基于分形和小波变换的电力电缆故障识别方法

摘要

本发明公开了一种基于分形和小波变换的电力电缆故障识别系统及方法，其系统包括依次相接的电流检测电路模块、信号调理电路模块、数据采集卡和主控计算机，电流检测电路模块包括A、B、C相霍尔电流传感器，信号调理电路模块包括A、B、C相I/V转换电路模块，A、B、C相信号放大电路模块和A、B、C相滤波电路模块；其方法包括步骤：一、信号实时检测及同步上传，二、信号采集及存储，三、电缆故障识别。本发明设计新颖合理，采用霍尔电流传感器对电缆电流进行检测，检测精度高、稳定性和可靠性高，将分形法与小波分析法相结合，能够简单、迅速、准确、有效地识别出电缆短路故障的类型，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

主权项

一种基于分形和小波变换的电力电缆故障识别方法，该方法采用的识别系统包括依次相接的电流检测电路模块(1)、信号调理电路模块(2)、数据采集卡(3)和主控计算机(4)，所述电流检测电路模块(1)包括用于对三相电缆的A相电流进行实时检测的A相霍尔电流传感器(1‑1)、用于对三相电缆的B相电流进行实时检测的B相霍尔电流传感器(1‑2)和用于对三相电缆的C相电流进行实时检测的C相霍尔电流传感器(1‑3)，所述信号调理电路模块(2)包括用于对A相霍尔电流传感器(1‑1)输出的信号进行调理的A相电流信号调理电路模块(2‑1)、用于对B相霍尔电流传感器(1‑2)输出的信号进行调理的B相电流信号调理电路模块(2‑2)和用于对C相霍尔电流传感器(1‑3)输出的信号进行调理的C相电流信号调理电路模块(2‑3)，所述A相电流信号调理电路模块(2‑1)由依次相接的A相I/V转换电路模块(2‑11)、A相信号放大电路模块(2‑12)和A相滤波电路模块(2‑13)构成，所述B相电流信号调理电路模块(2‑2)由依次相接的B相I/V转换电路模块(2‑21)、B相信号放大电路模块(2‑22)和B相滤波电路模块(2‑23)构成，所述C相电流信号调理电路模块(2‑3)由依次相接的C相I/V转换电路模块(2‑31)、C相信号放大电路模块(2‑32)和C相滤波电路模块(2‑33)构成，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一、信号实时检测及同步上传：通过A相霍尔电流传感器(1‑1)对被检测电缆的A相电流进行实时检测，并将实时所检测的A相电流信号i_a依次通过A相I/V转换电路模块(2‑11)、A相信号放大电路模块(2‑12)和A相滤波电路模块(2‑13)进行I/V转换、放大和滤波处理后同步上传至数据采集卡(3)；通过B相霍尔电流传感器(1‑2)对被检测电缆的B相电流进行实时检测，并将实时所检测的B相电流信号i_b依次通过B相I/V转换电路模块(2‑21)、B相信号放大电路模块(2‑22)和B相滤波电路模块(2‑23)进行I/V转换、放大和滤波处理后同步上传至数据采集卡(3)；通过C相霍尔电流传感器(1‑3)对被检测电缆的C相电流进行实时检测，并将实时所检测的C相电流信号i_c依次通过C相I/V转换电路模块(2‑31)、C相信号放大电路模块(2‑32)和C相滤波电路模块(2‑33)进行I/V转换、放大和滤波处理后同步上传至数据采集卡(3)；步骤二、信号采集及存储：数据采集卡(3)对A相电流信号i_a、B相电流信号i_b和C相电流信号i_c进行采集并相应进行A/D转换后，同步传送至主控计算机(4)；同时，通过主控计算机(4)对A相电流信号i_a、B相电流信号i_b和C相电流信号i_c的采样点数量、所有采样点和各采样点所对应的采样时刻进行存储；步骤三、电缆故障识别：当被检测电缆发生故障时，数据采集卡(3)传送来的A相电流信号i_a、B相电流信号i_b和C相电流信号i_c为故障信号，此时通过主控计算机(4)对由数据采集卡(3)传送来的A相电流信号i_a、B相电流信号