【正文】 ，則l1=t2t1t42t1+t2l 由此，可以僅通過采樣時刻計(jì)算出故障點(diǎn)位置，從而避免了不確定的波速所帶來的誤差?不同故障情況下檢測到的行波不同，初始行波到達(dá)測量端的時間為t1，故障點(diǎn)反射行波到達(dá)測量端的時間為t3，對端母線反射行波到達(dá)測量端的時間分別為t8?t3，故障定位時可將其代入前半程公式進(jìn)行計(jì)算?如果故障點(diǎn)位于八分之五?八分之七處，此時初始行波到達(dá)測量端的時間為t1，故障點(diǎn)反射行波到達(dá)測量端的時間分別為t3?t8，對端母線反射行波到達(dá)測量端的時間為t2，故障定位時可將其代入后半程公式進(jìn)行計(jì)算? 電纜故障定位系統(tǒng)仿真 電纜故障定位系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)基于小波的電纜故障定位系統(tǒng)是一種智能化的監(jiān)測裝置，系統(tǒng)主要包括電纜信號的調(diào)理?采集部分和處理器的故障定位部分，?電纜一端的電壓?電流信號經(jīng)互感器?調(diào)理電路進(jìn)行信號調(diào)理，然后A/D轉(zhuǎn)換?進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)，預(yù)處理后對其進(jìn)行小波分析，找出信號奇異點(diǎn)對應(yīng)時間，結(jié)合適當(dāng)?shù)乃惴ǎ?jì)算出故障點(diǎn)的距離，完成故障點(diǎn)定位?信號調(diào)理電路PCI0954數(shù)據(jù)采集卡故障定位模塊MN互感器行波圖3. 16電纜故障定位系統(tǒng) 建立電纜故障系統(tǒng)模型目前常用的電力系統(tǒng)仿真軟件有ATP?MATLAB?EMTP?PSASP等?本節(jié)介紹了MATLAB仿真的特點(diǎn)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，并用其建立了短路故障仿真模型和斷路故障仿真模型[[] 姜晟，舒乃秋，胡芳，周靜，基于小波變換的含噪聲行波信號奇異點(diǎn)檢測[J]，電網(wǎng)技術(shù)，2004，59~62]?選用MATLAB軟件進(jìn)行電纜故障系統(tǒng)仿真，具體原因如下:電力系統(tǒng)仿真工具箱(SimPower)功能強(qiáng)大，工具箱內(nèi)部的元件庫提供了經(jīng)常使用的各種電力元件數(shù)學(xué)模型，并且提供了可以根據(jù)需要修改創(chuàng)建的元件模型?MATLAB提供的小波分析工具箱(WaveletToolbox)，內(nèi)部提供了各種常見的小波基函數(shù)，這為使用小波對電纜故障信號進(jìn)行多尺度分析和奇異性分析提供了良好的平臺?強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力為為進(jìn)行小波分析方面的運(yùn)算提供了強(qiáng)有力的支持。其強(qiáng)大的圖形繪制能力為顯示小波分析信號提供了良好的環(huán)境，方便了電纜故障定位?在Simulink仿真過程中可隨時調(diào)整模型參數(shù)和仿真參數(shù)改善仿真效果，并且可以實(shí)時查看系統(tǒng)的仿真結(jié)果，或?qū)⒎抡鏀?shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB工作空間進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析?電力系統(tǒng)的接線方式很復(fù)雜，建模時可以對其線路進(jìn)行簡化?、?仿真實(shí)例都是為實(shí)現(xiàn)基本功能所設(shè)計(jì)，與實(shí)際配電網(wǎng)線路相比，顯得比較簡單。圖3. 17系統(tǒng)建模流程圖I) 電纜短路故障仿真模型當(dāng)電纜發(fā)生短路接地故障時，建立其系統(tǒng)仿真模型，:圖3. 18電纜短路故障系統(tǒng)模型設(shè)電纜總長度為20km，故障發(fā)生在距測量端5km處，系統(tǒng)的電源為理想電源，起始角為0度，用于模擬110kV的三相電源?。**106F?故障點(diǎn)接地電阻為10???故障發(fā)生模塊，可用來模擬單相接地故障?雙相接地故障和三相接地故障。三相電壓?電流測量元件，接在母線端，用來測量此處的故障暫態(tài)信號。