張偉

摘要：由于橡膠電纜易出現(xiàn)老化、磨損等現(xiàn)象，導(dǎo)致電纜故障頻發(fā)，影響電力正常供應(yīng)，設(shè)計(jì)光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)主要包括了脈沖信號(hào)發(fā)射模塊與回波信號(hào)接收模塊。軟件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了橡膠電纜故障信號(hào)的采集與預(yù)處理，并通過(guò)Hilbert-Huang變換檢測(cè)信號(hào)奇異點(diǎn)，完成橡膠電纜故障點(diǎn)的定位。測(cè)試結(jié)果表明，電纜故障點(diǎn)定位結(jié)果的平均相對(duì)誤差為0.30%，證實(shí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以有效且準(zhǔn)確地檢測(cè)出橡膠電纜故障。

關(guān)鍵詞：光伏新能源發(fā)電站；橡膠電纜；故障檢測(cè)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ333;TM74

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）12-0193-04

Design of rubber cable fault detection system for photovoltaic new energy power station

ZHANG Wei

（China Power Investment Xinjiang Energy and Chemical Group Bozhou Co.，Ltd.，Bole 833400，Xinjiang China）

Abstract：Because rubber cable is prone to aging，wear and other phenomena，cable failures are frequently to happen，the normal power supply is affected，and a new energy power station rubber cable fault detection system is designed.In hardware design，the system mainly a pulse signal transmission module and an echo signal reception module.In the software design，the system mainly realizes the collection and preprocessing of rubber cable fault signals，and detects signal singularities through Hilbert Huang transformation to complete the positioning of rubber cable fault points.The test results showed that the average relative error of cable fault location was 0.30%，confirming that the designed system can effectively and accurately detect rubber cable faults.

Key words： photovoltaic new energy power station;rubber cable;fault detection;system design

一直以來(lái)，煤炭、石油等化石能源是世界各國(guó)使用的主要能源，這類(lèi)化石能源在燃燒過(guò)程中勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生大量硫化物、氮氧化物等污染物，嚴(yán)重污染了地球環(huán)境，隨著全球氣候變暖現(xiàn)象的日益嚴(yán)重，環(huán)境保護(hù)受到各國(guó)重視。光伏發(fā)電作為一種新型的環(huán)保型能源，是解決環(huán)境污染與化石能源短缺的有效途徑之一，自誕生以來(lái)受到世界各國(guó)的高度重視與大力支持。時(shí)至今日，光伏新能源產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)一項(xiàng)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的新興產(chǎn)業(yè)，國(guó)內(nèi)光伏新能源電站建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，標(biāo)志著光伏產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)布局趨于成熟。然而，在光伏新能源發(fā)電中，仍存在很多問(wèn)題亟待解決，如發(fā)電站內(nèi)部電氣設(shè)備與電纜長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)發(fā)生老化、破損現(xiàn)象；同時(shí)，由于光伏新能源發(fā)電站建設(shè)于環(huán)境較為惡劣的室外，受天氣、動(dòng)物抓咬等因素的影響，電纜絕緣外皮出現(xiàn)缺陷等，這些原因都會(huì)造成光伏新能源發(fā)電站發(fā)生運(yùn)行故障，影響發(fā)電站的電力供應(yīng)。其中問(wèn)題最為嚴(yán)重的當(dāng)數(shù)光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障，橡膠電纜在一年中不僅要承受巨大溫差，而且還要承受紫外線輻射、風(fēng)沙雨雪的侵蝕，導(dǎo)致橡膠電纜故障極為常見(jiàn)，為避免橡膠電纜故障威脅整個(gè)光伏新能源發(fā)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)一個(gè)光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)是非常有必要的。

