CN112147457B - 一种基于Hilbert-Huang变换的地下综合管廊电缆故障检测定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Hilbert‑Huang变换的地下综合管廊电缆故障检测定位系统及方法，属于电缆检测领域。本发明包括线缆电流传感器、护套环流传感器、护套电压传感器、数据处理装置、下位机处理器、中控室计算机系统、无线传输装置、电缆自动切除装置、运行状态显示屏。本发明通过克拉克变换提取三相电流的暂态量的α模分量并根据小波变换中Hilbert‑Huang变换法得到小波变换极值点捕捉发生故障时刻，结合行波测距原理即可完成对故障点较为精准定位，将故障点位置锁定在一定范围内并切除故障段电缆，再由运行维护人员在故障位置附近范围内对电缆进行低压脉冲反射实验找出故障点精确位置，及时消除故障恢复系统稳定。

Description

一种基于Hilbert-Huang变换的地下综合管廊电缆故障检测 定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于Hilbert-Huang变换的地下综合管廊电缆故障检测定位系统及方法，属于电缆检测技术领域。

背景技术

近年来，城市地下综合管廊得到人们高度重视，它不仅节约用地、美观，还避免敷设和维修地下管线时频繁挖掘道路，减少对交通和居民出行造成影响及施工成本。随着城市的不断发展，地下综合管廊敷设的电缆越来越多，越来越长。电缆在运行过程中不可避免发生故障，由于埋设在地下，故障点的位置也很难较快探测出来，延误抢修时间，对工矿企业生产和人民生活造成不良影响。国内外研究人员一直关注如何准确、快速、经济地找出故障点，迅速排除故障，及时恢复供电。

常用的电缆故障定位方法，往往是采取停电检查，这种方式费时费力，如果能根据电缆故障时暂态信号特征来判断电缆故障类型及故障位置，将可以大大提高故障检测的速度和精度，减少停电时间，对运行维护具有十分重要的意义。当然，通过对检测信号的分析能较为准确判断故障位置，精确地将故障定位还需要结合低压脉冲实验来发现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对城市综合管廊输电电缆缺乏精准故障位置判断，提供基于Hilbert-Huang变换的地下综合管廊电缆故障检测定位系统及方法，本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于Hilbert-Huang变换的地下综合管廊电缆故障检测定位系统，所述系统包括线缆电流传感器、护套环流传感器、护套电压传感器、数据处理装置、下位机处理器、中控室计算机系统、无线传输装置、电缆自动切除装置和运行状态显示屏；

所述线缆电流传感器、护套环流传感器和护套电压传感器用于检测电缆运行实时状态并得到状态信号，所述数据处理装置为数据处理单元模块，所述数据处理单元模块用于对所述状态信号进行预处理并得到预处理信号，所述下位机处理器用于对所述预处理信号进行精处理并得到精处理信号，所述中控室计算机系统用于对所述精处理信号进行算法处理并得到运行状态，所述无线传输装置用于传输所述状态信号、预处理信号和精处理信号，所述电缆自动切除装置用于自动将电缆切除，所述运行状态显示屏显示所述运行状态；所述中控室计算机系统包括电缆线路在线诊断系统和传感器组实时监控系统。

上述方案的进一步改进在于：所述装置还包括脉冲发生装置、脉冲接受与分析装置，所述脉冲发生装置、脉冲接受与分析装置用于脉冲实验的信号发生与分析。

一种基于Hilbert-Huang变换的地下综合管廊电缆故障检测定位方法，包括如下步骤：

步骤1：所述线缆纤芯电流传感器、护套环流传感器和护套电压传感器检测电缆运行实时状态并得到状态信号，无线传输装置将状态信号依次传递至数据处理装置、下位机处理器和中控室计算机系统，所述中控室计算机系统计算出运行状态；

