變電站高電壓試驗(yàn)設(shè)備故障診斷方法研究

孫立群，張燦

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210000）

變電站作為電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電以及用電調(diào)度等各個(gè)重要環(huán)節(jié)的銜接場(chǎng)所，在保障電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行等方面發(fā)揮著重要作用[1]。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，為了最大限度地保障電力設(shè)備的安全，避免出現(xiàn)由于電力設(shè)備運(yùn)行異常而引起的電力系統(tǒng)大面積長(zhǎng)時(shí)間停電等問(wèn)題，對(duì)電壓進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試十分必要[2]。電壓試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)能夠準(zhǔn)確地對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)[3]，但在實(shí)際環(huán)境中，無(wú)論是變電站的運(yùn)行環(huán)境還是電壓試驗(yàn)設(shè)備本身的使用磨損等原因，都會(huì)導(dǎo)致高電壓試驗(yàn)設(shè)備難以避免地存在故障隱患[4]。對(duì)故障作出及時(shí)準(zhǔn)確的判斷是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)[5]。在智能化發(fā)展趨勢(shì)逐漸突出的背景下，變電站設(shè)備運(yùn)維和管理工作表現(xiàn)出了越來(lái)越重要的作用和價(jià)值[6]。

鑒于此，本文以電壓試驗(yàn)設(shè)備為研究目標(biāo)，研究了變電站高電壓試驗(yàn)設(shè)備故障診斷方法，并在試驗(yàn)測(cè)試中驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)診斷方法的實(shí)際應(yīng)用效果，以期為保證電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供參考。

1 高電壓試驗(yàn)設(shè)備故障診斷

1．1 設(shè)備特征值提取

要實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站高電壓試驗(yàn)設(shè)備故障的有效診斷，首先要明確其不同運(yùn)行狀態(tài)的特征值[7]。受變電站高電壓試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下磨損作用的影響，設(shè)備的基礎(chǔ)參數(shù)信息會(huì)出現(xiàn)一定的變化。因此，本文首先結(jié)合設(shè)備的狀態(tài)對(duì)設(shè)備的特征值進(jìn)行提取[8]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備特征參數(shù)的高精度提取，本文計(jì)算了設(shè)備運(yùn)行信號(hào)的包絡(luò)譜，將其作為特征提取的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，提取不同運(yùn)行狀態(tài)下設(shè)備的特征參量。考慮到在設(shè)備信號(hào)的低維空間具有線性不可分割屬性，因此，本文借助Hilberx變換將數(shù)據(jù)映射到高維空間中，在超平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)一步的分析。假定在x運(yùn)行狀態(tài)下，設(shè)備的輸出信號(hào)為P（x），其包絡(luò)譜形式表示為：

其中：H（x）表示Hilberx變換后的設(shè)備參數(shù)信息，也就是包絡(luò)譜形式的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)特征；p（x）表示出廠階段對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置結(jié)果，也就是額定運(yùn)行參數(shù)；k表示信號(hào)的幅值譜熵。需要注意的是，幅值譜熵取值空間的最大值為1，當(dāng)設(shè)備的信號(hào)表現(xiàn)出固定頻率成分構(gòu)成屬性時(shí)幅值譜熵將無(wú)限接近于0。

通過(guò)這樣的方式，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的設(shè)備特征值，將其作為故障診斷的基礎(chǔ)，為后續(xù)的分析計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐。

1．2 基于決策樹(shù)理論的故障診斷

本文基于決策樹(shù)理論實(shí)現(xiàn)對(duì)高電壓試驗(yàn)設(shè)備故障的診斷。

在決策樹(shù)上每個(gè)結(jié)點(diǎn)之間，以1．1部分提取的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)特征參量為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，就可以劃分出當(dāng)前數(shù)據(jù)集中的最優(yōu)特征，其計(jì)算公式可以表示為：

其中，Bmax表示當(dāng)前設(shè)備數(shù)據(jù)集中的最優(yōu)特征參量，Tij表示決策樹(shù)結(jié)點(diǎn)，f（yi）表示特征提取函數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)計(jì)算出的最優(yōu)特征對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行二次分類，其具體的分類方式是以數(shù)據(jù)與Bmax之間的距離為基礎(chǔ)進(jìn)行的，其可以表示為：

其中，d表示決策樹(shù)上的每個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)提取到的設(shè)備全局特征與最優(yōu)特征參量之間的距離。

