高壓輸電線路行波故障識(shí)別方法

寧夏送變電工程有限公司 季 鵬

為滿足社會(huì)電力產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展需求，提高電力資源輸送的距離，高壓輸電線路開始在電力市場(chǎng)內(nèi)推廣應(yīng)用。在深入此項(xiàng)工作的研究中發(fā)現(xiàn)，高壓輸電線路在運(yùn)行中的穩(wěn)定性是保障電力系統(tǒng)安全、持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵，一旦輸電線路出現(xiàn)異常，電網(wǎng)將出現(xiàn)大規(guī)模的停電事件，從而對(duì)電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行帶來安全隱患[1]。因此實(shí)現(xiàn)高壓輸電線路故障的精準(zhǔn)、快速識(shí)別與定位，并及時(shí)采取有效的措施進(jìn)行故障排查與故障處理，以此種方式避免線路單點(diǎn)故障造成的大范圍停電事件。

為實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)研究，技術(shù)單位提出了基于工頻向量計(jì)算法的故障識(shí)別方法，通過阻抗計(jì)算對(duì)不同線路流經(jīng)的電流值進(jìn)行計(jì)算，以此種方式進(jìn)行故障線路的集中排查。但在實(shí)際工作中，線路的阻抗值很難通過直接計(jì)算得出，而采用非線性方程組進(jìn)行阻抗值的求解與計(jì)算，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算過程中的偽根干擾參數(shù)、很難直接消除。為實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有方法的優(yōu)化，設(shè)計(jì)一種針對(duì)高壓輸電線路的行波故障識(shí)別方法，結(jié)合行波信號(hào)狀態(tài)量的分析實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的精準(zhǔn)定位，以此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的精準(zhǔn)定位與排查，解決高壓輸電線路在實(shí)際應(yīng)用中存在的多種安全隱患，實(shí)現(xiàn)為終端用戶提供更加良好與優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)。

1 高壓輸電線路行波故障識(shí)別方法設(shè)計(jì)

1.1 高壓輸電線路單端行波信號(hào)采集

為實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓輸電線路在運(yùn)行中故障信息與故障信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與獲取，應(yīng)明確當(dāng)高壓輸電線路的某個(gè)節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生故障時(shí)，所產(chǎn)生的故障信號(hào)是呈現(xiàn)暫態(tài)，即信號(hào)行波將按照輸電線路的傳播方向傳播到母線觀察位置。而產(chǎn)生的阻抗在此過程中呈現(xiàn)非連續(xù)性特點(diǎn)，因此行波在傳輸過程中將在到達(dá)某一位置后發(fā)生反向傳輸，當(dāng)再次到達(dá)母線位置后，即可使用傳感器與AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行單端行波信號(hào)的采集[1]。

為確保對(duì)單端行波信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)如圖1所示的采集集成裝置。但行波信號(hào)在采集中發(fā)生反向傳輸行為時(shí)，同步指令將無法作用在高速AD轉(zhuǎn)換器中[2]。因此，需要將上述裝置按照規(guī)范布置在高壓輸電電路的連接端與通信端，保證兩端處于通電工作狀態(tài)后，啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器與時(shí)鐘電路，發(fā)送并按照行波的傳輸方向進(jìn)行信號(hào)采集指令的傳輸。發(fā)送的同步指令將對(duì)高壓輸電線路的高速錄入端進(jìn)行主動(dòng)控制，即根據(jù)前端指令需求，允許或禁止對(duì)行波信號(hào)的采集與錄入，通過此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)的集中篩查。

圖1 高壓輸電線路單端行波信號(hào)采集

考慮到本文此次研究的錄入指令需要在AD轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行信號(hào)模數(shù)的拆分處理，而單次信號(hào)錄入的有效時(shí)間為ms單位[3]。因此，可在采集行波信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置一個(gè)信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的有效存儲(chǔ)空間，對(duì)所獲取的信號(hào)進(jìn)行積累，當(dāng)空間內(nèi)存儲(chǔ)信號(hào)達(dá)到一定數(shù)量后，由中斷服務(wù)進(jìn)行程序的終止，采用批次錄入信號(hào)的方式進(jìn)行行波信號(hào)獲取。當(dāng)完成一次信號(hào)的采集后，將FIFO進(jìn)行復(fù)位與初始化，等到下一次信號(hào)獲取指令。將所獲取的所有信號(hào)存儲(chǔ)到硬盤中，進(jìn)行后續(xù)的故障分析。

