本發(fā)明屬于電纜接頭早期故障識(shí)別領(lǐng)域，具體涉及一種積水電纜早期故障增強(qiáng)識(shí)別裝置及其增強(qiáng)識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，我國(guó)電力基礎(chǔ)設(shè)施尤其是配網(wǎng)電纜系統(tǒng)迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。然而，配網(wǎng)電纜因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境多變，加之缺陷類(lèi)型繁多且極具隱蔽性，傳統(tǒng)檢測(cè)手段成本高企且效率低下，難以有效捕捉早期故障信號(hào)，導(dǎo)致故障頻發(fā)，嚴(yán)重制約了城市配網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2、盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者在早期故障及電纜識(shí)別領(lǐng)域進(jìn)行了研究，如利用lime算法捕捉識(shí)別配電線(xiàn)路高阻接地故障的時(shí)域特征；采用基于馬氏距離與支持向量數(shù)據(jù)建立電纜早期故障識(shí)別方法；構(gòu)建基于調(diào)和修正和附加近似修正的方法用以監(jiān)測(cè)電纜早期故障；還有基于多重對(duì)應(yīng)分析法對(duì)導(dǎo)致電纜故障的諸多因素進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析并加以評(píng)估；基于波形小波域特征改進(jìn)現(xiàn)有識(shí)別方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜早期故障的識(shí)別。這些研究提升了故障識(shí)別的精度和速度。但不容忽視的是，當(dāng)前研究仍存在兩大核心瓶頸：一是早期故障特征與故障發(fā)展機(jī)制之間的深層次關(guān)聯(lián)尚未被充分揭示，導(dǎo)致識(shí)別策略的可解釋性和準(zhǔn)確性受限；二是電纜電流信號(hào)采集過(guò)程中，廣泛存在的來(lái)自通信系統(tǒng)的離散譜干擾、電氣設(shè)備脈沖噪聲及檢測(cè)電路自身電氣噪聲等多重干擾源，嚴(yán)重干擾了信號(hào)質(zhì)量，增加了信號(hào)處理的復(fù)雜性和難度，使得現(xiàn)有方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果大打折扣。

3、因此，亟需一種創(chuàng)新的電纜早期故障識(shí)別與干擾抑制技術(shù)，不僅能夠深入解析故障特征與故障演化過(guò)程之間的內(nèi)在聯(lián)系，提升識(shí)別的準(zhǔn)確性和可解釋性，還能有效應(yīng)對(duì)并抑制多種干擾源對(duì)電流信號(hào)的影響，確保信號(hào)質(zhì)量，為城市配網(wǎng)電纜的安全、高效運(yùn)維提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種積水電纜早期故障增強(qiáng)識(shí)別裝置及其增強(qiáng)識(shí)別方法，通過(guò)精細(xì)化的故障特征提取與增強(qiáng)處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)早期故障的高效識(shí)別。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

3、一方面，本發(fā)明提供一種積水電纜早期故障增強(qiáng)識(shí)別裝置，位于銅屏蔽層與接地點(diǎn)之間的接地線(xiàn)上，其特點(diǎn)在于，包括：

4、電流采集裝置，采用繞制于接地線(xiàn)上的電流互感器(ct)，用于采集電纜中的電流信號(hào)；

5、重復(fù)性信號(hào)計(jì)數(shù)器，安裝于每個(gè)電纜接頭，用于記錄來(lái)自電流采集裝置的故障信號(hào)的重復(fù)性；

6、信息節(jié)點(diǎn)，用于接收來(lái)自電流采集裝置的故障信號(hào)，并支持故障信號(hào)的重復(fù)性檢測(cè)；其中，所述故障信號(hào)包括初始階段和主體階段，初始階段的采集時(shí)段設(shè)為自第一個(gè)電弧放電波形出現(xiàn)起的0.5秒，主體階段的采集時(shí)段為初始階段結(jié)束后計(jì)時(shí)10秒。

7、優(yōu)選的，還包括故障電流測(cè)量裝置，用于將采集的故障信號(hào)經(jīng)過(guò)檢測(cè)點(diǎn)上傳至信息節(jié)點(diǎn)，為故障信號(hào)的重復(fù)性檢測(cè)提供結(jié)構(gòu)支持。