1光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1脈沖信號(hào)發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)，主要基于脈沖測(cè)距的原理進(jìn)行橡膠電纜故障點(diǎn)定位，所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件時(shí)，主要針對(duì)脈沖信號(hào)發(fā)射模塊與回波信號(hào)接收模塊這兩個(gè)關(guān)鍵的脈沖測(cè)距設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)探討。首先是脈沖信號(hào)發(fā)射模塊，該模塊主要負(fù)責(zé)向待檢測(cè)電纜發(fā)射檢測(cè)所需原脈沖，由于在實(shí)際的光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)于待檢測(cè)的橡膠電纜長(zhǎng)度與故障點(diǎn)位置并不清楚，所以需要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在發(fā)射脈沖信號(hào)時(shí)可以調(diào)節(jié)脈沖幅值與寬度，在系統(tǒng)的脈沖信號(hào)發(fā)射模塊中設(shè)計(jì)了如圖1所示結(jié)構(gòu)靈活調(diào)控脈沖發(fā)射信號(hào)的幅值。

由圖1可知，在光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)的脈沖信號(hào)發(fā)射模塊中，主要采用了C8051F芯片來(lái)控制單刀雙擲開(kāi)關(guān)進(jìn)行多種不同幅值脈沖信號(hào)的產(chǎn)生，C8051F是一個(gè)內(nèi)部集成信號(hào)調(diào)制電路的智能單片機(jī)，通過(guò)4線的JTAF接口即可對(duì)芯片進(jìn)行編程調(diào)試，由于設(shè)計(jì)的橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)脈沖信號(hào)發(fā)射模塊的效率要求較高，所以調(diào)試方便且直觀的C8051F芯片完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，促使脈沖信號(hào)發(fā)射模塊根據(jù)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況靈活調(diào)整發(fā)射脈沖信號(hào)的幅值。

1.2回波信號(hào)接收模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)脈沖信號(hào)發(fā)射模塊向電纜內(nèi)部發(fā)射脈沖信號(hào)后，信號(hào)經(jīng)過(guò)檢測(cè)電纜的傳輸會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，那么為獲取相應(yīng)的回波信號(hào)，在光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了回波信號(hào)接收模塊，該模塊主要負(fù)責(zé)接收反射回來(lái)的脈沖信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，滿足橡膠電纜故障檢測(cè)需求的脈沖信號(hào)幅值較高，如果反射的高頻脈沖信號(hào)直接耦合到回波信號(hào)接收模塊中，可能會(huì)對(duì)模塊中電路元器件造成破壞，所以為保護(hù)回波信號(hào)接收模塊的安全性與穩(wěn)定性，在模塊中設(shè)置了圖2所示的回波信號(hào)限幅電路。

由圖2可知，將圖2所示的限幅電路設(shè)置在回波信號(hào)接收模塊中后，當(dāng)脈沖信號(hào)發(fā)射模塊發(fā)射較高壓脈沖信號(hào)時(shí)，反射的回波信號(hào)就會(huì)先經(jīng)過(guò)限幅電路，從電路中輸出低壓脈沖信號(hào)，存入回波信號(hào)接收模塊，滿足光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

2光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1采集橡膠電纜故障信號(hào)

如前所述，設(shè)計(jì)的光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)主要基于脈沖測(cè)距的故障定位原理。因此，在系統(tǒng)中設(shè)置了橡膠電纜故障信號(hào)采集功能。首先，需要選擇發(fā)射脈沖的參數(shù)；第一是脈沖形狀的選擇，我國(guó)發(fā)電站電纜故障檢測(cè)常用的脈沖信號(hào)主要包括矩形和鐘形等。由于矩形信號(hào)形成較為容易，且具有陡峭的上升與下降沿，因此選擇了矩形脈沖信號(hào);第二是脈沖寬度的選擇。通常用于檢測(cè)電纜故障的脈沖信號(hào)具有一定時(shí)間寬度。如果脈沖較窄，信號(hào)中包含的頻率成分越高，會(huì)導(dǎo)致電纜內(nèi)部出現(xiàn)較高的損耗。相反，如果脈沖較寬，信號(hào)畸變嚴(yán)重，難以保證精確的故障檢測(cè)。因此，在進(jìn)行光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)時(shí)，需要根據(jù)檢測(cè)電纜長(zhǎng)度和電纜材質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)拿}沖寬度;第三是脈沖幅值。如果脈沖幅值過(guò)大，可能會(huì)出現(xiàn)噪聲干擾。而如果脈沖幅值過(guò)小，信號(hào)較弱，難以保證準(zhǔn)確的信號(hào)識(shí)別。綜合考慮橡膠電纜的實(shí)際情況，一般選擇最高100 V的單極性脈沖進(jìn)行電纜故障檢測(cè)。接下來(lái)，利用系統(tǒng)的脈沖信號(hào)發(fā)射模塊將選取的脈沖信號(hào)發(fā)射到檢測(cè)電纜中。在信號(hào)發(fā)射之前，可以利用香農(nóng)提出的信道容量公式處理系統(tǒng)信道，以增強(qiáng)發(fā)射端信號(hào)的效果。其表達(dá)式：

