基于融合聚類的220 kV變電站局部放電定位方法

單 強(qiáng)

（國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

電力設(shè)備絕緣缺陷是一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程，局部放電作為其重要征兆之一，對(duì)其的檢測(cè)和分析是避免絕緣擊穿故障出現(xiàn)的重要預(yù)防技術(shù)[1]。在實(shí)際的工作過(guò)程中，由于變電站內(nèi)本身的信號(hào)構(gòu)成較為復(fù)雜，無(wú)論是站內(nèi)的信號(hào)還是外界環(huán)境的信號(hào)，都在運(yùn)行空間內(nèi)有一定程度的融合，這就使得對(duì)局部放電進(jìn)行定位時(shí)難度較大。在上述干擾噪聲的作用下，放電位置的計(jì)算結(jié)果往往存在一定的誤差，這不僅在一定程度上對(duì)具體的檢修效率產(chǎn)生了負(fù)面影響，同時(shí)也增大了故障進(jìn)一步擴(kuò)大的可能性[2-4]。通過(guò)分析當(dāng)前局部放電定位方法可以發(fā)現(xiàn)，脈沖電流法和特高頻電磁波法應(yīng)用較為廣泛[5]，在技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，超聲波檢測(cè)法以及光學(xué)檢測(cè)法等也開(kāi)始受到越來(lái)越多的關(guān)注[6]。但是隨著配電環(huán)境的復(fù)雜程度逐漸提高，受局部放電信號(hào)中噪聲的干擾，上述方法對(duì)放電位置的定位存在較大的誤差。如何對(duì)變電站局部放電位置進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，依舊是現(xiàn)階段電力系統(tǒng)管理工作的重點(diǎn)。

為解決這一問(wèn)題，本文以220 kV變電站為研究對(duì)象，提出了基于融合聚類算法的局部放電定位方法，并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的定位方法具有較高的準(zhǔn)確性。

1 變電站局部放電定位方法設(shè)計(jì)

1.1 放電信號(hào)奇異值分解

影響變電站局部放電定位精準(zhǔn)度的主要因素是放電信號(hào)中存在噪聲[7]。為此，本文首先采用奇異值分解（Singular Value Decomposition，SVD）的方式對(duì)放電信號(hào)進(jìn)行非線性濾波降噪處理，通過(guò)這樣的方式，使得信號(hào)中能量較大的時(shí)頻特征能夠得到最大限度地保留，同時(shí)能量較小的時(shí)頻特征也能夠得到有效剔除，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)高斯白噪聲的抑制[8]。

首先，假設(shè)局部放電信號(hào)的矩陣為Y，并且其構(gòu)成為m×n，在此非零矩陣的定義下，其秩數(shù)為z，此時(shí)存在

式中：V和U分別表示局部放電信號(hào)的正交矩陣參量；D表示V和U正交矩陣的奇異值。需要注意的是，局部放電信號(hào)中各成分所占比例主要是借助奇異值參數(shù)的大小得以體現(xiàn)的，即信號(hào)某成分的含量越高，對(duì)應(yīng)的奇異值也相對(duì)較大。在實(shí)際的局部放電信號(hào)中，噪聲成分為非主要成分，因此其對(duì)應(yīng)的奇異值也相對(duì)較小。根據(jù)這一特點(diǎn)，本文Y矩陣進(jìn)行SVD運(yùn)算的目標(biāo)是保留較大的奇異值，并剔除較小的奇異值。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的有效抑制，在奇異值保留設(shè)置階段，本文以奇異值差分譜為基礎(chǔ)進(jìn)行確定。假設(shè)將上述計(jì)算后得到的奇異值序列為

在此基礎(chǔ)上，局部放電信號(hào)的奇異值差分譜可以表示為

按照式（3）所示奇異值差分譜中任意2個(gè)相鄰奇異值參量的變化程度確定保留或是剔除。

當(dāng)相鄰奇異值的差值較大時(shí)，表明此時(shí)信號(hào)中對(duì)應(yīng)的成分相關(guān)性較弱。計(jì)算得到奇異值差分譜中所有相鄰奇異值的差值較大的點(diǎn)，并將各個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的奇異值作為劃分局部放電定信號(hào)和噪聲信號(hào)的基準(zhǔn)，得到降噪后的信號(hào)。

1.2 基于融合聚類的放電信號(hào)定位

在得到去噪后的放電信號(hào)后，本文采用融合聚類的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)對(duì)應(yīng)位置信息的計(jì)算。

首先，以時(shí)域波形幅值為基準(zhǔn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行劃分，其劃分方式可以表示為

式中：y為以時(shí)域波形幅值為基準(zhǔn)的放電信號(hào)劃分結(jié)果；k為信號(hào)的離散序列參數(shù)；f(x)為信號(hào)的時(shí)域波形幅值；x為放電信號(hào)的波形信息；c為信號(hào)的幅值參數(shù)；b為放電信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)域?qū)挾龋籥為信號(hào)的雙指數(shù)振蕩衰減系數(shù)。通過(guò)這樣的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的初步劃分。

再以各個(gè)劃分結(jié)果對(duì)應(yīng)的信號(hào)特征為基礎(chǔ)與變電站的額定輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，其計(jì)算方式可以表示為

