周 達(dá) 張 昕 鄒云峰 倪玉玲 王德玉

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)中心 南京 210019)

1 引言

隨著全球電網(wǎng)的不斷升級(jí)，可持續(xù)能源成為電網(wǎng)的優(yōu)先選擇之一，可持續(xù)能源的投入大多是通過(guò)10 kV電纜連接的配電網(wǎng)絡(luò)[1-4]，配網(wǎng)電纜數(shù)量的增加使得供電可靠性要求越來(lái)越高，要求減少停電時(shí)間及頻率。根據(jù)數(shù)據(jù)表明[5]，超過(guò)80%的電纜故障都與局部放電有關(guān)，局部放電是指在電纜中發(fā)生局部區(qū)域的放電，而沒(méi)有貫穿整個(gè)主絕緣，局部放電的發(fā)生伴隨著許多其他物理效應(yīng)，進(jìn)一步影響電纜壽命，是絕緣劣化的重要特征之一[6]。因此，為保證配網(wǎng)電纜的運(yùn)行安全，需要及時(shí)獲取電纜狀態(tài)數(shù)據(jù)，評(píng)估電纜運(yùn)行狀態(tài)。在該研究領(lǐng)域，對(duì)局部放電模式的識(shí)別一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，開(kāi)展配網(wǎng)電纜的局放信號(hào)模式識(shí)別是局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的 關(guān)鍵。

就目前研究而言，對(duì)配網(wǎng)電纜的局放信號(hào)模式識(shí)別方法大多集中在單一放電源的類(lèi)型識(shí)別上，如基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的局部放電相位譜圖(Phase resolved partial discharge，PRPD)法[7]、以及改進(jìn)的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8]、支持向量機(jī)[9]的相位圖譜識(shí)別法。此類(lèi)方法只能在單一放電源存在的情況下準(zhǔn)確識(shí)別局部放電類(lèi)型，而當(dāng)電纜同時(shí)存在多種局部放電類(lèi)似或檢測(cè)環(huán)境中存在隨機(jī)干擾時(shí)，得到的PRPD圖譜是混疊在一起的，對(duì)照特征數(shù)據(jù)庫(kù)中的單一放電類(lèi)型會(huì)出現(xiàn)不匹配的情況，準(zhǔn)確率大大降低。目前對(duì)于多種放電類(lèi)型的混合識(shí)別相關(guān)研究報(bào)道還較少，文獻(xiàn)[10]提出了一種將局部放電的脈沖幅值采用多參數(shù)Weibull分布進(jìn)行擬合的方式來(lái)識(shí)別多放電源的類(lèi)型識(shí)別，當(dāng)放電信號(hào)來(lái)自于多個(gè)放電源時(shí)，局部放電脈沖幅值分布將具有多個(gè)拐點(diǎn)，由此來(lái)判斷混合放電源類(lèi)型，但此方法無(wú)法識(shí)別出干擾，當(dāng)干擾信號(hào)較大時(shí)，放電信號(hào)容易被淹沒(méi)無(wú)法準(zhǔn)確判斷。文獻(xiàn)[11]提出了一種等效時(shí)頻法結(jié)合模糊聚類(lèi)分析的方法，首先使用等效時(shí)頻變換，將原始脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換到T-F模式下，再利用模糊聚類(lèi)將放T-F圖譜的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，并根據(jù)事先建立的單一局放缺陷指紋庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，完成對(duì)多放電源信號(hào)的分類(lèi)和識(shí)別，但當(dāng)同一種缺陷程度不同時(shí)，在T-F模式下的分布不一致，導(dǎo)致對(duì)指紋庫(kù)的要求十分高，使得在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中效果不太理想。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于FastICA算法的多缺陷局放信號(hào)分離，將多放電源局部放電信號(hào)識(shí)別轉(zhuǎn)化為單一信號(hào)識(shí)別的問(wèn)題，但該方法同樣對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中的噪聲要求較高，當(dāng)測(cè)試環(huán)境中干擾噪聲過(guò)大時(shí)，識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確度將明顯降低。綜上所述，目前配網(wǎng)電纜的局放信號(hào)檢測(cè)方法主要存在以下問(wèn)題：大多方法僅能識(shí)別單一局放類(lèi)型，當(dāng)有多種局放類(lèi)型存在時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行診斷；而常規(guī)的混合局放類(lèi)型識(shí)別的方法無(wú)法排除噪聲干擾信號(hào)帶來(lái)的影響，使得局放信號(hào)誤判率明顯升高，且所需故障數(shù)據(jù)庫(kù)龐大，數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)過(guò)于頻繁。

