基于小波分析方法檢測電網信息故障的研究

竇國賢，高 楊

(安徽繼遠軟件有限公司，安徽 六安 230088)

0 引言

隨著電力、電網技術的飛速發展，電網信息系統的應用更加廣泛，其穩定運行關系到電網的良性運行以及用電用戶的切身利益[1-3]。在電力系統中，引起故障的因素包羅萬象，故障分析已經成為電網調度中心的必備工作[4-6]。在對電網信息故障情況進行評估時，對故障元件及故障線路進行及時、有效地判別和切除是調控運行電網的關鍵環節。完整、及時、有效地獲取電力電網線上的故障信息是及時診斷電網故障、保障電網順利進行的主要方式[7-9]。 在傳統方法中，比如在有些電力線對人身安全造成潛在威脅的地方，如果采用常規的方式進行直接檢測，就難以保障用戶的安全，常規技術對電力信號的分析也存在一定的局限性。

因此，在進行故障信息分析與研究時，需要采用新型的檢測方法來克服現有技術的不足。本文通過數據算法得出信號的無噪聲時域和頻域數據[10-12]。利用時、頻域數據進行特征提取和分析，得出設備的運行狀態和潛在故障信息，并且將能夠將得出的數據進行遠距離傳輸，從而實現對電網信息數據的深層分析與遠程監控，下面將詳細描述。

1 總體架構設計

在本研究設計中，主要包括數據采集單元、工業計算機、計算單元、數據傳輸單元、遠程無線通訊、中央控制室等，如圖1所示。本研究通過工業計算機接收傳感器組件的感測信息，在檢測故障信息時，故障來源于包含電網信息系統中的絕緣子、導線、桿塔等，傳感器組件包括但不限于溫濕度傳感器、風速傳感器、風向傳感器、雨量傳感器、日照傳感器、壓力傳感器、風偏角傳感器、泄露電流傳感器、振動傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等。通過這些傳感器能夠檢測不同的數據信息，全面反映電網信息系統故障情況[14]。

圖1 檢測系統結構圖

在本系統設計中，工業計算機通過數據采集單元進行數據采集。數據采集單元在設計時采用高速數據采集卡，其連接有網卡以及 GBH 接口卡。采集單元還包含有電壓隔離轉換單元、電流隔離轉換單元以及信號調理電路。通過信號調理電路調理過高的電壓、電流，使得數據采集單元在采集數據時，能夠采集比較寬的數據范圍。采集卡具有多個模擬量輸入通道，能夠快速采集數據，分辨率高。然后通過工業計算機對所采集到的數據進行處理，通過電壓互感器、電流互感器對獲取的信號進行隔離變換后，再通過信號調理電路和A/D 轉換單元轉換后送入工業計算機，工業計算機能夠通過工業控制對檢測的到數據進行綜合管理。通常，工業計算機利用RS232或者RS485標準串行口來獲取外部數據，通過其內部的高速處理器來計算獲得的數據，然后通過顯示屏顯示數據，或者再通過RS232或者RS485標準串行口進行輸出，在通過故障診斷單元對所獲得數據進行診斷。本文采用小波分析算法對所獲得數據進行計算，借助于虛擬儀器LabVIEW軟件平臺對檢測到的故障數據進行分析和顯示。檢測到的數據還可以通過數據傳輸單元將采集到的數據傳遞到中央控制室內，數據傳輸單元可以通過ZigBee無線網絡或者GPRS/CDMA無線通訊的方式實現數據傳輸。在中央控制室內，實現電網信息數據的遠程監控和管理。

2 故障檢測方法

電網信息系統故障是指設備不能按照預期的指標進行工作的一種狀態，諸如發電機組故障、輸電線路故障、變電所故障、母線故障等[15]。電網信息系統包含有多個電力組件，各個電力組件比如發電機、變壓器、母線、輸配電線路及用電設備通常會受異常因素的影響，直接或者間接地影響電力電網線路的穩定、可靠運行，一旦發生電力系統故障，容易造成大面積電力彈簧或者停電事故，輸電線路中存在的故障包含有雷擊跳閘故障、外力破壞故障、鳥害故障、線路覆冰、導線的斷股、損傷和閃絡燒傷故障等多種形式，如果通過信號分析發現電網信息系統故障或異常，并能夠快速做出故障信息診斷，并將診斷信息傳遞到調度中心，是本文要解決的問題。

