GIS變電站開(kāi)關(guān)操作瞬態(tài)電磁異常擾動(dòng)自動(dòng)捕捉方法

中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司 夏永濤

GIS 變電站，全稱為氣體絕緣變電站，是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種新型電力設(shè)備。但是，GIS 變電站也存在缺點(diǎn)，即在GIS變電站的開(kāi)關(guān)操作時(shí)，會(huì)形成快速暫態(tài)過(guò)電壓，進(jìn)而在GIS 內(nèi)部產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)，從而引發(fā)電磁干擾，對(duì)與GIS 本體設(shè)備鄰近布設(shè)的二次設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生的了嚴(yán)重影響[1-3]。

在此背景下，為保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，相關(guān)專家和學(xué)者均針對(duì)GIS 變電站開(kāi)關(guān)操作瞬態(tài)電磁異常擾動(dòng)的研究。劉渝根和李勇翔研究了電力系統(tǒng)中一次設(shè)備故障時(shí)二次電纜芯線上暫態(tài)過(guò)電壓，并使用EMTP 進(jìn)行仿真計(jì)算；石雨鑫提出了集總等效電磁干擾源測(cè)量方法，并在252kV GIS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了隔離開(kāi)關(guān)操作瞬態(tài)電磁過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究，分析了瞬態(tài)干擾源的特性以及影響；嵇建飛、錢(qián)佳斌、王立輝等人結(jié)合電力系統(tǒng)典型電路的分析方法，建立高壓開(kāi)關(guān)過(guò)電壓分析模型，分析仿真瞬態(tài)電磁干擾特性，為電磁異常擾動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)提供了參考。但是以上兩種傳統(tǒng)方法實(shí)際應(yīng)用效果不理想，無(wú)法檢測(cè)所有的電磁異常擾動(dòng)[4-6]。

本文以前人研究為基礎(chǔ)，提出GIS 變電站開(kāi)關(guān)操作瞬態(tài)電磁異常擾動(dòng)自動(dòng)捕捉方法。從各種擾動(dòng)類型中捕捉到由于開(kāi)關(guān)操作引起的異常變化，以便及時(shí)進(jìn)行處理。該方法包括干擾電壓采集、電壓數(shù)據(jù)預(yù)處理、擾動(dòng)特征參數(shù)提取、擾動(dòng)捕捉。通過(guò)本文研究以期為抑制GIS 變電站開(kāi)關(guān)操作引起的電磁干擾提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 GIS 變電站開(kāi)關(guān)操作瞬態(tài)電磁異常擾動(dòng)自動(dòng)捕捉方法

GIS 變電站中的大部分的電氣設(shè)備都是被直接或間接密封在金屬管道和套管所組成的管道樹(shù)中，因此一旦產(chǎn)生電磁干擾，將會(huì)嚴(yán)重干擾其他設(shè)備的運(yùn)行。電磁干擾是由GIS 的快速暫態(tài)現(xiàn)象引起的，而引起暫態(tài)現(xiàn)象的原因有隔離開(kāi)關(guān)、斷路器的操作、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的接地故障等[2]。

在上述導(dǎo)致瞬態(tài)電磁異常擾動(dòng)的原因下，隔離開(kāi)關(guān)操作原因是最為常見(jiàn)，也是最嚴(yán)重的，因此本文以該故障為對(duì)象，研究GIS 變電站開(kāi)關(guān)操作瞬態(tài)電磁異常擾動(dòng)自動(dòng)捕捉方法。

1.1 電壓數(shù)據(jù)預(yù)處理

采集到的電壓數(shù)據(jù)受到采集環(huán)境和采集設(shè)備自身的影響，采集到數(shù)據(jù)中包含了一些噪聲。這些噪聲的存在導(dǎo)致GIS 變電站開(kāi)關(guān)操作瞬態(tài)電磁異常被掩蓋，導(dǎo)致捕捉失誤，因此為提高GIS 變電站開(kāi)關(guān)操作瞬態(tài)電磁異常擾動(dòng)自動(dòng)捕捉準(zhǔn)確性，有必要進(jìn)行電壓電信號(hào)數(shù)據(jù)預(yù)處理，即進(jìn)行去噪濾波處理[7-8]。

為此，本章節(jié)選擇基于小波變換的閾值去除方法對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行去噪濾波處理。

構(gòu)建含噪的信號(hào)模型為：

其中，x(t)為含噪信號(hào)模型，s(t)為電壓擾動(dòng)信號(hào)，z(t)為噪聲。

根據(jù)上述含噪信號(hào)模型構(gòu)建結(jié)果可知，電壓數(shù)據(jù)的預(yù)處理的關(guān)鍵為如何去除含噪混合信號(hào)。小波去噪基本過(guò)程大致可以分為三步：

步驟1：對(duì)x(t)含噪的電壓擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解處理。選擇小波基和分解層數(shù)，以此為依據(jù)，將x(t)分解為N 層小波，并組成一組小波系數(shù)[9]。由于本文研究的瞬態(tài)電壓電磁的異常狀況，因此發(fā)生突變的速度很快，這就要求選擇的小波基函數(shù)要具很好的正交性、時(shí)頻緊支撐性[10]。從上述表1中選擇Daubechies 這個(gè)對(duì)奇異性敏感的小波基函數(shù)。