步骤2：所述中控室计算机系统判断所述运行状态，如果运行状态异常执行步骤3；如果电缆线路运行状态正常则进入步骤1；

步骤3：运行状态异常时，通过故障定位方法，捕捉发生故障时刻，通过所述故障时刻估算出故障点的大致故障位置,，电缆自动切除装置根据所述故障位置切除故障段电缆；

步骤4：运行维护人员根据所述故障位置，在所述故障点±5％范围内采用行波测距原理的低压脉冲发射测试方法实验对所述故障点进行精确定位；

步骤5：运行维护人员根据电缆线路故障精确定位对故障电缆进行更换。

上述方案的进一步改进在于：所述故障定位方法包括如下步骤：

步骤1：所述线缆纤芯电流传感器、护套环流传感器和护套电压传感器采集电流信号，提取所述电流信号的暂态量进行Clark变换得到电流的α模分量iα：

步骤2：对电流α模分量iα做Hilbert-Huang变换并用高通滤波器将工频等低频信号滤掉，求模极大值，并得出iα所有极大值和极小值点：

步骤3：通过三次样条函数拟合iα所有极大值和极小值点，得到上下包络线，求得上下包络线的平均值m₁，记：

h₁＝iα(t)-m₁；

步骤4：经过多次筛分得到第一个固有模态函数IMF₁，依此类推得到可以得到n个经验模式的分解和残余分量r_n，由固有模态函数充当基，得到希尔伯特谱H(ω,t)，筛分结束标志为：

通常将SD控制在0.2～0.3之间；

步骤5：在带电状态下捕捉故障发生时刻，由希尔伯特谱H(ω,t)提取电缆线路两端第一个行波的波头处的Hilbert-Huang变换模极大值对应的时刻t₁和t₂，所述t₁和t₂为所述故障时刻，其中t₁为故障点产生的故障行波到达前端传感器的时间，t₂为故障点产生的故障行波到达后端传感器的时间。

上述方案的进一步改进在于：估算所述故障点的大致故障位置的方法为：

根据所述故障时刻t₁和t₂，由行波测距原理计算故障位置d，计算式为：

d＝(L+υ×Δt)/2，

v×t₁+v×t₂＝L，

Δt＝t₁-t₂，

d＝v×t₁，

其中，L为两个传感器之间的距离，d为故障点距离前端传感器的距离，v为行波在电缆中的传播速度。

上述方案的进一步改进在于：所述低压脉冲发射测试方法实验包括如下步骤：

步骤1：在电缆一端使用脉冲发生器发出脉冲；

步骤2：使用脉冲接收与分析装置记录脉冲发生时刻t₃，并记录脉冲波形得到脉冲发射时刻t₄；

步骤3：计算故障点位置，计算式为d＝(L+υ×Δt)/2，

v×t₃+v×t₄＝L，

Δt＝t₃-t₄，

d＝v×t₁；

其中，t₃位脉冲发生装置发出低压脉冲的时刻，t₄位脉冲接收与分析装置收到故障点反射回来的脉冲时刻。

本发明的有益效果在于：本发明方法针对针城市地下综合管廊电缆，提供一种故障检测定位方法，对于城市综合管廊输电电缆具有很强的针对性和实用性，故障点精度可达；本发明方法采用Hilbert-Huang变换法可以准确捕捉发生故障的时间，根据行波测距原理得到故障点位置。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例的工作流程图。

图2为本发明实施例的系统结构示意图。

图3为本发明实施例的功能模块示意图。

图4为本发明实施例的故障定位方法的流程图。

图5为本发明实施例的Hilbert-Huang变换法故障点计算原理图。

图6为本发明实施例的低压脉冲反射法故障点的计算原理图。

图中示例：下位机处理器1、无线传输装置2、线缆电流传感器3、护套环流传感器4、护套电压传感器5、数据处理单元模块6、电缆自动切除装置7。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图2和图3所示，一种基于Hilbert-Huang变换的地下综合管廊电缆故障检测定位系统，系统包括线缆电流传感器3、护套环流传感器4、护套电压传感器5、数据处理装置、下位机处理器1、中控室计算机系统、无线传输装置2、电缆自动切除装置7和运行状态显示屏；

