基于数字孪生的电力电缆故障定位方法与流程

本发明涉及电力电缆故障定位，具体涉及基于数字孪生的电力电缆故障定位方法。

背景技术：

1、随着城市配电网中电力电缆敷设规模的持续扩大，电缆线路的故障预测与健康管理已成为保障供电可靠性的重要环节。在电缆的故障预测与健康管理体系框架下，故障发生后能否快速、精准地确定故障点位置，直接决定了检修响应时间与运维资源的调配效率，是支撑后续故障诊断、剩余寿命评估及检修策略制定的关键前提。

2、在具有多级t型分支结构的电力电缆网络中，当故障发生于t型接驳节点附近时，故障点反射波头与该节点固有结构反射波头在实测行波信号时域波形中存在重叠，传统行波定位方法在该场景下对分支的辨识能力有待提高，定位结果在t接点上下游各分支回路间可能存在跳变现象，难以稳定锁定故障所属分支。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于数字孪生的电力电缆故障定位方法，以解决上述背景中问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、基于数字孪生的电力电缆故障定位方法，包括以下步骤：

4、s1，采集故障时刻各监测点处的暂态行波波形及各分支线路实体长度；

5、s2，对暂态行波波形执行变分模态分解，根据各本征模态的中心频率提取故障反射波头到达时刻与极性；

6、s3，根据各分支实体长度构建里程约束矩阵，将波头到达时刻与极性及里程约束矩阵合并为特征约束集；

7、s4，将特征约束集输入数字孪生体，构造用于评价仿真波头与实测波头差异并附加区间距离惩罚的差异度准则；

8、s5，以里程约束矩阵限定的各分支区间为搜索边界，采用混沌映射粒子群算法对差异度准则寻优，获得使差异度最小的最优位置及其所属分支区间；

9、s6，根据最优位置及其所属分支区间，将其投影至对应分支的里程范围，输出对应分支上的故障精确里程。

10、作为本发明进一步的方案：所述提取故障反射波头到达时刻与极性，具体包括：

11、对暂态行波波形执行变分模态分解，选取中心频率最高的本征模态作为目标分量；

12、对目标分量执行相位解调以获得瞬时相位序列，检测瞬时相位序列中相位突变点；

13、以相位突变点对应的时刻作为故障反射波头到达时刻，并以相位突变点的突变方向确定故障反射波头的极性。

14、作为本发明进一步的方案：所述特征约束集的合并过程为：

15、将各分支实体长度按拓扑连接顺序排列为长度序列，对长度序列相邻元素求差获得分支间里程差值，以里程差值为元素构建里程约束矩阵；

16、将波头到达时刻按时间先后排序以形成时序序列，将各时刻对应的极性附着于时刻后方以形成极性标识，将时序序列及极性标识分别作为行向量，与里程约束矩阵按行拼接，合并为特征约束集。

