竇國(guó)賢，高 楊

(安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司，安徽 六安 230088)

0 引言

隨著電力、電網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)信息系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛，其穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到電網(wǎng)的良性運(yùn)行以及用電用戶的切身利益[1-3]。在電力系統(tǒng)中，引起故障的因素包羅萬(wàn)象，故障分析已經(jīng)成為電網(wǎng)調(diào)度中心的必備工作[4-6]。在對(duì)電網(wǎng)信息故障情況進(jìn)行評(píng)估時(shí)，對(duì)故障元件及故障線路進(jìn)行及時(shí)、有效地判別和切除是調(diào)控運(yùn)行電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。完整、及時(shí)、有效地獲取電力電網(wǎng)線上的故障信息是及時(shí)診斷電網(wǎng)故障、保障電網(wǎng)順利進(jìn)行的主要方式[7-9]。 在傳統(tǒng)方法中，比如在有些電力線對(duì)人身安全造成潛在威脅的地方，如果采用常規(guī)的方式進(jìn)行直接檢測(cè)，就難以保障用戶的安全，常規(guī)技術(shù)對(duì)電力信號(hào)的分析也存在一定的局限性。

因此，在進(jìn)行故障信息分析與研究時(shí)，需要采用新型的檢測(cè)方法來(lái)克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。本文通過(guò)數(shù)據(jù)算法得出信號(hào)的無(wú)噪聲時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)[10-12]。利用時(shí)、頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和分析，得出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和潛在故障信息，并且將能夠?qū)⒌贸龅臄?shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)信息數(shù)據(jù)的深層分析與遠(yuǎn)程監(jiān)控，下面將詳細(xì)描述。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

在本研究設(shè)計(jì)中，主要包括數(shù)據(jù)采集單元、工業(yè)計(jì)算機(jī)、計(jì)算單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、遠(yuǎn)程無(wú)線通訊、中央控制室等，如圖1所示。本研究通過(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)接收傳感器組件的感測(cè)信息，在檢測(cè)故障信息時(shí)，故障來(lái)源于包含電網(wǎng)信息系統(tǒng)中的絕緣子、導(dǎo)線、桿塔等，傳感器組件包括但不限于溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、雨量傳感器、日照傳感器、壓力傳感器、風(fēng)偏角傳感器、泄露電流傳感器、振動(dòng)傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等。通過(guò)這些傳感器能夠檢測(cè)不同的數(shù)據(jù)信息，全面反映電網(wǎng)信息系統(tǒng)故障情況[14]。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，工業(yè)計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集單元在設(shè)計(jì)時(shí)采用高速數(shù)據(jù)采集卡，其連接有網(wǎng)卡以及 GBH 接口卡。采集單元還包含有電壓隔離轉(zhuǎn)換單元、電流隔離轉(zhuǎn)換單元以及信號(hào)調(diào)理電路。通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理過(guò)高的電壓、電流，使得數(shù)據(jù)采集單元在采集數(shù)據(jù)時(shí)，能夠采集比較寬的數(shù)據(jù)范圍。采集卡具有多個(gè)模擬量輸入通道，能夠快速采集數(shù)據(jù)，分辨率高。然后通過(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)電壓互感器、電流互感器對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行隔離變換后，再通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路和A/D 轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換后送入工業(yè)計(jì)算機(jī)，工業(yè)計(jì)算機(jī)能夠通過(guò)工業(yè)控制對(duì)檢測(cè)的到數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理。通常，工業(yè)計(jì)算機(jī)利用RS232或者RS485標(biāo)準(zhǔn)串行口來(lái)獲取外部數(shù)據(jù)，通過(guò)其內(nèi)部的高速處理器來(lái)計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)顯示屏顯示數(shù)據(jù)，或者再通過(guò)RS232或者RS485標(biāo)準(zhǔn)串行口進(jìn)行輸出，在通過(guò)故障診斷單元對(duì)所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷。本文采用小波分析算法對(duì)所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，借助于虛擬儀器LabVIEW軟件平臺(tái)對(duì)檢測(cè)到的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯示。檢測(cè)到的數(shù)據(jù)還可以通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸單元將采集到的數(shù)據(jù)傳遞到中央控制室內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸單元可以通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或者GPRS/CDMA無(wú)線通訊的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在中央控制室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

