纜絕緣缺陷,獲取比較滿意的檢測結果。