式中：H(y)為y劃分結(jié)果與局部放電信號(hào)的矩陣Y的一致性函數(shù)，sim為擬合函數(shù)。按照式（5）所示的方式，對(duì)各個(gè)信號(hào)劃分結(jié)果進(jìn)行聚類，其中對(duì)應(yīng)的聚類標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 放電信號(hào)聚類標(biāo)準(zhǔn)

按照表1所示的方式對(duì)信息進(jìn)行聚類，最后根據(jù)各行聚類的數(shù)量確定放電位置，即信號(hào)數(shù)據(jù)最多的聚類對(duì)應(yīng)的位置即為最終計(jì)算得出的放電位置。

通過(guò)這樣的方式，完成對(duì)變電站局部放電位置的定位。

2 應(yīng)用測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證本文提出放電定位方法的有效性，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試，其中，對(duì)照組分別為文獻(xiàn)[4]提出的建立在線性預(yù)測(cè)殘差分析與壓擴(kuò)算法基礎(chǔ)上的局部放電定位方法、文獻(xiàn)[5]提出的以射頻檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的局部放電定位方法以及文獻(xiàn)[6]提出的融合了三維光學(xué)指紋和非線性粒子群-核極限學(xué)習(xí)機(jī)（Nonlinear Particle Swarm Optimization-Kernel Extreme Learning Machine，NPSO-KELM）的局部放電定位方法。通過(guò)對(duì)比3種方法的定位結(jié)果與實(shí)際放電位置之間的關(guān)系，對(duì)本文方法的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行分析。

2.1 測(cè)試環(huán)境設(shè)置

本文在某220 kV的變電站為基準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)于放電信號(hào)的設(shè)置，借助模擬局部放電器實(shí)現(xiàn)。為了降低偶然性對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，共設(shè)置了4個(gè)放電位置，分別進(jìn)行4組測(cè)試，對(duì)應(yīng)4路局部放電信號(hào)時(shí)域波形幅值分別為 0.01 V、0.02 V、0.03 V、0.04 V。在此基礎(chǔ)上，分別采用4種方法進(jìn)行定位計(jì)算。

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

在上述基礎(chǔ)上，分別統(tǒng)計(jì)了不同方法的定位結(jié)果與實(shí)際位置之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同方法放電定位結(jié)果對(duì)比

在圖1中，十字標(biāo)識(shí)表示設(shè)置的放電位置信息，圓形標(biāo)識(shí)表示本文方法的定位結(jié)果，正方形標(biāo)識(shí)表示線性預(yù)測(cè)殘差分析方法的定位結(jié)果，五角星標(biāo)識(shí)表示射頻檢測(cè)技術(shù)的定位結(jié)果，三角形標(biāo)識(shí)表示NPSOKELM方法的定位結(jié)果。從圖1中可以看出，對(duì)比4種測(cè)試方法，本文方法的定位結(jié)果與設(shè)置位置的重疊率最高，距離最近，對(duì)照組的3種方法測(cè)試結(jié)果均呈現(xiàn)出了一定的偏差。

在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)具體定位誤差進(jìn)行分析，得到的均值數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法定位誤差對(duì)比

通過(guò)觀察圖2中的數(shù)據(jù)可以看出，4種定位方法的定位誤差均隨著放電信號(hào)時(shí)域波形幅值的增加而逐漸降低。但是對(duì)具體的誤差數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，其存在明顯的差異，其中，NPSO-KELM方法的誤差最大值達(dá)到了2.15 m，最小值也達(dá)到了1.47 m，整體誤差水平相對(duì)較高，射頻檢測(cè)方法的定位結(jié)果表現(xiàn)出的波動(dòng)性更強(qiáng)，表明其受放電信號(hào)的影響更加明顯，其中最大誤差達(dá)到了2.26 m，為所有測(cè)試結(jié)果中的最大值，最小誤差為1.16，僅次于本文方法，線性預(yù)測(cè)殘差分析方法的定位結(jié)果整體表現(xiàn)出了更高的穩(wěn)定性，誤差基本穩(wěn)定在1.20～2.09 m，但是其仍存在一定的提升空間。相比之下，本文方法的測(cè)試結(jié)果明顯優(yōu)于對(duì)照組，誤差區(qū)間為0.30～0.50 m，不僅具有較高的穩(wěn)定性，并且誤差也處于較低水平。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于融合聚類的變電站局部放電定位方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)放電位置的準(zhǔn)確定位，能夠在實(shí)際的故障檢修中發(fā)揮有效作用。

3 結(jié) 論

局部放電作為電力系統(tǒng)故障的重要顯性信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的分析是確保相關(guān)檢修措施能夠及時(shí)開(kāi)展的基礎(chǔ)，從宏觀角度分析，其直接關(guān)系到電力系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性以及對(duì)應(yīng)區(qū)域用電的可靠性。本文提出基于融合聚類的220 kV變電站局部放電定位方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同放電強(qiáng)度的準(zhǔn)確定位，提高了局部放電位置的定位準(zhǔn)確度，能夠?yàn)閷?shí)際的變電站局部放電定位提供有價(jià)值的參考，促進(jìn)變電站檢修工作及時(shí)有效的開(kāi)展，最大限度降低電力系統(tǒng)的安全隱患。