摘 要：高壓輸電電纜周圍環(huán)境復(fù)雜，存在多種干擾因素，影響故障定位的準(zhǔn)確性。因此，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高壓輸電電纜故障定位方法。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對電纜零序電壓、電流信號進(jìn)行監(jiān)測，對故障信號進(jìn)行識別、采集、傳輸，采用小波變換技術(shù)對監(jiān)測信號進(jìn)行濾波處理，之后利用行波測距理論確定發(fā)生電纜故障的地理位置，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高壓輸電電纜故障定位。實(shí)驗(yàn)證明，所提方法定位結(jié)果與實(shí)際故障地理位置基本一致，最大定位誤差為0.02 m，基本可以實(shí)現(xiàn)對高壓輸電電纜故障的精準(zhǔn)定位。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；高壓輸電電纜；故障定位；小波變換技術(shù)；行波測距理論；電纜零序電壓；電流信號

中圖分類號：TP39；TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-00-03

0 引 言

高壓輸電電纜作為電力傳輸?shù)闹匾d體，由于受到環(huán)境、設(shè)備老化、人為破壞等原因影響，在運(yùn)行過程中可能會出現(xiàn)各種故障，如斷線、短路等，這些故障如不能及時定位并修復(fù)，將可能引發(fā)更大的電力事故[1]，對人們的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。因此，如何快速、準(zhǔn)確地定位高壓輸電電纜的故障位置，成為電力行業(yè)面臨的重要問題。

文獻(xiàn)[2]建立了電力電纜分布參數(shù)模型，利用希爾伯特變換獲取包絡(luò)參數(shù)，實(shí)施歸一化處理后，采用8階巴特沃斯帶通濾波器濾除噪聲干擾，完成故障定位。文獻(xiàn)[3]通過補(bǔ)充集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法分解反射系數(shù)譜，結(jié)合加努塔爾-布萊克曼混合卷積窗獲取故障電纜的定位曲線。但上述2種方法的故障定位需要通過離線數(shù)據(jù)處理和相應(yīng)運(yùn)算來獲得結(jié)果，不具備實(shí)時監(jiān)測能力。

為此，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高壓輸電電纜故障定位方法，為電纜故障定位實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜監(jiān)測

當(dāng)電纜出現(xiàn)故障時，在故障點(diǎn)會產(chǎn)生行波電流，且電網(wǎng)三相電壓不再對稱，各線路中將出現(xiàn)零序電流和零序電壓。行波電流會沿著電纜傳播，并在傳播過程中產(chǎn)生一系列的物理效應(yīng)和電氣效應(yīng)，通過對這些效應(yīng)的測量和分析，可以確定故障的位置。因此，對電纜零序電源信號進(jìn)行采集與監(jiān)測，是及時發(fā)現(xiàn)并解決故障的前提。本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對電纜中的零序電壓與零序電流進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對電纜故障信號的同步采集?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜監(jiān)測示意圖如圖1所示。

如圖1所示，在一條高壓輸電電纜線路上設(shè)置若干個監(jiān)測點(diǎn)，每個監(jiān)測點(diǎn)上安裝一臺無線傳感器，把一條高壓輸電電纜線路分成若干段。各監(jiān)測點(diǎn)對高壓輸電電纜的零序信號進(jìn)行同步采集與相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而得到高壓輸電電纜的運(yùn)行狀況。每個感知節(jié)點(diǎn)通常處于休息狀態(tài)，即在判定高壓輸電電纜是正常狀態(tài)的情況下，不會主動將高壓輸電電纜信息傳送到故障定位中心服務(wù)器。零序電壓無線網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)在判定電纜零序電壓上升并超出閾值的情況下，將告警信息自動發(fā)送到故障定位中心服務(wù)器[4]。在接收到故障警報后，故障定位中心服務(wù)器開啟各電流物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)電源，通過對高壓輸電電纜各支路的零序電流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時匯總，得到豐富的電纜狀態(tài)信息。

