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        配電線路在線故障識(shí)別與診斷方法研究

        2022-12-11 05:05:04鄧文強(qiáng)
        工程與建設(shè) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:短路配電故障診斷

        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、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、長期曝露于野外等特點(diǎn),導(dǎo)致輸配電線路在長期的自然作用下產(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,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),沒有相應(yīng)的合理的物理解釋與其對(duì)應(yīng),因此需要通過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,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,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)到的異常現(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)較小;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,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。

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