基于延時(shí)電路的高頻高壓激勵(lì)電纜故障測(cè)距方法

李中勝, 蔣晨達(dá)

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程系, 福建 永安 366000)

高頻高壓激勵(lì)電纜故障測(cè)距是提高電纜輸出穩(wěn)定性的關(guān)鍵。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷增大,高頻高壓激勵(lì)電纜的使用里程也不斷增加,但其受到使用環(huán)境等因素的影響,容易出現(xiàn)故障,因此構(gòu)建高頻高壓激勵(lì)電纜故障優(yōu)化檢測(cè)模型十分必要。

根據(jù)高頻高壓激勵(lì)電纜的主要故障類別分布[1]進(jìn)行故障檢測(cè),相關(guān)的檢測(cè)和測(cè)距方法研究受到了的極大關(guān)注[2]。目前,高頻高壓激勵(lì)電纜故障的測(cè)距和檢測(cè)定位方面已經(jīng)取得了一定的研究成果。對(duì)高頻高壓激勵(lì)電纜的故障測(cè)距和檢測(cè)是建立在對(duì)故障數(shù)據(jù)挖掘和自適應(yīng)特征提取的基礎(chǔ)上,并結(jié)合了對(duì)電纜的逆變特征分析和譜特征提取[3]。文獻(xiàn)[4]提出了基于徑向基函數(shù)自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理的短期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)方法,構(gòu)建了高頻高壓激勵(lì)電纜故障的傳感信息分布模型,采用關(guān)聯(lián)特征分析和輸電負(fù)荷檢測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了電纜故障測(cè)距和檢測(cè),但該方法的自適應(yīng)性不好,特征辨識(shí)能力不夠。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于鏈路轉(zhuǎn)發(fā)控制的高頻高壓激勵(lì)電纜故障的快速檢測(cè)算法,采用鏈路均衡控制模型構(gòu)建了檢測(cè)模型,但該方法的計(jì)算復(fù)雜度較高。針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的問(wèn)題,本文提出了一種基于延時(shí)電路的高頻高壓激勵(lì)電纜故障測(cè)距方法。構(gòu)建延時(shí)電路結(jié)構(gòu),采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)特征分解模型自適應(yīng)機(jī)器學(xué)習(xí)和特征融合方法進(jìn)行故障測(cè)距和優(yōu)化檢測(cè),對(duì)電流故障輸出的收斂性進(jìn)行判斷,最后通過(guò)測(cè)試分析得出有效性結(jié)論。

1 故障特征分析和延時(shí)電路參數(shù)分析

1.1 電纜故障特征分析

為了實(shí)現(xiàn)基于延時(shí)電路的高頻高壓激勵(lì)電纜故障測(cè)距,結(jié)合弱電網(wǎng)條件下的運(yùn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行電力特征分析和參數(shù)識(shí)別[6]。利用廣義奈奎斯特判決方法,得到高頻高壓激勵(lì)電纜故障測(cè)距的約束參數(shù)為

(1)

式中:Rdc——故障測(cè)距系數(shù);

ψ——漏磁電感;

Δ——故障測(cè)距系數(shù)變化量;

ω——比例閥增益;

I——負(fù)載黏性阻尼系數(shù)。

將高頻高壓激勵(lì)電纜的輸入飽和誤差視為不確定的,對(duì)整個(gè)電纜進(jìn)行抗飽和補(bǔ)償。漏磁電感和勵(lì)磁電感的計(jì)算精度會(huì)直接影響諧振性能,因此采用直接分析的方法進(jìn)行輸出增益調(diào)節(jié)[7],得到最大功率跟蹤的控制指令。故障測(cè)距增益為

(2)

式中:Z1,Z2,Z3——高頻高壓下控制電壓的均衡調(diào)度系數(shù)。

采用混合雙饋入直流輸電故障測(cè)距方法,對(duì)電纜的輸出電壓進(jìn)行誤差補(bǔ)償[8]。不同電網(wǎng)強(qiáng)度和不同控制參數(shù)下的故障測(cè)距增益為

(3)

式中:Req——模糊控制器的輸入向量;

