光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統設計

張偉

摘要：由于橡膠電纜易出現老化、磨損等現象，導致電纜故障頻發，影響電力正常供應，設計光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統。硬件設計中，系統主要包括了脈沖信號發射模塊與回波信號接收模塊。軟件設計中，系統主要實現了橡膠電纜故障信號的采集與預處理，并通過Hilbert-Huang變換檢測信號奇異點，完成橡膠電纜故障點的定位。測試結果表明，電纜故障點定位結果的平均相對誤差為0.30%，證實設計系統可以有效且準確地檢測出橡膠電纜故障。

關鍵詞：光伏新能源發電站；橡膠電纜；故障檢測；系統設計

中圖分類號：TQ333;TM74

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）12-0193-04

Design of rubber cable fault detection system for photovoltaic new energy power station

ZHANG Wei

（China Power Investment Xinjiang Energy and Chemical Group Bozhou Co.，Ltd.，Bole 833400，Xinjiang China）

Abstract：Because rubber cable is prone to aging，wear and other phenomena，cable failures are frequently to happen，the normal power supply is affected，and a new energy power station rubber cable fault detection system is designed.In hardware design，the system mainly a pulse signal transmission module and an echo signal reception module.In the software design，the system mainly realizes the collection and preprocessing of rubber cable fault signals，and detects signal singularities through Hilbert Huang transformation to complete the positioning of rubber cable fault points.The test results showed that the average relative error of cable fault location was 0.30%，confirming that the designed system can effectively and accurately detect rubber cable faults.

Key words： photovoltaic new energy power station;rubber cable;fault detection;system design

一直以來，煤炭、石油等化石能源是世界各國使用的主要能源，這類化石能源在燃燒過程中勢必會產生大量硫化物、氮氧化物等污染物，嚴重污染了地球環境，隨著全球氣候變暖現象的日益嚴重，環境保護受到各國重視。光伏發電作為一種新型的環保型能源，是解決環境污染與化石能源短缺的有效途徑之一，自誕生以來受到世界各國的高度重視與大力支持。時至今日，光伏新能源產業已經成為我國一項具有國際競爭優勢的新興產業，國內光伏新能源電站建設規模不斷擴大，標志著光伏產業生產布局趨于成熟。然而，在光伏新能源發電中，仍存在很多問題亟待解決，如發電站內部電氣設備與電纜長時間運行，會發生老化、破損現象；同時，由于光伏新能源發電站建設于環境較為惡劣的室外，受天氣、動物抓咬等因素的影響，電纜絕緣外皮出現缺陷等，這些原因都會造成光伏新能源發電站發生運行故障，影響發電站的電力供應。其中問題最為嚴重的當數光伏新能源發電站橡膠電纜故障，橡膠電纜在一年中不僅要承受巨大溫差，而且還要承受紫外線輻射、風沙雨雪的侵蝕，導致橡膠電纜故障極為常見，為避免橡膠電纜故障威脅整個光伏新能源發電站的安全穩定運行，設計一個光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統是非常有必要的。

1光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統硬件設計

1.1脈沖信號發射模塊設計

設計的光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統，主要基于脈沖測距的原理進行橡膠電纜故障點定位，所以在設計系統的硬件時，主要針對脈沖信號發射模塊與回波信號接收模塊這兩個關鍵的脈沖測距設備進行詳細探討。首先是脈沖信號發射模塊，該模塊主要負責向待檢測電纜發射檢測所需原脈沖，由于在實際的光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測過程中，對于待檢測的橡膠電纜長度與故障點位置并不清楚，所以需要設計的系統在發射脈沖信號時可以調節脈沖幅值與寬度，在系統的脈沖信號發射模塊中設計了如圖1所示結構靈活調控脈沖發射信號的幅值。

由圖1可知，在光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統的脈沖信號發射模塊中，主要采用了C8051F芯片來控制單刀雙擲開關進行多種不同幅值脈沖信號的產生，C8051F是一個內部集成信號調制電路的智能單片機，通過4線的JTAF接口即可對芯片進行編程調試，由于設計的橡膠電纜故障檢測系統對脈沖信號發射模塊的效率要求較高，所以調試方便且直觀的C8051F芯片完全滿足系統設計要求，促使脈沖信號發射模塊根據檢測現場實際情況靈活調整發射脈沖信號的幅值。

