基于Hilbert-Huang變換的配電自動(dòng)化主站FA故障識(shí)別

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；故障識(shí)別；配電自動(dòng)化主站；信號(hào)處理；Hilbert-Huang 變換

引言

隨著電力系統(tǒng)的日益復(fù)雜和智能化，配電自動(dòng)化作為保障電網(wǎng)安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一，其重要性日益凸顯。然而，電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)遇到各種故障，這些故障若不能得到及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別和處理，將可能對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。Hilbert-Huang變換作為一種新興的信號(hào)處理方法，能夠有效地處理非平穩(wěn)、非線性的信號(hào)。HHT由經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和Hilbert譜分析兩部分組成，其中EMD能夠?qū)?fù)雜的信號(hào)分解為一系列本征模態(tài)函數(shù)，而HSA則能夠進(jìn)一步提取IMF的瞬時(shí)頻率和能量分布信息。因此，HHT在電力系統(tǒng)故障識(shí)別領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。秦雪[1]等人在探討不同故障波形的識(shí)別上，從時(shí)域、頻域和電弧三個(gè)維度構(gòu)建了相應(yīng)的模型，并提出了能夠反映不同故障波形特性的特征參數(shù)。通過(guò)檢測(cè)并分類(lèi)這些特征量，實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)線路故障類(lèi)型的自動(dòng)辨識(shí)，無(wú)需人工干預(yù)。王東芳[2]等人采用了一種實(shí)時(shí)波形比對(duì)的方法。它首先實(shí)時(shí)采集暫態(tài)波形信號(hào)，然后與波形庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行比對(duì)，尋找最為相似的波形。根據(jù)這些波形的特征參數(shù)和相關(guān)的故障信息，快速確定故障的類(lèi)型、位置以及可能的原因。而本文方法通過(guò)對(duì)電網(wǎng)中的各種電氣量進(jìn)行Hilbert-Huang變換，可以提取出這些電氣量的本質(zhì)特征，進(jìn)而識(shí)別出電網(wǎng)中的故障類(lèi)型和故障位置。

一、基于Hilbert-Huang變換的配電自動(dòng)化主站FA故障識(shí)別的設(shè)計(jì)

（一）配電自動(dòng)化系統(tǒng)主站結(jié)構(gòu)的分析

配電主站作為電力系統(tǒng)的核心組件，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)界面交互以及多種應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)，確保了電力系統(tǒng)的高效運(yùn)行和智能化管理。其中，配電主站具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崟r(shí)采集、處理并存儲(chǔ)來(lái)自配電網(wǎng)的各種數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括但不限于電流、電壓、功率因數(shù)等實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，以及設(shè)備狀態(tài)、故障信息等。通過(guò)高效的數(shù)據(jù)處理機(jī)制，配電主站能夠迅速分析這些數(shù)據(jù)，為電力系統(tǒng)的運(yùn)行提供有力支持。配電主站提供直觀、友好的人機(jī)界面，方便操作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。通過(guò)人機(jī)界面，操作人員可以及時(shí)了解配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，包括設(shè)備參數(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及故障信息等。此外，人機(jī)界面還支持各種控制操作，如遠(yuǎn)程切換、調(diào)節(jié)等，大大提高了操作人員的工作效率和便利性。配電主站功能多樣，確保電力系統(tǒng)高效智能運(yùn)行。它能實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障；支持遠(yuǎn)程控制電力設(shè)備，如開(kāi)關(guān)操作；具有強(qiáng)大的故障診斷與定位能力，快速應(yīng)對(duì)突發(fā)情況；同時(shí)，深入數(shù)據(jù)分析為運(yùn)維提供決策支持，優(yōu)化運(yùn)行策略。此外，完善的用戶(hù)權(quán)限管理保障了系統(tǒng)安全穩(wěn)定。這些功能共同助力電力系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。下圖1為常見(jiàn)的配電自動(dòng)化主站的架構(gòu)。

（二）基于Hilbert-Huang變換提取FA故障信號(hào)

