基于混沌特征分析的電網輸配電高壓直流檢測技術研究

周熙瑋

（國網江蘇省電力有限公司 鹽城供電分公司，江蘇 鹽城 224001）

0 引 言

在電網輸配電系統中，高壓直流（High Voltage Direct Current，HVDC）輸電具有傳輸能力強、可以實現非同步的網絡化以及輸電損耗低等優勢，在長距離輸電、非同步的網絡化輸電、海底電纜輸電等領域得到了廣泛使用[1]。隨著國家“十二五”規劃中“西電東送”建設項目的實施，國內高壓直流輸電技術迅速發展，一批又一批的輸電工程竣工投產，為實現東西方電力資源的最優分配提供了新的契機。在國內，對直流輸電進行了大量的理論分析和實踐，并取得了長足的進步。當前，我國已經形成了“八交九直”的交直流混聯輸變電網絡，在華東、珠三角等經濟較發達的區域，直流輸電起到了不可替代的作用，但是日益突出的重要性也給電力系統的安全性、穩定性帶來了嚴峻的考驗。

在國內的研究中，廖名洋等人基于多波段脈沖輸入法的單端定位理論，給出了一種直流接地線故障定位算法[2]。利用8 μs 的脈沖，循環對地極線的工作狀況進行檢測，判斷輸電線路是否出現故障，再利用4 μs 和2 μs 的脈沖對故障進行定位，通過計算平均值得出測距結果。通過電力系統計算機輔助設計/直流電磁暫態計算程序（Power Systems Computer Aided Design/Electromagnetic Transients including DC，PSCAD/EMTDC）模擬實驗，驗證了所提出的算法可以在雙極型和單極型2 種工況下有效克服由于選擇較寬的脈沖而導致較大的距離盲區，并在一定程度上保持了對回波信號的高度辨識。

基于以上研究背景，本文將混沌特征分析應用到電網輸配電高壓直流檢測中，從而保證電網穩定運行。

1 電網輸配電高壓直流檢測技術設計

1.1 提取高壓直流特征量

高壓直流信號經過小波分解后，可以獲得小波重構系數[3]。在引入信息熵理論的基礎上，計算出高壓直流信號在c尺度下經過χ層分解后的小波包時間熵，公式為

式中：λχ,c(t)為t時刻高壓直流信號在c尺度下的能量系數；為第x個滑動窗口中小波能量系數落入的概率；L為滑動窗口的區間參數。

利用式（1）獲得的小波包時間熵對不同頻帶下的高壓直流信號特征進行描述，在χ層尺度下，將小波包時間熵定義為高壓直流的特征元素，構建特征向量。

當高壓直流信號發生變化時，對應的時間熵值也會隨之改變[4]。對于電網的輸配電系統而言，定義了高壓直流信號，表示為

式中：t為時間；f1、f2、f3和f4為基波。高壓直流信號在[0,0.5 s]時域內由基波構成，記作輸配電線路狀態1；在[0.5 s,1 s]時域內由基波和多次諧波構成，記作輸配電線路狀態2；在[1 s,1.5 s]時域內由基波、第3、5、7 次諧波構成，記作輸配電線路狀態3。

以高壓直流信號的時間離散序列為分析目標，計算出輸配電系統中高壓直流信號在0 尺度下的小波包時間熵值，公式為

式中：β為小波熵的窗函數。

以上通過小波分析，計算出高壓直流信號在不同尺度下的小波包時間熵，將其作為高壓直流特征量，為輸配電高壓直流檢測提供依據。

1.2 基于混沌特征分析實現高壓直流的檢測

以提取出的高壓直流特征量為依據，在引入混沌特征分析理論的基礎上，構建輸配電高壓直流特征點的偏差函數，通過求解偏差函數的最小值，檢測出輸配電系統中的高壓直流信號，具體過程如下[5]。

假設輸配電系統中存在2 個時間值aji和ajk，如果aij≤a，將2 個時間值合并成，生成輸配電系統中高壓直流時間序列的分段yi，利用式（4）計算出高壓直流中時間序列分段xi和yi的均方誤差，公式為

在輸配電系統中，如果高壓直流時間序列存在N個分段，定義高壓直流時間序列的分段集合為DN，在此基礎上，計算出所有高壓直流時間序列的誤差集合，即

高壓直流信號中用yi表示第i個分段的時間序列，如果其中存在t個高壓直流節點，通過計算高壓直流節點的均方誤差，對信號進行混沌特征分析[6]。建立高壓直流的偏差函數，表示為

通過混沌特征分析確定高壓直流節點的過程就是對偏差函數求解最小值的過程[7]。在輸配電系統時間序列分段中，利用式（7）給出高壓直流偏差函數的最小均方誤差，公式為

定義a1,a2,…,aj代表分段數量為j時的高壓直流時間序列，當偏差數量為k時，計算出高壓直流偏差函數的最小均方誤差，將其作為高壓直流信號檢測的最優策略。

當e≥y-x+1 時，高壓直流偏差函數的最小均方誤差為0[8]。通過混沌特征分析，發現當y為輸配電系統中高壓直流節點時，需要增加一個ai變量，更新高壓直流偏差函數的最小均方誤差，得到的更新結果為

當高壓直流偏差函數的均方誤差最小時，獲取對應的G*和GG*，通過混沌特征分析，確定高壓直流節點，實現電網輸配電高壓直流的檢測。

2 實驗對比分析

2.1 實驗準備

為了驗證文中技術在高壓直流檢測中的可行性，進行一次實驗。在電力系統中選擇一個輸配電裝置作為實驗研究對象，該裝置的相關參數如下：電源電壓為220 V；直流電壓參考值為1 000 V；電容器的額定電容為2 250 μF；晶體管的開關頻率為12.4 kHz；交流電感為1.88 mF。

在上述參數的依托下，搭建了高壓直流檢測的實驗平臺，如圖1 所示。將其與輸配電裝置連接在一起，為高壓直流檢測提供支撐。

圖1 實驗平臺

2.2 實驗數據

在某一電力企業的輸配電裝置中，采集高壓直流信號，其波形如圖2 所示。

圖2 高壓直流波動

由圖2 可知，輸配電裝置中，高壓直流信號的電流幅值變化比較均衡，適用于輸配電高壓直流檢測。利用文中方法對輸配電高壓直流進行檢測，能夠保證電網輸配電的穩定性。

2.3 對比分析

為了突出文中技術的優越性，引入基于多脈沖注入法的檢測技術作對比，在不同數量的高壓直流信號樣本下，測試了輸配電高壓直流檢測的時間，結果如圖3 所示。

圖3 輸配電高壓直流檢測的時間

從圖3 的結果可以看出，采用基于多脈沖注入法的檢測技術時，輸配電高壓直流檢測的時間為3 ～6 s，原因是向高壓直流信號中注入多脈沖后會導致高壓直流信號中存在一定干擾，對檢測時間產生影響。而采用文中技術時，利用小波分解提取出高壓直流特征量，并通過混沌特征分析，得到高壓直流信號檢測的最優策略，將高壓直流檢測的時間控制在2 s 以內，有效提高了輸配電高壓直流的檢測效率。

3 結 論

本文提出了基于混沌特征分析的電網輸配電高壓直流檢測技術研究，經過實驗測試發現，該技術在高壓直流檢測中通過減小檢測時間，提高了高壓直流檢測的效率。本文研究雖然取得一定成果，但是還存在很多需要改進的地方，在今后的研究中，希望可以設計一個濾波器，對高壓直流信號進行抗干擾抑制，在保證高壓直流信號質量的前提下，提高檢測性能。