基于HHT的高壓電氣主設(shè)備短路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

解紫城

（合肥工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限公司，合肥230001）

0 引言

希爾伯特—黃變換（Hilbert-Huang Transform，HHT），作為一種適用于處理非平穩(wěn)、非線性信號(hào)的算法，能夠起到使得各類信號(hào)的自身特征更加明顯和平穩(wěn)的作用。提到HHT算法，就不得不提到其整個(gè)算法內(nèi)部的核心創(chuàng)造性部分，那就是經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法（EMD）。EMD作為針對(duì)信號(hào)預(yù)處理工作的第一步，為后續(xù)幫助完成對(duì)瞬時(shí)信號(hào)頻率，以及可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了有效解析。由于HHT本身就專門(mén)針對(duì)于信號(hào)的傳輸與疊加問(wèn)題，因此在電力、礦山等行業(yè)內(nèi)部，都得到了廣泛應(yīng)用。而其被廣泛推廣應(yīng)用的背后，離不開(kāi)該算法本身優(yōu)越的性能，以及極具指向作用的，對(duì)于諧波分量的有效抑制能力。在幾種常見(jiàn)的信號(hào)處理算法當(dāng)中，HHT相對(duì)于其他算法局限性的突破，成為了名副其實(shí)的能通過(guò)其自身理論特點(diǎn)，依據(jù)不受Heisenberg原理約束的情況，以及極佳的自適應(yīng)性，幫助降低因人為干擾因素而產(chǎn)生的誤差。當(dāng)前，與電力系統(tǒng)相關(guān)的高壓電氣主設(shè)備的短路故障監(jiān)測(cè)效率問(wèn)題，已經(jīng)成為相關(guān)部門(mén)內(nèi)部較為關(guān)注的問(wèn)題。一旦高壓電氣主設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)的途中出現(xiàn)短路情況，就會(huì)直接導(dǎo)致主設(shè)備的內(nèi)外溫度在短時(shí)間之內(nèi)快速升高，在溫度提高到一定程度后，設(shè)備內(nèi)部的元件就會(huì)遭到嚴(yán)重?fù)p壞，直接導(dǎo)致大型停電事故的發(fā)生，最終嚴(yán)重影響到電力系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。不過(guò)由于HHT的定義以及流程，本身是極具敘述性的，這就導(dǎo)致了算法本身在數(shù)學(xué)理論支撐方面會(huì)受到一定程度的限制。在整個(gè)HHT算法當(dāng)中，一直存在著兩個(gè)較為明顯的問(wèn)題，即端點(diǎn)效應(yīng)和模態(tài)混疊，基于這兩個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年來(lái)通過(guò)不斷地研究，利用優(yōu)化相應(yīng)算法的方式，旨在完成對(duì)這兩方面問(wèn)題的解決。

1 高壓電氣主設(shè)備短路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 高壓電氣主設(shè)備傳輸電路

關(guān)于電網(wǎng)設(shè)備發(fā)生短路故障，已經(jīng)成為了整個(gè)電力系統(tǒng)當(dāng)中最為常見(jiàn)的一種問(wèn)題，只要在用電過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)不規(guī)范的用電行為，就極有可能造成短路現(xiàn)象的出現(xiàn)。一旦這種意外情況發(fā)生，所造成的后續(xù)影響也將是范圍廣、危害大的，甚至可能導(dǎo)致大型用電事故的發(fā)生。因此，在整體的供電體系當(dāng)中，高壓電氣主設(shè)備的重要性不言而喻，針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)情況，就需要通過(guò)重新設(shè)置主設(shè)備傳輸電路的具體構(gòu)造，幫助完善主設(shè)備的硬件性能，以便從根本上杜絕短路故障的發(fā)生[1]。而HHT作為能夠預(yù)先進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的一種算法，在幫助各領(lǐng)域完成針對(duì)信號(hào)穩(wěn)定問(wèn)題上，一直具備著極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)算法的天然優(yōu)勢(shì)，以及原理本身極強(qiáng)的敘述性，需要利用HHT自身的有效優(yōu)勢(shì)對(duì)高壓電器主設(shè)備相關(guān)的模擬信號(hào)以及設(shè)備電路情況，開(kāi)展新一輪的構(gòu)建。其中，最直觀的構(gòu)建方式，就是對(duì)電路的連接情況進(jìn)行新一輪的更新，通過(guò)對(duì)變壓器主體、調(diào)壓補(bǔ)償繞組的連接設(shè)計(jì)，選用型號(hào)為ODFPS-1 000 000/1 000的高壓變壓器作為設(shè)計(jì)實(shí)例[2]。以便對(duì)電路連接方式，以及額定電壓進(jìn)行新一輪的控制，具體電路連接情況如圖1所示。