8、另一方面，本發(fā)明還提供一種積水電纜早期故障增強(qiáng)識(shí)別方法，其特點(diǎn)在于，包括如下步驟：

9、s1.電流信號(hào)ape低秩算法的增強(qiáng)處理：；

10、s2.計(jì)時(shí)閾值檢測(cè)：當(dāng)流經(jīng)樣本的電流信號(hào)在初始階段時(shí)的信號(hào)幅值處于預(yù)設(shè)的閾值范圍內(nèi)時(shí)，啟動(dòng)對(duì)疑似故障信號(hào)的記錄；

11、s3.連續(xù)性檢測(cè)：在信號(hào)采集過(guò)程中，若存在一段連續(xù)的信號(hào)，其峰值點(diǎn)電流幅值始終低于預(yù)設(shè)閾值，則停止信號(hào)的采集；

12、s4.諧波采樣：對(duì)滿(mǎn)足計(jì)時(shí)閾值檢測(cè)和波形連續(xù)性檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行分割，并計(jì)算兩段信號(hào)的諧波能量和諧波貢獻(xiàn)度；

13、s5.諧波含量比較：通過(guò)比較兩段信號(hào)的諧波能量和諧波貢獻(xiàn)度，初步判定信號(hào)是否屬于早期故；

14、s6.重復(fù)性檢測(cè)：對(duì)初步認(rèn)定的早期故障信號(hào)進(jìn)行重復(fù)性檢測(cè)，當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)重復(fù)性檢測(cè)計(jì)數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，發(fā)出等級(jí)更高的早期故障告警信號(hào)。

15、進(jìn)一步，所述的增強(qiáng)識(shí)別邏輯中電流信號(hào)ape低秩算法的增強(qiáng)處理，具體包括。

16、a)將采集的電纜電流信號(hào)通過(guò)emd分解為6個(gè)子信號(hào)，每個(gè)子信號(hào)表示為：

17、s＝{s1,s2,...,sn}

18、b)針對(duì)每個(gè)子信號(hào)選擇嵌入維度d＝3和時(shí)間延遲l＝1，然后嵌入每個(gè)子信號(hào)imf得到一個(gè)d-維空間中，得到重構(gòu)矢量：

19、

20、c)將重構(gòu)矢量中的元素排序，得到新的矢量：

21、

22、其中，j1,j2,...,jd是中元素的索引。

23、d)對(duì)于一個(gè)d-維重構(gòu)矢量，存在d！種排序模式，第i種排序模式出現(xiàn)的概率記為根據(jù)下公式計(jì)算每種排序模式出現(xiàn)的概率。

24、

25、e)根據(jù)下公式計(jì)算每個(gè)子信號(hào)ape熵值。

26、

27、所述的增強(qiáng)識(shí)別邏輯中電流信號(hào)ape低秩算法的增強(qiáng)處理，具體還包括。

28、a)根據(jù)聚類(lèi)算法和ape熵值將6個(gè)子信號(hào)聚類(lèi)為兩簇。

29、b)針對(duì)ape熵值高的子信號(hào)簇中的每個(gè)子信號(hào)通過(guò)低秩矩陣分解算法增強(qiáng)，具體包括。

30、定義ape熵值高的子信號(hào)簇中的每個(gè)子信號(hào)表示為：x＝{x1,x2,...,xn}，并將其轉(zhuǎn)為觀察矩陣形式x：

31、

32、其中l(wèi)是嵌入維度，l＝0.5*n，k＝n-l+1。

33、通過(guò)下公式計(jì)算x的svd分解結(jié)果。

34、

35、其中，h表示共軛轉(zhuǎn)置，是x的降序奇異值，d為奇異值個(gè)數(shù)，分別表示是左奇異向量和右奇異向量。

36、設(shè)置聚類(lèi)數(shù)k＝3并使用聚類(lèi)算法對(duì)x的奇異值進(jìn)行聚類(lèi)。然后計(jì)算每個(gè)聚類(lèi)的平均奇異值，將平均值較大的兩個(gè)聚類(lèi)中的奇異值視為與子信號(hào)相關(guān)聯(lián)并得到矩陣秩r即較大的兩個(gè)聚類(lèi)中的奇異值的數(shù)量。

37、根據(jù)下公式計(jì)算第i個(gè)重構(gòu)系數(shù)