i_b和C相电流信号i_c进行分析处理，并相应得出被检测电缆的故障类型属于A相接地短路故障、B相接地短路故障、C相接地短路故障、AB两相短路接地故障、AB相间短路故障、BC两相短路接地故障、BC相间短路故障、AC两相短路接地故障、AC相间短路故障和ABC三相短路故障中的哪一种，其分析处理过程如下：步骤301、采用分形法进行电缆故障初识别，具体过程为：步骤3011、电流波形图绘制：所述主控计算机(4)调用电流波形绘制模块绘制出A相电流信号i_a随采样时间t变化的A相电流波形图、B相电流信号i_b随采样时间t变化的B相电流波形图和C相电流信号i_c随采样时间t变化的C相电流波形图；步骤3012、分形维数计算：首先，假设A相电流波形是欧氏空间的有界点集F_A，用边长为ε_A的小方格覆盖该点集F_A时，假设N_A(ε_A)为边长为ε_A时其中包含点集F_A中的点的非空小方格数，所述主控计算机(4)调用分形维数计算模块且根据公式计算出A相分形维数D_A；接着，假设B相电流波形是欧氏空间的有界点集F_B，用边长为ε_B的小方格覆盖该点集F_B时，假设N_B(ε_B)为边长为ε_B时其中包含点集F_B中的点的非空小方格数，所述主控计算机(4)调用分形维数计算模块且根据公式计算出B相分形维数D_B；然后，假设C相电流波形是欧氏空间的有界点集F_C，用边长为ε_C的小方格覆盖该点集F_C时，假设N_C(ε_C)为边长为ε_C时其中包含点集F_C中的点的非空小方格数，所述主控计算机(4)调用分形维数计算模块且根据公式计算出C相分形维数D_C；步骤3013、三相分形维数比对及电缆故障初识别：所述主控计算机(4)将A相分形维数D_A、B相分形维数D_B和C相分形维数D_C进行比对，并根据比对结果分五种情形对电缆故障进行初识别:当D_B<D_C<D_A时，判定为A相接地短路故障，识别结束并输出识别结果；当D_A<D_B<D_C时，判定为C相接地短路故障，识别结束并输出识别结果；当D_C<D_A<D_B时，判定为B相接地短路故障、AB两相短路接地故障或AB相间短路故障，执行步骤302；当D_A<D_C<D_B时，判定为ABC三相短路故障、BC两相短路接地故障或BC相间短路故障，执行步骤302；当D_B<D_A<D_C时，判定为AC两相短路接地故障或AC相间短路故障，执行步骤302；步骤302、所述主控计算机(4)调用凯伦布尔变换模块将A相电流信号i_a、B相电流信号i_b和C相电流信号i_c从相空间变换到模空间，得到0模电流分量i₀、α模电流分量i_α和β模电流分量i_β：$i_0=\frac{1}{3}(i_a+i_b+i_c)$$i_{\alpha }=\frac{1}{3}(i_a-i_b)$$i_{\beta }=\frac{1}{3}(i_a-i_c)$步骤303、采用离散小波变换进行电缆故障再识别，具体过程为：步骤3031、离散小波变换及小波系数求解：首先，所述主控计算机(4)选取0模电流分量i₀作为一维信号f(n₀)并调用离散小波变换模块对一维信号f(n₀)进行离散小波变换，相应求得离散小波变换后的各层小波系数，各层所述小波系数包括各层近似系数和各层细节系数，其中各层所述细节系数记作d_j,k，其中，n₀＝0,1,2,…N‑1且N为一维信号f(n₀)的采样序列中的采样点数量，一维信号f(n₀)的采样序列中的采样点数量、所有采样序列点和各采样序列点所对应的采样时刻均与步骤二中主控计算机(4)所存储的A相电流信号i_a、B相电流信号i_b和C相电流信号i_c的采样点数量、所有采样点和各采样点所对应的采样时刻一一对应；j＝1,2,…,J且J为离散小波变换的层数，k＝0,1,2…,N‑1且k为一维信号f(n₀)的采样序列中的N个采样序列点的序号；接着，所述主控计算机(4)选取α模电流分量i_α作为一维信号f(n_α)并调用离散小波变换模块对一维信号f(n_α)进行离散小波变换，相应求得离散小波变换后的各层小波系