线缆电流传感器3、护套环流传感器4和护套电压传感器5用于检测电缆运行实时状态并得到状态信号，数据处理装置为数据处理单元模块6，数据处理单元模块6用于对状态信号进行预处理并得到预处理信号，下位机处理器1用于对预处理信号进行精处理并得到精处理信号，中控室计算机系统用于对精处理信号进行算法处理并得到运行状态，无线传输装置2用于传输状态信号、预处理信号和精处理信号，电缆自动切除装置7用于自动将电缆切除，运行状态显示屏显示运行状态；中控室计算机系统包括电缆线路在线诊断系统和传感器组实时监控系统。

装置还包括脉冲发生装置、脉冲接受与分析装置，脉冲发生装置、脉冲接受与分析装置用于脉冲实验的信号发生与分析。

如图1所示，一种基于Hilbert-Huang变换的地下综合管廊电缆故障检测定位方法，包括如下步骤：

步骤1：线缆纤芯电流传感器、护套环流传感器4和护套电压传感器5检测电缆运行实时状态并得到状态信号，无线传输装置2将状态信号依次传递至数据处理装置、下位机处理器1和中控室计算机系统，中控室计算机系统计算出运行状态；

步骤2：中控室计算机系统判断运行状态，如果运行状态异常执行步骤3；如果电缆线路运行状态正常则进入步骤1；

步骤3：运行状态异常时，通过故障定位方法，捕捉发生故障时刻，通过故障时刻估算出故障点的大致故障位置,，电缆自动切除装置7根据故障位置切除故障段电缆；

步骤4：运行维护人员根据故障位置，在故障点±5％范围内采用行波测距原理的低压脉冲发射测试方法实验对故障点进行精确定位；

步骤5：运行维护人员根据电缆线路故障精确定位对故障电缆进行更换。

如图4所示，故障定位方法包括如下步骤：

步骤1：线缆纤芯电流传感器、护套环流传感器4和护套电压传感器5采集电流信号，提取电流信号的暂态量进行Clark变换得到电流的α模分量iα：

步骤2：对电流α模分量iα做Hilbert-Huang变换并用高通滤波器将工频等低频信号滤掉，求模极大值，并得出iα所有极大值和极小值点：

步骤3：通过三次样条函数拟合iα所有极大值和极小值点，得到上下包络线，求得上下包络线的平均值m₁，记：

h₁＝iα(t)-m₁；

步骤4：经过多次筛分得到第一个固有模态函数IMF₁，依此类推得到可以得到n个经验模式的分解和残余分量r_n，由固有模态函数充当基，得到希尔伯特谱H(ω,t)，筛分结束标志为：

通常将SD控制在0.2～0.3之间；

步骤5：在带电状态下捕捉故障发生时刻，由希尔伯特谱H(ω,t)提取电缆线路两端第一个行波的波头处的Hilbert-Huang变换模极大值对应的时刻t₁和t₂，t₁和t₂为故障时刻，其中t₁为故障点产生的故障行波到达前端传感器的时间，t₂为故障点产生的故障行波到达后端传感器的时间。

如图5所示，估算故障点的大致故障位置的方法为：

根据故障时刻t₁和t₂，由行波测距原理计算故障位置d，计算式为：

d＝(L+υ×Δt)/2，

v×t₁+v×t₂＝L，

Δt＝t₁-t₂，

d＝v×t₁，

其中，L为两个传感器之间的距离，d为故障点距离前端传感器的距离，v为行波在电缆中的传播速度。

如图6所示，低压脉冲发射测试方法实验包括如下步骤：

步骤1：在电缆一端使用脉冲发生器发出脉冲；

步骤2：使用脉冲接收与分析装置记录脉冲发生时刻t₃，并记录脉冲波形得到脉冲发射时刻t₄；

步骤3：计算故障点位置，计算式为d＝(L+υ×Δt)/2，

v×t₃+v×t₄＝L，

Δt＝t₃-t₄，

d＝v×t₁；

其中，t₃位脉冲发生装置发出低压脉冲的时刻，t₄位脉冲接收与分析装置收到故障点反射回来的脉冲时刻。

尽管已经出示了和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于Hilbert-Huang变换的地下综合管廊电缆故障检测定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：线缆纤芯电流传感器、护套环流传感器和护套电压传感器检测电缆运行实时状态并得到状态信号，无线传输装置将状态信号依次传递至数据处理装置、下位机处理器和中控室计算机系统，所述中控室计算机系统计算出运行状态；