總長度不變的情況下，改變兩段電纜的長度，即可實(shí)現(xiàn)電纜故障發(fā)生在不同位置的仿真分析。若不改變電纜長度，而只改變故障類型，即可實(shí)現(xiàn)電纜在不同故障類型下的仿真?當(dāng)電纜發(fā)生斷路故障時，建立其系統(tǒng)仿真模型，:圖3. 19電纜斷路故障系統(tǒng)模型設(shè)定各個模塊參數(shù)和仿真系統(tǒng)參數(shù)?設(shè)電纜總長度為6km，故障發(fā)生在距測量端3km處?系統(tǒng)的電源為理想電源，起始角為0度，用于模擬50Hz的110kV的三相電源。**106F??? 系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)的分析計(jì)算電纜故障的形式多為短路接地，故障以單相接地故障為主，兩相及三相故障較少?為了全面分析，本節(jié)仿真了單相?兩相短路接地故障和單相斷路故障?I) 電纜發(fā)生單相短路接地故障??設(shè)定電纜總長度為20km，故障發(fā)生在距離測量端5km處，接地電阻為10?，?正常的三相電壓???三相電流波形圖?，可看出它在仿真故障點(diǎn)后出現(xiàn)了明顯的奇異信號?由于實(shí)際電纜受到外界電磁干擾等因素影響，信號會包含大量的噪聲，預(yù)處理的主要目的是對原始信號進(jìn)行消噪?，由于仿真數(shù)據(jù)不像實(shí)際電纜信號包含了大量的噪聲，故從圖中看不出處理信號的波形有什么明顯不同?但在故障定位系統(tǒng)中始終要重視信號的消噪問題[[] 朱麗，婁國偉，自適應(yīng)閾值的小波去噪研究[J]，制導(dǎo)與引信，2003，13~19]?圖3. 20正常的三相電壓?電流波形圖3. 21故障電纜的三相電壓?電流波形圖3. 22A相故障電壓信號圖3. 23故障電壓信號與其處理后信號，圖中a4代表低頻部分的系數(shù)，d1?d2?d3?d4代表高頻部分的系數(shù)。圖3. 24故障電壓的小波分解圖3. 25處理高頻系數(shù)，根據(jù)行波的傳播特性，高頻系數(shù)的模最大值為故障點(diǎn)發(fā)射的初始行波。圖3. 26高頻系數(shù)模極大值點(diǎn)序列MM2 圖3. 27高頻系數(shù)模極大值點(diǎn)序列MM4前文給出了一種求取局部極值點(diǎn)的方法，按照此法可以找到若干個局部極值點(diǎn)，根據(jù)其序號可以找到對應(yīng)時刻?圖中每個子類代表一個行波波頭，從每個子類中找到一個局部極值點(diǎn)代表其特征信息?結(jié)合前面的行波傳播示意圖，可知M1表示故障點(diǎn)初始行波第一次到達(dá)測量端所產(chǎn)生的模極大值。M2?M3分別為故障點(diǎn)反射行波第一次?第二次到達(dá)測量端所產(chǎn)生的模極大值:M4表示對端母線反射行波到達(dá)測量端所產(chǎn)生的模極大值?其對應(yīng)的采樣時間分別為tl=?t2=?t3=?t4=?代入公式中，可得故障點(diǎn)距離測量端的距離l1=t2t1t42t1+t2L≈其中電纜全長L=20000m，絕對誤差d=5000l=，相對誤差e=dL100%≈%?常用的定位方法是利用行波波速進(jìn)行測距的，105m/105m/s之間，將故障行波對應(yīng)時間代入公式()計(jì)算可得:故障距離最大值:lmax=(t2t1)vmax2=6573m故障距離最小值:lmin=(t2t1)vmin2=4482m可見利用行波波速進(jìn)行故障定位的方法不確定性較大，定位精度難以保證?II) 電纜發(fā)生兩相短路接地故障?，故障模塊設(shè)定為A?B兩相發(fā)生短路接地故障，設(shè)定電纜總長度為20km，接地電阻為10?，其余設(shè)置不變。電纜發(fā)生兩相短路故障，從圖中可以明顯看出發(fā)生故障后的奇異信號?。仿真實(shí)驗(yàn)中的噪聲信號比實(shí)際中小的多，因此消噪前后對比效果不是特別的強(qiáng)烈。圖3. 28兩相短路故障的電壓?電流波形圖3. 29A相故障信號圖3. 30A相故障電壓信號與其處理信號 圖3. 31小波分解A相故障電壓圖，圖中a3代表低頻部分的系數(shù)，d1?d2?d3代表高頻部分的系數(shù)?。圖3. 32處理高頻系數(shù)按照前面介紹的方法尋找局部模極大值點(diǎn)，局部極值點(diǎn)聚成了若干類，即不同波速的行波在若干個不同的時間段到達(dá)了測量端，從每個子類中找到一個局部極值點(diǎn)代表其特征信息，如此也就找到了能夠表征故障信息的若干行波?為了能更直觀地看見局部模極大值點(diǎn)，?圖3. 