Q=W·log1+SN（1）

式中：Q表示系統(tǒng)脈沖信號(hào)發(fā)射模塊中信道容量；W表示脈沖信號(hào)帶寬；SN表示信噪比。

由式（1）可知，要想加大系統(tǒng)脈沖信號(hào)發(fā)射模塊的信道容量，可以提升脈沖信號(hào)的帶寬或者增大信噪比。因此，根據(jù)實(shí)際光伏新能源發(fā)電站的電纜情況，將脈沖信號(hào)注入到檢測(cè)電纜中，即可在回波信號(hào)接收模塊的終端采集到橡膠電纜故障檢測(cè)信號(hào)。

2.2預(yù)處理橡膠電纜故障信號(hào)

通過(guò)光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)硬件與軟件的配合，即可采集到原始橡膠電纜故障信號(hào)，但受電纜運(yùn)行環(huán)境各種外界因素的影響，原始采集信號(hào)中存在多種多樣的噪聲信號(hào)，所以為提升后續(xù)故障定位精度，對(duì)原始信號(hào)做相應(yīng)的預(yù)處理。為從噪聲中恢復(fù)需要檢測(cè)的故障信號(hào)，引入了相關(guān)檢測(cè)算法，假設(shè)橡膠電纜脈沖故障信號(hào)為Xt，那么系統(tǒng)可觀測(cè)到的信號(hào)為：

Ct=Xt+εt（2）

式中：Ct表示光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)采集的原始脈沖故障信號(hào)；εt表示零均值帶寬的疊加噪聲信號(hào)。在式（2）的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)原始采集信號(hào)做自相關(guān)檢測(cè)，具體表達(dá)式：

GCy=ECtCt-y（3）

式中：GCy表示原始信號(hào)Ct的自相關(guān)檢測(cè)結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，橡膠電纜脈沖故障信號(hào)為周期信號(hào)，利用式（3）對(duì)原始采集信號(hào)做自相關(guān)運(yùn)算后，如果信號(hào)中存在噪聲信號(hào)，那么原始信號(hào)的自相關(guān)系數(shù)y在零值附近，此時(shí)可以對(duì)原始信號(hào)做濾波去噪處理。如果自相關(guān)系數(shù)y較大，那么原始信號(hào)中有用信息較多，所以根據(jù)自相關(guān)運(yùn)算結(jié)果即可將有用檢測(cè)信號(hào)從噪聲信號(hào)中完全恢復(fù)出來(lái)，得到無(wú)噪聲干擾的橡膠電纜脈沖故障信號(hào)。

2.3橡膠電纜故障定位

橡膠電纜故障定位是設(shè)計(jì)的光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能，主要引入了Hilbert-Huang變換技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是先對(duì)橡膠電纜脈沖信號(hào)進(jìn)行分解，再進(jìn)行頻譜分析，確定脈沖信號(hào)中奇異點(diǎn)，信號(hào)中的奇異點(diǎn)即為故障點(diǎn)。那么在利用Hilbert-Huang變換進(jìn)行橡膠電纜故障定位時(shí)，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解是關(guān)鍵部分，就是將原始較為復(fù)雜的脈沖檢測(cè)信號(hào)分解成眾多互不干擾的非正弦信號(hào)分量，具體流程：首先，在橡膠電纜脈沖故障信號(hào)Xt中找出極大與極小這2個(gè)極值點(diǎn)，根據(jù)極值點(diǎn)擬合即可獲取信號(hào)的上、下包絡(luò)線lmaxt、lmint，此時(shí)根據(jù)下式即可求出平均包絡(luò)：

