摘要：在電力系統(tǒng)中，由于噪聲影響，故障特征信息的提取可能不準(zhǔn)確，影響定位精度。為此，研究基于小波包變換的電力電纜單相接地故障區(qū)段自動(dòng)定位方法，通過(guò)高精度傳感器采集電纜故障信號(hào)，利用小波包變換進(jìn)行多尺度分解和重構(gòu)，以提取時(shí)域特征，并基于這些特征建立選線判據(jù)來(lái)確定故障區(qū)段。實(shí)驗(yàn)證明，此方法在金屬性和非金屬性接地故障中均能實(shí)現(xiàn)精確定位，為電纜故障的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)提供了有效手段。

關(guān)鍵詞：小波包變換 電力電纜 單相接地故障 故障區(qū)段 故障區(qū)段定位

中圖分類號(hào)：TM77文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Automatic Positioning Method of Single-Phase Ground Fault Section of Power Cable Based on Wavelet Packet Transformation

YIN Yiguo WANG Qiang

Integrated Electronic Systems Lab Co.， Ltd.， Ji’nan， Shandong Province， 250104 China

Abstract： In power system， due to the influence of noise， the extraction of fault feature information may be inaccurate， which affects the location accuracy. Therefore， a automatic positioning method of single-phase ground fault section of power cable based on wavelet packet transformation is studied. It collects the cable fault signal through high-precision sensor， and uses multi-scale decomposition and reconstruction through wavelet packet transformation to extract the time domain features. Based on these characteristics， line selection criteria are established to determine the fault section. Experimental results show that the method can accurately locate both metallic and nonmetallic ground faults， and provides an effective means for fast and accurate detection of cable faults.

Key Words： Wavelet packet transformation; Power cable; Single-phase fault; Fault section positioning

電纜運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，單相接地故障頻發(fā)，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，研究準(zhǔn)確、高效的電力電纜單相接地故障區(qū)段自動(dòng)定位方法對(duì)提高故障處理能力和運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)研究。例如：黃燦英等人[1]通過(guò)分析配電網(wǎng)單相接地故障的暫態(tài)信號(hào)，提取時(shí)域特征進(jìn)行故障定位，但接地電阻大時(shí)信號(hào)受干擾，定位精度下降；張大波等人[2]通過(guò)優(yōu)化邊緣設(shè)備配置和全連接型深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定位故障區(qū)段，但成本限制導(dǎo)致部分配電網(wǎng)故障信息有限，影響定位精度。隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，小波包變換在電力電纜故障定位中備受關(guān)注，其多分辨率分析特點(diǎn)能同時(shí)提取時(shí)頻信息，對(duì)處理非平穩(wěn)、非線性信號(hào)有優(yōu)勢(shì)。在該背景下，本文深入研究基于小波包變換的電力電纜單相接地故障區(qū)段自動(dòng)定位方法，探討其可行性和有效性。

1采集電纜故障電氣信號(hào)

當(dāng)電力電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生特定的電氣信號(hào)。這些信號(hào)包含了故障發(fā)生的關(guān)鍵信息，是后續(xù)分析和定位的基礎(chǔ)，因此，準(zhǔn)確、快速地采集這些故障電氣信號(hào)對(duì)于后續(xù)的故障定位至關(guān)重要。一般情況下，當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，故障區(qū)段內(nèi)的各線路將表現(xiàn)出典型的零序電流特征。此時(shí)，所產(chǎn)生的電流暫態(tài)信號(hào)即為暫態(tài)零序電流，其構(gòu)成的主要參量包括描述系統(tǒng)容錯(cuò)能力的容錯(cuò)指標(biāo)及反映線路電感特性的電感指標(biāo)[3]。本文給出了單相接地故障等值回路下的瞬態(tài)線路圖（見(jiàn)圖1）。