数，各层所述小波系数包括各层近似系数和各层细节系数，其中各层所述细节系数记作d′_j,k，其中，n_α＝0,1,2,…N‑1且N为一维信号f(n_α)的采样序列中的采样点数量，一维信号f(n_α)的采样序列中的采样点数量、所有采样序列点和各采样序列点所对应的采样时刻均与步骤二中主控计算机(4)所存储的A相电流信号i_a、B相电流信号i_b和C相电流信号i_c的采样点数量、所有采样点和各采样点所对应的采样时刻一一对应；j＝1,2,…,J且J为离散小波变换的层数，k＝0,1,2…,N‑1且k为一维信号f(n_α)的采样序列中的N个采样序列点的序号；然后，所述主控计算机(4)选取β模电流分量i_β作为一维信号f(n_β)并调用离散小波变换模块对一维信号f(n_β)进行离散小波变换，相应求得离散小波变换后的各层小波系数，各层所述小波系数包括各层近似系数和各层细节系数，其中各层所述细节系数记作d″_j,k，其中，n_β＝0,1,2,…N‑1且N为一维信号f(n_β)的采样序列中的采样点数量，一维信号f(n_β)的采样序列中的采样点数量、所有采样序列点和各采样序列点所对应的采样时刻均与步骤二中主控计算机(4)所存储的A相电流信号i_a、B相电流信号i_b和C相电流信号i_c的采样点数量、所有采样点和各采样点所对应的采样时刻一一对应；j＝1,2,…,J且J为离散小波变换的层数，k＝0,1,2…,N‑1且k为一维信号f(n_β)的采样序列中的N个采样序列点的序号；步骤3032、模极大值点检测：首先，按照一维信号f(n₀)的采样序列的采样顺序，由前至后对第J层细节系数d_J,k的模极大值点进行检测与记录，且检测得出当k＝i时，d_J,k取得模极大值点，即0模电流分量i₀的初始行波模极大值I₀＝d_J,i；接着，按照一维信号f(n_α)的采样序列的采样顺序，由前至后对第J层细节系数d′_J,k的模极大值点进行检测与记录，且检测得出当k＝i时，d′_J,k取得模极大值点，即α模电流分量i_α的初始行波模极大值I_α＝d′_J,i；然后，按照一维信号f(n_β)的采样序列的采样顺序，由前至后对第J层细节系数d″_J,k的模极大值点进行检测与记录，且检测得出当k＝i时，d″_J,k取得模极大值点，即β模电流分量i_β的初始行波模极大值I_β＝d″_J,i；其中，i＝0,1,2…,N‑1；步骤3033、三个初始行波模极大值比对及电缆故障再识别：所述主控计算机(4)分D_C<D_A<D_B、D_A<D_C<D_B和D_B<D_A<D_C三种情况将0模电流分量i₀的初始行波模极大值I₀、α模电流分量i_α的初始行波模极大值I_α和β模电流分量i_β的初始行波模极大值I_β进行比对，并根据比对结果对电缆故障进行再识别，具体为:当D_C<D_A<D_B时，首先判断是否有I₀＝0，当I₀＝0时，判断是否有I_α＝2I_β，当I₀＝0且I_α＝2I_β时，判断为AB相间短路故障；当I₀≠0时，首先判断是否有I_β＝0且|I₀|＝|I_α|，当I₀≠0、I_β＝0且|I₀|＝|I_α|时，判断为B相接地短路故障；然后判断是否有I₀＝2I_β‑I_α，当I₀≠0且I₀＝2I_β‑I_α时，判断为AB两相短路接地故障；识别结束并输出识别结果；当D_A<D_C<D_B时，首先判断是否有I₀＝0，当I₀＝0时，判断是否有I_α＝‑I_β，当I₀＝0且I_α＝‑I_β时，判断为BC相间短路故障；当I₀≠0时，判断是否有I₀＝‑I_α‑I_β，当I₀≠0且I₀＝‑I_α‑I_β时，判断为BC两相短路接地故障；当I₀≠0且I₀≠‑I_α‑I_β时，判断为ABC三相短路故障；识别结束并输出识别结果；当D_B<D_A<D_C时，首先判断是否有I₀＝0，当I₀＝0时，判断是否有当I₀＝0且时，判断为AC相间短路故障；当I₀≠0时，判断是否有I₀＝2I_α‑I_β，当I₀≠0且I₀＝2I_α‑I_β时，判断为AC两相短路接地故障；识别结束并输出识别结果。