l0t=lmaxt+lmint2（4）

式中：l0t表示橡膠電纜脈沖故障信號(hào)上、下包絡(luò)線的平均值。然后從原始橡膠電纜脈沖故障信號(hào)Xt中剔除平均包絡(luò)，得到新信號(hào)ft，也即IMF分量：

ft=Xt-l0t（5）

根據(jù)上述步驟對(duì)原橡膠電纜脈沖故障信號(hào)進(jìn)行不斷篩選，直至分解得到全部的IMF分量u1t，u2t，…，unt。在分量分解成功后，利用式（6）對(duì)分量做Hilbert變換：

u'it=1π∫Ruiτt-τdτ（6）

式中：u'it表示Hilbert變換后的IMF分量；uiτ表示殘余信號(hào)分量。經(jīng)過(guò)Hilbert變換處理后，即可得到橡膠電纜脈沖故障信號(hào)Xt的Hilbert譜。通過(guò)信號(hào)的Hilbert譜，即可直觀看出信號(hào)在頻域上的幅值變化，并清晰反映出頻率分量奇異點(diǎn)，最后完整且全面地提取信號(hào)奇異點(diǎn)細(xì)節(jié)信息，可得到橡膠電纜故障點(diǎn)信息，完成光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)與定位。

3系統(tǒng)測(cè)試

3.1故障測(cè)試

在研究設(shè)計(jì)的光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)中，可以基于脈沖信號(hào)在故障點(diǎn)與橡膠電纜兩端之間的傳播時(shí)間，確定故障點(diǎn)距離電纜任何一端的距離，也即達(dá)到了橡膠電纜故障檢測(cè)及定位功能。因此，針對(duì)設(shè)計(jì)的光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)的故障定位功能展開(kāi)測(cè)試，旨在通過(guò)測(cè)試結(jié)果判斷設(shè)計(jì)系統(tǒng)是否可以上線應(yīng)用。在本次系統(tǒng)測(cè)試中，采用某光伏新能源發(fā)電站內(nèi)110 kV橡膠高壓電纜作為測(cè)試電纜，電纜全長(zhǎng)為1 860 m，考慮到實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤情況，為了避免測(cè)試結(jié)果的偶然性，本次系統(tǒng)測(cè)試中在該電纜上設(shè)置了8個(gè)不同的故障點(diǎn)，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

基于上述模擬故障橡膠電纜，搭建設(shè)計(jì)的光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電纜進(jìn)行故障檢測(cè)與定位。在利用系統(tǒng)進(jìn)行電纜故障檢測(cè)定位之前，需要先采用系統(tǒng)對(duì)無(wú)故障的橡膠電纜進(jìn)行脈沖檢測(cè)，根據(jù)脈沖檢測(cè)結(jié)果來(lái)標(biāo)定脈沖波的波速，其波形圖如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)橡膠電纜無(wú)任何故障時(shí)，脈沖一次反射時(shí)間為18.53 μs，根據(jù)下式即可求出本次系統(tǒng)測(cè)試中的電纜故障檢測(cè)波速：

V0=2L0t0=2×186018.53=200.76（7）

式中：V0表示橡膠電纜檢測(cè)脈沖波速；L0表示光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜長(zhǎng)度；t0表示脈沖在橡膠電纜中的一次反射時(shí)間。根據(jù)式（7）所求電纜實(shí)際檢測(cè)波速為200.76 m/μs，滿足我國(guó)規(guī)定的橡膠絕緣電纜脈沖傳播速度192～213 m/μs的數(shù)據(jù)需求，這個(gè)數(shù)據(jù)不僅對(duì)系統(tǒng)后續(xù)計(jì)算故障定位結(jié)果很重要，同樣也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)的可行性。

