基于行波理論的配電線路漏電點檢測與定位

涂志威

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北武漢 430074）

配電線路能夠很好地承載電壓，實現(xiàn)電力能源輸送。配電線路在傳輸電能的過程中會受到外界環(huán)境、介質(zhì)的干擾，加速線路老化的速度。如果干擾程度較大，經(jīng)過一段時間配電線路就會出現(xiàn)局部漏電的現(xiàn)象，從而影響輸配電工作的穩(wěn)定性。而及時對配電線路漏電點進(jìn)行檢測是保證配電線路持續(xù)工作的有效方法[1-2]。

就目前配電線路的發(fā)展情況來看，配電線路主要分為單行電子線路和多行電子線路。傳統(tǒng)的配電線路漏電點檢測與定位方法應(yīng)用于單行電子線路中時可以達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，但是對于多行電子線路漏電點的檢測與定位的誤差偏大，從而影響線路漏電點的最佳維修時間，易造成嚴(yán)重的電力事故。

為了解決以上問題，該文提出了基于行波理論的配電線路漏電點檢測與定位方法。

1 配電線路漏電點檢測

行波理論中認(rèn)為：當(dāng)波的振動作用于卵圓窗時，基底膜會隨之產(chǎn)生振動。振動的幅度會隨著波的推進(jìn)而逐漸增加。當(dāng)波運動到基底膜的某一位置時，振幅可達(dá)到最大。在這之后，振動停止并消失。

行波理論表示，所有的聲音、信號在基底膜的傳輸下都具有獨特、唯一的振動頻率，反之根據(jù)基底膜反饋的振動頻率，可以完成相應(yīng)事物狀態(tài)的檢測[3-4]。行波理論傳播的折反圖如圖1 所示。

圖1 行波理論傳播的折反圖

因此，將行波理論運用于電力領(lǐng)域，可以認(rèn)為，行波理論概述了信號波和振動頻率之間的關(guān)系。對于該文設(shè)計的配電線路漏電點的檢測方法來說，配電線路正常運行時不會產(chǎn)生外部電流，一旦線路出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，會引起線路周邊的電磁場發(fā)生變化，而其反饋的振動頻率也會隨之出現(xiàn)波動，由此可以判斷配電線路的漏電狀態(tài)[5-6]。

對于正常工作的配電線路，線路振蕩波所放電的脈沖波根據(jù)線路承載電壓的大小，在一定數(shù)值上下進(jìn)行波動，一旦脈沖波動值出現(xiàn)大幅度的降低和升高，代表線路出現(xiàn)內(nèi)部沖突，此沖突會導(dǎo)致配電線路的漏電。經(jīng)過研究分析，具體的配電線路振蕩脈沖放電波的波動特征如下：

其中，q表示基礎(chǔ)波形與脈沖峰值；t1表示線路振蕩波所放電的脈沖上升時間；t2表示線路振蕩波所放電的脈沖下降時間；r、e分別代表特征處理的上、下限物理積分?jǐn)?shù)值；y代表脈沖時間內(nèi)遠(yuǎn)距跨越電纜放電波形的總形變量，μ表示振蕩波的平均放電系數(shù)，u表示電纜線路中振蕩波的傳輸幅值[7]。

配電線路內(nèi)部每幀振動脈沖都對應(yīng)一個振動等效頻率，根據(jù)兩個變量之間的關(guān)系，可以準(zhǔn)確地確定配電線路各個測試點的行波波動情況。如果兩個變量相對參數(shù)匹配錯誤，那么所計算配電線路的行波振動頻率值就是異常的[8-9]。線路振蕩所放電的脈沖波的等效頻率計算公式如下：

其中，x表示線路承載量；β表示等效置換系數(shù)；Y表示電纜線路能承載的最大振蕩波動量；E表示局部漏電位置對于振蕩波的平均負(fù)載條件。

對于線路振動脈沖的等效頻率與脈沖特征量對應(yīng)參考公式如下：

其中，φ表示配電線路的脈沖數(shù)值；Q表示電纜線路振蕩波等效時頻的基礎(chǔ)尋優(yōu)系數(shù)；S1、S2分別表示兩個不同的振蕩波脈沖向量[10-12]。

對于需要檢測的配電線路來說，只需要計算出線路振蕩波所放電的脈沖特征量和等效振動頻率，然后將變量代入計算公式（3）。若等式兩邊的數(shù)值不相等，那么待測配電線路存在漏電點；若等式兩邊的數(shù)值相等，那么待測配電線路為安全線路。

2 配電線路漏電點定位

通過對配電線路內(nèi)的脈沖信號進(jìn)行特征提取，為建立配電線路漏電點定位模型提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。該文采用小波變換與奇異性檢測方法獲得配電線路內(nèi)各個線路段的波動脈沖信號，具體配電線路漏電點定位信號的特征提取過程如下：

首先對需要定位的輸電線路進(jìn)行等段均分，然后采用小波變換算法獲取和分解每段線路的振動脈沖信號。分解的數(shù)量根據(jù)實際線路長度而定，要保證信號的完整性和清晰性；

然后對分解的每段線路內(nèi)的脈沖信號進(jìn)行能量計算，計算公式如下：

其中，n表示線路切分的數(shù)量；k表示每段線路內(nèi)切分信號的數(shù)量；xi為配電線路振動脈沖信號能量系數(shù)。

線路的分割長度是均等切分的，正常情況下，每段線路內(nèi)脈沖信號的能量值都相同，一旦出現(xiàn)不同的線路段，那么此線路段一定存在漏電點[13-14]。根據(jù)計算的線路能量數(shù)值，舍棄與多數(shù)能量值相差數(shù)值較大的數(shù)據(jù)，計算出線路平均脈沖信號能量作為此線路正常脈沖信號的特征。配電線路漏電點線路運行電路圖如圖2 所示。