17、作为本发明进一步的方案：所述构建里程约束矩阵，具体包括：

18、将各分支的里程差值按拓扑连接顺序排列为一维差值序列，对一维差值序列中的每个元素执行向前累加求和，获得各分支相对于主干首端的累积里程偏移量；

19、以各分支序号为行列索引，将同一分支对应的累积里程偏移量赋值为矩阵的对角元素，将不同分支间的里程差值赋值为矩阵的非对角元素，填充后获得程约束矩阵。

20、作为本发明进一步的方案：所述差异度准则的构造过程为：

21、根据特征约束集中的时序序列与极性标识，逐一为数字孪生体中各假定位置仿真生成的仿真波头赋予仿真时序与仿真极性；

22、将仿真时序与实测时序的绝对差作为第一差异量，并将仿真极性与实测极性不一致的波头计数作为第二差异量；

23、根据特征约束集中的里程约束矩阵，提取各分支区间的中点里程与边界里程，将假定位置与中点里程的距离按分支的边界里程归一化后作为第三差异量；

24、将第一差异量与第二差异量的加权和作为基础差异，将第三差异量乘以分支的里程惩罚系数后叠加至基础差异上，构成差异度准则。

25、作为本发明进一步的方案：所述数字孪生体的构建过程为：

26、获得电缆各段结构的材质种类及对应几何尺寸，根据材质种类确定各段的介电常数与磁导率，依据介电常数与磁导率及几何尺寸推演各段对应的特征阻抗和行波传播速度；

27、将各段对应的特征阻抗与行波传播速度按实际拓扑顺序排列，形成传播参数序列；

28、将各分支的实体长度沿拓扑顺序附着于传播参数序列中的相应元素上，形成各段具备独立波速与独立阻抗的虚拟传播路径。

29、作为本发明进一步的方案：所述获得使差异度最小的最优位置及其所属分支区间，具体包括：

30、按里程约束矩阵中各分支区间长度占总搜索长度的比例分配各分支区间的粒子初始数量，在各分支区间内以混沌序列生成粒子初始数量的初始粒子位置；

31、对每一粒子位置所对应的假定故障点，在数字孪生体中计算其差异度值，将差异度最小者的位置作为初始全局最优位置；

32、在更新粒子位置时，将粒子的当前分支区间边界里程作为速度分量限幅值，对越界速度分量施加反向折返修正；

33、在连续迭代中当初始全局最优位置的差异度下降量低于预设阈值时停止迭代，并以当前的全局最优位置作为最优位置。

34、作为本发明进一步的方案：所述初始全局最优位置的确定过程为：

35、根据当前粒子位置确定其所在分支及对应里程坐标，在数字孪生体的虚拟传播路径中定位里程坐标处的仿真故障注入点；

36、在仿真故障注入点处施加暂态激励，沿虚拟传播路径正向推演各行波传播至各监测点处的仿真到达时刻与仿真极性；

37、将仿真到达时刻与仿真极性赋值为仿真波头参数；

38、将仿真波头参数与特征约束集比对，按差异度准则计算差异度值。

39、作为本发明进一步的方案：所述正向推演，具体包括：

40、根据当前粒子位置所在虚拟传播路径上的相邻两段特征阻抗，将阻抗突变处的反射系数与透射系数作为激励幅值系数；

41、依据特征约束集中的波头到达时刻排序，将最先到达的波头到达时刻作为时间基准，以时间基准所对应的极性作为激励起始极性，以激励幅值系数与激励起始极性的乘积作为暂态激励幅值，并构造起始时刻等于时间基准的暂态激励；

42、将暂态激励沿虚拟传播路径分别向两侧传播，根据虚拟传播路径中各段的行波传播速度计算暂态激励到达各监测点的仿真到达时刻，并根据暂态激励经过的各阻抗突变处的反射系数与透射系数的乘积符号确定各监测点的仿真极性。

43、作为本发明进一步的方案：所述输出对应分支上的故障精确里程，具体包括：

44、从里程约束矩阵中提取最优位置所属分支对应的累积里程偏移量；

45、将最优位置减去累积里程偏移量，获得分支上的未约束里程坐标；

46、以分支的实体长度作为里程上限，对未约束里程坐标实施折返映射，当未约束里程坐标超过里程上限时，从里程上限折返至另一边界；

47、将折返映射后的里程坐标作为故障精确里程输出。

48、本发明的有益效果：

49、（1）本发明通过变分模态分解将暂态行波波形分解为本征模态分量，选取中心频率最高的分量进行相位解调，利用相位突变点的位置和方向提取波头到达时刻及极性，抑制背景噪声和低频振荡对波头检测的干扰；在差异度准则中同时引入波头到达时刻差、极性一致性和区间距离惩罚三个评价维度，即便实测波形中存在部分波头缺失或畸变，仍可通过其余维度的约束筛选出唯一的最优匹配位置，避免了传统单一时刻匹配法在多分支混叠场景下定位结果多解或发散的问题

50、（2）本发明以各分支实体长度构建里程约束矩阵，将各分支区间的起点里程与终点里程作为粒子搜索的硬边界，使所有候选位置被限制在已知拓扑区间内，配合混沌映射粒子群算法的区间比例初始化和越界折返修正，确保粒子在搜索过程中始终不脱离各分支实体范围；同时，在差异度准则中附加了区间距离惩罚项，使靠近分支区间中点位置的假定故障点获得更低的差异度值，抑制了t型接驳节点附近因同步授时残余误差放大而导致定位结果在各分支间随机跳变的现象，实现了故障所属分支的准确辨识与定位结果的稳定收敛。