田書 周令 孫永超

摘 要：正確識別故障行波波頭和精確的雙端測距算法可保障電纜故障行波測距精度。為解決希爾伯特黃變換（HHT）中經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）存在的模態(tài)混疊問題，提出一種基于改進(jìn)集總經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（MEEMD）和Teager能量算子相結(jié)合的電纜故障行波檢測方法。針對故障行波波速及線路實際長度變化對雙端測距精度的影響，推導(dǎo)出一種不受波速影響的雙端測距算法。PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果驗證了該方法可行且測距精度高。

關(guān)鍵詞：電纜故障;集總經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解;Teager能量算子;雙端行波測距

DOI：10. 11907/rjdk. 181055

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2019）001-0144-04

Abstract：Correct identification of fault line wave head and accurate double-terminal traveling wave distance measuring ensure the accuracy of cable fault travel wave distance measurement. In order to solve the problem of modal aliasing in the empirical mode decomposition （EMD） in Hilbert Huang transform（HHT），a new method based on modified ensemble empirical mode decomposition （MEEMD） and Teager energy operator is proposed for the traveling wave fault location. The problem of the influence of the fault traveling wave velocity and the actual length of the line on double-terminal traveling wave distance measuring accuracy，double-terminal traveling wave distance measure is proposed which is not affected by wave velocity. The effectiveness and high precision of the proposed method are demonstrated by PSCAD/EMTDC simulation results.

0 引言

隨著現(xiàn)代城市的發(fā)展，城區(qū)內(nèi)電力電纜被廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)中。由于土地資源愈加稀缺，同時為了美化城市環(huán)境，電纜一般呈蛇形敷設(shè)在地下，傳統(tǒng)巡線方式進(jìn)行故障排查已無滿足電纜測距要求[1]。因此，研究精確、高效的電力電纜故障定位方法具有重要的工程實用價值。行波法被公認(rèn)為理論上最準(zhǔn)確的故障測距方法。行波測距的關(guān)鍵問題之一是行波波頭的準(zhǔn)確標(biāo)定 [2]。目前行波波頭的標(biāo)定方法主要有小波分析和希爾伯特黃變換（HHT）方法。小波分析通常運用于非奇異信號檢測且需要根據(jù)不同情況選擇合適的基函數(shù)和分解尺度[3-4]。HHT方法是一種能夠處理奇異信號的自適應(yīng)分解算法。通過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）將故障信號分解得到首個固有模態(tài)函數(shù)（IMF1）分量，對其進(jìn)行希爾伯特變換，通過分析時頻特性曲線標(biāo)定波頭到達(dá)時刻。由于EMD分解會出現(xiàn)模態(tài)混疊現(xiàn)象，即不同時間尺度的信號出現(xiàn)在同一個IMF分量中[5-8]，因此利用該方法進(jìn)行故障測距時誤差較大。集總經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EEMD）在EMD方法的基礎(chǔ)上添加高斯白噪聲，雖然一定程度上消除了模態(tài)混疊現(xiàn)象，但是會出現(xiàn)噪聲殘余的問題[9]。改進(jìn)的集總平均經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法（MEEMD）不僅有效抑制了模態(tài)混疊現(xiàn)象，還消除了白噪聲殘余，能夠真實地還原原始信號[10]。希爾伯特變換適用于分析非線性、非平穩(wěn)信號分解且具有自適應(yīng)性，Teager能量算子（TEO）是一種非線性算子，與希爾伯特變換相比，原理簡單、運算量小，具有更好的實時性[11]。電纜行波測距的另一個關(guān)鍵問題是確定行波波速如何。行波波速是一個變化量，受多種因素影響，很難準(zhǔn)確測定，因此測距誤差較大[12]。綜上所述，本文采用不受波速影響的雙端測距算法以消除行波波速對測距精度的影響。

1 基于MEEMD與TEO行波波頭檢測方法

1.1 MEEMD原理

1.2 Teager能量算子

Teager能量算子是一種非線性能量算子，可以完整提取信號的瞬時頻率與幅值，而Hilbert變換在變換過程中要進(jìn)行兩次快速傅氏變換，極大影響了計算速度。因此Teager能量算子較Hilbert變換運算量更小，更適用于快速變化信號實時檢測處理[13]。對于處理連續(xù)信號[s（t）]，TEO的定義式為：

1.3 故障行波波頭的標(biāo)定

由于在三相系統(tǒng)中，電流行波存在復(fù)雜的耦合現(xiàn)象，會使行波測距的精度受到影響，需用Karenbauer變換對提取的信號進(jìn)行解耦[14]。