2.1 小波分析方法

為了獲得輸出信號時間和頻率之間的相互關系。常用傅立葉變換來分析信息，其能夠提供有關頻率域的信息，但在使用過程中，往往會丟失關于時間的局部化信息。本文引用與傅立葉變換不同的小波變換方式，其是通過縮放母小波(Mother wavelet)的寬度來輸出各種信號的頻率特征， 通過平移母小波輸出不同信號的時間信息。通過對母小波的縮放和平移操作，能夠計算小波系數，這些不同的小波系數能夠反映小波和局部信號之間的相關程度。其采用的理論依據如圖2所示。

圖2 故障信息小波變換信號理論依據

小波分析方法是將信號窗口面積固定，同時改變形狀、時間窗和頻率窗以進行局域化分析，在小波變換時，在低頻區段可以具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻區段具有較高的時間分辨率和較低的分辨率。通過利用小波分析，能夠發現隱藏于電網信息系統數據之中的故障信號，分析無法用肉眼識別的深層信息，小波變換可以對電網信息系統實施局部分析，在任意的時間域或空間域中對信號進行分析，這對于考量電網信息系統的穩定性非常重要。小波變換公式為：

(1)

轉換為：

(2)

在上述公式中，定義頻率為ω，小波變換的兩個變量定義為尺度(用a表示)和平移量(用τ示)。在上述公式中，尺度a用于控制小波函數的伸縮，平移量τ用于控制故障信號小波函數的平移。在上述公式中，伸縮因子作用不同，其生成的頻率成分也不同，其變換圖可表示為如圖3～5所示，其中橫坐標表示時間t，縱坐標表示頻率f(Hz):

圖3 故障信息正弦信號

圖4 故障信息小波變換信號

圖5 故障信息正弦信號

其中，在進行故障信息分析時，需要提取小波分解系數特征的頻率信號，在求出小波分解后，對子頻帶中的各個層重構系數進行均方根(RMS)求值，均方根公式見式(3)所示。

(3)

通過式(3)，能夠更精確地反映信號的能量大小，比如x1，x2，…，xN為信號xs(t)的采樣數據，則可利用上述式(3)計算出均方根值。

利用小波多分辨分析能夠基于函數概念構造數學正交基，使故障信號的空間尺度與小波信號的空間尺度能夠相互正交，當故障信號的尺度從大變化到小時，可從更精細的尺度上觀察故障信息。其原理示意圖如圖6所示。

圖6 小波多分辨分析的原理圖

通過上述分析，可以更詳細地分析故障數據。下面建立小波分解樹，進一步說明故障信息的分析原理，在采集到的故障信號中，將高頻分量劃分為細節分量，將頻率分量劃分為近似分量，如圖7所示。

圖7 小波多分辨分析的原理圖

通過對故障信號的瞬態信號或圖像的突變點進行分析，能夠獲取其中包含的故障信息，使得用戶更全面地獲取電網信息的運行的情況。在利用小波變換分析時，通過使用小波基能夠提取電力信號中的“指定時間”和“指定頻率”的變化。其中所說的時間，是指提取信號中“指定時間”的變化。也可以解釋為：小波在一端時間區域內發生的小的波動。所說的頻率包含有較低頻率成分和較高頻率成分，其中較低頻率成分是指提取信號中時間的比較慢速變化，而較高頻率成分是指提取信號中時間B的比較快速變化。

2.2 系統檢測流程

基于上述分析，下面更詳盡地介紹本系統的工作步驟。在本系統設計中，采用小波分析的方法實現所采集數據的故障檢測，通過小波變換函數提取電網信息系統中的參數，通過傳感器對電網信息系統運行中的溫度、濕度、電流等進行數據采集與分析，數據采集單元自動實現電網信息系統的波形信號、信號峰值、信號閾值、脈沖方式、設備電源狀態、設備運行溫度、電壓、負荷、絕緣狀況、電流、設備的信息數據、設備信息故障內容、原因、預警值、設備變化等信息采集和獲取。最終實現對檢測信號、采集數據信息、數據處理結果的分析、評估等。參考圖8所示。