2 故障檢測(cè)方法

電網(wǎng)信息系統(tǒng)故障是指設(shè)備不能按照預(yù)期的指標(biāo)進(jìn)行工作的一種狀態(tài)，諸如發(fā)電機(jī)組故障、輸電線路故障、變電所故障、母線故障等[15]。電網(wǎng)信息系統(tǒng)包含有多個(gè)電力組件，各個(gè)電力組件比如發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、輸配電線路及用電設(shè)備通常會(huì)受異常因素的影響，直接或者間接地影響電力電網(wǎng)線路的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，一旦發(fā)生電力系統(tǒng)故障，容易造成大面積電力彈簧或者停電事故，輸電線路中存在的故障包含有雷擊跳閘故障、外力破壞故障、鳥害故障、線路覆冰、導(dǎo)線的斷股、損傷和閃絡(luò)燒傷故障等多種形式，如果通過(guò)信號(hào)分析發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)信息系統(tǒng)故障或異常，并能夠快速做出故障信息診斷，并將診斷信息傳遞到調(diào)度中心，是本文要解決的問(wèn)題。

2.1 小波分析方法

為了獲得輸出信號(hào)時(shí)間和頻率之間的相互關(guān)系。常用傅立葉變換來(lái)分析信息，其能夠提供有關(guān)頻率域的信息，但在使用過(guò)程中，往往會(huì)丟失關(guān)于時(shí)間的局部化信息。本文引用與傅立葉變換不同的小波變換方式，其是通過(guò)縮放母小波(Mother wavelet)的寬度來(lái)輸出各種信號(hào)的頻率特征， 通過(guò)平移母小波輸出不同信號(hào)的時(shí)間信息。通過(guò)對(duì)母小波的縮放和平移操作，能夠計(jì)算小波系數(shù)，這些不同的小波系數(shù)能夠反映小波和局部信號(hào)之間的相關(guān)程度。其采用的理論依據(jù)如圖2所示。

圖2 故障信息小波變換信號(hào)理論依據(jù)

小波分析方法是將信號(hào)窗口面積固定，同時(shí)改變形狀、時(shí)間窗和頻率窗以進(jìn)行局域化分析，在小波變換時(shí)，在低頻區(qū)段可以具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻區(qū)段具有較高的時(shí)間分辨率和較低的分辨率。通過(guò)利用小波分析，能夠發(fā)現(xiàn)隱藏于電網(wǎng)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)之中的故障信號(hào)，分析無(wú)法用肉眼識(shí)別的深層信息，小波變換可以對(duì)電網(wǎng)信息系統(tǒng)實(shí)施局部分析，在任意的時(shí)間域或空間域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，這對(duì)于考量電網(wǎng)信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常重要。小波變換公式為：

(1)

轉(zhuǎn)換為：

(2)

在上述公式中，定義頻率為ω，小波變換的兩個(gè)變量定義為尺度(用a表示)和平移量(用τ示)。在上述公式中，尺度a用于控制小波函數(shù)的伸縮，平移量τ用于控制故障信號(hào)小波函數(shù)的平移。在上述公式中，伸縮因子作用不同，其生成的頻率成分也不同，其變換圖可表示為如圖3～5所示，其中橫坐標(biāo)表示時(shí)間t，縱坐標(biāo)表示頻率f(Hz):

圖3 故障信息正弦信號(hào)

圖4 故障信息小波變換信號(hào)

圖5 故障信息正弦信號(hào)

其中，在進(jìn)行故障信息分析時(shí)，需要提取小波分解系數(shù)特征的頻率信號(hào)，在求出小波分解后，對(duì)子頻帶中的各個(gè)層重構(gòu)系數(shù)進(jìn)行均方根(RMS)求值，均方根公式見式(3)所示。