1.2回波信號接收模塊設計

當脈沖信號發射模塊向電纜內部發射脈沖信號后，信號經過檢測電纜的傳輸會發生反射現象，那么為獲取相應的回波信號，在光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統中設計了回波信號接收模塊，該模塊主要負責接收反射回來的脈沖信號。一般來說，滿足橡膠電纜故障檢測需求的脈沖信號幅值較高，如果反射的高頻脈沖信號直接耦合到回波信號接收模塊中，可能會對模塊中電路元器件造成破壞，所以為保護回波信號接收模塊的安全性與穩定性，在模塊中設置了圖2所示的回波信號限幅電路。

由圖2可知，將圖2所示的限幅電路設置在回波信號接收模塊中后，當脈沖信號發射模塊發射較高壓脈沖信號時，反射的回波信號就會先經過限幅電路，從電路中輸出低壓脈沖信號，存入回波信號接收模塊，滿足光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統的設計需求。

2光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統軟件設計

2.1采集橡膠電纜故障信號

如前所述，設計的光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統主要基于脈沖測距的故障定位原理。因此，在系統中設置了橡膠電纜故障信號采集功能。首先，需要選擇發射脈沖的參數；第一是脈沖形狀的選擇，我國發電站電纜故障檢測常用的脈沖信號主要包括矩形和鐘形等。由于矩形信號形成較為容易，且具有陡峭的上升與下降沿，因此選擇了矩形脈沖信號;第二是脈沖寬度的選擇。通常用于檢測電纜故障的脈沖信號具有一定時間寬度。如果脈沖較窄，信號中包含的頻率成分越高，會導致電纜內部出現較高的損耗。相反，如果脈沖較寬，信號畸變嚴重，難以保證精確的故障檢測。因此，在進行光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測時，需要根據檢測電纜長度和電纜材質選擇適當的脈沖寬度;第三是脈沖幅值。如果脈沖幅值過大，可能會出現噪聲干擾。而如果脈沖幅值過小，信號較弱，難以保證準確的信號識別。綜合考慮橡膠電纜的實際情況，一般選擇最高100 V的單極性脈沖進行電纜故障檢測。接下來，利用系統的脈沖信號發射模塊將選取的脈沖信號發射到檢測電纜中。在信號發射之前，可以利用香農提出的信道容量公式處理系統信道，以增強發射端信號的效果。其表達式：

Q=W·log1+SN（1）

式中：Q表示系統脈沖信號發射模塊中信道容量；W表示脈沖信號帶寬；SN表示信噪比。

由式（1）可知，要想加大系統脈沖信號發射模塊的信道容量，可以提升脈沖信號的帶寬或者增大信噪比。因此，根據實際光伏新能源發電站的電纜情況，將脈沖信號注入到檢測電纜中，即可在回波信號接收模塊的終端采集到橡膠電纜故障檢測信號。

2.2預處理橡膠電纜故障信號

通過光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統硬件與軟件的配合，即可采集到原始橡膠電纜故障信號，但受電纜運行環境各種外界因素的影響，原始采集信號中存在多種多樣的噪聲信號，所以為提升后續故障定位精度，對原始信號做相應的預處理。為從噪聲中恢復需要檢測的故障信號，引入了相關檢測算法，假設橡膠電纜脈沖故障信號為Xt，那么系統可觀測到的信號為：

Ct=Xt+εt（2）

式中：Ct表示光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統采集的原始脈沖故障信號；εt表示零均值帶寬的疊加噪聲信號。在式（2）的基礎上，對系統原始采集信號做自相關檢測，具體表達式：

GCy=ECtCt-y（3）

式中：GCy表示原始信號Ct的自相關檢測結果。一般來說，橡膠電纜脈沖故障信號為周期信號，利用式（3）對原始采集信號做自相關運算后，如果信號中存在噪聲信號，那么原始信號的自相關系數y在零值附近，此時可以對原始信號做濾波去噪處理。如果自相關系數y較大，那么原始信號中有用信息較多，所以根據自相關運算結果即可將有用檢測信號從噪聲信號中完全恢復出來，得到無噪聲干擾的橡膠電纜脈沖故障信號。

