李中勝, 蔣晨達(dá)

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程系, 福建 永安 366000)

高頻高壓激勵電纜故障測距是提高電纜輸出穩(wěn)定性的關(guān)鍵。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷增大,高頻高壓激勵電纜的使用里程也不斷增加,但其受到使用環(huán)境等因素的影響,容易出現(xiàn)故障,因此構(gòu)建高頻高壓激勵電纜故障優(yōu)化檢測模型十分必要。

根據(jù)高頻高壓激勵電纜的主要故障類別分布[1]進(jìn)行故障檢測,相關(guān)的檢測和測距方法研究受到了的極大關(guān)注[2]。目前,高頻高壓激勵電纜故障的測距和檢測定位方面已經(jīng)取得了一定的研究成果。對高頻高壓激勵電纜的故障測距和檢測是建立在對故障數(shù)據(jù)挖掘和自適應(yīng)特征提取的基礎(chǔ)上,并結(jié)合了對電纜的逆變特征分析和譜特征提取[3]。文獻(xiàn)[4]提出了基于徑向基函數(shù)自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理的短期電力負(fù)荷預(yù)測方法,構(gòu)建了高頻高壓激勵電纜故障的傳感信息分布模型,采用關(guān)聯(lián)特征分析和輸電負(fù)荷檢測方法,實現(xiàn)了電纜故障測距和檢測,但該方法的自適應(yīng)性不好,特征辨識能力不夠。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于鏈路轉(zhuǎn)發(fā)控制的高頻高壓激勵電纜故障的快速檢測算法,采用鏈路均衡控制模型構(gòu)建了檢測模型,但該方法的計算復(fù)雜度較高。針對傳統(tǒng)方法存在的問題,本文提出了一種基于延時電路的高頻高壓激勵電纜故障測距方法。構(gòu)建延時電路結(jié)構(gòu),采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)特征分解模型自適應(yīng)機(jī)器學(xué)習(xí)和特征融合方法進(jìn)行故障測距和優(yōu)化檢測,對電流故障輸出的收斂性進(jìn)行判斷,最后通過測試分析得出有效性結(jié)論。

1 故障特征分析和延時電路參數(shù)分析

1.1 電纜故障特征分析

為了實現(xiàn)基于延時電路的高頻高壓激勵電纜故障測距,結(jié)合弱電網(wǎng)條件下的運行穩(wěn)定性監(jiān)測方法進(jìn)行電力特征分析和參數(shù)識別[6]。利用廣義奈奎斯特判決方法,得到高頻高壓激勵電纜故障測距的約束參數(shù)為

(1)

式中:Rdc——故障測距系數(shù);

ψ——漏磁電感;

Δ——故障測距系數(shù)變化量;

ω——比例閥增益;

I——負(fù)載黏性阻尼系數(shù)。

將高頻高壓激勵電纜的輸入飽和誤差視為不確定的,對整個電纜進(jìn)行抗飽和補(bǔ)償。漏磁電感和勵磁電感的計算精度會直接影響諧振性能,因此采用直接分析的方法進(jìn)行輸出增益調(diào)節(jié)[7],得到最大功率跟蹤的控制指令。故障測距增益為

(2)

式中:Z1,Z2,Z3——高頻高壓下控制電壓的均衡調(diào)度系數(shù)。

采用混合雙饋入直流輸電故障測距方法,對電纜的輸出電壓進(jìn)行誤差補(bǔ)償[8]。不同電網(wǎng)強(qiáng)度和不同控制參數(shù)下的故障測距增益為

(3)

式中:Req——模糊控制器的輸入向量;

Zs——負(fù)載剛度。

利用虛擬同步控制算法(利用虛擬現(xiàn)實自動維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定,實現(xiàn)高頻高壓激勵電纜故障的自主并聯(lián)的算法)進(jìn)行電纜故障測距[9],通過無功指令控制生成勵磁電壓,從而調(diào)節(jié)輸出的穩(wěn)定性,得到的諧波整流輸出為

(4)

式中:Zm,Zp——負(fù)載剛度。

當(dāng)轉(zhuǎn)子勵磁電壓的參考值在穩(wěn)定狀態(tài)時,通過模糊反饋調(diào)節(jié)方法進(jìn)行穩(wěn)定性調(diào)節(jié)和自適應(yīng)故障測距[10]。

1.2 延時電路結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

構(gòu)建高頻高壓激勵電纜故障測距的延時電路結(jié)構(gòu)[11],如圖1所示。

圖1 延時電路結(jié)構(gòu)示意

采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)特征分解模型進(jìn)行故障特征檢測,得到電纜的系統(tǒng)慣性響應(yīng)特性輸出穩(wěn)定參數(shù)。在阻抗矩陣中,采用直流故障測距的方法進(jìn)行電纜整流和濾波檢測,模糊度為μ,構(gòu)建故障測距優(yōu)化參數(shù)調(diào)節(jié)模型[12]。

在電纜軸向偏移的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)過程中,建立模糊參數(shù)集,得到模糊反饋調(diào)節(jié)的自適應(yīng)規(guī)律。同時,進(jìn)行延時電路的約束參數(shù)分析,以提高故障測距的準(zhǔn)確性[13]。

高頻高壓激勵電纜故障檢測流程如圖2所示。

圖2 故障檢測流程示意

2 故障測距優(yōu)化

2.1 輸出穩(wěn)定性檢測

采用電壓輸出穩(wěn)定性測試方法提取電纜故障的高分辨頻譜特征,根據(jù)電纜的輸出電壓和負(fù)載差異性進(jìn)行延時電路控制和負(fù)載均衡調(diào)度[14]。信道傳輸?shù)膶嵭盘柲Ｐ图鞍j(luò)表達(dá)式為

y(t)=u(t)-ωCs(t-τ)