圖1 高壓變壓器與調(diào)壓補(bǔ)償繞組間電路連接

高壓變壓器設(shè)計(jì)為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，主要芯柱為套線圈結(jié)構(gòu)，外加兩組旁軛結(jié)構(gòu)予以配合。其中，兩組主要芯柱的結(jié)構(gòu)必須做到形狀、構(gòu)造、大小完全相同。并且，為了能夠有效地在根源上杜絕短路問(wèn)題的發(fā)生，繞組間外部的排列方式必須嚴(yán)格按照低壓、中壓、高壓的順序，在整個(gè)調(diào)壓補(bǔ)償繞組上進(jìn)行有序排列，在規(guī)整排列過(guò)后，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電氣主設(shè)備的電路控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控，只有通過(guò)對(duì)電路的設(shè)計(jì)和改良，才能進(jìn)一步從根源上將可能發(fā)生的，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中可能出現(xiàn)的危害地區(qū)用電安全的短路事故，直接扼殺在萌芽狀態(tài)[3]。對(duì)高壓狀態(tài)下的電氣主設(shè)備的短路問(wèn)題進(jìn)行有效控制，是為了防止因三種范圍內(nèi)的電壓壓強(qiáng)當(dāng)中的任何一種在設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，造成整個(gè)設(shè)備的完全短路，及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和排查[4]。

1.2 設(shè)計(jì)短路故障自動(dòng)控制器

根據(jù)所提出的研究思路，在關(guān)注對(duì)高壓電氣主設(shè)備的傳輸電路的同時(shí)，注重設(shè)備內(nèi)部的控制設(shè)備安全監(jiān)測(cè)。想要更加科學(xué)合理地對(duì)高壓電氣主設(shè)備開(kāi)展針對(duì)故障排查的監(jiān)測(cè)，還需要通過(guò)設(shè)計(jì)專用的短路故障監(jiān)測(cè)自動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)[5]。在電路設(shè)計(jì)研究部分，就已經(jīng)完成了對(duì)于調(diào)壓繞組的連接，但這僅代表著將主設(shè)備的內(nèi)部，根據(jù)電壓的高低分成了3個(gè)既相互獨(dú)立，又能夠交互傳遞電流信號(hào)的部分。通常情況下大型主設(shè)備在整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)上參與運(yùn)行，主設(shè)備負(fù)責(zé)中壓的部分，如果發(fā)生短路故障，相對(duì)應(yīng)的短路電流就會(huì)在高壓繞組部分產(chǎn)生[6]。如果是高壓繞組一端出現(xiàn)短路的情況，最終影響的仍然是高壓繞組，因?yàn)榇藭r(shí)主設(shè)備內(nèi)部處在短路故障的狀態(tài)下，需要依靠設(shè)備內(nèi)的中壓部分開(kāi)展供電工作，根據(jù)這種思路，可以結(jié)合公式對(duì)短路故障的產(chǎn)生開(kāi)展分析，幫助完成自動(dòng)控制器設(shè)計(jì)。主設(shè)備電壓的額定容量，在被用于短路監(jiān)測(cè)的時(shí)候，設(shè)備系統(tǒng)的電壓承受能力，相較于正常情況下的設(shè)備電流承受能力要低近2倍[7]。