38、

39、其中，i為單位矩陣，為的微分形式，tr為一個(gè)方陣對(duì)角線(xiàn)元素之和運(yùn)算。

40、使用重構(gòu)系數(shù)和奇異值向量計(jì)算子信號(hào)矩陣如下所示。

41、

42、最后得到增強(qiáng)后的子信號(hào)

43、

44、將ape熵值高的子信號(hào)簇中的每個(gè)增強(qiáng)后的子信號(hào)相加得到增強(qiáng)后的電流信號(hào)。

45、進(jìn)一步，所述計(jì)時(shí)閾值檢測(cè)，具體包括：

46、設(shè)置于電纜接頭接地線(xiàn)上的檢測(cè)裝置處于常開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)流經(jīng)樣本的電流信號(hào)if在初始階段時(shí)的信號(hào)幅值處于如下式所示的閾值范圍時(shí)，則啟動(dòng)對(duì)疑似故障信號(hào)的記錄。

47、

48、iset1＜|istart|＜iset2

49、式中，[i1,i2,…,in]數(shù)組為電流信號(hào)在每個(gè)峰值點(diǎn)的幅值，由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，n由早期故障初始階段的時(shí)長(zhǎng)決定，可取5～20；istart為故障信號(hào)初始階段時(shí)的電流信號(hào)；iset1為判定可進(jìn)行故障記錄的電流閾值下界，iset2為判定可繼續(xù)進(jìn)行故障記錄的電流閾值上界。

50、進(jìn)一步，所述波形連續(xù)性檢測(cè)，具體包括：

51、在信號(hào)采集過(guò)程中，若信號(hào)if中存在一段連續(xù)的信號(hào)if1，該信號(hào)的峰值點(diǎn)電流幅值始終低于閾值，則停止信號(hào)的采集。具體檢測(cè)方式如下式所示：

52、

53、if1＝[im,im+1,..,im+c]

54、|if1|＜iset

55、式中，[im,im+c,…,im+c]為if1段信號(hào)內(nèi)每個(gè)峰值點(diǎn)的幅值。im為if1信號(hào)的初始點(diǎn)的電流幅值；iset為判定信號(hào)是否連續(xù)的電流下界值；c為信號(hào)連續(xù)性檢測(cè)的閾值，if1信號(hào)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為0.01c。

56、進(jìn)一步，所述諧波采樣，具體包括：

57、對(duì)于滿(mǎn)足計(jì)時(shí)閾值檢測(cè)和波形連續(xù)性檢測(cè)條件的信號(hào)，則從滿(mǎn)足計(jì)時(shí)閾值檢測(cè)的信號(hào)初始點(diǎn)i1起計(jì)時(shí)，在信號(hào)中間處將收錄的疑似故障信號(hào)進(jìn)一步分割，分割處在初始點(diǎn)i1后的t1時(shí)間點(diǎn)上，t1的數(shù)值應(yīng)略高于實(shí)際環(huán)境中早期故障初始階段的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，在分?jǐn)帱c(diǎn)后，再次記錄時(shí)間長(zhǎng)度為t2的電流信號(hào)，作為主體階段的波形信號(hào)。

58、對(duì)于形成的兩段新信號(hào)，將其分別命名為ib，is。對(duì)兩段信號(hào)的諧波能量進(jìn)行計(jì)算。具體計(jì)算方法如下所示。

59、

60、

61、其中，ib(k)與is(k)分別是時(shí)域信號(hào)ib與is經(jīng)離散傅里葉變換后的頻域信號(hào)，m為諧波次數(shù)，m＝1時(shí)表示基波。n為時(shí)域與頻域離散信號(hào)的點(diǎn)數(shù)，k為時(shí)域離散信號(hào)的編號(hào)。ebm與esm分別為ib(k)與is(k)在m次諧波上的能量。m＝1時(shí)表示基波能量。pebm與pesm分別為信號(hào)ib(k)與is(k)的m次諧波能量與基波能量之比。

62、進(jìn)一步，所述諧波含量比較，具體包括：

63、諧波能量法可用于評(píng)估不同次諧波與基波的相對(duì)強(qiáng)度。為防止單一方法可能存在的誤判問(wèn)題，在比較兩階段諧波含量的問(wèn)題上，引入諧波貢獻(xiàn)度h作為補(bǔ)充判據(jù)。以諧波采樣中計(jì)算所得的ib(k)與is(k)進(jìn)一步計(jì)算得早期故障初始階段與主體階段的諧波貢獻(xiàn)度。計(jì)算方法如下所示：