Zs——負(fù)載剛度。

利用虛擬同步控制算法(利用虛擬現(xiàn)實(shí)自動(dòng)維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)高頻高壓激勵(lì)電纜故障的自主并聯(lián)的算法)進(jìn)行電纜故障測(cè)距[9],通過(guò)無(wú)功指令控制生成勵(lì)磁電壓,從而調(diào)節(jié)輸出的穩(wěn)定性,得到的諧波整流輸出為

(4)

式中:Zm,Zp——負(fù)載剛度。

當(dāng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓的參考值在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),通過(guò)模糊反饋調(diào)節(jié)方法進(jìn)行穩(wěn)定性調(diào)節(jié)和自適應(yīng)故障測(cè)距[10]。

1.2 延時(shí)電路結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

構(gòu)建高頻高壓激勵(lì)電纜故障測(cè)距的延時(shí)電路結(jié)構(gòu)[11],如圖1所示。

圖1 延時(shí)電路結(jié)構(gòu)示意

采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)特征分解模型進(jìn)行故障特征檢測(cè),得到電纜的系統(tǒng)慣性響應(yīng)特性輸出穩(wěn)定參數(shù)。在阻抗矩陣中,采用直流故障測(cè)距的方法進(jìn)行電纜整流和濾波檢測(cè),模糊度為μ,構(gòu)建故障測(cè)距優(yōu)化參數(shù)調(diào)節(jié)模型[12]。

在電纜軸向偏移的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)過(guò)程中,建立模糊參數(shù)集,得到模糊反饋調(diào)節(jié)的自適應(yīng)規(guī)律。同時(shí),進(jìn)行延時(shí)電路的約束參數(shù)分析,以提高故障測(cè)距的準(zhǔn)確性[13]。

高頻高壓激勵(lì)電纜故障檢測(cè)流程如圖2所示。

圖2 故障檢測(cè)流程示意

2 故障測(cè)距優(yōu)化

2.1 輸出穩(wěn)定性檢測(cè)

采用電壓輸出穩(wěn)定性測(cè)試方法提取電纜故障的高分辨頻譜特征,根據(jù)電纜的輸出電壓和負(fù)載差異性進(jìn)行延時(shí)電路控制和負(fù)載均衡調(diào)度[14]。信道傳輸?shù)膶?shí)信號(hào)模型及包絡(luò)表達(dá)式為

y(t)=u(t)-ωCs(t-τ)

(5)

式中:u(t)——特征分解系數(shù);

ωC——線路電阻;

s(t-τ)——整體阻尼可控電壓。

采用節(jié)點(diǎn)電壓法對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析,輸出欠阻尼振蕩分量。根據(jù)故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征序列預(yù)測(cè)期望值mk和標(biāo)準(zhǔn)差εk,判斷電流故障輸出的收斂性。根據(jù)負(fù)荷差異性特征進(jìn)行故障測(cè)距和優(yōu)化檢測(cè),采用多層隱藏層逐步檢測(cè)的方法,即多層依次排查檢測(cè),得到故障特征分布的時(shí)頻分量特征為

(6)

式中:nr(k),ni(k)——故障特征的干擾特征的實(shí)部和虛部。

若nr(k)和ni(k)均為獨(dú)立的色噪聲,將高維時(shí)空數(shù)據(jù)在低維空間中進(jìn)行故障特征提取和輸出穩(wěn)定性分析,可以得到輸出穩(wěn)定性特征提取的統(tǒng)計(jì)特征分量為{Rj:1≤j≤L}。采用誤差自適應(yīng)補(bǔ)償方法(即分段補(bǔ)償,非線性誤差重構(gòu)的一種補(bǔ)償方式)提高電纜的穩(wěn)態(tài)工作特性,進(jìn)行電纜輸出電壓的穩(wěn)態(tài)故障測(cè)距[15]。

2.2 故障測(cè)距輸出

將頻率和幅值合成作為雙饋反饋的電纜故障特征分布,采用負(fù)載均衡調(diào)節(jié)方法進(jìn)行誤差反饋調(diào)節(jié),得到電磁耦合故障測(cè)距模型。選取電纜故障測(cè)距的滑模面進(jìn)行反向誤差反饋調(diào)節(jié),得到等效故障測(cè)量距離。