考慮到物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)需要完成電纜零序電壓、電流信號采集，數(shù)據(jù)分析計算，廣域時間同步和數(shù)據(jù)通信，根據(jù)該需求，此次選用的傳感器為IYHFA-A4F8A無線傳感器，IYHFA-A4F8A無線傳感器芯片基于ARM Cortex-M5內(nèi)核，處理速度快[5]。采用串并聯(lián)的方式將無線傳感器接入到輸電電纜總線上，并根據(jù)實(shí)際情況對無線傳感器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括信號感知周期、頻率等[6]。任何故障定位都必須要有數(shù)據(jù)的輸入，而且是在可接受范圍內(nèi)的輸入。電纜故障定位過程中，輸入信號為電纜中的故障信號，因此需要識別電纜中的故障信號。在IYHFA-A4F8A無線傳感器中設(shè)定一個閾值，將閾值與電纜中的零序電壓信號進(jìn)行對比，識別電纜狀態(tài)，其用式（1）表示為：

（1）

式中：R表示高壓輸電電纜狀態(tài)的識別結(jié)果；0表示正常狀態(tài)；1表示故障狀態(tài)；u表示電纜中的零序電壓；表示閾值[7]。

如式（1）所示，當(dāng)識別結(jié)果為電纜處于故障狀態(tài)時，由故障定位中心服務(wù)器驅(qū)動零序電流物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)，采集電纜中的零序電流信號，并將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦收隙ㄎ恢行姆?wù)器上。

GPRS網(wǎng)絡(luò)通信是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的關(guān)鍵，GPRS網(wǎng)絡(luò)的搭建采用集成化程度較高的KB5060無線數(shù)傳模塊。采用標(biāo)準(zhǔn)RS 323接口作為GPRS網(wǎng)絡(luò)通信接口，結(jié)合實(shí)際情況對GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、心跳時間、服務(wù)器IP地址等[8]進(jìn)行配置。完成GPRS網(wǎng)絡(luò)配置后，將KB5060無線數(shù)傳模塊連接到無線傳感器一號端口，通過一號端口接收與發(fā)送故障數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電纜故障監(jiān)測。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)濾波

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對電纜故障信號的采集與傳輸，但是物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)在采集故障信號過程中很容易受到外界因素的干擾。為了保證后續(xù)電纜故障的定位精度，采用小波變換技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。在待濾波信號的時間域上加一個窗口函數(shù)，利用窗口函數(shù)對監(jiān)測信號進(jìn)行乘積運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對窗口內(nèi)小波的傅里葉變換，其用式（2）表示為：

（2）

式中：S（w， t）表示傅里葉變換后的電纜故障監(jiān)測信號；x表示原始監(jiān)測信號；g（t）表示窗口函數(shù)；t表示信號采樣時間；ε表示電纜故障信號頻率；j表示窗口內(nèi)故障信號序列長度；w表示電纜故障信號幅值[9]。窗口函數(shù)作為光滑低通函數(shù)，通過對窗中信號頻率成分的幅值進(jìn)行檢測，獲取一定時間點(diǎn)附近的故障信號的頻率信息，并對其進(jìn)行傅里葉變換，以改善窗中故障信號的時間分辨能力，從而減小故障信號的頻率分辨率，起到對窗內(nèi)故障信號時間和頻率分辨率的制約作用。通過對不同頻率的故障信號時頻窗口進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對故障信號的小波變換處理，其用式（3）表示為：

（3）

式中：W（a， b）表示小波變換后的電纜故障信號；a表示尺度因子；b表示移動因子；ψ表示小波基函數(shù)。通過對電纜故障信號進(jìn)行小波變換處理，將信號時域與頻域做局部化處理，以此濾除原始故障信號中的噪聲分量，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的濾波處理。

3 輸電電纜故障定位

在實(shí)際應(yīng)用中，高壓輸電電纜本身的特點(diǎn)決定了它并非是純阻性的，而是含有雜散電感和雜散電容，所以在發(fā)生故障時，電纜中的電流、電壓會發(fā)生改變，但這種改變不會立即在高壓輸電電纜線路的其他部位出現(xiàn)，而是會以突變點(diǎn)為原點(diǎn)，以電磁波的形式向高壓輸電電纜線路的其他部位傳播，其中電磁波稱為行波。簡而言之，在高壓輸電電纜中，如果阻抗是連續(xù)的，那么行波就不會發(fā)生折射或反射，而當(dāng)高壓輸電電纜發(fā)生故障時，以某一速度傳播的行波將會發(fā)生折射或反射，通過接收到的反射波的傳播時間以及傳播速度，就能對高壓輸電電纜故障的位置進(jìn)行推算。因此在監(jiān)測數(shù)據(jù)濾波的基礎(chǔ)上，利用行波測距理論確定電纜故障位置。假設(shè)高壓輸電電纜故障點(diǎn)為電流信號的突變點(diǎn)，故障電纜產(chǎn)生的零序電流沿著線路傳輸，從而產(chǎn)生行波并向故障點(diǎn)傳播，當(dāng)行波達(dá)到故障點(diǎn)時發(fā)生反射，被無線傳感器接收，無線傳感器發(fā)送與接收行波信號之間存在時間差，可通過時間差與信號的傳播速度計算故障點(diǎn)到無線傳感器的距離，其用式（4）表示為：

