基于混沌时域反射技术的电力电缆绝缘缺陷检测方法

范亚洲

(广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东 广州 510080)

0 引言

电力电缆在电力系统中占据十分重要的地位,电缆的绝缘状态对电力系统的运行状态产生比较直接的影响。因此,研究电力电缆绝缘缺陷自动检测方面的技术是一项全新的挑战[1-2],更有助于排除故障隐患,减少不必要的损失。

在当前电力市场环境下,我国对电力企业提出了更高的要求。随着电力电缆等级的不断提升,如果无法确保电力电缆的安全性,那么系统的稳定性也会随之受到影响。目前,我国电力电缆的维护工作基本以预防为主,只在设定的时间范围内展开人为检修。但随着电压等级以及输送容量的不断提升,电力电缆的使用次数快速增加,传统的人工检修方式造成大量人力物力浪费,同时漏检和错检情况也十分严重。为有效解决上述问题,国内相关专家给出了一些较好的研究成果[3-5]。但这些方法在实际应用过程中,都比较容易受到电缆信号噪声的影响,降低绝缘缺陷检测精度。为解决上述问题,本文基于混沌时域反射技术,设计一种电力电缆绝缘缺陷检测方法,以实现更加精准的电力电缆绝缘缺陷检测。

1 电力电缆绝缘缺陷检测方法

1.1 电力电缆信号去噪处理

(1)

式中:i为第i个经验模态分量;∂i,j为模态函数的基本带宽;uk为信号梯度;e为常数;ωk为权重因子。

求解变分问题,优先需要引入2个参数,分别为惩罚因子α以及Lagrange乘法算子λ(t),其中,前者存在的主要目的是为了完成信号重构;而后者则是为了完成问题的转换工作。将方程从约束性问题转换为非约束问题,进而求解最优解L{(uk)(ωk),λ(t)},即

L{(uk)(ωk),λ(t)}=

(2)

通过惩罚算子交替更新不同方向的惩罚因子以及Lagrange乘法算子,经过拓展处理获取对应的基本模态分量,具体计算式为

(3)

(4)

式中:j为第j个经验模态分量;ω为权重;f(w)为等距变换次数之和。

在信噪分离过程中,电力电缆信号的冗余特性也需要展开分析,这样不仅可以减少损失,同时还有助于选择最佳分解尺度。为了满足电力系统运行需求,不仅要提取电力电缆信号特征,同时还需要选择最佳小波基。其中,最佳小波基的选取主要是为门限函数作为约束条件,经过分析和研究,可以得到电力电缆信号和小波基两者之间的相似性。

在AVMD分解的基础上,还需要引入自适应小波包分解方法,详细的操作流程如图1所示。

图1 自适应小波包分解流程

在不同程度的白噪声干扰条件下,优先采用AVMD分解方法将电力电缆中周期性窄带干扰和白噪声分解处理,使其可以分解在对应的基本模态分量中。然后引入自适应小波包分解对电力电缆信号分解处理,使其位于高低频分量中。最终,采用阈值法将不含有局部信号的分量过滤出来,获取比较纯净的信号,最终实现电力电缆信号去噪[8-9]。

1.2 基于混沌时域反射技术的电力电缆绝缘缺陷检测

通过半导体激光在光扰动条件下产生的带宽连续混沌振动,根据输出波形构建与之对应的自相关曲线,以此为依据,提出混沌时域反射技术。

混沌时域反射技术主要是根据混沌光时域反射仪的测量原理得到的。其中,光反馈半导体激光器由半导体激光器和反馈装置共同组成,通过反馈参数使激光器输出混沌激光;然后,连续的混沌激光被划分为2路,分别为:参考光;探测光。

当探测光进入到待检测光纤后,需要将光纤中引发的回波信号转换为电信号,参考光执行相同的操作。将记录下来的数据展开相关计算,进而获取相关曲线,通过相关峰对应的延迟时间即可获取发生故障的具体坐标位置[10-11]。

混沌OTDR检测电力电缆绝缘缺陷的核心为:采用混沌信号建立自相关函数Q(t)⊗Q(t),即

Q(t)⊗Q(t)=Q(t)2×∂(t)

(5)

式中:Q(t)为回波信号;∂(t)为探测信号。

回波信号和探测信号两者的本质相同,但在时间上存在比较明显的差异,两者的时间差值可以表示为

Pe(t)=∑RiρPr(t-τi)exp(-β(t))

(6)

式中:Pe(t)为时间差值;Ri为故障点产生的反射率取值;ρ为探测信号和回波信号两者之间的功率比;Pr为光纤入射角取值;τi为光的传播速度;β(t)为邻近两者故障之间的往返时间。

通过分析2种信号的时间差值可以得到两者的互相关函数Pr(t)⊗Pe(t),即

Pr(t)⊗Pe(t)=

ρ(Pr)2exp(-β(t))*[Q(t)2×∂(t)]