由圖1可知，電力電纜單相接地故障區(qū)段的等效電路可表達(dá)為式（1）。

式（1）中：表示電力電纜單相接地故障區(qū)段的零序電源；表示故障區(qū)段任意一點(diǎn)的角頻率；表示故障位置點(diǎn)的初始相位角；表示瞬時(shí)暫態(tài)容錯(cuò)電流；表示故障時(shí)間窗口。

根據(jù)單相接地故障等效電路下的暫態(tài)電路圖，合理選擇采集點(diǎn)。采集點(diǎn)需充分反映電纜的運(yùn)行狀態(tài)，并且便于安裝傳感器[4]。傳感器應(yīng)具備高精度、高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)等特性，保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。型號(hào)為CT-1000的電流互感器、PT-2000的電壓互感器、LPD-3000的局部放電檢測(cè)器、ERM-4000的接地電阻測(cè)量?jī)x、HFCS-5000的高頻電流傳感器、THS-6000的溫濕度傳感器分別被安裝在電纜線路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處、電纜線路的起始和終止端、電纜絕緣層附近、電纜接地系統(tǒng)附近、電纜線路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處、電纜敷設(shè)區(qū)域的關(guān)鍵位置，如電纜井、電纜隧道等。

綜上所述，處理電纜故障電氣信號(hào)是一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的過(guò)程，需要綜合考慮多個(gè)因素。通過(guò)合理的傳感器選擇和安裝，以及有效的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，可以更準(zhǔn)確地定位電纜故障，提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2利用小波包變換提取故障信號(hào)時(shí)域特征

在對(duì)離散信號(hào)進(jìn)行小波變換時(shí)，不需要知道具體的小波函數(shù)，只需獲取其對(duì)應(yīng)的低通和高通濾波器系數(shù)即可。小波包變換表達(dá)式為

式（2）中：表示分解標(biāo)度；表示低通濾波器的系數(shù)；表示高通濾波器的系數(shù)；表示第尺度下的平滑分量；表示第尺度下的細(xì)節(jié)分量。

通過(guò)這式（2），完成小波包變換的分解過(guò)程，剔除故障信號(hào)中工頻所在的最低頻段，其余各頻段的能量被用作表征電力電纜故障區(qū)段上下游的特征量[5]。通過(guò)觀察這些特征量的分布情況，發(fā)現(xiàn)電力電纜健全區(qū)段的特征量相對(duì)熵較小，而故障區(qū)段的特征量相對(duì)熵較大?；谶@一規(guī)律，實(shí)現(xiàn)故障信號(hào)時(shí)頻特征的提取，為后續(xù)的故障區(qū)段定位提供準(zhǔn)確依據(jù)。

3建立選線判據(jù)確定故障區(qū)段

在電力電纜單相接地故障區(qū)段自動(dòng)定位的流程中，基于前面提取的故障信號(hào)時(shí)域特征，通過(guò)深入分析電纜線路的實(shí)際情況和故障特征，旨在快速建立選線判據(jù)，進(jìn)而準(zhǔn)確地定位故障發(fā)生的具體位置[6]。

為了更精確地定位故障區(qū)段，首先建立空間測(cè)量矩陣。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)所連接電纜的端點(diǎn)、測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，并結(jié)合采樣系統(tǒng)的低頻分量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到相關(guān)系數(shù)

式（3）中：表示第行第列的元素；是與所述支路節(jié)點(diǎn)相連的線纜的總數(shù)量。

矩陣所有元素之和為（4）所示。

根據(jù)式（4）中的取值，假設(shè)故障電纜另一端節(jié)點(diǎn)為，則利用建立如下選線判據(jù)。

（1）若，故障區(qū)段節(jié)點(diǎn)滿足：

式（5）中，函數(shù)用于求任一向量中所有元素之和。

（2）若，故障區(qū)段節(jié)點(diǎn)滿足：

式（6）中：為節(jié)點(diǎn)所連接條電纜的端點(diǎn)。

由公式分析可知，本部分構(gòu)造的區(qū)間定位準(zhǔn)則如下：根據(jù)每一測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)特性模值，判斷出某一故障段的某一節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而結(jié)合支路的拓?fù)浜蜏y(cè)點(diǎn)的空間位置，將其與極性系數(shù)相乘的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)間的識(shí)別。