（4）

式中：L表示電纜故障點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)的距離；t1、t2分別表示監(jiān)測點(diǎn)發(fā)送信號與接收信號的時刻；v表示零序電流信號在高壓輸電電纜中的傳播速度[10]。由此即可定位到輸電電纜故障的位置，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高壓輸電電纜故障定位。

4 實(shí)驗(yàn)論證

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計

根據(jù)研究需求，將本文方法應(yīng)用在某高壓電網(wǎng)輸電電纜線路上，該輸電站的電壓為220 kV，對應(yīng)電纜為典型的高壓輸電電纜，線路長度為5 645.05 m，線芯材質(zhì)為裸銅線，截面形狀為圓形，截面面積為1.65 mm2，芯數(shù)為5芯，交流額定電壓為1 kV。該高壓輸電電纜所在區(qū)域環(huán)境比較惡劣，且電纜使用時間比較長，距今已經(jīng)使用2年，部分線路遭到動物啃食、人為破壞以及雨水侵蝕，經(jīng)常發(fā)生故障。利用本文方法對該高壓輸電電纜故障進(jìn)行定位，根據(jù)該輸電電纜的實(shí)際情況，在電纜上安裝了5臺無線傳感器，布設(shè)了5個物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)，用于監(jiān)測高壓輸電電纜的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺上，將本文方法嵌入到該平臺上，實(shí)現(xiàn)對高壓輸電電纜故障信號遠(yuǎn)程感知設(shè)備的控制以及故障實(shí)時定位等功能。在方法應(yīng)用過程中，物聯(lián)網(wǎng)平臺與無線傳感器建立TCP/IP連接，對無線傳感器技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，遠(yuǎn)程啟動無線傳感器設(shè)備，并且接收傳感器設(shè)備反饋的故障信號。通過對故障信號的處理與分析，測量高壓輸電電纜故障處和監(jiān)測點(diǎn)間的距離，實(shí)現(xiàn)對電纜故障的定位。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本次實(shí)驗(yàn)共定位了50個電纜故障點(diǎn)，為驗(yàn)證所提的方法，隨機(jī)選取8個故障定位結(jié)果，將文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]的方法與本文方法進(jìn)行對比。高壓輸電電纜故障定位結(jié)果見表1。

從表1可以看出，本文方法對于電纜故障定位結(jié)果與實(shí)際故障位置基本一致，最大定位誤差為0.02 m，基本可以忽略不計；而文獻(xiàn)[2]方法對于電纜故障定位結(jié)果與實(shí)際差距較大，最大誤差為44 m；文獻(xiàn)[3]方法的故障定位最大誤差將近45 m。2種主流方法的故障定位誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本文方法。通過對比與分析以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了本文方法對于高壓輸電電纜故障定位具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力和空間定位優(yōu)勢，且定位的準(zhǔn)確度比較高，具有良好的可行性與實(shí)用性。

5 結(jié) 語

通過使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，本文實(shí)現(xiàn)了對高壓輸電電纜的實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，從而更快速、準(zhǔn)確地定位故障位置。通過實(shí)際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高壓輸電電纜故障定位方法具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對高壓輸電電纜的實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，從而更快速、準(zhǔn)確地定位故障位置。同時，該方法還具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，滿足不同的需求。

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作者簡介：徐 研（1985—），男，吉林長春人，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)檩旊娋€路運(yùn)維。

陳文教（1984—），男，廣東韶關(guān)人，高級工程師，研究方向?yàn)楦邏弘娎|運(yùn)維。

胡成樂（1987—），男，湖北武漢人，工程師，研究方向?yàn)檩旊娋€路運(yùn)維。

賁 成（1993—），男，湖北宜昌人，碩士，工程師，研究方向?yàn)檩旊娋€路運(yùn)維。

收稿日期：2024-01-18 修回日期：2024-02-29

基金項目：廣東電網(wǎng)廣州供電局輸電類科技項目（GDKJXM20222 320）