當(dāng)存在d＝dmax時(shí)，表明此時(shí)的決策樹(shù)結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)信息為故障所在。但是需要注意的是，部分設(shè)備數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果可能存在2個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)滿足d＝dmax的情況，此時(shí)則表明設(shè)備數(shù)據(jù)集中的最優(yōu)特征參量與當(dāng)前時(shí)刻設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況存在差異，因此需要重新對(duì)最優(yōu)特征進(jìn)行計(jì)算。重復(fù)上述操作，直至得到唯一值。通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的準(zhǔn)確診斷。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為了進(jìn)一步分析本文所提出故障診斷方法的實(shí)際應(yīng)用效果，本文進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試。本文參考了文獻(xiàn)[6]所提出的以深度學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的變電站設(shè)備故障診斷方法和文獻(xiàn)[7]所提出的以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)的智能變電站故障診斷模型。在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)比三種方法的測(cè)試結(jié)果，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)本文設(shè)計(jì)方法診斷效果的分析。

2．1 測(cè)試環(huán)境概況

本文以HTHK－G2260為試驗(yàn)設(shè)備，其屬于高低壓開(kāi)關(guān)柜各項(xiàng)通電試驗(yàn)的檢測(cè)設(shè)備。在運(yùn)行過(guò)程中，輸入裝置內(nèi)的電源為三相四線AC 380V，通過(guò)這樣的方式可以結(jié)合實(shí)際測(cè)試設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行差異化參數(shù)調(diào)節(jié)。裝置的輸出模態(tài)也表現(xiàn)出多樣化的特征，這種多樣化不僅表現(xiàn)在電壓上，也同樣表現(xiàn)在電流方面。具體的模態(tài)形式包括固定參數(shù)下的可調(diào)節(jié)參數(shù)的三相AC 0～10A，交流AC 0～400V以及直流DC 0～260V。在輸出過(guò)程中，需要借助插座實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)程，并且參數(shù)值同樣為固定值。還包括一組直流固定輸出，分別為 24．0V，36．0V，110．0V，220．0V輸出，但是輸出形式是以接線柱為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的，其具體電路圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試裝置電路圖

按照?qǐng)D1所示的方式，HTKGG－H輸出線接線柱前分別串接了10．0A、16．0A空氣開(kāi)關(guān)，以此作為裝置的短路保護(hù)。當(dāng)變電站需要進(jìn)行臨時(shí)大面積停運(yùn)時(shí)，可借助總電源開(kāi)關(guān)閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)。直流合閘電源輸出DC 0－300V是以獨(dú)立的形式存在的。在運(yùn)行過(guò)程中，由三相轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和三相AC 380V電壓表控制三相整流模塊、移相觸發(fā)電路、自動(dòng)調(diào)節(jié)電路以及吸收回路。

在此基礎(chǔ)上，分別采用上述三種方法可對(duì)不同的故障類型進(jìn)行診斷。

2．2 測(cè)試結(jié)果

本文分別以經(jīng)典的識(shí)別精確率、召回率以及F值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別采用三種方法對(duì)不同類型故障進(jìn)行20次診斷，將其均值作為最終的數(shù)據(jù)結(jié)果，具體的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法的故障診斷結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從表1中可以看出，對(duì)比三種方法，深度學(xué)習(xí)方法的診斷結(jié)果中，召回率存在一定的提升空間。數(shù)字孿生方法整體處于較高水平，但是診斷的精確率存在較大的波動(dòng)性，其最大值達(dá)到了95．05，但是最小值僅為76．86%，對(duì)應(yīng)的召回率以及F值也受到了相應(yīng)的影響，對(duì)應(yīng)的參數(shù)值分別為80．82%和80．87%。通過(guò)觀察本文方法的測(cè)試結(jié)果可以看出，診斷的精確率始終穩(wěn)定在94．00%以上，并且召回率和F值也穩(wěn)定在90．00%左右。測(cè)試結(jié)果表明，本文所提出的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站高電壓試驗(yàn)設(shè)備故障的有效診斷。

3 結(jié)論

電壓試驗(yàn)設(shè)備是檢測(cè)變電站整體和局部運(yùn)行狀態(tài)的重要設(shè)備，對(duì)其故障做出及時(shí)準(zhǔn)確的診斷是十分必要的。本文提出的變電站高電壓試驗(yàn)設(shè)備故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同故障類型的準(zhǔn)確分析和判斷，為實(shí)際的電壓試驗(yàn)設(shè)備維修提供了有價(jià)值的參考。通過(guò)對(duì)故障的有效診斷，可以進(jìn)一步降低由此帶來(lái)的時(shí)間成本，可最大限度地降低設(shè)備故障帶來(lái)的損失和影響。