圖8 檢測過程流程示意圖

在上述步驟中，檢測的數據通過小波分析算法檢測故障點，對線路中的故障點進行信息診斷，在診斷時，首選采集電網信息系統在T時刻時的信息，如圖9所示，在不同的信息通道采集不同的信息，然后建立故障數據庫存儲故障信息數據，在不同的數據通道基于小波變換提取數據信息進行故障診斷。接著在T+t時刻，根據所選擇的不同通訊分支，提取線路上的潮流分布特征，同樣利用小波變換采集故障信息，通過工業計算機顯示故障數據，如果分析、顯示的數據未能滿足需求，則再次進行小波分析，如果分析、顯示的數據滿足用戶需求，則將檢測數據和故障數據通過數據傳輸單元上傳至中央控制室，用戶在中央控制室監控或者管理故障點，根據故障信息采取適當的措施。

圖9 檢測過程流程示意圖

3 試驗結果及分析

在試驗時，軟件系統采用ADO方式的C/S架構設計，信息管理系統的數據庫系統采用MSSQL2015，在前臺運行的程序在Win98/Me 2015/XP上進行。采用的系統軟件是由圖形化語言LABVIEW開發，在LABVIEW軟件上完成電網信息系統的數據采集、波形顯示、頻率測試、諧波檢測故障判斷以及報表生成等功能。在具體試驗時，以同步發電機為例，檢測同步電機在工作過程中故障數據。

在系統正常運行和非正常運行時，將電網A相單相接地信號和三相接地信號分別在正常運行和非正常運行狀態下分析其電網信號，利用小波分析方法對同步發電機的A相電壓信號和B相電壓信號、電流信號、諧波信號、振動信號、有功功率信號等進行分析，基于篇幅限制，現在僅僅對電流信號進行小波分解。圖10為含有噪音的波形示意圖，圖11未含有噪音的波形示意圖。

圖10 含有噪音的波形示意圖

根據圖10～11，選擇 Haar 小波進行分析的波形如圖12～圖15所示，其中圖12為含有噪音的波形分析示意圖。

圖12 含有噪音的波形分析示意圖

然后對比圖13，圖13未含有噪音的波形示意圖，通過其波形可以看出噪音情況。

圖13 未含有噪音的波形示意圖

然后采用小波進行分析的波形如圖14所示。

圖14 含有噪音的波形分析示意圖

未含噪音的波形如圖15所示。

圖15 未含有噪音的波形示意圖

當尺度因子s=2時，表示噪聲沒有完全被處理掉，其波形輪廓能夠基本可現。當s=6，8 時，雖然比較好地消除了噪聲，但是與原始信號的相位具有明顯的差別。

通過上述試驗，分別采用兩種不同的方法進行分析、試驗。在采用傳統方法和本研究設計的方法分別進行測試、對比，得出如表1所示的數據。其中A表示采用傳統方法進行測試的誤差百分比(%)，B表示采用本研究技術方案進行測試的誤差百分比(%)。

表1 試驗數據記錄表

通過上述試驗可以看出，采用本文設計的方案誤差較小，因此，本文設計的方法有利于用戶更加準確地分析、判斷電網故障數據。

4 結束語

本文運用小波變換的方法對電網信息系統中的故障數據進行了分析，通過對故障特征進行提取，對電網中存在的不同信號根據均方根值計算，得出故障值，使得用戶很好地對電網運行情況進行把控和分析。當電網信息系統發生故障時，故障線路的暫態信號(其包括但不局限于電壓、電流、諧波功率等)表示明顯。因此，采用小波分析的方法使電網信息系統故障信號得到很好的分析，能夠使用戶準確地判斷出電網故障類型，在電網故障診斷中具有一定的應用價值。