配電線路在線故障識(shí)別與診斷方法研究

鄧文強(qiáng)

(福建宏瑞建設(shè)工程有限公司，福建 福州 350000)

0 引 言

輸配電工程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包含輸電工程和配電工程，兩者都是連接電源(電廠、光伏基底等)與用戶之間的很重要的通道，具有線路長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、長(zhǎng)期曝露于野外等特點(diǎn)，導(dǎo)致輸配電線路在長(zhǎng)期的自然作用下產(chǎn)生故障，故障識(shí)別和診斷難度大[1]。以往的研究多集中于對(duì)輸電線路的監(jiān)測(cè)、識(shí)別和診斷，并發(fā)展了出了一定的裝備，監(jiān)測(cè)理論日趨成熟，但對(duì)于配電線路的研究較少，這與配電線路處于網(wǎng)絡(luò)末端，故障具有隱蔽特性，故障診斷工作量大等因素有關(guān)，因此目前主要依靠人工巡查和檢測(cè)，需要依賴于人工經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)化程度低，效率低下且浪費(fèi)大量的人力，對(duì)于故障的診斷時(shí)效存在明顯不足[2]。因此，有必要研究以智能化的監(jiān)測(cè)方法或手段診斷出故障位置，以預(yù)防配電線路由于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的短路、斷電、電氣火災(zāi)等事故，保證配電線路能夠安全運(yùn)行，保證供電品質(zhì)，達(dá)到高效和經(jīng)濟(jì)的目的。為了使故障得到及時(shí)維護(hù)，以保證配線線路功能的實(shí)現(xiàn)和使用者的安全，本文提供一個(gè)自動(dòng)化的配電線路在線故障診斷方法，并通過(guò)實(shí)例證明本方法可以提高供電用電的可靠性。

1 配電線路在線故障的特征分析及故障識(shí)別

配電線路的在線故障識(shí)別主要依賴于安裝于線路設(shè)備上的傳感器，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集，并以數(shù)字化的方式傳遞至監(jiān)測(cè)終端，判斷設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測(cè)得到的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)特征量出現(xiàn)異常時(shí)，進(jìn)行故障識(shí)別、歸類，以快速定位故障位置，提出適宜的診斷方法，同時(shí)達(dá)到在短時(shí)間內(nèi)診斷故障的目的。近年來(lái)，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，各種配電線路故障的識(shí)別技術(shù)、分類技術(shù)也得到了大量的研究，比如BP視神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換、HHT變換等，對(duì)故障的識(shí)別能力和可靠性也有大幅度的提升[3]。在現(xiàn)有的配電線路故障診斷中，針對(duì)離線故障、低阻故障等的研究較為成熟，這些故障對(duì)于診斷、定位、處理的時(shí)效性要求較低，而對(duì)于配電線路中由于高壓線路與地面高阻相互接觸導(dǎo)致的高阻故障、單相接地故障等問(wèn)題則研究較少，在研究中需要對(duì)這些故障的特征進(jìn)行總結(jié)，以便有效地識(shí)別[4]。

配電線路的故障分析受到多種因素的影響，目前尚未有一個(gè)適用于全面故障診斷的理論方法，但是對(duì)于一般的配電線路故障可以根據(jù)以往的配電線路監(jiān)測(cè)檢測(cè)中進(jìn)行總結(jié)，并作為機(jī)器學(xué)習(xí)的樣本。經(jīng)過(guò)大量的工程總結(jié)，對(duì)配電線路系統(tǒng)出現(xiàn)的故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)異?，F(xiàn)象主要可以分為以下5類，如圖1所示。

從圖1(a)、圖1(b)可以看出，A相發(fā)生單線接地故障時(shí)，其電壓出現(xiàn)明顯的下降，B相和C相的電壓則相反，其電壓幅值上升，但B相和C相的電流保持不變，而A相的電流激增。

從圖1(c)、圖1(d)可以看出，A相和B相發(fā)生短路接地故障時(shí)，A相、B相和C相的電壓出現(xiàn)畸變和激增，在電流上，A相、B相的電流明顯增加而C相電流保持不變。