當(dāng)前，各行業(yè)主設(shè)備自動(dòng)化已經(jīng)成為了一種當(dāng)前形勢(shì)以及社會(huì)背景下必須要進(jìn)行探討的問(wèn)題。面對(duì)HHT這樣極具自適應(yīng)性的算法，除了充分地利用其幫助進(jìn)行信號(hào)處理工作，更重要的仍在于觀察其本身的性能以及信號(hào)平滑程度，在基于HHT的處理效果之下，當(dāng)前針對(duì)電氣主設(shè)備的優(yōu)化問(wèn)題，其主要的方向就是對(duì)于電信號(hào)的控制，因此設(shè)計(jì)與HHT算法直接關(guān)聯(lián)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)短路故障控制器便成為了幫助系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)[8]。

2 高壓電氣主設(shè)備短路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于HHT的短路故障在線監(jiān)測(cè)程序

在基本完成高壓電氣主設(shè)備短路故障監(jiān)測(cè)相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)后，應(yīng)關(guān)注與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)直接相關(guān)的、決定系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的軟件設(shè)計(jì)部分。面對(duì)人工智能日益發(fā)展完善的今天，對(duì)于信號(hào)的預(yù)處理能力的提升也成為了電力行業(yè)亟待關(guān)注和解決的問(wèn)題[9]。通過(guò)HHT的端點(diǎn)抑制方法對(duì)支持向量回歸機(jī)的端點(diǎn)效應(yīng)抑制情況進(jìn)行分析。檢測(cè)程序的設(shè)計(jì)，通過(guò)結(jié)合多種計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)理論，合理使用相關(guān)原理，構(gòu)建與原理相契合的程序代碼，將低維度特征空間結(jié)合非線性映射，在映射動(dòng)作結(jié)束過(guò)后進(jìn)入到高維度特征空間當(dāng)中，之后再進(jìn)行線性回歸，使其不光具備優(yōu)良的非線性特征，還能適用于程序功能的構(gòu)建，其表達(dá)公式為：

式中：≤和≥兩個(gè)符號(hào)所表示的是高維度空間的內(nèi)積，s為閾值；β、α為非線性映射的數(shù)值。

相較于其他算法，支持向量機(jī)在考慮全局性，以及泛化能力上均具有極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[10]。同時(shí)，通過(guò)算法自身能夠幫助處理小數(shù)據(jù)樣本的能力，能夠幫助改變其他算法原理下，需要依賴大量樣本數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)展信號(hào)處理工作的方式，從而實(shí)現(xiàn)專門(mén)針對(duì)故障檢測(cè)監(jiān)測(cè)程序的流程升級(jí)[11]。根據(jù)上述邏輯進(jìn)一步推導(dǎo)出與HHT相關(guān)的算法程序處理過(guò)程，具體情況如圖2所示。圖中，基于HHT的算法程序處理流程情況已經(jīng)得到完整展現(xiàn)。在流程第三步驟當(dāng)中，首次出現(xiàn)了HHT相關(guān)的系數(shù)，并且在下文的邊際譜當(dāng)中，能夠第二次提取到相關(guān)系數(shù)，在結(jié)合算法程序、特征向量，以及原始輸入的功率信號(hào)后，最終目的是完成對(duì)于程序的監(jiān)測(cè)和流程的梳理。

圖2 HHT相關(guān)算法程序處理過(guò)程

2.2 計(jì)算短路故障電流

有關(guān)于電網(wǎng)高壓電氣主設(shè)備的故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況，除了要對(duì)硬件與程序進(jìn)行有效研究，仍需要對(duì)設(shè)備所運(yùn)輸?shù)碾娏鬟M(jìn)行合理計(jì)算[12]。并通過(guò)HHT開(kāi)展完整集合的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解工作，但由于普遍存在的計(jì)算量、重構(gòu)誤差較大的問(wèn)題，因此需要通過(guò)對(duì)發(fā)生短路故障時(shí)的電流進(jìn)行計(jì)算，方便完成對(duì)故障檢測(cè)系統(tǒng)的建立[13]。國(guó)外學(xué)者在提出具備自適應(yīng)性的模態(tài)分解方法后，還需要通過(guò)引入其他的輔助因素，來(lái)幫助對(duì)設(shè)備通過(guò)的電流進(jìn)行過(guò)濾，消除電信號(hào)之間的重構(gòu)誤差，消除誤差的計(jì)算方法如式（2）所示。

