基于在线电流数据驱动方法的地下电缆故障预诊断的研究

【摘要】：地下电缆运行的可靠性直接影响电力系统的安全稳定和用户体验。经过国内外几十年的研究,地下电缆故障诊断和定位已经取得了很多成果。然而,为了避免意外停电和节约维修费用,如何实现对地下电缆故障的在线预诊断还需要进一步的研究。因此,本论文在已有的研究基础上,进行了基于在线电流数据驱动方法的地下交联聚乙烯绝缘电缆故障预诊断的研究。文中所使用的数据是从实际运行的配电网中在线持续采集了3年多的地下电缆相电流和中性线电流数据。通过对电缆的绝缘老化机理进行深入分析并经过实验验证后,确定可以从电缆的电流数据中获取绝缘老化信息,再结合其它领域的预诊断方法,从累积效应的角度去理解电缆的绝缘老化。本文提出的故障预诊断方法原理为：从训练数据集中提取或寻找到可以表现电缆绝缘累积老化效果的特征参数;在电缆运行的当前时刻,通过预测其累积量的进一步发展,预测到其发展到某阈值的时刻；进而得到电缆绝缘损坏故障的预测发生时间,即预测到电缆的剩余使用寿命。本文所研发的基于在线电流数据驱动的地下电缆故障预诊断系统,可针对所监测的运行中的电缆,以在线电流数据驱动的方法,进行非破坏性的和非侵入式的在线预诊断。本论文主要工作如下：(1)首先,对数据进行了重采样、去除直流偏移和小波去噪的预处理,之后,构建规则分类器对数据进行分类,识别出诸如正常开关操作等产生难以分辨的干扰的情况,并进行了数据清理工作。最后,将数据集分为训练数据集和测试数据集。(2)不同于基于老化机理直接选定特征参数的传统方法,本文中,应用数据挖掘的方法,从训练数据集中提取并选择有用的特征参数。首先,对训练数据集中的每一段信号从时域、频域和小波域等角度进行分析来提取尽可能多的特征参数构成特征参数池,以便充分的描述信号的特征；然后,综合过滤型和封装型两种特征参数选择方法,使用训练数据集,从特征参数池中选取潜在有用的特征参数；最后,对所选出的特征参数依据绝缘老化机理来验证其合理性,通过验证后的特征参数才被选定为可用于电缆故障预诊断的特征参数。(3)提出滑窗回归分析法来预测所选特征参数的累积量的发展,预测到该累积量到达阈值的时间,进而获得所监测电缆的绝缘故障的预测发生时间,即预见到该电缆的剩余使用寿命。在预诊断系统的训练过程中,从训练数据集中获得阈值等系统参数。(4)使用测试数据集,测试预诊断系统的适用性和通用性。提出预诊断结果可靠性评估方法,即以评估时间窗内预诊断结果的标准差为评估参数。应用此可靠性评估方法可以近乎同步地提供预诊断结果的可靠性评估参考。(5)在预诊断系统的训练过程中,衍生出基于电缆相电流和中性线电流对电缆局部放电进行间接监测的方法。此方法通过对电流数据应用本文的故障预诊断系统中的数据预处理、数据分类和特征参数提取技术来实现对电缆局部放电的在线监测。通过交流加压实验与脉冲电流法进行同步对比,实验结果证实本文所提出的电缆局部放电的间接监测方法具有可行性。该方法是可在线的、非破坏性和非侵入式的,其所需的电流数据方便在线测量。本文的主要结论包括：在电缆的运行期间,本预诊断系统可以随着时间推移而持续的提供电缆绝缘故障的预测发生时间以及其可靠性评估参数。结果显示,随着时间推移,系统所提供的电缆绝缘故障预测发生时间越来越准确,预诊断结果的可靠性也越来越高。中性线电流信号中的毛刺现象和电缆的绝缘老化有关,其相关的特征参数被选用于电缆在线故障预诊断系统中,并且可用于间接监测电缆绝缘的局部放电情况。