1.2 基于FIMD的模態(tài)信號(hào)量分解

完成對(duì)行波信號(hào)的采集與獲取后，引進(jìn)FIMD技術(shù)對(duì)所獲取的模態(tài)信號(hào)進(jìn)行本征分解。此項(xiàng)技術(shù)是一種可以對(duì)平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)自適應(yīng)分解處理的技術(shù)，為降低或消除多種行波信號(hào)之間存在的混疊問題，可在所提取的信號(hào)中選擇一個(gè)突變信號(hào)，將信號(hào)分解成為一個(gè)呈現(xiàn)固有狀態(tài)的模態(tài)分量信號(hào)[4]。相比EDM分解處理方式，F(xiàn)IMD技術(shù)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性與較優(yōu)的收斂性能。對(duì)基于FIMD的模態(tài)信號(hào)量分解進(jìn)行描述，先隨機(jī)設(shè)定一個(gè)突變的行波信號(hào)為f(t)，將f(t)作為FIMD的輸入信號(hào)，計(jì)算該信號(hào)在高壓輸電線路中的極值點(diǎn)。

將原始信號(hào)量中的輸入信號(hào)進(jìn)行求減計(jì)算，當(dāng)原始信號(hào)減去參與量信號(hào)后，即可得到前端輸入信號(hào)的模態(tài)量函數(shù)。函數(shù)實(shí)現(xiàn)過程如下：將模態(tài)信號(hào)分量函數(shù)中的第i個(gè)極值點(diǎn)表示為E(ti)，將E(ti)作為模態(tài)量的控制點(diǎn)系數(shù)，假設(shè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)表示為P，則對(duì)P的描述可用下述計(jì)算公式表示：Pi=E(ti)titm-1，式中：Pi表示為控制點(diǎn)中第i個(gè)極值點(diǎn)的坐標(biāo)。假設(shè)計(jì)算公式中的ti對(duì)應(yīng)的是第i個(gè)極值點(diǎn)的采樣時(shí)刻，則可以通過公式ai=Pi-1Pi×Pi+1Pi對(duì)第i個(gè)極值點(diǎn)的模態(tài)向量乘積進(jìn)行定義，式中：ai表示為第i個(gè)極值點(diǎn)的模態(tài)向量乘積；Pi-1與Pi+1表示為第i個(gè)極值點(diǎn)的鄰近點(diǎn)坐標(biāo)。

按照上述公式，對(duì)樣本信號(hào)進(jìn)行連續(xù)三次分解，將其中的控制值與中值進(jìn)行連接，將得到的殘余量數(shù)值進(jìn)行修正。并使用原始信號(hào)減去殘余量信號(hào)的方式，得到修正后的模態(tài)信號(hào)分解量。按照上文所述步驟，反復(fù)進(jìn)行模態(tài)信號(hào)殘余量的迭代處理，當(dāng)殘余量的極值點(diǎn)＜3.0個(gè)時(shí)，即可認(rèn)為完成對(duì)模態(tài)信號(hào)的分解處理。

1.3 基于行波轉(zhuǎn)換的故障識(shí)別與定位

完成上述研究后，采用對(duì)行波轉(zhuǎn)換的方式，進(jìn)行故障的識(shí)別與定位。識(shí)別過程中，先按照上述方式，對(duì)故障點(diǎn)位置的信號(hào)從兩端開始傳播。

在此基礎(chǔ)上，使用波頭分解得到一個(gè)高頻率暫態(tài)分量信號(hào)，將所選的信號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行去噪處理，使用凱倫貝爾轉(zhuǎn)換法進(jìn)行信號(hào)的解耦處理，解耦處理的過程如下：l=1/3(Vt×v+L)，式中：l表示為信號(hào)的解耦處理有效長度；Vt表示為解耦處理時(shí)長；v表示為解耦處理速度；L表示為高壓輸電線路長度。按照上述計(jì)算公式完成對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，在此基礎(chǔ)上對(duì)行波故障進(jìn)行識(shí)別與定位，步驟如圖2所示。按照上述方式實(shí)現(xiàn)對(duì)行波故障的識(shí)別，從而完成高壓輸電電路行波故障識(shí)別方法的設(shè)計(jì)。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

針對(duì)本文上述提出的故障識(shí)別方法，在實(shí)際高壓輸電線路運(yùn)行過程中利用該方法對(duì)產(chǎn)生的行波故障問題進(jìn)行識(shí)別，并通過得出的識(shí)別結(jié)果驗(yàn)證該方法的應(yīng)用可行性。選擇以某供電企業(yè)中的高壓輸電線路20組行波測(cè)距用故障實(shí)錄數(shù)據(jù)作為本文實(shí)驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，其采樣周期為1MHz。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可對(duì)比性，選擇將基于暫態(tài)行波的識(shí)別方法作為對(duì)照組，將本文提出的識(shí)別方法作為實(shí)驗(yàn)組，分別利用兩種方法完成對(duì)20組測(cè)試數(shù)據(jù)的故障識(shí)別，以此驗(yàn)證兩種故障識(shí)別方法的應(yīng)用性能。已知在上述20組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中共包含了三種不同的故障類型，其故障特征對(duì)應(yīng)表現(xiàn)如表1所示。