故障行波波頭標(biāo)定的主要步驟包括：①利用Karenbauer變換解耦得到故障信號的線模分量;②對線模分量進(jìn)行MEEMD分解，得到IMF分量;③取第一個IMF分量，計算Teager能量值，瞬時頻譜上首個突變點即為波頭到達(dá)位置。

2 雙端行波測距算法

雙端測距算法根據(jù)故障初始行波到達(dá)線路兩端時間差的絕對值和行波波速求出故障點距離。雙端測距公式為：

其中[l]為線路總長度，[v]為行波在線路的傳播速度，[t1]、[t2]分別為故障行波到達(dá)線路兩端的時刻。由公式（10）可知測距算法的精確度受線路實際長度、行波傳播速度、波頭到達(dá)線路兩端時刻的影響。

電纜蛇形敷設(shè)基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。電纜線路兩點之間的地面水平距離與兩點之間的電纜線路實際長度存在一定比例關(guān)系，并且導(dǎo)線長度隨著溫度變化也會發(fā)生均勻變化，工程中實際給出的線路長度為線路地面水平距離之和，如果按照給定的線路長度進(jìn)行測量，會帶來誤差[15]。

在變化相同的溫度下，電纜的變化是一個定值，因此其比值也是固定的，所以故障點到線路一端的地面水平距離[d]同故障點到該端實際電纜長度[d′]的比值近似于給定的線路長度[l]與電纜線路實際長度[l′]的比值。行波波速是一個不確定值，按照給定波速計算同樣會增大誤差，運用不受波速影響的雙端測距算法能夠進(jìn)一步減小測距誤差。

假設(shè)故障發(fā)生時刻為[t0]，則故障點到該端實際電纜長度[d′]為：

3 仿真驗證

4 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)Hilbert-Huang變換在電力電纜測距中存在的模態(tài)混疊問題，提出一種基于MEEMD和TEO的電力電纜測距方法，該方法消除了EMD模態(tài)混疊現(xiàn)象，基于電力電纜線路的實際情況，推導(dǎo)出不受波速影響的雙端測距算法計算故障距離。以不同故障距離、不同過渡電阻進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，該方法相對傳統(tǒng)Hilbert-Huang變換，測量精度高、耗時短且不受故障距離和過渡電阻影響，測距誤差能達(dá)到工程實際要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊軍，伍詠紅，江文波，等. 基于雙端故障信息的高壓電纜-架空線混和線路故障測距方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2015，34（1）：208-213.

[2] 黃忠棋. 采用行波固有頻率的混和線路故障測距新方法[J]電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2015，27（11）：73-79.

[3] 覃劍，陳祥訓(xùn)，劉建超，等. 利用小波變換的雙端行波測距新方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報，2000，20（8）：6-10.

[4] 王星海，許珉，謝志棠，等. 基于小波變換和自相關(guān)分析的電力電纜故障測距[J]. 繼電器，2005，33（12）：32-35.

[5] 廖曉輝，趙肖健，梁恒娜. 一種基于Hilbert-Huang變換的電力電纜故障測距方法[J]電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2017，45（3）：20-25.

[6] 田書，壽好俊，尚鵬輝. 基于HHT的諧振接地配電網(wǎng)暫態(tài)量故障選線研究[J]. 測控技術(shù)，2017，36（3）：14-19.

[7] 黃誠惕. 希爾伯特-黃變換及其應(yīng)用研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2006.

[8] 張小麗. 基于希爾伯特-黃變換的輸電線路故障行波定位與保護(hù)方法[D]. 長沙：長沙理工大學(xué)，2008.

[9] 田書，尚鵬輝，壽好俊. 基于EEMD的電纜故障測距方法仿真研究[J]. 測控技術(shù)，2016，35（11）：36-39.

[10] 鄭旭，郝志勇，盧兆剛，等. 基于MEEMD的內(nèi)燃機(jī)機(jī)體活塞敲擊激勵與燃燒爆發(fā)激勵分離研究[J]. 震動與沖擊，2012，31（6）：109-113.

[11] 夏歡. 基于智能信號分析的配電網(wǎng)故障定位方法的仿真研究[D]. 北京：華北電力大學(xué)，2015.

[12] 黃雄，王志華，尹項根，等. 高壓輸電線路行波測距的行波波速確定方法[J]電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（19）：34-37.

[13] 郝勇奇，王倩，周士瓊，等. 基于LMD與Teager能量算子的VSC-HVDC輸電線路故障定位[J]電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2017，45（1）：81-88.

[14] 任艷霞. 電力電纜故障診斷與監(jiān)測[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2007.

[15] 高艷豐. 基于VMD和TEO的高壓輸電線路雷擊故障測距研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報，2016，31（1）：24-33.

（責(zé)任編輯：江 艷）