(3)

通過(guò)式(3)，能夠更精確地反映信號(hào)的能量大小，比如x1，x2，…，xN為信號(hào)xs(t)的采樣數(shù)據(jù)，則可利用上述式(3)計(jì)算出均方根值。

利用小波多分辨分析能夠基于函數(shù)概念構(gòu)造數(shù)學(xué)正交基，使故障信號(hào)的空間尺度與小波信號(hào)的空間尺度能夠相互正交，當(dāng)故障信號(hào)的尺度從大變化到小時(shí)，可從更精細(xì)的尺度上觀察故障信息。其原理示意圖如圖6所示。

圖6 小波多分辨分析的原理圖

通過(guò)上述分析，可以更詳細(xì)地分析故障數(shù)據(jù)。下面建立小波分解樹，進(jìn)一步說(shuō)明故障信息的分析原理，在采集到的故障信號(hào)中，將高頻分量劃分為細(xì)節(jié)分量，將頻率分量劃分為近似分量，如圖7所示。

圖7 小波多分辨分析的原理圖

通過(guò)對(duì)故障信號(hào)的瞬態(tài)信號(hào)或圖像的突變點(diǎn)進(jìn)行分析，能夠獲取其中包含的故障信息，使得用戶更全面地獲取電網(wǎng)信息的運(yùn)行的情況。在利用小波變換分析時(shí)，通過(guò)使用小波基能夠提取電力信號(hào)中的“指定時(shí)間”和“指定頻率”的變化。其中所說(shuō)的時(shí)間，是指提取信號(hào)中“指定時(shí)間”的變化。也可以解釋為：小波在一端時(shí)間區(qū)域內(nèi)發(fā)生的小的波動(dòng)。所說(shuō)的頻率包含有較低頻率成分和較高頻率成分，其中較低頻率成分是指提取信號(hào)中時(shí)間的比較慢速變化，而較高頻率成分是指提取信號(hào)中時(shí)間B的比較快速變化。

2.2 系統(tǒng)檢測(cè)流程

基于上述分析，下面更詳盡地介紹本系統(tǒng)的工作步驟。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用小波分析的方法實(shí)現(xiàn)所采集數(shù)據(jù)的故障檢測(cè)，通過(guò)小波變換函數(shù)提取電網(wǎng)信息系統(tǒng)中的參數(shù)，通過(guò)傳感器對(duì)電網(wǎng)信息系統(tǒng)運(yùn)行中的溫度、濕度、電流等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，數(shù)據(jù)采集單元自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息系統(tǒng)的波形信號(hào)、信號(hào)峰值、信號(hào)閾值、脈沖方式、設(shè)備電源狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行溫度、電壓、負(fù)荷、絕緣狀況、電流、設(shè)備的信息數(shù)據(jù)、設(shè)備信息故障內(nèi)容、原因、預(yù)警值、設(shè)備變化等信息采集和獲取。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)信號(hào)、采集數(shù)據(jù)信息、數(shù)據(jù)處理結(jié)果的分析、評(píng)估等。參考圖8所示。

圖8 檢測(cè)過(guò)程流程示意圖

在上述步驟中，檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)小波分析算法檢測(cè)故障點(diǎn)，對(duì)線路中的故障點(diǎn)進(jìn)行信息診斷，在診斷時(shí)，首選采集電網(wǎng)信息系統(tǒng)在T時(shí)刻時(shí)的信息，如圖9所示，在不同的信息通道采集不同的信息，然后建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)故障信息數(shù)據(jù)，在不同的數(shù)據(jù)通道基于小波變換提取數(shù)據(jù)信息進(jìn)行故障診斷。接著在T+t時(shí)刻，根據(jù)所選擇的不同通訊分支，提取線路上的潮流分布特征，同樣利用小波變換采集故障信息，通過(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)顯示故障數(shù)據(jù)，如果分析、顯示的數(shù)據(jù)未能滿足需求，則再次進(jìn)行小波分析，如果分析、顯示的數(shù)據(jù)滿足用戶需求，則將檢測(cè)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸單元上傳至中央控制室，用戶在中央控制室監(jiān)控或者管理故障點(diǎn)，根據(jù)故障信息采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