步驟2：對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行閾值量化。選擇一個(gè)閾值對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行處理，得出估計(jì)小波系數(shù)，使得估計(jì)小波系數(shù)與原小波系數(shù)之間的差值盡可能達(dá)到最小。

步驟3：信號(hào)重構(gòu)，完成去噪處理。

1.2 擾動(dòng)特征提取

發(fā)生瞬態(tài)電磁異常擾動(dòng)時(shí)，其電壓信號(hào)波形是不同，每一種故障原因，導(dǎo)致的電壓波動(dòng)都各有其不同之處，這個(gè)不同之處就被稱為擾動(dòng)特征[11]。找出這個(gè)擾動(dòng)特征對(duì)于進(jìn)行后續(xù)的捕捉識(shí)別至關(guān)重要。使用Higuchi 方法計(jì)算分形維度的具體步驟如下：

步驟1：設(shè)時(shí)間序列X(i)(i=1,2,…,N），并對(duì)其重新構(gòu)造，結(jié)果如下：

其中，[N－m/k]為高斯符號(hào)；m 和k 分別為初始時(shí)間與初始時(shí)間間隔。

步驟2：每個(gè)子時(shí)間序列的曲線長(zhǎng)度為L(zhǎng)m(k)：

式中，N－1/[(N－m)/k]×k 為歸一化因子。

步驟3：子時(shí)間序列的平均曲線長(zhǎng)度為L(zhǎng)(k)：

步驟4：若時(shí)間序列具備分形特性，則平均曲線長(zhǎng)度滿足冪函數(shù)：

式中，D 為所分析數(shù)據(jù)的分形維數(shù)。

步驟5：對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)得：

由上式即可判斷1gL(k)與1g(1/k)之間是否存在線性關(guān)系，回歸直線1g(1/k)－1gL(k)的斜率即為分形維數(shù)D[12]。

1.3 擾動(dòng)捕捉實(shí)現(xiàn)

最后一步為根據(jù)提取出來(lái)的擾動(dòng)特征進(jìn)行擾動(dòng)事件類型分類，即實(shí)現(xiàn)GIS 變電站開(kāi)關(guān)操作瞬態(tài)電磁異常擾動(dòng)自動(dòng)捕捉。實(shí)現(xiàn)分類識(shí)別的算法有很多。本文采用最小二乘支持向量機(jī)的算法分類暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)事件類型。最小二乘支持向量機(jī)（LSSVM）是支持向量機(jī)的一種擴(kuò)展。這種改進(jìn)后的算法降低了計(jì)算復(fù)雜度，加快了求解速度[13]。

2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為測(cè)試本文所研究的GIS 變電站開(kāi)關(guān)操作瞬態(tài)電磁異常擾動(dòng)自動(dòng)捕捉方法的有效性，以某GIS 變電站為例，進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作瞬態(tài)電磁異常擾動(dòng)自動(dòng)捕捉。

2.1 變電站實(shí)例模型

變電站實(shí)例模型中各元件參數(shù)如下表1所示。

表1 各元件參數(shù)

2.2 采集裝置

電壓探頭選擇RP1300H 型探頭，其參數(shù)配置如表2所示。

表2 RP1300H 型探頭參數(shù)配置

2.3 擾動(dòng)環(huán)境設(shè)置

為模擬實(shí)際環(huán)境，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行人為干擾，擾動(dòng)類型如表3所示。

表3 擾動(dòng)環(huán)境設(shè)置

2.4 實(shí)測(cè)電壓數(shù)據(jù)信號(hào)

利用上述裝置采集并處理的電壓數(shù)據(jù)信號(hào)如圖1所示。

圖1 電壓數(shù)據(jù)信號(hào)（部分）

2.5 測(cè)試結(jié)果

按照章節(jié)1.2～1.4對(duì)采集到的電壓數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，最后得到的結(jié)果如下表4所示。

表4 測(cè)試結(jié)果

從表5中可以看出，不同干擾下本文方法準(zhǔn)確捕捉到了GIS 變電站開(kāi)關(guān)操作瞬態(tài)電磁異常擾動(dòng)現(xiàn)象，證明了本文方法的有效性。

綜上所述，GIS 變電站在當(dāng)代供電系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵作用，但是也存在一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題亟待解決，即GIS 變電站開(kāi)關(guān)操作瞬態(tài)電磁異常擾動(dòng)問(wèn)題。在此背景下，為解決上述問(wèn)題，研究一種自動(dòng)捕捉方法，以期為異常擾動(dòng)抑制提供參考。本文方法經(jīng)測(cè)試，證明了其有效性，但是本文研究仍存在一些局限性，即實(shí)驗(yàn)僅在仿真環(huán)境中進(jìn)行，因此得到的結(jié)果可能與實(shí)際情況存在一定的誤差，因此有待在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試。