為解決上述問(wèn)題，本文采用等效時(shí)頻分析法與模糊C均值聚類(lèi)分析結(jié)合PRPD圖譜的方法對(duì)配網(wǎng)電纜多放電源的局部放電信號(hào)進(jìn)行分離和識(shí)別。首先通過(guò)等效時(shí)頻分析，將原始放電的時(shí)域波形轉(zhuǎn)化為T(mén)-F模式，之后采用模糊C均值聚類(lèi)分析將T-F模式下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)放電脈沖進(jìn)行初步劃分。對(duì)每一類(lèi)的放電脈沖提取PRPD圖譜。根據(jù)PRPD圖譜識(shí)別其放電類(lèi)型，最終實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)電纜多放電源局放信號(hào)的準(zhǔn)確分類(lèi)與識(shí)別。最后，分別在多個(gè)單一局放源和兩種混合局放源放電情況下驗(yàn)證了該方法的有效性。

2 T-F聚類(lèi)分析與PRPD放電類(lèi)型識(shí)別

2.1 T-F模式下模糊聚類(lèi)

短時(shí)間內(nèi)電纜中的局放信號(hào)是相對(duì)穩(wěn)定的，因此檢測(cè)到的由同一局放源發(fā)出的局放信號(hào)波形在時(shí)域上具有高度的相似性[13]。采用脈沖波形-時(shí)間序列代替脈沖峰值-時(shí)間序列，在原始脈沖信號(hào)的基礎(chǔ)上形成T-F特征圖譜，不同類(lèi)型的放電將在圖譜上分布于不同的點(diǎn)，此特征可用于局部放電類(lèi)型的分類(lèi)。本文采用等效時(shí)頻法將峰值-時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為T(mén)-F特征圖譜。首先將采集得到的局部放電時(shí)間序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)歸一化處理[14]

再按照式(2)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)的時(shí)間重心

最后，根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算單個(gè)局放脈沖波形的時(shí)域等效時(shí)長(zhǎng)和頻域等效帶寬

式中，t為采樣時(shí)間；T為最大采樣時(shí)刻；f為采樣頻率；S(f)為(t)的傅里葉變換。

將單個(gè)局部放電脈沖信號(hào)按照式(1)～(4)進(jìn)行處理后得到一組等效時(shí)長(zhǎng)T及等效帶寬F，當(dāng)具有多組T-F向量后投影到T-F構(gòu)成的二維平面上，即可形成該局放脈沖的特征T-F譜圖。

在采用了等效時(shí)頻法對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，不同類(lèi)型的局部放電脈沖在進(jìn)行T-F轉(zhuǎn)化后將分布于譜圖上不同的區(qū)域即T-F轉(zhuǎn)化可以使具有相同特征的脈沖緊聚在一起，將不同區(qū)域進(jìn)行分類(lèi)是將多種局部放電信號(hào)區(qū)分的關(guān)鍵步驟，本文采用模糊C均值聚類(lèi)方法(Fuzzy C-means，F(xiàn)CM)對(duì)T-F譜圖中的特征點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)。FCM是目前最為靈敏、應(yīng)用也最廣泛的一種聚類(lèi)分析算法[15]。該算法的思想是把聚類(lèi)分析問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)帶約束的非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化求解來(lái)獲取數(shù)據(jù)集的最優(yōu)劃分?；谀繕?biāo)函數(shù)的模糊聚類(lèi)分析有如下一般性描述[16-17]

式中，V= (v1,v2,…,vc)為C個(gè)聚類(lèi)中心；‖xj-vi‖為歐氏距離；m∈[1，∞)為加權(quán)指數(shù)，又稱(chēng)平滑系數(shù)。

基于以上分析得到FCM的具體流程如下。

初始化：給出聚類(lèi)類(lèi)別數(shù)c，2≤c≤n為樣本的總個(gè)數(shù)c；對(duì)聚類(lèi)中心V0初始化；設(shè)置迭代停止閥值ε的大小。