(5)

式中:u(t)——特征分解系數(shù);

ωC——線路電阻;

s(t-τ)——整體阻尼可控電壓。

采用節(jié)點電壓法對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行時域分析,輸出欠阻尼振蕩分量。根據(jù)故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征序列預(yù)測期望值mk和標(biāo)準(zhǔn)差εk,判斷電流故障輸出的收斂性。根據(jù)負(fù)荷差異性特征進(jìn)行故障測距和優(yōu)化檢測,采用多層隱藏層逐步檢測的方法,即多層依次排查檢測,得到故障特征分布的時頻分量特征為

(6)

式中:nr(k),ni(k)——故障特征的干擾特征的實部和虛部。

若nr(k)和ni(k)均為獨立的色噪聲,將高維時空數(shù)據(jù)在低維空間中進(jìn)行故障特征提取和輸出穩(wěn)定性分析,可以得到輸出穩(wěn)定性特征提取的統(tǒng)計特征分量為{Rj:1≤j≤L}。采用誤差自適應(yīng)補(bǔ)償方法(即分段補(bǔ)償,非線性誤差重構(gòu)的一種補(bǔ)償方式)提高電纜的穩(wěn)態(tài)工作特性,進(jìn)行電纜輸出電壓的穩(wěn)態(tài)故障測距[15]。

2.2 故障測距輸出

將頻率和幅值合成作為雙饋反饋的電纜故障特征分布,采用負(fù)載均衡調(diào)節(jié)方法進(jìn)行誤差反饋調(diào)節(jié),得到電磁耦合故障測距模型。選取電纜故障測距的滑模面進(jìn)行反向誤差反饋調(diào)節(jié),得到等效故障測量距離。

存在某個常數(shù)Gk>0,Gk表示高頻高壓激勵電纜故障測距的滑模面確定值,使得電纜的輸出增益結(jié)果穩(wěn)定。當(dāng)t=Gk時,電纜的輸出穩(wěn)態(tài)振幅比值為0。在限定初始狀態(tài)下,通過Lyapunov穩(wěn)定性能量函數(shù),實現(xiàn)高頻高壓激勵電纜優(yōu)化故障測距,得到模特征量。

綜上分析,在高頻高壓激勵電纜的輸出電壓穩(wěn)態(tài)故障測距中,可以根據(jù)負(fù)荷差異性特征優(yōu)化檢測,實現(xiàn)故障測距的穩(wěn)定輸出。

3 仿真實驗與結(jié)果分析

為了測試本方法的應(yīng)用性能進(jìn)行了仿真實驗。設(shè)高頻高壓激勵電纜在故障狀態(tài)下輸出的磁力矩系數(shù)為0.045 N·m/A,電纜的故障工況輸出等效功率為40 kW,電網(wǎng)等效電感為0.9 mH,輸出阻抗Zout為20 Ω,轉(zhuǎn)動慣量為2.3×105kg·m2,自適應(yīng)故障測距的模糊迭代學(xué)習(xí)次數(shù)為1 200次,特征采樣頻率為120 kHz。在不同電壓控制下,可以得到電纜的故障軌跡跟蹤情況,結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同電壓控制下電纜的故障軌跡跟蹤情況

由圖3可以看出,在不同電壓情況下,電纜的故障軌跡跟蹤情況差異明顯。這說明本方法能有效實現(xiàn)電纜的故障測距和軌跡跟蹤,有助于提高故障檢測的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,測試故障檢測的精度,計算公式為

(7)

式中:m——故障檢測的項目數(shù)量;

a,a′——故障的實際檢測值和預(yù)測檢測值。

利用式(7)計算出不同故障檢測方法的檢測精度,結(jié)果如表1所示。

表1 故障檢測方法的精度對比

由表1可以看出,不同迭代次數(shù)下本文方法的故障檢測精度均高于其他兩種方法。

為進(jìn)一步驗證基于延時電路的高頻高壓激勵電纜故障測距方法的有效性,分別利用3種方法進(jìn)行對比測試,并分析故障分布,結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法測試電纜故障分布的結(jié)果對比

由圖4可以看出,文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]方法的測試結(jié)果分布不均勻,而利用本文方法的測試結(jié)果分布均勻,能夠有效實現(xiàn)對高頻高壓激勵電纜故障的遠(yuǎn)程控制,提高了測距性能,增強(qiáng)了電纜故障的測距能力。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于延時電路的高頻高壓激勵電纜故障測距方法。通過構(gòu)建優(yōu)化參數(shù)調(diào)節(jié)模型,進(jìn)行延時電路的約束參數(shù)分析,并根據(jù)電纜的輸出電壓和負(fù)載差異性進(jìn)行延時電路控制和負(fù)載均衡調(diào)度,采用自適應(yīng)機(jī)器學(xué)習(xí)和特征融合的方法進(jìn)行參數(shù)估計,從而實現(xiàn)電纜故障的測距和優(yōu)化檢測。由仿真實驗結(jié)果得知,采用本文方法進(jìn)行故障檢測的準(zhǔn)確性較高,提高了電纜故障的自適應(yīng)跟蹤檢測能力。我國高頻高壓激勵電纜故障測距方法還在不斷發(fā)展中,各種類型市場逐步開放,接下來的工作將以故障檢測的安全性和全能性為目標(biāo),以進(jìn)一步優(yōu)化高頻高壓激勵電纜的工作性能。