2.3橡膠電纜故障定位

橡膠電纜故障定位是設計的光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統中的關鍵功能，主要引入了Hilbert-Huang變換技術，簡單來說就是先對橡膠電纜脈沖信號進行分解，再進行頻譜分析，確定脈沖信號中奇異點，信號中的奇異點即為故障點。那么在利用Hilbert-Huang變換進行橡膠電纜故障定位時，經驗模態分解是關鍵部分，就是將原始較為復雜的脈沖檢測信號分解成眾多互不干擾的非正弦信號分量，具體流程：首先，在橡膠電纜脈沖故障信號Xt中找出極大與極小這2個極值點，根據極值點擬合即可獲取信號的上、下包絡線lmaxt、lmint，此時根據下式即可求出平均包絡：

l0t=lmaxt+lmint2（4）

式中：l0t表示橡膠電纜脈沖故障信號上、下包絡線的平均值。然后從原始橡膠電纜脈沖故障信號Xt中剔除平均包絡，得到新信號ft，也即IMF分量：

ft=Xt-l0t（5）

根據上述步驟對原橡膠電纜脈沖故障信號進行不斷篩選，直至分解得到全部的IMF分量u1t，u2t，…，unt。在分量分解成功后，利用式（6）對分量做Hilbert變換：

u'it=1π∫Ruiτt-τdτ（6）

式中：u'it表示Hilbert變換后的IMF分量；uiτ表示殘余信號分量。經過Hilbert變換處理后，即可得到橡膠電纜脈沖故障信號Xt的Hilbert譜。通過信號的Hilbert譜，即可直觀看出信號在頻域上的幅值變化，并清晰反映出頻率分量奇異點，最后完整且全面地提取信號奇異點細節信息，可得到橡膠電纜故障點信息，完成光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測與定位。

3系統測試

3.1故障測試

在研究設計的光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統中，可以基于脈沖信號在故障點與橡膠電纜兩端之間的傳播時間，確定故障點距離電纜任何一端的距離，也即達到了橡膠電纜故障檢測及定位功能。因此，針對設計的光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統的故障定位功能展開測試，旨在通過測試結果判斷設計系統是否可以上線應用。在本次系統測試中，采用某光伏新能源發電站內110 kV橡膠高壓電纜作為測試電纜，電纜全長為1 860 m，考慮到實際應用中經常出現錯誤情況，為了避免測試結果的偶然性，本次系統測試中在該電纜上設置了8個不同的故障點，具體數據如表1所示。

基于上述模擬故障橡膠電纜，搭建設計的光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統，對電纜進行故障檢測與定位。在利用系統進行電纜故障檢測定位之前，需要先采用系統對無故障的橡膠電纜進行脈沖檢測，根據脈沖檢測結果來標定脈沖波的波速，其波形圖如圖3所示。

由圖3可知，當實驗橡膠電纜無任何故障時，脈沖一次反射時間為18.53 μs，根據下式即可求出本次系統測試中的電纜故障檢測波速：

V0=2L0t0=2×186018.53=200.76（7）

式中：V0表示橡膠電纜檢測脈沖波速；L0表示光伏新能源發電站橡膠電纜長度；t0表示脈沖在橡膠電纜中的一次反射時間。根據式（7）所求電纜實際檢測波速為200.76 m/μs，滿足我國規定的橡膠絕緣電纜脈沖傳播速度192～213 m/μs的數據需求，這個數據不僅對系統后續計算故障定位結果很重要，同樣也驗證了設計的光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統的可行性。

3.2測試結果

在按照上述內容完成系統測試場地的布置后，在電纜上加壓模擬故障，并在每次故障模擬過程中采用設計的系統進行故障檢測定位，實時記錄脈沖在故障電纜中的一次反射時間，參考式（7）求出故障點與電纜左端之間的距離，作為本次光伏新能源發電站橡膠電纜故障定位結果。本次系統測試中，上述8個模擬故障點的具體檢測定位結果如表2所示。

由表2可知，設計的光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統可以有效實現電纜故障的檢測與定位，各故障點定位結果與實際數據之間的平均相對誤差為0.30%，定位精準度較高。因此，根據本次系統測試結果表明，研究的故障檢測系統應用于光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測定位中是可行的，且具有較高的故障檢測準確性，能夠正式上線應用。

4結語

綜上所述，對于設計的光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統，針對系統的硬件與軟件設計展開了詳細探討，并通過測試實驗對設計系統的可行性與有效性進行了驗證。結果表明，設計的光伏新能源發電站橡膠電纜故障檢測系統可以準確定位到電纜故障點位置，從而保障光伏新能源發電站的安全穩定運行。在本次研究內容的基礎上，下一階段的研究工作將重點關注發電站電氣設備故障檢測等方面，期待可以為我國光伏新能源的健康發展做出貢獻。

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