33高頻系數(shù)模極大值點(diǎn)序列結(jié)合前面的行波傳播分析，可知M表示故障點(diǎn)初始行波第一次到達(dá)測量端所產(chǎn)生的模極大值。M2為故障點(diǎn)反射行波第一次到達(dá)測量端所產(chǎn)生的模極大值。M3表示對端母線反射行波初次到達(dá)測量端所產(chǎn)生的模極大值?對應(yīng)的采樣時間分別為t1=?t2=?t3=?將其代入公式中，可得故障點(diǎn)距離測量端的距離l=t2t1t32t1+t2L≈其中電纜全長l=20000m，絕對誤差d=7500l=，相對誤差e=dL100%≈%III) 電纜發(fā)生單相斷路故障?，設(shè)定電纜總長度為6km，故障發(fā)生在距離測量端3km處，?其余參數(shù)設(shè)置不變。電纜發(fā)生單相斷路故障時的三相電壓????圖3. 34單相斷路故障的電壓?電流波形圖3. 35斷路故障信號圖3. 36斷路故障電壓信號與其處理后信號圖3. 37故障信號小波分解后的小波系數(shù)，圖中a4代表低頻部分的系數(shù)，d1?d2?d3?d4代表高頻部分的系數(shù)??按照前面介紹的方法尋找局部模極大值點(diǎn)，?M2?M3?其對應(yīng)的采樣時間分別為t1=?t2=?t3=?將其代入公式中，可得故障點(diǎn)距離測量端的距離l=t2t1t32t1+t2L≈其中電纜全長l=6000m，絕對誤差d=3000l=，相對誤差e=dL100%≈%?圖3. 38消噪后的高頻系數(shù) 圖3. 39高頻系數(shù)模極大值點(diǎn)序列上面3個仿真算例分別對單相短路接地故障?兩相短路接地故障和單相斷路故障三種情況做了分析計(jì)算，%?%?%，可見算法對不同故障點(diǎn)?不同故障類型的測距誤差都不大?IV) 對電纜發(fā)生各相短路接地及開路故障定位多次仿真驗(yàn)證、雙相、三相在高阻與低阻（其中高阻為100?，低阻為1?）下發(fā)生在傳輸電纜前半程與后半程的短路接地故障分別進(jìn)行仿真，并統(tǒng)計(jì)了計(jì)算結(jié)果。表3. 2各相短路接地故障仿真計(jì)算、雙相、三相發(fā)生在傳輸電纜前半程與后半程的開路故障分別進(jìn)行仿真，并統(tǒng)計(jì)了計(jì)算結(jié)果。在各相故障仿真中，對比了其與常用方法的定位效果，不確定波速引起的巨大誤差凸顯了利用行波波速進(jìn)行故障定位方法的誤差不確定性?不受波速影響的算法避開了波速對故障定位精度的影響，表明其在理論上的可行性?但此法的關(guān)鍵是準(zhǔn)確確認(rèn)行波，仿真表明了利用局部極值序列聚類尋找行波方法是有效的，但還不完全成熟，有待進(jìn)一步研究發(fā)展?雖然仿真模型不能完全等同于實(shí)際電力系統(tǒng)，但它在一定程度上表征了實(shí)際情況，仿真表明將小波變換應(yīng)用于對故障信號的處理?分析的正確性。表3. 3各相開路故障仿真及測算 小結(jié)本文以小波為工具研究了電纜在線故障定位方法?首先描述了電纜故障定位系統(tǒng)中小波分析的作用和應(yīng)用情況，介紹了閾值去噪法。然后闡述了行波色散現(xiàn)象，研究探索了一種尋找高頻部分信號局部模極大值點(diǎn)的方法。研究了電纜中不同故障點(diǎn)行波的傳播規(guī)律，介紹一種不受波速影響的定位算法。給出了整個故障定位系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。最后建立電力系統(tǒng)短路和斷路故障模型，對電纜的各相短路接地故障?斷路故障仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析。驗(yàn)證了將小波變換應(yīng)用于對故障信號的處理?分析是一種行之有效的研究方法?第四章 總結(jié)與展望 總結(jié)隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電纜故障的影響范圍也越來越大，為了減小電纜故障所造成的損失，對電纜故障定位方法的準(zhǔn)確性和快速性的要求越來越高。在查閱了大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)研究了基于小波分析的電纜故障定位方法，研究了行波傳播規(guī)律，探討了不受波速影響的定位算法，提出了一種尋找信號局部極值點(diǎn)的方法。論文的主要工作和結(jié)論如下：查閱了電纜故障的類型和產(chǎn)生原因；分析了現(xiàn)有的電纜故障各種定位及檢測方法，了解了其在國內(nèi)外的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。