圖2 配電線路漏電點線路運行電路圖

將配電線路內(nèi)脈沖信號的特征值以及正常狀態(tài)下配電電路內(nèi)的電壓、電流、平均脈沖振動頻率等相關(guān)振動參數(shù)進(jìn)行關(guān)系匹配和約束，從而得到配電線路漏電點定位模型如下：

其中，i表示線路脈沖信號殘差負(fù)荷矩陣；f(t)表示高斯函數(shù)；γ表示待測線路段內(nèi)信號的方差貢獻(xiàn)率；Q表示配電線路，其他位置的意義同上[15-16]。

將定位到具有漏電特征的配電線路段代入建立的配電線路漏電點定位模型內(nèi)，即可完成配電線路漏電點的精確定位。配電線路漏電點定位原理如圖3 所示。

圖3 配電線路漏電點定位原理

綜上所述，總結(jié)具體的配電線路漏電點的定位流程如下：

步驟一：首先調(diào)用行波理論，計算出待檢測配電線路內(nèi)的振動脈沖波和等效頻率，驗證兩個變量之間的關(guān)系，如果滿足式（3），則進(jìn)行復(fù)檢。如果復(fù)檢結(jié)果與第一次計算結(jié)果相同，那么停止配電線路漏電點的檢測，直接輸出正常。如果不滿足式（3），那么執(zhí)行步驟二；

步驟二：根據(jù)小波變換算法，完成待檢測配電線路脈沖信號的分割以及能量計算，確定線路內(nèi)存在漏電點的具體線路段；

步驟三：最后通過配電線路漏電點定位模型輸出具體的線路漏電點，結(jié)束檢測。配電線路漏電點的定位流程圖如圖4 所示。

圖4 配電線路漏電點定位流程圖

3 實驗與分析

為驗證基于行波理論的配電線路漏電點檢測與定位方法的實際應(yīng)用性能，檢驗該方法對于配電線路漏電點的檢測與定位的精度和準(zhǔn)確度是否達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，在Matlab 環(huán)境中設(shè)計如下實驗。

根據(jù)配電線路搭建規(guī)定，配電線路漏電點定位精度的標(biāo)準(zhǔn)為85%。為了降低實驗對測試電力工程的干擾，選擇IEEE1081.11 通信標(biāo)準(zhǔn)，實驗的測試對象分別為單行配電線路和多行配電線路，以此避免實驗測試結(jié)果出現(xiàn)偶然性。

實驗選擇的對照方法分別為基于震蕩波的配電線路漏電點檢測方法（傳統(tǒng)方法1）和基于行波模量分析的配電線路漏電點檢測與定位方法（傳統(tǒng)方法2）。

因為實驗的特殊性，在完成對實驗測試環(huán)境的搭建后，在長春市配電線路管理中心等待。一旦管理中心接收到配電線路漏電故障，管理中心按照規(guī)定分配原始隸屬部門進(jìn)行配電線路漏電點的檢測與定位的處理，同時也將相關(guān)信息發(fā)送到搭建的測試環(huán)境內(nèi)，開始測試。

在測試過程中，記錄3種方法的相關(guān)數(shù)據(jù)，方便實驗的復(fù)盤與數(shù)據(jù)分析。直到3種方法分別完成對單行配電線路和雙行配電線路的漏電點檢測與定位測試后，結(jié)束實驗。然后由系統(tǒng)刪除相關(guān)配電線路的信息，完成實驗數(shù)據(jù)整理，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出實驗結(jié)論。

對于單行配電線路的漏電點檢測與定位，經(jīng)實驗可知，該文設(shè)計方法完成的時間為20 min，傳統(tǒng)方法1 完成的時間為33 min，傳統(tǒng)方法2 完成的時間為28 min。歸納實驗進(jìn)行過程中的數(shù)據(jù)，繪制結(jié)果圖如圖5 所示。

圖5 定位精準(zhǔn)度測試結(jié)果圖

觀察圖5 可以看出，基于行波理論的配電線路漏電點檢測與定位方法對于單行和多行配電線路的定位精準(zhǔn)度最終都可以維持在95%以上，明顯高于兩種傳統(tǒng)方法的定位精準(zhǔn)度。綜上所述，基于行波理論的配電線路漏電點檢測與定位方法的定位精準(zhǔn)度更高，充分證明了其應(yīng)用性能。

在此基礎(chǔ)上，為更直觀地體現(xiàn)實驗結(jié)果，整理圖5中的實驗數(shù)據(jù)，得到實驗數(shù)據(jù)對比如表1 所示。

觀察表1 可以直觀地看出，無論對于簡單的單行配電線路漏電點還是多行配電線路漏電點，該文設(shè)計的基于行波理論的配電線路漏電點的檢測與定位方法均能達(dá)到一個較高的定位水準(zhǔn)。綜上所述，該文設(shè)計的基于行波理論的配電線路漏電點檢測與定位方法的精準(zhǔn)度最佳。

表1 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果

綜上，可以得出基于行波理論的配電線路漏電點檢測與定位方法具有較高的檢測和定位精準(zhǔn)度，證明其具備推廣和使用的意義。

4 結(jié)束語

為有效避免因出現(xiàn)線路漏電而引起電力事故，該文提出了一種基于行波理論的配電線路漏電點檢測與定位方法，該方法通過采用行波理論和線路振蕩波放電脈沖波動反射檢測原理設(shè)計配電線路漏電點定位模型，從而完成對多行電子和單行電子線路的漏電檢測與定位，提高配電線路的維修效率。經(jīng)過實驗證明該文設(shè)計的方法比傳統(tǒng)方法具有較高的推廣意義和實用價值，可以提高配電線路的漏電檢測效率。