Hilbert-Huang變換是一種強(qiáng)大的信號(hào)處理技術(shù)，由希爾伯特譜分析和黃氏變換組成，通常用于處理非線性、非平穩(wěn)信號(hào)。在故障識(shí)別領(lǐng)域，HHT可以提取信號(hào)中的特征信息[3]，從而幫助識(shí)別和分類(lèi)不同的故障模式。Hilbert譜分析則是對(duì)每個(gè)IMF分量進(jìn)行Hilbert變換，從而得到其瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅度。這些信息能夠揭示信號(hào)在時(shí)間-頻率平面上的能量分布情況，為故障識(shí)別提供了豐富的特征信息。因此，本文選擇該處理技術(shù)來(lái)提取FA故障信號(hào)。

在電力網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行中，故障發(fā)生的可能性帶有顯著的不確定性和變動(dòng)性，因此產(chǎn)生的故障類(lèi)型也展現(xiàn)出多樣性，這些故障涵蓋了三相、兩相以及單相短路等多種類(lèi)型。因此，本文以三相故障為例，選取10kV線路作為故障識(shí)別模型進(jìn)行深入探討。

Huang變換是一種信號(hào)處理技術(shù)，其核心理念在于將原始信號(hào)拆解成一系列獨(dú)特的成分[4]，這些成分被稱(chēng)為固有模態(tài)函數(shù)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生a，b，c三相同時(shí)相間短路或接地故障時(shí)，使用Huang變換三相電流與對(duì)地電壓，在故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生以下情況：

由此可知，事故的主要電源側(cè)在事故發(fā)生時(shí)，供電系統(tǒng)仍繼續(xù)供應(yīng)，且三相電流區(qū)均存在故障流過(guò)。但在事故的結(jié)尾部分，即純負(fù)載區(qū)，由于沒(méi)有電源供給，此部分也無(wú)故障電壓通過(guò)。另外，在三相短路現(xiàn)象時(shí)，電路的相電壓值大大減小，而該短路電壓中也沒(méi)有出現(xiàn)其他零序或負(fù)序成分[5]。此時(shí)，三相故障的識(shí)別信號(hào)條件為：

公式中： 代表三相故障短路時(shí)電流整定值。

Huang變換將非平穩(wěn)信號(hào)變換成了多階平穩(wěn)的IMF分量，再對(duì)每個(gè)IMF分量進(jìn)行Hilbert 變換，可得出三相故障的第一階解析信號(hào)，其表達(dá)公式如下：

公式中：hi代表IMF分量。

在電流信號(hào)的檢測(cè)中，由于故障信息在高頻段表現(xiàn)顯著，選擇利用第一階IMF的時(shí)頻特性來(lái)精確分析并識(shí)別電流行波波頭的到達(dá)時(shí)刻[6]。這一方法聚焦于高頻信息，旨在通過(guò)IMF的特性來(lái)捕捉電流波動(dòng)的重要時(shí)刻點(diǎn)。

（三）實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化主站的饋線自動(dòng)化故障識(shí)別

一旦饋線出現(xiàn)異常情況，如故障發(fā)生，相應(yīng)受到影響的饋線監(jiān)控終端會(huì)迅速識(shí)別出超過(guò)其預(yù)設(shè)閾值的電流強(qiáng)度。終端不僅記錄下故障電流的最高值及其出現(xiàn)的確切時(shí)間，而且會(huì)將這一過(guò)電流信號(hào)迅速傳送給配網(wǎng)的主站系統(tǒng)。

主站系統(tǒng)接收到這些信號(hào)后，會(huì)進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理，生成一個(gè)包含故障詳細(xì)信息向量。隨后，通過(guò)利用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)向量與故障信息向量的綜合運(yùn)算，系統(tǒng)會(huì)得到一個(gè)準(zhǔn)確的故障診斷向量?；谶@個(gè)向量，系統(tǒng)能夠精確地識(shí)別并隔離出發(fā)生故障的具體區(qū)段。其具體步驟如下：

1、根據(jù)上述章節(jié)提取到的故障信號(hào)，與配電主站結(jié)構(gòu)，構(gòu)造一個(gè)網(wǎng)基結(jié)構(gòu)向量Y。該網(wǎng)基結(jié)構(gòu)向量是一個(gè)N階方陣，其元素的賦值規(guī)則如下：當(dāng)節(jié)點(diǎn)i直接連接到子節(jié)點(diǎn)j時(shí)，向量中的元素Cij將被設(shè)為1。設(shè)定饋線的方向?yàn)橛晒?jié)i點(diǎn)指向節(jié)點(diǎn)j時(shí)，如果這種連接關(guān)系存在，則Y向量中相應(yīng)的Cij元素值為0。通過(guò)這樣的定義，網(wǎng)基結(jié)構(gòu)向量Y能夠清晰地反映網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系及其方向性。

