基于脈沖渦流技術的光伏電壓互感器信號故障檢測

孫 玲，劉 冀

（1.國網石家莊供電公司，石家莊 050000；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050000）

0 引言

電壓互感器在光伏電網中應用極為廣泛，及時檢測光伏電壓互感器的信號故障，及時發現電壓互感器的隱患以及故障，避免由于電壓互感器故障造成電網事故。光伏電壓互感器信號故障的精準檢測，提升光伏電力系統的供電可靠性。

伴隨通信技術以及測量技術高速發展，脈沖渦流技術成為故障檢測領域的重要技術。脈沖渦流技術檢測光伏電壓互感器的信號故障，具有適應性強以及測量信號少的優勢。利用電壓互感器信號實現電力系統不同設備故障的有效檢測。利用脈沖渦流技術獲取光伏電壓互感器的二次側信號，易于電力系統的工程應用。脈沖渦流技術通過施加于探頭中的激勵方波，形成脈沖渦流，傳播于光伏電壓互感器中，光伏電壓互感器信號存在故障時，影響磁感應強度，磁感應強度變化造成脈沖渦流檢測技術檢測線圈中的感應電壓同樣存在明顯變化。脈沖渦流技術的脈沖頻譜較寬，獲取的電壓信號中包含眾多光伏電壓互感器故障相關信息。以往的脈沖渦流技術利用磁傳感器檢測光伏電壓互感器中由于故障造成的磁場擾動變化，差分處理磁場感應信號，刪除未存在故障的信號。采用差分處理算法處理感應信號時，需要保障差分信號為同步狀態，因此采用脈沖渦流技術檢測光伏電壓互感器信號故障時，需要具備較強的信號處理性能。

電壓互感器故障檢測是目前電力研究領域的研究重點，陳永輝和謝楠等人分別針對電壓互感器的電弧故障以及相位延遲進行檢測[1,2]，可以實現電壓互感器電弧故障以及相位延遲的有效檢測，但存在檢測過程過于復雜且檢測精度較差的缺陷。針對以上兩種方法的缺陷，研究基于脈沖渦流技術的光伏電壓互感器信號故障檢測方法，利用脈沖渦流技術檢測光伏電壓互感器的信號故障，提升了光伏電壓互感器信號故障的檢測靈敏度以及檢測精度。

1 光伏電壓互感器信號故障檢測

1.1 光伏電壓互感器信號故障檢測總體方案

光伏電壓互感器信號故障檢測總體方案如圖1所示。

圖1 光伏電壓互感器信號故障檢測總體方案

通過圖1光伏電壓互感器信號故障檢測總體方案可以看出，采用脈沖渦流技術檢測光伏電壓互感器信號故障時，主要通過脈沖激勵信號發生模塊、數據處理模塊等模塊完成。選取具有脈沖寬度調制的單片機作為脈沖渦流技術檢測光伏電壓互感器信號故障的單片機，利用單片機與上位機通訊控制脈沖渦流技術的脈沖信號激勵電路各項參數的設定，啟動和停止激勵電路。

設計了功率放大電路于脈沖渦流技術中激勵信號電路的后端，脈沖信號放大后加載至傳感器探頭的激勵線圈中。傳感器探頭靠近光伏電壓互感器時，激勵出脈沖渦流，傳感器探頭將感應的光伏電壓互感器故障信號變化傳送至上位機，上位機的數據處理模塊完成信號故障的最終檢測。選取磁敏傳感器霍爾元件UGN3503與激勵線圈組合，作為脈沖渦流技術的檢測探頭，檢測光伏電壓互感器信號的脈沖渦流磁場變化情況。利用新型的脈沖渦流傳感器提升光伏電壓互感器信號故障檢測性能。新型脈沖渦流傳感器的激勵線圈設置為矩形線圈，傳感器運行時，在空間形成了勻強渦流場[3]，通過自差分式的渦流檢測技術代替了原有的脈沖渦流檢測技術，利用故障形成的擾動場形成感應信號，無需差分處理即可獲取光伏電壓互感器信號故障檢測結果。

1.2 脈沖渦流技術

脈沖渦流技術通過設置激勵信號，建立快速衰減的脈沖磁場。通常情況下利用寬帶脈沖作為建立脈沖磁場的激勵信號，利用寬帶脈沖激勵線圈的脈沖電流形成脈沖磁場。設置光伏電壓互感器作為導體試件，光伏電壓互感器形成脈沖渦流，形成的脈沖渦流為瞬時狀態，呈現快速衰減狀態的渦流磁場。伴隨渦流磁場的不斷衰減，利用檢測線圈獲取不同時間的電壓值。脈沖渦流技術的原理框圖如圖2所示。