從圖1(e)、圖1(f)可以看出，A相和B相發(fā)生短路故障時(shí)，兩者的電壓相位發(fā)生變化，電壓曲線線型發(fā)生畸變，在電流曲線上表現(xiàn)出激增，而C相的電流保持不變。

從圖1(g)、圖1(h)可以看出，A相、B相和C相均發(fā)生短路故障時(shí)，電壓幅值明顯下降，而電路則激增十幾倍，出現(xiàn)此現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即斷電否則會(huì)對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生不可逆的嚴(yán)重?fù)p害。

從圖1(i)、圖1(j)可以看出，A相、B相和C相均發(fā)生短路故障時(shí)，三者的電流均電路則激增十幾倍，而電壓仍維持在原先的水平。

圖1 配電線路系統(tǒng)故障的電流、電壓特征

2 基于HHT方法的配電線路在線故障診斷及實(shí)現(xiàn)

HHT方法是數(shù)字信號(hào)處理的重要內(nèi)容，屬于在時(shí)頻分析領(lǐng)域具有自適應(yīng)能力和快速識(shí)別診斷的全新方法，使得瞬間頻率的信號(hào)都賦予物理意義，針對(duì)非平穩(wěn)的信號(hào)具有很好的處理能力，使得信號(hào)的頻率具有時(shí)變性。對(duì)于配電線路在線傳感器采集的實(shí)測(cè)信號(hào)，在利用HHT方法分析時(shí)，需要進(jìn)行兩個(gè)方面的信號(hào)轉(zhuǎn)變，即EMD方法和Hilbert變換。一般而言，自然信號(hào)可以與具體的物理現(xiàn)象對(duì)應(yīng)，并采用Hilbert變換處理求解信號(hào)的瞬時(shí)頻率；而對(duì)于一些復(fù)雜信號(hào)，沒(méi)有相應(yīng)的合理的物理解釋與其對(duì)應(yīng)，因此需要通過(guò)EMD方法分解信號(hào)后再進(jìn)行Hilbert變換。

在采用EMD方法進(jìn)行處理時(shí)，對(duì)于任意的配電線路在線設(shè)備采集的信號(hào)x(t)，確定信號(hào)極值并連線，繪制上下包絡(luò)線，當(dāng)滿足IMF條件時(shí)，即將其分離出來(lái)，分離信號(hào)如公式(1)所示：

r1=x(t)c1

(1)

依次循環(huán)判斷，得到所有滿足條件的信號(hào)分量如公式(2)所示：

(2)

分解結(jié)果的信號(hào)集合如下：

(3)

EMD的處理流程如圖2所示。

圖2 基于HHT方法的配電線路在線故障信號(hào)EMD處理流程

對(duì)EMD的處理后的信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換，如方程(4)所示：

(4)

形成信號(hào)的解析解：

(5)

信號(hào)的瞬時(shí)頻率可表達(dá)為：

(6)

由此，將公式(3)中信號(hào)x(t)表達(dá)為：

其中，公式(7)中的實(shí)部即為Hilbert變換的幅值譜，如公式(8)所示

在Hilbert幅值譜內(nèi)，表達(dá)了信號(hào)的全部頻率在所有時(shí)間段內(nèi)的變化特征，因此對(duì)于配電線路的采集信號(hào)，以將信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換后，對(duì)于異常的故障信號(hào)能夠更快和更加準(zhǔn)確地識(shí)別。圖3即為典型的配電線路間歇性故障信號(hào)基于HHT變換后的瞬時(shí)頻率圖。

圖3 配電線路間歇性故障信號(hào)基于HHT變換后的瞬時(shí)頻率圖

3 基于PCA法的配電線路在線故障診斷及實(shí)現(xiàn)

PCA法是一種基于統(tǒng)計(jì)分析理論的數(shù)學(xué)處理方法，它通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的電壓和電流初始信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算求得到信號(hào)的特征矩陣，確定有效信號(hào)的成分并抽取，提高信號(hào)的信噪比，降低樣本空間的維度，以克服電壓或電流初始信號(hào)中的噪聲，并處理由于輸入信號(hào)中受到故障高頻信號(hào)的相關(guān)性引起的疊加和混合，使反映故障的有效信號(hào)得到突出[8]。