式中：St為變壓器短路阻抗；Sz為系統(tǒng)短路阻抗；Uf為變壓器額定電壓；i為對(duì)稱短路電流。

根據(jù)上述過(guò)程，能夠利用諸多因素來(lái)對(duì)導(dǎo)致短路故障出現(xiàn)的電流進(jìn)行有效計(jì)算[14-15]。根據(jù)系統(tǒng)短路容量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定可知，收集短路電流、非短路電流可以更進(jìn)一步提高短路故障出現(xiàn)的不穩(wěn)定電流計(jì)算的準(zhǔn)確率。而想要完成更進(jìn)一步的計(jì)算與測(cè)試，需要針對(duì)電流與主設(shè)備的連接情況展開(kāi)分析，為保證高壓變壓器可以在其他條件不變的情況下，獨(dú)立完成內(nèi)部自動(dòng)升壓的工作，采用高壓中性點(diǎn)接地的方式連接串級(jí)變壓器，然后通過(guò)對(duì)比高壓變壓器在電網(wǎng)當(dāng)中運(yùn)行情況的電流量，分析產(chǎn)生短路故障電流的原因檢驗(yàn)系統(tǒng)的合理性。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，通過(guò)仿真測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。首先提取HHT的故障特征，與孫文星等[13]的基于傳遞函數(shù)法的變壓器感應(yīng)式振蕩操作沖擊電壓試驗(yàn)故障診斷方法進(jìn)行對(duì)比，比較兩種方法下系統(tǒng)的故障特征值，仿真測(cè)試的工具需要使用Matlab軟件作為測(cè)試平臺(tái)。并將文中提到的HHT算法作為實(shí)驗(yàn)組，傳遞函數(shù)方法作為對(duì)照組，通過(guò)引入高斯白噪聲幫助測(cè)試工具開(kāi)展故障特征提取的數(shù)值計(jì)算，其中的變量分別為正常、T1開(kāi)路、T3開(kāi)路、T5開(kāi)路，以及T3和T5同時(shí)開(kāi)路5種故障狀態(tài)，分別將5種狀態(tài)代入到HHT算法和傳遞函數(shù)方法中，得到的故障特征值提取結(jié)果如表1～2所示。

表1 傳遞函數(shù)方法提取的故障特征值

表2 HHT提取的故障特征值

根據(jù)表1～2所示數(shù)據(jù)結(jié)果可知，HHT算法通過(guò)觀察故障特征值情況之后，能夠清晰地提取故障特征值，要明顯高于傳遞函數(shù)方法所提取到的故障特征值，并且HHT算法可以實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下的故障特征提取。

為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的高壓電氣主設(shè)備短路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，還需要利用整體向量距離分布的情況進(jìn)行進(jìn)一步分析，將數(shù)據(jù)按照順序排列后結(jié)合圖2所示的程序處理過(guò)程，得到特征向量距離分布結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，在共10次的基于兩種系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)組的方法所提取到的特征向量間距要大于對(duì)照組的間距，最大差值為1.0。同時(shí)，文中提到的方法能夠?qū)⑻卣飨蛄康木S度從6維降低到4維。可進(jìn)一步幫助降低故障分類程序的運(yùn)算量，展現(xiàn)了該算法的優(yōu)越性能，有利于對(duì)相關(guān)系統(tǒng)開(kāi)展在線、實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，基于這樣的綜合考量，文中方法要優(yōu)于對(duì)比方法。

圖3 兩種不同系統(tǒng)下的故障特征向量距離分布

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)能夠處理非平穩(wěn)性、非線性電信號(hào)的HHT算法展開(kāi)研究與分析，對(duì)高壓電氣主設(shè)備的短路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展開(kāi)了合理設(shè)計(jì)。旨在幫助優(yōu)化各地區(qū)電網(wǎng)所包含的高壓電氣主設(shè)備，為居民用電安全提供有效保障。高壓電氣主設(shè)備故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的升級(jí)，離不開(kāi)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)化和發(fā)展，在今后相關(guān)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)道路上，需要深入挖掘和測(cè)試不同算法間的性能，最終目的是幫助優(yōu)化電力系統(tǒng)主設(shè)備對(duì)于故障數(shù)據(jù)的分析和處理能力。