基于波形相似度的水電站電流飽和變壓器保護裝置設(shè)計

吳 程

（江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 無錫 214433）

0 引 言

水電站電流飽和變壓器是集合科學(xué)化信息技術(shù)的產(chǎn)物，具備自控能力強和智能化程度高的優(yōu)點。但由于水電站電流飽和變壓器智能化程度的不斷提高，輸入水電站電流飽和變壓器兩端電流矢量差不斷加大，必然會對水電站電流飽和變壓器保護提出更高的要求。水電站電流飽和變壓器保護是此方面研究的重點問題，必須提高對其的關(guān)注度[1-3]。通過水電站電流飽和變壓器保護，當(dāng)達到設(shè)定的動作值時啟動水電站電流飽和變壓器，進而保證水電站電流飽和變壓器安全、穩(wěn)定的運行。在我國，針對此方面的研究并不少見，但由于沒有結(jié)合實際應(yīng)用分析，導(dǎo)致設(shè)計保護裝置在實際應(yīng)用中存在保護及時率低的問題，證明其研究本身存在很大的局限性。波形相似度的出現(xiàn)能夠很好地解決這一問題，通過分析波形之間具有的相似特征，提高水電站電流飽和變壓器保護的及時率。為此，本文以此為理論依據(jù)，提出基于波形相似度的水電站電流飽和變壓器保護裝置設(shè)計，致力于提高水電站電流飽和變壓器保護及時率。

1 波形相似度

波形相似度作為一種分析技術(shù)，能夠在大量波形數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)其中的相關(guān)性，進而發(fā)現(xiàn)其中蘊含的規(guī)律。波形相似度的核心是相位，其相位差越低證明兩者之間具有的波形相似度越高；反之，則越低。以此，判斷出波形之間存在的Hausdorff 距離，進而通過計算的方式得出波形幅值。波形相似度以其頻繁模式對波形信息具有出色的保留能力，能夠廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘中，并取得良好的應(yīng)用效果。也就是說，通過波形相似度中的Hausdorff 距離計算表達式，能夠作為水電站電流飽和變壓器保護判據(jù)，從而提高水電站電流飽和變壓器保護的及時率，為水電站電流飽和變壓器保護提供理論依據(jù)。基于此，本文提出基于波形相似度的水電站電流飽和變壓器保護裝置設(shè)計，具體研究內(nèi)容如下。

2 基于波形相似度的水電站電流飽和變壓器保護裝置設(shè)計

2.1 計算水電站電流飽和變壓器保護運維動態(tài)基線

考慮到水電站電流飽和變壓器保護的數(shù)據(jù)基數(shù)過大，根據(jù)基線規(guī)則中的數(shù)據(jù)粒度，可采用計算水電站電流飽和變壓器保護運維動態(tài)化基線的方式，掌握水電站電流飽和變壓器保護過程中的不變化特性[4-6]。根據(jù)上述分析，設(shè)計水電站電流飽和變壓器保護運維動態(tài)基線算法的具體流程為：假定輸入水電站電流飽和變壓器兩端電流矢量差表示為n，水電站電流飽和變壓器保護運維動態(tài)基線計算公式，使用D表示方程式，則有：

式中，E表示為實際計算結(jié)果與預(yù)期計算結(jié)果的偏離值；y表示為水電站電流飽和變壓器保護的權(quán)重系數(shù)，通常情況下可以常數(shù)表達。結(jié)合計算公式，輸出計算結(jié)果中的最小數(shù)據(jù)值，以此作為基線的下限數(shù)據(jù)值，同理計算上限值，作為基線的上限數(shù)據(jù)值，得出最終的水電站電流飽和變壓器保護范圍。

2.2 補償水電站電流飽和變壓器保護功率因數(shù)

在水電站電流飽和變壓器保護的過程中，不僅要平衡水電站電流飽和變壓器保護電壓，同時還要利用低壓電纜接入母排補償水電站電流飽和變壓器保護功率因數(shù)。提高水電站電流飽和變壓器保護功率因數(shù)是實現(xiàn)變壓器保護的核心內(nèi)容，為此本文在設(shè)計水電站電流飽和變壓器保護裝置中，運用低壓電纜接入母排的方式，補償水電站電流飽和變壓器保護功率因數(shù)。設(shè)此過程的計算表達式為K，則有：

式中，m指的是水電站電流飽和變壓器電源基波角頻率；ω指的是水電站電流飽和變壓器固有振蕩角頻率；h指的是低壓電纜接入母排時的電流，單位為A；e指的是水電站電流飽和變壓器保護裝置的調(diào)控相應(yīng)時間，單位為s；a指的是使用低壓電纜接入母排補償時的衰減系數(shù)。通過低壓電纜接入母排，補償水電站電流飽和變壓器保護功率因數(shù)。在此過程中，需要注意的是使用低壓電纜接入母排時，必然會對水電站電流飽和變壓器造成一定的干擾，加速絕緣介質(zhì)的老化速度，導(dǎo)致水電站電流飽和變壓器損耗程度增加。基于此，低壓電纜接入母排時要選用交流—直流變頻的方式投、切電容組，控制投、切頻率，從而避免對水電站電流飽和變壓器的干擾程度。

2.3 基于波形相似度分析水電站電流飽和變壓器保護信號

通過上文補償水電站電流飽和變壓器保護功率因數(shù)后，基于波形相似度分析水電站電流飽和變壓器保護信號[7]。首先，基于波形相似度，將水電站電流飽和變壓器保護信號近似按離散點取和的方式，獲取水電站電流飽和變壓器保護信號波形，如圖1所示。