采用小波分析作為信號的時頻分析工具，對故障信息進(jìn)行有效地分析，找出故障行波的奇異點(diǎn)，從而確定行波到達(dá)測量端的時刻。研究了行波的傳播規(guī)律，針對波速不確定性問題，探討了不受波速影響的定位算法。該算法從理論上消除了波速對測距精度的影響。針對行波波頭分散的特點(diǎn)，提出了一種通過對局部模極大值點(diǎn)序列號聚類來確定信號奇異點(diǎn)的方法，能夠更合理的找到行波波頭，確定行波的到達(dá)時間。建立了電力系統(tǒng)的電纜故障模型，對不同故障類型進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，該方法具有較高的定位精度。 展望基于小波的電纜故障檢測定位系統(tǒng)旨在保證對故障的檢測和定位。本文提出了一種通過對局部模極大值點(diǎn)序列號聚類來確定信號奇異點(diǎn)的方法，實(shí)現(xiàn)了行波波頭的自動尋找；并結(jié)合行波的傳播規(guī)律，探討發(fā)展了不受波速影響的定位算法；仿真結(jié)果表明此法具有較高的定位精度。但無論從理論上還是在工程實(shí)踐中，都還存在著幾個問題尚未解決，需要進(jìn)行更深入的研究。不受波速影響的定位算法的使用前提是準(zhǔn)確判斷出行波波頭的性質(zhì)（來自故障點(diǎn)還是對端母線），本文將電纜分為多等分研究了行波的傳播規(guī)律，且由于行波波速接近光速，相鄰行波到達(dá)測量端的時間差不會很大，故而可在一定誤差范圍內(nèi)確定行波來源，但理論上行波在不同點(diǎn)的傳播情況都不相同，因此，為了更確切的確定行波的性質(zhì)，文章基于行波傳播規(guī)律的定位算法還需要更深入的研究。實(shí)際中進(jìn)入系統(tǒng)的噪聲可能會很多，甚至?xí)蜎]特征信息，若不能有效地去除噪聲，無疑會影響到定位精度，因此針對具體環(huán)境對不同頻率噪聲采用的自適應(yīng)閾值去噪方法還需要進(jìn)一步完善。本文的理論支撐是小波分析，但采用不同的小波函數(shù)進(jìn)行小波變換的效果是不同的，雖然已經(jīng)積累了一些選擇小波基的經(jīng)驗(yàn)，但為了得到更好的小波變換效果，通常的方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇或者多個嘗試驗(yàn)證。因此，在小波基的選用方面仍然有較長的路要走。本文的仿真都是基于實(shí)驗(yàn)環(huán)境當(dāng)中，而且所選用的仿真實(shí)例都是為實(shí)現(xiàn)基本功能所設(shè)計(jì)，與實(shí)際配電網(wǎng)線路相比，顯得比較簡單。把理論分析應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，必須考慮實(shí)際電網(wǎng)環(huán)境的復(fù)雜程度，因此應(yīng)該考慮多種方法相結(jié)合，使得算法不斷的改進(jìn)，這也是以后的研究目標(biāo)與方向。參考文獻(xiàn)75致謝在論文寫作過程中，我的導(dǎo)師王安邦老師給予我悉心指導(dǎo)，使我能夠順利完成畢業(yè)論文。在四年大學(xué)學(xué)習(xí)階段，王老師淵博的學(xué)識、樸實(shí)的為人、嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的治學(xué)態(tài)度、認(rèn)真守時的職業(yè)操守給我留下了深刻的印象，并向我在今后的學(xué)習(xí)和生活樹立榜樣，使我終身受益。在此向王老師表示衷心感謝，愿王老師能在今后的工作和生活中一帆風(fēng)順。感謝物理光電工程學(xué)院的所有老師和全體工作人員，感謝他們提供給我們一個優(yōu)秀的學(xué)習(xí)發(fā)展平臺；特別感謝徐航學(xué)長在MATLAB仿真和小波分析理論方面給予我的很大的幫助。感謝我的家人，他們從來都是我的堅(jiān)實(shí)后盾，愿與他們分享我的一切成果與快樂。愿我的家人能心想事成，幸福快樂。此外還要特別感謝那些和我朝夕相處的同窗，他們給我許多啟發(fā)和幫助，我從內(nèi)心珍惜這深厚的友誼。愿我踏入社會的同學(xué)能事事舒心，宏圖大展；愿我繼續(xù)求學(xué)的同學(xué)能百尺竿頭，更進(jìn)一步。最后衷心感謝評審論文和參加答辯的各位專家教授！附錄1:英文文獻(xiàn)Data fusion in cable fault prediction and location system