綜上所述，通過(guò)建立選線判據(jù)，并結(jié)合空間一測(cè)量矩陣的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電纜單相接地故障區(qū)段的準(zhǔn)確定位。

4實(shí)驗(yàn)

4.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

采用PSCAD軟件構(gòu)建輸電系統(tǒng)仿真環(huán)境，并安裝瞬態(tài)信號(hào)采集設(shè)備。每條線路以1.2 MHz采樣頻率和6 ms故障采集時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置：Think Pad T型計(jì)算機(jī)工作站；配備Intel Core i7處理器、16 GB RAM和500 GB固態(tài)硬盤(pán)；10 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜；Windows10操作系統(tǒng)。使用MATLAB進(jìn)行信號(hào)處理和分析，其內(nèi)置小波包變換算法庫(kù)方便信號(hào)的時(shí)頻分析和特征提取。

本實(shí)驗(yàn)以故障區(qū)段定位精度為評(píng)估指標(biāo)，衡量單相接地故障時(shí)自動(dòng)定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。通過(guò)比較實(shí)際故障位置和系統(tǒng)定位結(jié)果間的偏差來(lái)評(píng)估定位效果。精度越高，定位效果越好。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)上述6處故障區(qū)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用本文方法、黃燦英等人[1]和張大波等人[2]的方法來(lái)確定它們的位置，然后利用Key sight EEsof來(lái)對(duì)各種方法的位置進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，本文方法在電力電纜單相接地故障定位上顯著優(yōu)于黃燦英等人[1]和張大波等人[2]。

對(duì)于金屬性和非金屬性接地故障，本文方法均能實(shí)現(xiàn)更精確的定位。特別在金屬性接地故障中，平均定位精度僅為0.18 m，遠(yuǎn)低于黃燦英等人[1]的0.62 m和張大波等人[2]的0.45 m；對(duì)于非金屬性接地故障，本文方法平均定位精度為0.24 m，優(yōu)于黃燦英等人[1]]的0.67 m和張大波等人[2]的0.51 m。這表明本文方法在提高定位精度上具有明顯優(yōu)勢(shì)，為電纜故障的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)提供了有效手段。

5結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于小波包變換的電力電纜單相接地故障區(qū)段自動(dòng)定位方法進(jìn)行了深入研究。該方法能準(zhǔn)確提取故障信號(hào)的時(shí)域特征，通過(guò)多尺度分析，并結(jié)合選線判據(jù)，快速確定故障區(qū)段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在定位精度和速度上均有顯著提升，可為電力系統(tǒng)故障處理提供支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃燦英，楊墉金，寧珍.基于暫態(tài)信號(hào)的配電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段自動(dòng)定位方法[J].自動(dòng)化與信息工程，2023，44（6）：22-28.

[2] 張大波，李雪婷，陶維青.基于邊緣計(jì)算和深度學(xué)習(xí)的有限信息配電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2023，51（24）：22-32.

[3] 尹向東.基于小波包變換的10 kV配電網(wǎng)故障區(qū)段定位方法[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2024，65（6）：43-44，47.

[4] 吳璐子.基于小波變換的含分布式電源配電網(wǎng)單相接地故障選線[J].閩江學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，44（5）：81-90.

[5] 梁睿，彭楠，張政一，等.暫態(tài)特征模量時(shí)頻分析的電纜型配電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2023，43（23）：9098-9114.

[6] 馬鐵軍.基于小波包變換的核電廠用電保護(hù)接地選線方法[J].電工技術(shù)，2022（10）：72-75.