步驟一：根據(jù)式(6)計(jì)算或更新隸屬度函數(shù)矩陣Ub=[uij]。

步驟二：根據(jù)式(7)更新聚類(lèi)中心。

步驟三：如果滿(mǎn)足 ||Vb-Vb-1||≤ε則算法停止并輸出隸屬度函數(shù)矩陣U和聚類(lèi)中心V；否則繼續(xù)執(zhí)行步驟一。

基于上述處理，局部放電脈沖波形原始數(shù)據(jù)已完成預(yù)處理，從原始脈沖峰值-時(shí)間序列轉(zhuǎn)換到T-F圖譜并通過(guò)FCM將放電類(lèi)型進(jìn)行區(qū)分，可對(duì)放電類(lèi)型數(shù)量進(jìn)行初步判斷。在聚類(lèi)步驟中對(duì)于聚類(lèi)類(lèi)別數(shù)的選取通常可基于兩種選擇方式，一是根據(jù)T-F譜圖團(tuán)聚情況，有明顯的C種團(tuán)聚則可將聚類(lèi)類(lèi)別數(shù)設(shè)為C；二是T-F圖譜中只有一種團(tuán)聚沒(méi)有明顯的幾種團(tuán)聚但特征時(shí)長(zhǎng)或特征帶寬分布較長(zhǎng)，則可將c值從小到大依次嘗試，直到出現(xiàn)明顯錯(cuò)誤分類(lèi)或脈沖數(shù)不足以與指紋庫(kù)對(duì)比。

2.2 基于PRPD譜圖放電類(lèi)型識(shí)別

放電量Q、放電次數(shù)n和放電所在相位Φ是局部放電的3個(gè)基本參數(shù)，將多個(gè)周期內(nèi)的單次放電脈沖折算到一個(gè)工頻周期內(nèi)觀測(cè)其統(tǒng)計(jì)特征即形成PRPD圖譜可突出放電的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。

局部放電脈沖波形原始數(shù)據(jù)預(yù)處理后，根據(jù)T-F圖譜下的聚類(lèi)結(jié)果，將每一類(lèi)的原始數(shù)據(jù)提取，獲取每一個(gè)脈沖產(chǎn)生時(shí)相對(duì)于工頻信號(hào)的相位及幅值，以脈沖發(fā)生時(shí)的相位值為橫軸，脈沖幅值為縱軸，生成每一類(lèi)放電信號(hào)的原始PRPD圖譜。通過(guò)對(duì)已知放電類(lèi)型的圖譜進(jìn)行分類(lèi)器學(xué)習(xí)，得到的分類(lèi)器模型可對(duì)未知放電波形進(jìn)行對(duì)比自動(dòng)識(shí)別，即可將典型局部放電缺陷的PRPD圖譜作為指紋庫(kù)，放電信號(hào)的PRPD圖譜與之進(jìn)行對(duì)比，由此可對(duì)T-F聚類(lèi)后的每一類(lèi)局部放電放電信號(hào)類(lèi)型進(jìn)行判斷以及排除干擾噪聲。以上所述的基于T-F聚類(lèi)及PRPD譜圖的放電模式分類(lèi)與識(shí)別的流程圖如圖1所示。

圖1 放電模式分類(lèi)及識(shí)別方法流程圖

3 局部放電模擬與測(cè)試平臺(tái)

3.1 典型絕緣缺陷的局部放電模擬

為驗(yàn)證本文所提出的局放類(lèi)型識(shí)別方法的有效性，本文采用上海銳測(cè)電子科技有限公司的PDS型局部放電模擬源建立了4種配網(wǎng)電纜中典型的局放缺陷模型。缺陷模型如圖2所示，包括金屬尖端缺陷、絕緣氣隙放電、金屬微粒懸浮放電和界面沿面放電。

圖2 四種缺陷放電模型

其中，金屬尖端缺陷會(huì)導(dǎo)致電纜導(dǎo)體部分出現(xiàn)尖端或毛刺，電場(chǎng)強(qiáng)度變大，致使尖端或毛刺周?chē)慕^緣層發(fā)生局部放電，產(chǎn)生絕緣擊穿現(xiàn)象。絕緣氣隙放電是指電纜主絕緣內(nèi)部出現(xiàn)了雜質(zhì)或氣隙，相較于主絕緣其介電常數(shù)更低，擊穿場(chǎng)強(qiáng)更低，導(dǎo)致先于主絕緣發(fā)生放電。金屬微粒懸浮放電是指導(dǎo)體與附件之間的內(nèi)部自由金屬微粒，存在金屬懸浮電位，引起懸浮電極放電。復(fù)合界面沿面放電是指絕緣子在制造過(guò)程中引起的內(nèi)部氣泡以及由于試驗(yàn)閃絡(luò)導(dǎo)致的表面放電痕跡，同時(shí)還包括高壓電極表面粗糙不平整或者在設(shè)備加工時(shí)嵌入的金屬顆粒。

3.2 局部放電測(cè)試系統(tǒng)