PCA法的基本計(jì)算原理是，對(duì)于任意一個(gè)輸入信號(hào)矩陣：

(9)

對(duì)信號(hào)中的每個(gè)分量進(jìn)行歸一化處理，歸一化方程如公式(10)所示：

(10)

得到輸入信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，如公式(11)所示：

(11)

由此建立輸入信號(hào)歸一化矩陣與轉(zhuǎn)置輸入信號(hào)歸一化矩陣的相關(guān)矩陣，如公式(12)所示

(12)

解出W的特征向量和特征值，W特征值就是描述有效信號(hào)的反差，計(jì)算特征值的貢獻(xiàn)率，并劃定一定的貢獻(xiàn)率閾值(比如貢獻(xiàn)率為90%)，以確定有效信號(hào)的個(gè)數(shù)q，按照q個(gè)有效信號(hào)的特征向量U，得到反映故障的有效信號(hào)矩陣，如方程(13)所示

ZN×q=X′N×qUm×q

(13)

基于PCA法建立配電線路故障診斷模型，對(duì)不同故障信號(hào)的特征向量進(jìn)行求解，得到分析結(jié)果見表1。

表1 基于PCA法的配電線路故障特征向量

4 HHT法與PCA法的對(duì)比分析

以某安置房小區(qū)一期10 kV配電網(wǎng)為研究對(duì)象，小區(qū)位于城區(qū)東北角區(qū)域核心商圈范圍，附近已有配套公用設(shè)施，交通便利。項(xiàng)目包含4棟住宅樓，均為混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓棟地上建設(shè)15層，地下建設(shè)1層地下車庫(kù)，小區(qū)現(xiàn)有住戶130戶，每戶建筑面積約98 m2，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，每個(gè)樓棟內(nèi)的電力設(shè)計(jì)負(fù)荷為15 kW，使用三相線路進(jìn)行供電，電壓源為理想電源，小區(qū)共配備了5臺(tái)總配電箱，變壓器為BY連接。

分別基于HHT法和PCA法對(duì)工程實(shí)例的配電線在線故障建立仿真模型進(jìn)行分析，得到仿真計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同算法的配電線路在線故障仿真計(jì)算結(jié)果

從表2可以看出，基于HHT法在單相接地、兩相短路預(yù)測(cè)上存在較大的誤差，平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為70.5%，而PCA法則在單相接地、三相短路接地的預(yù)測(cè)上準(zhǔn)確率相對(duì)較小，平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為89.5%；基于HHT法的故障平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率明顯低于PCA法的故障平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，HHT法的故障預(yù)測(cè)時(shí)間耗費(fèi)0.534 s，而PCA法的故障預(yù)測(cè)時(shí)間僅耗費(fèi)0.302 s，后者比前者的計(jì)算效率提高約1倍，因此在配電線路在線故障診斷中，可以優(yōu)先選用PCA法。

5 結(jié) 論

本文以某安置房小區(qū)一期10 kV配電網(wǎng)為研究對(duì)象，在研究配電線路故障事故的監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，以此為機(jī)器學(xué)習(xí)樣本，基于HHT法和PCA法對(duì)配電線路故障進(jìn)行診斷，得出以下幾個(gè)結(jié)論：

(1) 對(duì)配電線路出現(xiàn)的故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)到的異?，F(xiàn)象主要可以分為5類，即單相接地、兩相短路接地、三相短路、兩相短路、三相短路接地。

(2) 基于HHT法建立配電線路故障診斷模型，計(jì)算表明，在110個(gè)樣本中，12個(gè)樣本點(diǎn)的誤差偏離為0，但誤差范圍在-1%～2%，得到的輸出結(jié)果與預(yù)期符合程度較好。

(3) 基于HHT法在單相接地、兩相短路預(yù)測(cè)上存在較大的誤差，而PCA法則在單相接地、三相短路接地的預(yù)測(cè)上準(zhǔn)確率相對(duì)較?。换贖HT法的故障平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率明顯低于PCA法的故障平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，后者比前者的計(jì)算效率提高約1倍，因此在配電線路在線故障診斷中，可以優(yōu)先選用PCA法。