64、

65、式中，hbx與hsx分別是時(shí)域信號(hào)ib與is的x次諧波的諧波貢獻(xiàn)度，ibx為x次諧波電流的均方根，ib1為采集到的一階段波形的基波電流均方根。isx為對(duì)應(yīng)的x次諧波電流的均方根，is1為采集到的二階段波形基波電流均方根。在評(píng)估諧波貢獻(xiàn)度時(shí)，同樣僅計(jì)算三次諧波。對(duì)于經(jīng)過(guò)(1)～(4)步的信號(hào)if，若該信號(hào)的pebm>pesm，且hbx>hsx。則可初步認(rèn)定該信號(hào)屬于早期故障，增強(qiáng)識(shí)別裝置可就此發(fā)出疑似早期故障判定信號(hào)。

66、進(jìn)一步，所述重復(fù)性檢測(cè)，具體包括：由于早期故障存在重復(fù)性與累積性，根據(jù)這一特征，可對(duì)初步認(rèn)定的早期故障信號(hào)進(jìn)行重復(fù)性檢測(cè)。具體方法如下：

67、在其中任意一個(gè)電纜接頭的疑似早期故障信號(hào)均可使重復(fù)性檢測(cè)裝置的計(jì)數(shù)加一。當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)重復(fù)性檢測(cè)計(jì)數(shù)超過(guò)閾值，則可發(fā)出等級(jí)更高的早期故障告警信號(hào)。重復(fù)性檢測(cè)的使用可進(jìn)一步排除與早期故障特征類(lèi)似的偶發(fā)干擾信號(hào)。

68、進(jìn)一步，所述的諧波采樣中，還包括：早期故障的初始階段的多階諧波貢獻(xiàn)度大于0.0131的諧波能量值作為諧波總能量，主體階段的多階諧波貢獻(xiàn)度大于0.0060的諧波能量值作為諧波總能量。

69、進(jìn)一步，所述的閾值和時(shí)長(zhǎng)定義為：

70、iset1(啟動(dòng)記錄的電流閾值下界)被設(shè)置為0.01(a)。

71、iset2(啟動(dòng)記錄的電流閾值上界)被設(shè)置為0.2(a)。

72、0.01c(連續(xù)性檢測(cè)計(jì)時(shí)閾值)被設(shè)置為0.05(s)。

73、iset(連續(xù)性檢測(cè)的電流閾值下界)被設(shè)置為0.01(a)。

74、t1(初始階段的計(jì)時(shí)時(shí)長(zhǎng))被設(shè)置為0.5(s)。

75、t2(主體階段的計(jì)時(shí)時(shí)長(zhǎng))被設(shè)置為10(s)。

76、本發(fā)明的有益效果：

77、本發(fā)明提出了早期故障的增強(qiáng)識(shí)別邏輯，該邏輯包括六個(gè)步驟：電流信號(hào)ape低秩算法的增強(qiáng)處理，計(jì)時(shí)閾值檢測(cè)、連續(xù)性檢測(cè)、諧波采樣、諧波含量比較與重復(fù)性檢測(cè)，能夠有效篩除配網(wǎng)線(xiàn)路上其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)。通過(guò)對(duì)早期故障的時(shí)域和頻域特征進(jìn)行分析，確定了早期故障的電流幅值、持續(xù)時(shí)間和階段間頻譜差異等特征，有助于更準(zhǔn)確地識(shí)別早期故障。初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示，該增強(qiáng)識(shí)別邏輯可以有效地將早期故障與其他類(lèi)型的故障區(qū)分開(kāi)來(lái)，特別是對(duì)于斷路器、架空線(xiàn)路等設(shè)備的故障電流波形具有良好的抗干擾能力。增強(qiáng)識(shí)別邏輯的總準(zhǔn)確率保持在一個(gè)較高的水平，對(duì)于電纜接頭早期故障的識(shí)別率達(dá)到97.5％，同時(shí)對(duì)于其他類(lèi)型的干擾信號(hào)也能夠很好地識(shí)別出來(lái)，整體準(zhǔn)確率達(dá)到99.3％。提高了對(duì)電纜接頭早期故障識(shí)別的可靠性和準(zhǔn)確性，有助于預(yù)防由早期故障發(fā)展成永久性故障，從而減少計(jì)劃外停電事件的發(fā)生，提升電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。