圖3所示為局部放電測(cè)試系統(tǒng)示意圖及實(shí)物圖。其中，正泰(CHNT)TDGC2-0.5型調(diào)壓器為局放模擬源提供電源，可調(diào)電壓范圍為0～5.5 kV，局放模擬源輸出信號(hào)幅值最高可達(dá)2 V；示波器為T(mén)ektronix DPO 4032，可實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電波形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其帶寬為350 MHz，最大采樣率2.5 GS/s；HFCT傳感器為自制高頻電流傳感器，用于局部放電脈沖信號(hào)的測(cè)量，其測(cè)量帶寬為0.5～30 MHz，靈敏度為15 mV/1 mA；Pico Technology的5442D型高速數(shù)采卡用于對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，其帶寬為60 MHz，采樣率1 GS/s，存儲(chǔ)深度為512 Mpts；計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行T-F模糊聚類(lèi)和PRPD圖譜分析。

圖3 局部放電測(cè)試系統(tǒng)示意圖及實(shí)物圖

4 結(jié)果與討論

4.1 單一缺陷的放電類(lèi)型識(shí)別

本文分別對(duì)4種放電模型施加電壓，采集200個(gè)局部放電脈沖信號(hào)。圖4分別為四種放電脈沖信號(hào)的典型波形、T-F圖譜及相應(yīng)的PRPD圖譜。由圖4可知每一類(lèi)放電模型在T-F模式下均呈現(xiàn)出團(tuán)聚現(xiàn)象，但由于放電程度不同，并非所有放電類(lèi)型都為一類(lèi)團(tuán)聚。圖4e所示為根據(jù)尖端放電脈沖得到的T-F圖譜，脈沖波形在T-F模式下團(tuán)聚為一團(tuán)，其PRPD圖譜如圖4i所示，主要聚集在第一象限，為典型的尖端放電類(lèi)型的PRPD圖譜，可知該類(lèi)局放源為尖端放電。圖4f所示為根據(jù)氣隙放電脈沖得到的T-F圖譜，同樣也團(tuán)聚為一團(tuán)，對(duì)該類(lèi)放電脈沖PRPD圖譜分析，放電主要發(fā)生在第一三象限，且較為對(duì)稱(chēng)呈駝峰狀，可判斷其為氣隙放電類(lèi)型。圖4g所示為根據(jù)懸浮放電脈沖得到的放電T-F模式和聚類(lèi)分析。懸浮放電脈沖波形在T-F模式下積聚為一團(tuán)，其PRPD譜圖如圖4k所示，在一個(gè)周期內(nèi)任何相位均有放電發(fā)生，可知其為懸浮放電類(lèi)型。

值得一提的是圖4h，其所示為根據(jù)沿面放電得到的放電T-F模式和聚類(lèi)分析?？芍浞烹娒}沖在T-F模式下呈兩個(gè)不同的團(tuán)聚分布，這是由于在放電過(guò)程中由于放電的持續(xù)發(fā)生，模型內(nèi)部出現(xiàn)缺陷變嚴(yán)重的情況，對(duì)其放電脈沖進(jìn)行等效時(shí)頻轉(zhuǎn)化后，其等效時(shí)長(zhǎng)及等效帶寬有變化，導(dǎo)致放電脈沖在T-F圖譜中呈現(xiàn)兩個(gè)不同的團(tuán)聚部分(C1、C2)。C1、C2兩類(lèi)脈沖波形的PRPD圖譜如圖5b、5c所示，對(duì)PRPD譜圖進(jìn)行分析后可看到其放電發(fā)生在正負(fù)半周峰值位置且較為對(duì)稱(chēng)，符合沿面放電的PRPD譜圖特征，即C1、C2均屬于沿面放電。直接通過(guò)T-F模糊聚類(lèi)對(duì)放電類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別時(shí)，會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚重心偏移指紋庫(kù)所對(duì)應(yīng)的放電類(lèi)型的情況，從而出現(xiàn)局部放電類(lèi)型誤判的情況，因此相較之本文提出的方法準(zhǔn)確性更高。

圖4 四種放電脈沖信號(hào)的典型波形、T-F圖譜及相應(yīng)的PRPD圖譜

圖5 沿面放電T-F聚類(lèi)及PRPD圖譜分析

4.2 混合缺陷的放電類(lèi)型識(shí)別

為了驗(yàn)證所提的算法對(duì)于多種局部放電類(lèi)型的識(shí)別能力，本文同時(shí)采集得到尖端放電缺陷和懸浮放電缺陷的局放波形(下稱(chēng)F1+F3)以及沿面放電缺陷和氣隙放電缺陷的局放波形(下稱(chēng)F2+F4)共1 000個(gè)脈沖信號(hào)進(jìn)行分析?；旌喜ㄐ卧糚RPD譜圖如圖6所示，若直接進(jìn)行故障類(lèi)型識(shí)別，容易識(shí)別為單一故障。