結(jié)合圖1所示，為水電站電流飽和變壓器保護信號波形。以BCD碼轉(zhuǎn)地址為數(shù)字世界中水電站電流飽和變壓器保護的身份標(biāo)識，通過波形相似度進行可視化展示，直接以圖形化組件的方式分析水電站電流飽和變壓器保護信號。本文選用基于波形相似度，MFC基本類庫的CFileDialog類的成員函數(shù)來選取數(shù)文件，以此判斷水電站電流飽和變壓器保護信號之間的波形相似度，波形相似度越高證明該水電站電流飽和變壓器保護信號越可靠、穩(wěn)定。

2.4 采用 NBC 疊片式彈片

基于波形相似度分析水電站電流飽和變壓器保護信號的基礎(chǔ)上，本文采用 NBC 疊片式彈片，設(shè)計水電站電流飽和變壓器保護裝置。在未插合狀態(tài)下，可以提供IP2X級別的觸摸保護，在插合狀態(tài)下則可滿足IP65/IP67的防護等級。較高的IP防護等級體現(xiàn)了水電站電流飽和變壓器保護裝置防水防塵的能力，同時也保證了水電站電流飽和變壓器保護裝置在長時間使用后仍能確保內(nèi)部電性能不受外界環(huán)境的影響。在插合或拔出過程中，PE 系列的卡栓鎖緊系統(tǒng)都要求有旋轉(zhuǎn)的動作，這個動作對于防止工作人員誤操作具有較為現(xiàn)實的意義。同時，為了更加明確這種防護，PE 系列產(chǎn)品還增加了類似于顏色代碼、機械碼等的細(xì)節(jié)設(shè)計，從而進一步提供保護。

2.5 設(shè)定水電站電流飽和變壓器保護裝置額定電壓

對于水電站電流飽和變壓器保護裝置來說，其絕緣性能至關(guān)重要，因此本文將水電站電流飽和變壓器保護裝置的額定電壓設(shè)定為DC 1 500 V/AC 1 000 V，在實驗室條件下可承受6.6 kV的工頻電壓及8 kV的脈沖電壓。這些參數(shù)是完全可以滿足低壓電纜接入母排需求的。此外，為通流載體提供外力作用保護的塑料外殼也是非常重要的零件。設(shè)計的水電站電流飽和變壓器保護裝置采用了高強度的塑料材料，為水電站電流飽和變壓器保護裝置無論從耐候性還是防外力沖擊方面都提供了很好的性能支撐。

2.6 實現(xiàn)水電站電流飽和變壓器保護裝置設(shè)計

結(jié)合上述設(shè)定的水電站電流飽和變壓器保護裝置額定電壓，實現(xiàn)水電站電流飽和變壓器保護裝置設(shè)計。首先，選取實現(xiàn)水電站電流飽和變壓器保護的狀態(tài)參數(shù)，并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集；而后，設(shè)定實現(xiàn)水電站電流飽和變壓器保護的狀態(tài)參量經(jīng)典域和節(jié)域，根據(jù)實現(xiàn)水電站電流飽和變壓器保護運維數(shù)據(jù)管理的參量權(quán)重進行歸一化處理。利用運維動態(tài)基線min-max進行線性縮放，將實現(xiàn)水電站電流飽和變壓器保護特征歸一化縮放到0～1之間。實際測試時，根據(jù)測得的水電站電流飽和變壓器實時數(shù)據(jù)，完成對水電站電流飽和變壓器的保護，以此實現(xiàn)水電站電流飽和變壓器保護裝置設(shè)計。

3 實例分析

3.1 實驗準(zhǔn)備

提出實例分析，選取皖南泰溪水電站作為實驗對象。在泰溪水電站中隨機選用電流飽和變壓器作為保護目標(biāo)，并搭建電流飽和變壓器保護信息傳輸區(qū)域。相關(guān)準(zhǔn)備歷史數(shù)據(jù)樣例，如表1所示。

表1 歷史數(shù)據(jù)樣例

結(jié)合表1中的歷史數(shù)據(jù)樣例，先用傳統(tǒng)的保護裝置對水電站電流飽和變壓器進行保護，通過matalb軟件記錄保護及時率，記為對照組；再采用本文設(shè)計的保護裝置對水電站電流飽和變壓器進行保護，同樣通過MATALB軟件記錄保護及時率，記為實驗組。保護及時率越高，證明保護裝置在實際中應(yīng)用有效性越高，記錄實驗結(jié)果。

3.2 實驗結(jié)果分析

整理實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，詳見表2。

表2 實驗數(shù)據(jù)對比表

根據(jù)上述表2可知，運用本文設(shè)計的保護裝置保護及時率明顯高于對照組，可以投入現(xiàn)實使用。

4 結(jié) 論

通過基于波形相似度的水電站電流飽和變壓器保護裝置設(shè)計研究，能夠取得一定的研究成果，解決傳統(tǒng)水電站電流飽和變壓器保護中存在的問題。在后期的發(fā)展中，應(yīng)加大波形相似度在水電站電流飽和變壓器保護裝置設(shè)計中的應(yīng)用力度。截止目前，國內(nèi)外針對基于波形相似度的水電站電流飽和變壓器保護裝置設(shè)計研究仍存在一些問題，在日后的研究中還需要進一步對水電站電流飽和變壓器保護裝置的優(yōu)化設(shè)計提出深入研究，為提高裝置的綜合性能提供參考。