圖9 檢測(cè)過(guò)程流程示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在試驗(yàn)時(shí)，軟件系統(tǒng)采用ADO方式的C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用MSSQL2015，在前臺(tái)運(yùn)行的程序在Win98/Me 2015/XP上進(jìn)行。采用的系統(tǒng)軟件是由圖形化語(yǔ)言LABVIEW開發(fā)，在LABVIEW軟件上完成電網(wǎng)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、波形顯示、頻率測(cè)試、諧波檢測(cè)故障判斷以及報(bào)表生成等功能。在具體試驗(yàn)時(shí)，以同步發(fā)電機(jī)為例，檢測(cè)同步電機(jī)在工作過(guò)程中故障數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)正常運(yùn)行和非正常運(yùn)行時(shí)，將電網(wǎng)A相單相接地信號(hào)和三相接地信號(hào)分別在正常運(yùn)行和非正常運(yùn)行狀態(tài)下分析其電網(wǎng)信號(hào)，利用小波分析方法對(duì)同步發(fā)電機(jī)的A相電壓信號(hào)和B相電壓信號(hào)、電流信號(hào)、諧波信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)、有功功率信號(hào)等進(jìn)行分析，基于篇幅限制，現(xiàn)在僅僅對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行小波分解。圖10為含有噪音的波形示意圖，圖11未含有噪音的波形示意圖。

圖10 含有噪音的波形示意圖

根據(jù)圖10～11，選擇 Haar 小波進(jìn)行分析的波形如圖12～圖15所示，其中圖12為含有噪音的波形分析示意圖。

圖12 含有噪音的波形分析示意圖

然后對(duì)比圖13，圖13未含有噪音的波形示意圖，通過(guò)其波形可以看出噪音情況。

圖13 未含有噪音的波形示意圖

然后采用小波進(jìn)行分析的波形如圖14所示。

圖14 含有噪音的波形分析示意圖

未含噪音的波形如圖15所示。

圖15 未含有噪音的波形示意圖

當(dāng)尺度因子s=2時(shí)，表示噪聲沒有完全被處理掉，其波形輪廓能夠基本可現(xiàn)。當(dāng)s=6，8 時(shí)，雖然比較好地消除了噪聲，但是與原始信號(hào)的相位具有明顯的差別。

通過(guò)上述試驗(yàn)，分別采用兩種不同的方法進(jìn)行分析、試驗(yàn)。在采用傳統(tǒng)方法和本研究設(shè)計(jì)的方法分別進(jìn)行測(cè)試、對(duì)比，得出如表1所示的數(shù)據(jù)。其中A表示采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行測(cè)試的誤差百分比(%)，B表示采用本研究技術(shù)方案進(jìn)行測(cè)試的誤差百分比(%)。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

通過(guò)上述試驗(yàn)可以看出，采用本文設(shè)計(jì)的方案誤差較小，因此，本文設(shè)計(jì)的方法有利于用戶更加準(zhǔn)確地分析、判斷電網(wǎng)故障數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用小波變換的方法對(duì)電網(wǎng)信息系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)故障特征進(jìn)行提取，對(duì)電網(wǎng)中存在的不同信號(hào)根據(jù)均方根值計(jì)算，得出故障值，使得用戶很好地對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行把控和分析。當(dāng)電網(wǎng)信息系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障線路的暫態(tài)信號(hào)(其包括但不局限于電壓、電流、諧波功率等)表示明顯。因此，采用小波分析的方法使電網(wǎng)信息系統(tǒng)故障信號(hào)得到很好的分析，能夠使用戶準(zhǔn)確地判斷出電網(wǎng)故障類型，在電網(wǎng)故障診斷中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。