存在某個(gè)常數(shù)Gk>0,Gk表示高頻高壓激勵(lì)電纜故障測(cè)距的滑模面確定值,使得電纜的輸出增益結(jié)果穩(wěn)定。當(dāng)t=Gk時(shí),電纜的輸出穩(wěn)態(tài)振幅比值為0。在限定初始狀態(tài)下,通過(guò)Lyapunov穩(wěn)定性能量函數(shù),實(shí)現(xiàn)高頻高壓激勵(lì)電纜優(yōu)化故障測(cè)距,得到模特征量。

綜上分析,在高頻高壓激勵(lì)電纜的輸出電壓穩(wěn)態(tài)故障測(cè)距中,可以根據(jù)負(fù)荷差異性特征優(yōu)化檢測(cè),實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距的穩(wěn)定輸出。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了測(cè)試本方法的應(yīng)用性能進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)高頻高壓激勵(lì)電纜在故障狀態(tài)下輸出的磁力矩系數(shù)為0.045 N·m/A,電纜的故障工況輸出等效功率為40 kW,電網(wǎng)等效電感為0.9 mH,輸出阻抗Zout為20 Ω,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為2.3×105kg·m2,自適應(yīng)故障測(cè)距的模糊迭代學(xué)習(xí)次數(shù)為1 200次,特征采樣頻率為120 kHz。在不同電壓控制下,可以得到電纜的故障軌跡跟蹤情況,結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同電壓控制下電纜的故障軌跡跟蹤情況

由圖3可以看出,在不同電壓情況下,電纜的故障軌跡跟蹤情況差異明顯。這說(shuō)明本方法能有效實(shí)現(xiàn)電纜的故障測(cè)距和軌跡跟蹤,有助于提高故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,測(cè)試故障檢測(cè)的精度,計(jì)算公式為

(7)

式中:m——故障檢測(cè)的項(xiàng)目數(shù)量;

a,a′——故障的實(shí)際檢測(cè)值和預(yù)測(cè)檢測(cè)值。

利用式(7)計(jì)算出不同故障檢測(cè)方法的檢測(cè)精度,結(jié)果如表1所示。

表1 故障檢測(cè)方法的精度對(duì)比

由表1可以看出,不同迭代次數(shù)下本文方法的故障檢測(cè)精度均高于其他兩種方法。

為進(jìn)一步驗(yàn)證基于延時(shí)電路的高頻高壓激勵(lì)電纜故障測(cè)距方法的有效性,分別利用3種方法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,并分析故障分布,結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法測(cè)試電纜故障分布的結(jié)果對(duì)比

由圖4可以看出,文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]方法的測(cè)試結(jié)果分布不均勻,而利用本文方法的測(cè)試結(jié)果分布均勻,能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻高壓激勵(lì)電纜故障的遠(yuǎn)程控制,提高了測(cè)距性能,增強(qiáng)了電纜故障的測(cè)距能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于延時(shí)電路的高頻高壓激勵(lì)電纜故障測(cè)距方法。通過(guò)構(gòu)建優(yōu)化參數(shù)調(diào)節(jié)模型,進(jìn)行延時(shí)電路的約束參數(shù)分析,并根據(jù)電纜的輸出電壓和負(fù)載差異性進(jìn)行延時(shí)電路控制和負(fù)載均衡調(diào)度,采用自適應(yīng)機(jī)器學(xué)習(xí)和特征融合的方法進(jìn)行參數(shù)估計(jì),從而實(shí)現(xiàn)電纜故障的測(cè)距和優(yōu)化檢測(cè)。由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知,采用本文方法進(jìn)行故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性較高,提高了電纜故障的自適應(yīng)跟蹤檢測(cè)能力。我國(guó)高頻高壓激勵(lì)電纜故障測(cè)距方法還在不斷發(fā)展中,各種類型市場(chǎng)逐步開放,接下來(lái)的工作將以故障檢測(cè)的安全性和全能性為目標(biāo),以進(jìn)一步優(yōu)化高頻高壓激勵(lì)電纜的工作性能。