圖2 脈沖渦流技術原理框圖

離散點化處理光伏電壓互感器的橫截面，獲取利用脈沖渦流技術檢測線圈，檢測的光伏電壓互感器瞬態感應電壓信號。

依據法拉第電磁感應定律獲取光伏電壓互感器中的各檢測點的感應電壓表達式如式(1)所示。

式(1)中，B與S分別表示磁場的磁感應強度與磁場面積，n與t表示線圈匝數以及發生變化所需時間。

檢測線圈中，其中一匝的瞬態感應電壓表達式如式(2)所示。

式(2)中，φ表示磁通量。

光伏電壓互感器信號存在故障時，采用脈沖渦流技術檢測的光伏電壓互感器的感應磁場強度存在明顯波動，檢測線圈上的瞬態感應電壓有所變化，通過瞬態感應電壓獲取光伏電壓互感器中的故障信息。

1.3 光伏電壓互感器信號故障檢測

利用小波閾值收縮法對采用脈沖渦流技術采集的光伏電壓互感器信號實施預處理，對完成預處理后的信號實施小波包分解處理，利用小波包分解處理獲取光伏電壓互感器信號的多尺度空間能量作為光伏電壓互感器信號特征，將所提取的特征輸入優化的支持向量機中，利用支持向量機檢測光伏電壓互感器信號故障。

1.3.1 光伏電壓互感器信號去噪處理

采用脈沖渦流技術檢測的光伏電壓互感器信號中包含著眾多干擾信號，采用小波變換方法去除光伏電壓互感器信號中的噪聲。選取小波變換方法中的小波閾值收縮法進行光伏電壓互感器信號去噪，保留原始光伏電壓互感器信號中的特征尖峰點。

利用db4小波基對脈沖渦流技術采集的光伏電壓互感器信號進行2層小波分解，獲取3個節點系數。閾值量化處理3個節點系數后，獲取完成修正的系數。采用小波逆變換方法重構信號，獲取去噪后的光伏電壓互感器信號。

閾值函數的選取是光伏電壓互感器信號去噪的關鍵，選取軟閾值函數作為光伏電壓互感器信號去噪的閾值函數。軟閾值函數的表達式如式(3)所示。

式(3)中，x與sgn(x)分別表示原始光伏電壓互感器信號小波分解的小波系數以及符號函數；T與soft(x，T)分別表示設定的閾值以及經過閾值處理后的光伏電壓互感器信號。

所選取的閾值需要略高于信號的最大噪聲[4]，確定最優閾值函數的表達式如式(4)所示。

式(4)中，N與δ分別表示離散信號長度以及第一級小波細節系數的噪聲標準差。

利用通過式(4)獲取的閾值函數，處理小波分解的全部細節系數，利用全局閾值重構光伏電壓互感器信號，獲取去噪后的光伏電壓互感器信號。

1.3.2 小波變換的光伏電壓信號故障特征提取

光伏電壓互感器信號故障檢測中，利用標準差作為體現光伏電壓互感器工作電壓與平均電壓值的偏離程度。光伏電壓互感器存在故障時，脈沖渦流技術檢測的電壓信號存在明顯波動，其標準差同樣存在較大變化。光伏電壓互感器信號的標準差表達式如式(5)所示。

式(5)中，N表示光伏電壓互感器的電壓信號數量，η與xi分別表示信號數據的平均值以及第i個光伏電壓互感器信號值。

小波變換方法具有頻率窗和時間窗均可以改變的特點，呈現良好的局部化特征。利用小波包分解方法獲取差異尺度下的高頻分量系數和低頻分量系數。選取db4小波作為光伏電壓互感器信號故障特征提取的小波基函數，該小波具有細節系數能量較大的特征。

利用小波分解將光伏電壓互感器信號分解為差異頻率的小波系數，不同頻率的小波包能量特征的表達式如式(6)所示。

式(6)中，qs(k)與E(j，i)分別表示小波包變化系數以及分解層次為j時，節點i的能量值。

通過小波包方法分解光伏電壓互感器信號后，獲取小波細節系數d2的模極大值。光伏電壓互感器發生故障時[5]，電壓信號不同頻段的能量值存在明顯變化。光伏電壓互感器信號存在故障時，電壓信號具有較多的高頻細節，此時信號高頻能量增加。小波高頻分量的能量值即光伏電壓互感器信號故障特征值。