2、在單電源供電時(shí)，由于故障電流的方向無(wú)需特別考慮，僅通過(guò)檢測(cè)是否有故障電流流過(guò)各節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建故障信息向量S。當(dāng)?shù)趇節(jié)點(diǎn)存在故障電流，則在向量S中，該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的對(duì)角線元素Sij被設(shè)置為1，以指示故障的存在。反之，若該節(jié)點(diǎn)無(wú)故障電流，則Sij為0。

3、根據(jù)上述分析，故障區(qū)間識(shí)別向量C的表達(dá)公式如下：

此時(shí)，若某一饋線區(qū)段遭遇單重故障，其中主要節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到故障電流，而所有附屬節(jié)點(diǎn)均未檢測(cè)到故障電流，這一特定情況直接指示該饋線區(qū)段為故障發(fā)生的具體區(qū)域。這一判斷基于故障電流在系統(tǒng)中的流動(dòng)特性，即故障電流通常只在故障發(fā)生的直接區(qū)段內(nèi)流動(dòng)，而不會(huì)影響到其他非故障區(qū)段。因此，可知這一饋線區(qū)段即為故障區(qū)段。

二、實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為證明本文提出的基于Hilbert-Huang變換的配電自動(dòng)化主站FA故障識(shí)別在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的可行性，現(xiàn)模擬一實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將本文方法與傳統(tǒng)方法分別帶入該環(huán)境中進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，以驗(yàn)證本文方法的有效性。首先，模擬的配電網(wǎng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下表1所示。

本次測(cè)試以單相接地故障為例，設(shè)定在不同短路條件下發(fā)生的故障位置的識(shí)別，將兩種方法分別帶入實(shí)驗(yàn)中，故障識(shí)別位置即為最終的測(cè)試結(jié)果。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，兩種故障識(shí)別方法的測(cè)試結(jié)果如下表2所示。

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果可以看出，本文方法在單相接地故障中能夠準(zhǔn)確識(shí)別出故障所在位置，而傳統(tǒng)方法的識(shí)別誤差較大，因此，可以證明本文方法的有效性。綜上所述，通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于Hilbert-Huang變換的配電自動(dòng)化主站FA故障識(shí)別的有效性和可靠性。本文方法能夠在故障發(fā)生后迅速準(zhǔn)確地識(shí)別出故障的類(lèi)型、位置，為配電網(wǎng)的故障處理和恢復(fù)提供了有力的技術(shù)支持。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，本文方法具有較高的識(shí)別準(zhǔn)確率和良好的性能，適用于各種復(fù)雜的配電網(wǎng)環(huán)境。

結(jié)束語(yǔ)

在深入探討了基于Hilbert-Huang變換的配電自動(dòng)化主站故障自動(dòng)定位技術(shù)后，不禁對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的潛力和應(yīng)用前景感到振奮。HHT作為一種非線性、非平穩(wěn)信號(hào)處理方法，為配電自動(dòng)化主站中的故障識(shí)別提供了新的思路和方法。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，對(duì)故障定位的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性要求也越來(lái)越高?；贖HT的FA故障識(shí)別技術(shù)，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如能夠處理非線性、非平穩(wěn)信號(hào)，以及具有高度的自適應(yīng)性和魯棒性，成為解決這一難題的重要手段。當(dāng)然，任何技術(shù)都并非完美無(wú)缺。在未來(lái)的研究中，還需要進(jìn)一步探索HHT在配電自動(dòng)化主站FA故障識(shí)別中的優(yōu)化方法，如提高算法的計(jì)算效率、減少誤判率等。同時(shí)，也應(yīng)該關(guān)注其他先進(jìn)信號(hào)處理方法和技術(shù)，以期將多種技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)更加全面、高效的故障識(shí)別系統(tǒng)。相信在不久的將來(lái)，基于HHT的FA故障識(shí)別技術(shù)將在配電自動(dòng)化主站中得到廣泛應(yīng)用，為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。同時(shí)也期待更多的科研工作者和工程師們投身于這一領(lǐng)域的研究與實(shí)踐之中，共同推動(dòng)電力行業(yè)向更高層次邁進(jìn)。