步骤2：所述中控室计算机系统判断所述运行状态，如果运行状态异常执行步骤3；如果电缆线路运行状态正常则进入步骤1；

步骤3：运行状态异常时，通过故障定位方法，捕捉发生故障时刻，通过所述故障时刻估算出故障点的大致故障位置，电缆自动切除装置根据所述故障位置切除故障段电缆；

所述故障定位方法包括如下步骤：

所述线缆纤芯电流传感器、护套环流传感器和护套电压传感器采集电流信号，提取所述电流信号的暂态量进行Clark变换得到电流的α模分量iα：

对电流α模分量iα做Hilbert-Huang变换并用高通滤波器将工频低频信号滤掉，求模极大值，并得出iα所有极大值和极小值点：

通过三次样条函数拟合iα所有极大值和极小值点，得到上下包络线，求得上下包络线的平均值m₁，记：

h₁＝iα(t)-m₁；

经过多次筛分得到第一个固有模态函数IMF₁，依此类推得到可以得到n个经验模式的分解和残余分量r_n，由固有模态函数充当基，得到希尔伯特谱H(ω,t)，筛分结束标志为：

在带电状态下捕捉故障发生时刻，由希尔伯特谱H(ω,t)提取电缆线路两端第一个行波的波头处的Hilbert-Huang变换模极大值对应的时刻t₁和t₂，所述t₁和t₂为所述故障时刻，其中t₁为故障点产生的故障行波到达前端传感器的时间，t₂为故障点产生的故障行波到达后端传感器的时间；

步骤4：运行维护人员根据所述故障位置，在所述故障点±5％范围内采用行波测距原理的低压脉冲发射测试方法实验对所述故障点进行精确定位；

步骤5：运行维护人员根据电缆线路故障精确定位对故障电缆进行更换。

2.根据权利要求1所述的基于Hilbert-Huang变换的地下综合管廊电缆故障检测定位方法，其特征在于：估算所述故障点的大致故障位置的方法为：

根据所述故障时刻t₁和t₂，由行波测距原理计算故障位置d，计算式为：

d＝(L+v×Δt)/2，

v×t₁+v×t₂＝L，

Δt＝t₁-t₂，

d＝v×t₁，

其中，L为两个传感器之间的距离，d为故障点距离前端传感器的距离，v为行波在电缆中的传播速度。

3.一种如权利要求1所述基于Hilbert-Huang变换的地下综合管廊电缆故障检测定位方法的系统，其特征在于：所述系统包括线缆电流传感器、护套环流传感器、护套电压传感器、数据处理装置、下位机处理器、中控室计算机系统、无线传输装置、电缆自动切除装置和运行状态显示屏；

所述线缆电流传感器、护套环流传感器和护套电压传感器用于检测电缆运行实时状态并得到状态信号，

所述数据处理装置为数据处理单元模块，所述数据处理单元模块用于对所述状态信号进行预处理并得到预处理信号，

所述下位机处理器用于对所述预处理信号进行精处理并得到精处理信号，

所述中控室计算机系统用于对所述精处理信号进行算法处理并得到运行状态，所述无线传输装置用于传输所述状态信号、预处理信号和精处理信号，所述电缆自动切除装置用于自动将电缆切除，

所述运行状态显示屏显示所述运行状态；

所述中控室计算机系统包括电缆线路在线诊断系统和传感器组实时监控系统。

4.根据权利要求3所述基于Hilbert-Huang变换的地下综合管廊电缆故障检测定位方法的系统，其特征在于：所述装置还包括脉冲发生装置、脉冲接受与分析装置，所述脉冲发生装置、脉冲接受与分析装置用于脉冲实验的信号发生与分析。