(7)

现阶段,混沌时域反射技术已经实现了和距离无关的高精度测量,使其逐渐发展成为电力电缆绝缘缺陷检测的重要技术。

通过对混沌时域反射技术的深入分析可知,混沌系统中的不同特性全部可以采用动力学行为展开描述和分析。混沌是非线性系统中一种十分常见的现象,通过其可以更加准确检测缺陷信号[12-13]。

将周期策动力的外加强迫项即没有检测的信号代入到已经建立好的系统方程中,经过整理,可以获取Duffing方程为

(8)

通过Duffing方程可以获取电力电缆不同运行状态下时域波形和相平面两者的变化情况,具体如下:

a.当策动力幅值等于0时,需要求解相平面内数据对应的鞍点以及焦点等相关信息。

b.当策动力幅值高于0,则混沌系统可以划分为几种不同的动力学运行形态,分别为:

①当策动力幅值取值偏低时,借助相轨迹对大量吸引子展开映射处理,使其可以在设定周期内展开振荡等相关操作。

②当策动力幅值开始逐渐增加,系统自动转换为轨道运行状态。

采用Duffing-Homes方程设计特定的混沌系数,当外加信号一定时,通过线性方程控制系统的运行状态;当恢复力取值一定时,可以通过外加信号判断系统的运行情况。

对电力电缆绝缘信号的频率展开分析处理,得到不同周期对应的信号频率,确定窄带干扰下产生的混沌子系统阈值,通过调节系统阈值可以准确获取系统当前的运行状态。

电力电缆绝缘缺陷信号的形成主要包含2个比较关键的参数,分别为:延迟;幅值。

延迟是信号发生器的主要部分,通过脉冲产生固定延迟,在延迟产生之后,需要再次发送脉冲信号,同时二次采样,以此达到信号等效采样的目的。其中,相关峰的时间延迟产生的主要流程如图2所示,具体如下:

图2 相关峰的时间延迟形成流程

a.优先形成时钟。

b.引入游标卡尺原理获取脉冲。

c.计数器处理工作。

d.输出比较器结果。

e.形成相关峰的时间延迟。

相关峰的幅值信息也是电力电缆发生器的重要组成部分,通过幅值信号产生形成固定宽度的脉冲信号。

在完成电力电缆信号发生器设计后,对脉冲的控制重点体现在相关峰的时间延迟以及幅值信息中。因此,相关峰的时间延迟是为了完成等效采样处理,幅值信息则是通过测量电缆的长度完成。由于时基不同,所以需要自动选择延迟取值范围。

根据脉冲时间差可以获取最大采样率和采样周期之间的倍数关系,进而确定采样数据组,具体的表达形式为

(9)

式中:M为采样数据组;div为时间基。

经过上述分析,通过混沌时域反射技术将电力电缆信号划分为2种不同类型的信号,分别为参考信号和探测信号,通过分析获取电力电缆绝缘位置故障点的反射信号,进而完成采样处理。同时根据已知的相关峰的时间延迟以及幅值信息中获取缺陷发生的位置,最终达到电力电缆绝缘缺陷检测的目的[14-15]。

2 实验测试与分析

为验证本文所提的基于混沌时域反射技术的电力电缆绝缘缺陷检测方法的有效性,选择某电力企业正在检修的3条电缆作为实验对象,结合智能电缆故障测试仪_DMS-40D2共同展开测试,采样频率为30 MHz、60 MHz、120 MHz、200 MHz多种采样频率,测试距离可达165 km,测试脉冲:0.1～9.9 μs,Max 200 V,读数分辨率小于0.4 m。本次实验用故障测试仪如图3所示。

图3 故障测试仪

电力电缆的基本实验参数如表1所示。

表1 电力电缆实验参数设定

为验证检测结果的准确性,将文献[3]方法与文献[4]方法作为对比方法,采用3种方法对3条电缆进行绝缘缺陷检测,以视在放电量为检测指标,与实际缺陷放电量进行对比,结果越相近,表明对电缆绝缘缺陷检测的准确性越高。针对3条电缆的检测结果如图4所示。

图4 不同方法的电力电缆绝缘缺陷检测结果对比分析

分析图4中的实验数据可知,本文方法对3条电缆的视在放电量的检测结果,与实际缺陷放电量较为一致,可以更加准确检测电力电缆绝缘缺陷,而其他2种方法的检测结果与实际缺陷放电量有所差距,由此可以验证,本文方法与真实的检测结果较为一致,检测精度较高,具有一定的实际应用性能。

3 结束语

针对传统方法缺陷检测方法存在的一系列不足,结合混沌时域反射技术,提出一种基于混沌时域反射技术的电力电缆绝缘缺陷检测方法。经过大量实验测试证明,本文方法可以精准检测电力电缆绝缘缺陷,获取比较满意的检测结果。