3.2測(cè)試結(jié)果

在按照上述內(nèi)容完成系統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)地的布置后，在電纜上加壓模擬故障，并在每次故障模擬過(guò)程中采用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)定位，實(shí)時(shí)記錄脈沖在故障電纜中的一次反射時(shí)間，參考式（7）求出故障點(diǎn)與電纜左端之間的距離，作為本次光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障定位結(jié)果。本次系統(tǒng)測(cè)試中，上述8個(gè)模擬故障點(diǎn)的具體檢測(cè)定位結(jié)果如表2所示。

由表2可知，設(shè)計(jì)的光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)電纜故障的檢測(cè)與定位，各故障點(diǎn)定位結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的平均相對(duì)誤差為0.30%，定位精準(zhǔn)度較高。因此，根據(jù)本次系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，研究的故障檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)定位中是可行的，且具有較高的故障檢測(cè)準(zhǔn)確性，能夠正式上線應(yīng)用。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于設(shè)計(jì)的光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)展開(kāi)了詳細(xì)探討，并通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性與有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的光伏新能源發(fā)電站橡膠電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確定位到電纜故障點(diǎn)位置，從而保障光伏新能源發(fā)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在本次研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，下一階段的研究工作將重點(diǎn)關(guān)注發(fā)電站電氣設(shè)備故障檢測(cè)等方面，期待可以為我國(guó)光伏新能源的健康發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]吳春華，曹明杰，李智華，等.光伏系統(tǒng)直流電纜故障檢測(cè)及其定位研究.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2021，42（5）：267-275.

[2]林洪，文雷，牛健飛，等.基于DCNN技術(shù)的無(wú)人值守變電站智能監(jiān)測(cè)模型優(yōu)化設(shè)計(jì).粘接，2023，50（10）：150-153.

[3]于漢啟.新型高分子膠粘劑在變電站線路保護(hù)的應(yīng)用.粘接，2020，42（6）：11-15.

[4]楊明嘉，夏成軍，池梓斌，等.基于沿線電流故障分量差值的交叉互聯(lián)電纜故障測(cè)距.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2023，51（19）：54-66.

[5]劉鵬程，田立斌，高磊，等.基于反射系數(shù)譜相關(guān)系數(shù)的電纜故障檢測(cè)方法.絕緣材料，2023，56（5）：95-102.

[6]張敬敏，高濤，聶其貴.變壓器用改性丁腈橡膠密封圈熱氧老化性能測(cè)試研究.粘接，2023，50（11）：102-105.

[7]李巍巍，白歡，吳惟慶，等.基于振蕩波局部放電檢測(cè)的電力電纜絕緣老化狀態(tài)評(píng)價(jià)與故障定位.電測(cè)與儀表，2021，58（9）：147-151.

[8]姚雪飛，李光明.基于AGC控制的HVDC線路線性化模型優(yōu)化研究.粘接，2023，50（9）：187-191.

[9]席佳偉，胡靜，蔣浩，等.基于大數(shù)據(jù)的智能電纜故障點(diǎn)三維仿真定位方法.微型電腦應(yīng)用，2023，39（10）：221-225.

[10]楊明嘉，夏成軍，池梓斌，等.基于沿線電流故障分量差值的交叉互聯(lián)電纜故障測(cè)距.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2023，51（19）：54-66.

[11]李東昆，王俊曦.考慮小功率波動(dòng)的海上風(fēng)電發(fā)電側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能配置優(yōu)化及分析.粘接，2023，50（9）：132-135.

[12]胡婧，周洋.基于零序電壓小波變換的小電流接地系統(tǒng)電纜早期故障檢測(cè).內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2021，39（2）：1-6.

[13]莫海城.基于等值網(wǎng)絡(luò)模型的電子設(shè)備故障智能分析診斷技術(shù).粘接，2023，50（9）：192-196.

[14]孫蓉，唐錦，盧茜.基于高精度三維數(shù)字技術(shù)的變電站運(yùn)檢虛擬場(chǎng)景構(gòu)建研究.粘接，2021，46（6）：152-156.

[15]劉青，張浩然，尚英強(qiáng)，等.基于主成分分析法的高壓服役電纜主絕緣老化狀態(tài)評(píng)估.絕緣材料，2022，55（11）：56-62.