圖6 混合缺陷波形PRPD圖譜

將F2+F4混合缺陷的原始脈沖波形進(jìn)行等效時(shí)頻分析，其T-F圖譜如圖7a所示。由于其特征時(shí)長(zhǎng)、頻域分布較寬，聚類(lèi)類(lèi)別數(shù)按照前文所述，可從分類(lèi)數(shù)2開(kāi)始，根據(jù)單一放電模型訓(xùn)練出的隸屬度，可以將原始脈沖分為D1和D2兩類(lèi)脈沖，D1的PRPD譜圖如圖7c所示，D2的PRPD圖如圖7d所示，從中可以看出，D1類(lèi)脈沖的放電主要集中在工頻的第一與第三象限，其中放電最為集中的部分分別出現(xiàn)在靠近正負(fù)峰值處，從譜圖可知其有典型沿面放電的特征，即可認(rèn)為D1類(lèi)脈沖放電類(lèi)型屬于沿面放電。D2類(lèi)放電同樣出現(xiàn)在外加電壓的第一與第三象限，但其總的放電頻次較少，分布較D1更為分散，且在正負(fù)半周放電基本呈駝峰狀分布，具備氣隙放電的特征，可知D2類(lèi)脈沖屬于氣隙放電。同樣將F1+F3混合缺陷的原始波形進(jìn)行等效時(shí)頻分析，其T-F圖譜如圖8a所示，有較為明顯的兩類(lèi)團(tuán)聚現(xiàn)象，可將其分為E1和E2兩類(lèi)脈沖。分別對(duì)E1類(lèi)脈沖和E2類(lèi)脈沖的PRPD圖譜進(jìn)行提取如圖8b、8c所示。E1類(lèi)脈沖的PRPD圖譜可看出放電集中于正半周，即放電在一個(gè)工頻周期內(nèi)只發(fā)生一次，為典型的尖端放電特征，E1類(lèi)脈沖屬于尖端放電。E2類(lèi)脈沖的PRPD圖譜顯示放電發(fā)生在整個(gè)工頻周期內(nèi)，正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)性尚可，具備懸浮放電的特征，可知E2類(lèi)脈沖屬于懸浮放電。綜合兩個(gè)實(shí)例證實(shí)本文提出的方法具有較為理想的脈沖分類(lèi)和類(lèi)型識(shí)別效果。

圖7 F2+F4混合放電T-F聚類(lèi)及PRPD圖譜分析

圖8 F1+F3混合放電T-F聚類(lèi)及PRPD圖譜分析

5 結(jié)論

本文提出了一種基于等效時(shí)頻分析與模糊C均值聚類(lèi)方法結(jié)合PRPD譜圖實(shí)現(xiàn)局部放電分離和類(lèi)型識(shí)別的方法。通過(guò)在單一局放類(lèi)型和混合局放類(lèi)型兩種條件下的放電信號(hào)檢測(cè)與識(shí)別試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了如下結(jié)論。

(1) 引入T-F模糊聚類(lèi)對(duì)局部放電類(lèi)型進(jìn)行特征提取相較于直接使用PRPD圖譜更清晰，不同放電類(lèi)的T-F圖譜會(huì)出現(xiàn)不同的特征從而在不同位置出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，而在PRPD譜圖中會(huì)混合難以區(qū)分。直觀地說(shuō)明了采用T-F模糊聚類(lèi)進(jìn)行多放電源分類(lèi)的可行性。

(2) 單一局放源及混合局放源放電的試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)等效時(shí)頻分析、模糊C均值聚類(lèi)后的PRPD圖譜能夠準(zhǔn)確對(duì)多局放源的放電類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)和識(shí)別。

(3) 綜上，本文提出的基于T-F聚類(lèi)和PRPD圖譜分析的局部放電類(lèi)型識(shí)別方法在實(shí)驗(yàn)室單一缺陷和多缺陷放電的分離和識(shí)別中具有較高的準(zhǔn)確率。后續(xù)的研究工作將通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)局放數(shù)據(jù)的采集和識(shí)別進(jìn)行該方法的進(jìn)一步完善，以提升其工程應(yīng)用價(jià)值。