1.3.3 優化支持向量機的光伏電壓互感器信號故障檢測

采用前向最小平方近似方法對支持向量機進行優化，檢測光伏電壓互感器信號故障。光伏電壓互感器信號故障檢測的優化問題如式(7)所示。

式(7)中，a與b分別表示光伏電壓互感器信號故障檢測方向向量以及偏移項。

式(7)的約束條件如式(8)所示：

式(8)中，zi與yi分別表示訓練樣本中的特征向量以及故障類別；m與Ψ 分別表示基函數即支持向量數量以及基數；φ(·)表示內積函數。

引入拉格朗日乘子αi至式(8)的約束中，可得表達式如式(9)所示。

式(9)中，λ與L(·)分別表示松弛因子以及拉格朗日函數。

利用以上過程獲取式(7)優化問題的最優點，需要滿足如式(10)所示的條件。

利用支持向量數量直接控制支持向量機的稀疏化程度，通過求解式(7)獲取光伏電壓互感器信號故障檢測結果，提升光伏電壓互感器信號故障檢測的運算效率。

2 實例分析

為了驗證采用本文方法檢測光伏電壓互感器信號故障有效性，將本文方法應用于某電力企業的220kV光伏發電系統中。設置脈沖渦流技術檢測光伏電壓互感器信號故障探頭的激勵線圈尺寸如表1所示。

表1 激勵線圈設置

采用脈沖渦流技術檢測光伏電壓互感器信號故障時，受激勵頻率、占空比等參數影響。合適的參數大小可以提升脈沖渦流技術采集的光伏電壓互感器信號質量。利用示波器觀察不同激勵頻率時，脈沖渦流技術采集光伏電壓互感器信號輸出的波形，輸出波形顯示結果如圖3所示。

圖3 激勵頻率對輸出波形的影響

利用示波器觀察不同占空比時，脈沖渦流技術采集光伏電壓互感器信號的輸出波形，輸出波形顯示結果如圖4所示。

圖4 占空比對輸出波形的影響

通過圖3、圖4的實驗結果可以看出，激勵頻率為0.3Hz，方波占空比為60%時，脈沖渦流技術采集的光伏電壓互感器信號質量最佳。采用以上參數時，脈沖渦流技術的波形輸出結果極為穩定，未存在毛刺情況，邊緣光滑，此時波形輸出結果可以有效提升光伏電壓互感器信號故障檢測性能。以上實驗結果可以看出，脈沖渦流技術可以調整信號采集的激勵頻率以及占空比，通過參數調整，獲取光伏電壓互感器的方波激勵信號。本文方法可以滿足脈沖渦流技術對光伏電壓互感器信號故障的檢測需求。本文方法可以連續調節脈沖渦流傳感器的激勵頻率以及占空比等參數，參數調節切換速度快，應用性能較高。

本文方法采用小波閾值收縮法對采集的光伏電壓互感器信號進行去噪處理，去噪前后光伏電壓互感器信號變化如圖5所示。

通過圖5實驗結果可以看出，采用本文方法可以有效去除光伏電壓互感器信號中的噪聲，通過去除噪聲后的光伏電壓互感器信號，提升光伏電壓互感器信號故障檢測有效性。

圖5 光伏電壓互感器信號去噪前后

采用本文方法檢測光伏電壓互感器信號故障，統計不同光伏電壓互感器信號故障時，光伏電壓互感器信號的標準差結果，統計結果如圖6所示。

圖6 信號標準差

統計不同故障點時，光伏電壓互感器信號分解后的模極大值，統計結果如圖7所示。

圖7 模極大值對比結果

通過圖6、圖7實驗結果可以看出，光伏電壓互感器正常狀態與故障狀態時，信號的標準差、模極大值兩種故障判據存在明顯的差異。光伏電壓互感器信號故障時，判據的值均明顯高于正常狀態下。實驗結果驗證本文方法可以有效檢測光伏電壓互感器的信號故障。

統計采用本文方法檢測電壓互感器信號故障，故障光伏電壓互感器的一次側電壓波形以及二次側電壓波形，統計結果如圖8所示。

圖8 故障電壓波形

圖8實驗結果可以看出，采用本文方法檢測光伏電壓互感器信號故障，發生故障時，光伏電壓互感器的信號存在明顯的波動。通過圖8采用本文方法獲取的故障電壓波形，再次驗證本文方法具有較高的光伏電壓互感器信號故障檢測有效性。

統計采用本文方法檢測光伏電壓互感器信號故障，不同過渡電阻時，本文方法對不同類型光伏電壓互感器信號故障的故障點的檢測結果，統計結果如圖9所示。

圖9 光伏電壓互感器信號故障檢測

圖9實驗結果可以看出，本文方法對于單相短路、兩相短路等不同光伏電壓互感器信號故障類型時，均可以有效檢測光伏電壓互感器信號故障。本文方法具有較高的光伏電壓互感器信號故障檢測精度，檢測結果與實際故障點結果極為接近。

3 結語

光伏電壓互感器信號故障的精準檢測，有助于提升光伏電力系統的運行可靠性。利用脈沖渦流技術檢測光伏電壓互感器信號故障，采用小波閾值收縮法對所采集的光伏電壓互感器信號進行預處理，提升光伏電壓互感器信號故障檢測精度。通過實驗驗證，預處理后的光伏電壓互感器信號可以有效過濾噪聲，提升光伏電壓互感器信號故障的檢測精度。該方法適用于光伏電力系統，具有極高的應用性能。