表1 三種高壓輸電線路行波故障及特征表現(xiàn)

在明確測(cè)試數(shù)據(jù)中包含的故障類型以及相應(yīng)的故障特征后，按照兩種故障識(shí)別方法的應(yīng)用流程完成對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的故障識(shí)別。

從圖3中四條曲線可以看出，通過行波波頭的小波變換極大值可以得出：i0的數(shù)值逐漸降低、明顯低于零，因此說明此時(shí)電壓輸電線路出現(xiàn)了接地故障的問題，對(duì)應(yīng)表1中的故障類型（1）；而在經(jīng)過一段時(shí)間后i2逐漸大于零，說明此時(shí)高壓輸電線路出現(xiàn)了單相接地故障問題，對(duì)應(yīng)表1中的故障類型（2）；隨后在繼續(xù)變化的過程中，i1×i3的數(shù)值逐漸小于零，此時(shí)說明高壓輸電線路出現(xiàn)了Bg故障，對(duì)應(yīng)表1中的故障類型（3）；在隨著高壓輸電線路的持續(xù)運(yùn)行，i0的數(shù)值又逐漸出現(xiàn)明顯低于零的現(xiàn)象，說明此時(shí)高壓輸電線路又一次出現(xiàn)了接地故障問題；最后i2又逐漸出現(xiàn)了大于零的現(xiàn)象，說明高壓輸電線路再次出現(xiàn)單相接地故障問題。

圖3 基于本文故障識(shí)別方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

由此可得出，按照本文故障識(shí)別方法的應(yīng)用思路，針對(duì)20組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出了故障發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)以及相應(yīng)的故障類型。結(jié)合圖1所示的內(nèi)容，對(duì)兩種識(shí)別方法得到的識(shí)別結(jié)果對(duì)比分析，為了方便比較，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組兩種識(shí)別方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

從表2中記錄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，本文提出的故障識(shí)別方法在對(duì)三種故障類型進(jìn)行識(shí)別后，能夠得到準(zhǔn)確的故障發(fā)生時(shí)間范圍，并且識(shí)別結(jié)果與實(shí)際完全一致，而對(duì)照組故障識(shí)別方法與實(shí)際相差較大，在實(shí)驗(yàn)過程中僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)以此故障類型（1）和以此故障類型（3）的準(zhǔn)確識(shí)別。同時(shí)，通過對(duì)故障類型（2）的第二次識(shí)別得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，對(duì)照組發(fā)現(xiàn)了故障異常特征，但僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)4.5min～5.0min時(shí)間范圍內(nèi)的故障識(shí)別，劃分的故障發(fā)生時(shí)間并不符合實(shí)際。由此可以看出，盡管實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)三種故障類型的識(shí)別，但實(shí)驗(yàn)組無論是在故障識(shí)別精度上，還是在故障識(shí)別準(zhǔn)確性上都更優(yōu)于對(duì)照組。

將本文提出的故障識(shí)別方法應(yīng)用到實(shí)際高壓輸電線路的運(yùn)行故障診斷當(dāng)中，能夠結(jié)合識(shí)別得出的曲線圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)其行波故障的準(zhǔn)確識(shí)別，并達(dá)到對(duì)故障特征的可視化，從而確保能夠在更短的時(shí)間發(fā)現(xiàn)高壓輸電線路的故障問題，為供電企業(yè)的供電服務(wù)品質(zhì)提升提供更有力保障。

3 結(jié)語

本文從高壓輸電線路單端行波信號(hào)采集、基于FIMD的模態(tài)信號(hào)量分解、基于行波轉(zhuǎn)換的故障識(shí)別與定位三個(gè)方面，開展了高壓輸電線路行波故障識(shí)別方法的設(shè)計(jì)研究。在完成設(shè)計(jì)后，選擇以某供電企業(yè)中的高壓輸電線路20組行波測(cè)距用故障實(shí)錄數(shù)據(jù)作為本文實(shí)驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明，本文此次研究所設(shè)計(jì)的識(shí)別方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)故障的精準(zhǔn)識(shí)別，通過此種方式為高壓輸電線路的穩(wěn)定、安全、可持續(xù)運(yùn)行提供進(jìn)一步的安全保障。