廣西桂能科技發(fā)展有限公司 譚永浩

1 采集高壓電力電纜局部放電信號(hào)

一般情況下，如果110kV 高壓電力電纜的絕緣材料發(fā)生老化缺陷，電纜的局部放電信號(hào)就會(huì)發(fā)生變化[1]，所以本文在研究電纜絕緣老化缺陷識(shí)別技術(shù)時(shí)，從局部放電信號(hào)識(shí)別領(lǐng)域入手，電力電纜的局部放電信號(hào)識(shí)別技術(shù)主要包括三個(gè)步驟：一是局部放電信號(hào)的采集；二是局部放電信號(hào)的預(yù)處理；三是局部放電信號(hào)的分類識(shí)別。首先，確定110kV 高壓電力電纜的分布參數(shù)模型：

式中，R表示電力電纜單位長度的電阻數(shù)據(jù)；C表示電力電纜單位長度的電容數(shù)據(jù)；L表示電力電纜單位長度的電感數(shù)據(jù)；ε表示電纜線芯的電阻率參數(shù)；k表示電纜導(dǎo)體電阻的溫度系數(shù)值；β表示電纜導(dǎo)體的溫度值；λ表示電纜導(dǎo)體電阻率增加系數(shù)值；μ1、μ2分別表示電纜材料與真空的介電常數(shù)值；r1、r2分別表示電纜的外徑、內(nèi)徑參數(shù)；η表示電纜的磁導(dǎo)率。

基于110kV 電力電纜模型，將單層電感傳感器安裝在電纜絕緣表面，在電力電纜運(yùn)行過程中，單層電感會(huì)和導(dǎo)體產(chǎn)生電容耦合，從而實(shí)時(shí)測量電纜的局部放電信號(hào)，并將該傳感器和16位分辨率的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行連接，此時(shí)傳感器采集的局部放電信號(hào)就會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫內(nèi)[2]。這種電纜局部信號(hào)的測量采集法不僅安裝方便，可以具有較高的可靠性，可以采集到滿足電纜絕緣老化缺陷識(shí)別的局部放電信號(hào)[3]。

2 預(yù)處理高壓電力電纜局部放電信號(hào)

由于110kV 高壓電力電纜運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，文中上述內(nèi)容采集的電纜局部放電信號(hào)中存在一定噪聲數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響電纜絕緣老化缺陷識(shí)別的精度，所以本章首先對(duì)采集的電纜局部放電信號(hào)進(jìn)行去噪處理[4]。

由于電力電纜局部放電信號(hào)具有較好的時(shí)頻特性，所以本文引入小波變換理論，來實(shí)現(xiàn)局部放電信號(hào)的去噪，小波變換主要通過分解與重構(gòu)的方式對(duì)原始局部放電信號(hào)進(jìn)行濾波，從而剔除噪聲信號(hào)，所以無論是平穩(wěn)還是非平穩(wěn)的電力電纜局部放電信號(hào)，小波變換均可以表現(xiàn)出優(yōu)越的去噪性能。利用小波變換去除高壓電力電纜局部放電信號(hào)噪聲時(shí)，首先需要根據(jù)基本小波函數(shù)f(t) 獲得小波函數(shù)，表達(dá)式為：

式中，u表示小波函數(shù)的尺度參數(shù)；v表示小波函數(shù)的平移參數(shù)。

對(duì)基本小波函數(shù)進(jìn)行伸縮平移，即可獲得小波函數(shù)，然后再結(jié)合該式對(duì)高壓電力電纜局部放電信號(hào)g(x)進(jìn)行連續(xù)小波變換，表達(dá)式為：

式中，F(xiàn)g(u,v)表示電纜局部放電信號(hào)g(x)的連續(xù)小波變換；R表示實(shí)數(shù)，v∈R。

對(duì)分解后的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，即可得到濾除噪聲后的電力電纜局部放電信號(hào)。然后通過采集不同距離與不同狀態(tài)下的電力電纜局部放電信號(hào)，即可求出信號(hào)對(duì)應(yīng)的混沌特征量，該數(shù)值對(duì)電纜絕緣老化缺陷識(shí)別十分關(guān)鍵。一般來說，110kV 高壓電力電纜的局部放電信號(hào)的混沌特征參量在去噪前后存在較大差距，所以本文為獲得更加真實(shí)的局部放電信號(hào)混沌特征量，需要對(duì)原始電纜信號(hào)進(jìn)行去噪處理，再進(jìn)行提取。

3 構(gòu)建電力電纜絕緣老化缺陷識(shí)別模型

在110kV 高壓電力電纜運(yùn)行過程中，如果發(fā)生絕緣老化缺陷從而引起局部放電信號(hào)的變化，這種變化十分微弱，所以其分類識(shí)別具有一定難度。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種有著深度結(jié)構(gòu)的前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)分布式并行信號(hào)進(jìn)行高效運(yùn)算處理，所以本文引入卷積審計(jì)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建一個(gè)110kV 高壓電力電纜絕緣老化缺陷識(shí)別模型[5]。綜合考慮到高壓電力電纜局部放電信號(hào)之間的相似性，本文采用多層卷積結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)識(shí)別模型。在本文所構(gòu)建的110kV 高壓電力電纜絕緣老化缺陷識(shí)別模型中，主要包括1個(gè)輸入層與輸出層、3個(gè)卷積層與池化層、1個(gè)展平層與全連接層，當(dāng)一維的110kV 高壓電力電纜局部放電信號(hào)輸入模型時(shí)，本文所提一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有著運(yùn)算速度更快的優(yōu)勢。模型中池化層在卷積層之后，這樣設(shè)置的激活函數(shù)就可以將卷積層輸入的線性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為非線性數(shù)據(jù)，并由池化層輸出，以此提升識(shí)別模型的表達(dá)能力。為提升模型的識(shí)別效率，本文采用ReLU函數(shù)作為激活函數(shù)，其表達(dá)式：

式中，x表示模型輸入的電力電纜局部放電信號(hào)。

為提升模型的學(xué)習(xí)能力，在模型的全連接層與池化層之間設(shè)置了一層展平層，可以將電纜局放信號(hào)堆疊為一維數(shù)組，從而保障缺陷識(shí)別精度。采用softmax 分類器實(shí)現(xiàn)電纜局部放電信號(hào)的識(shí)別，計(jì)算公式為：

經(jīng)過卷積層與池化層運(yùn)算后輸出的電纜局部放電信號(hào)，經(jīng)過式（5）所示的分類器即可得到最終絕緣老化缺陷識(shí)別結(jié)果。

4 仿真試驗(yàn)

為了系統(tǒng)地判斷文中設(shè)計(jì)110kV 高壓電力電纜絕緣老化缺陷識(shí)別技術(shù)是否可行、可靠，參考脈沖電流法設(shè)置一個(gè)電力電纜局部放電測試平臺(tái)，展開電纜絕緣老化缺陷識(shí)別試驗(yàn)，在該試驗(yàn)平臺(tái)中的電纜樣品上設(shè)置了四類常見絕緣老化缺陷，在制作試驗(yàn)樣本時(shí)，將每工頻周期內(nèi)采集的電纜局部放電數(shù)據(jù)制作為一個(gè)樣本，這樣得到各類型絕緣老化缺陷的試驗(yàn)樣本見表1。

表1 電力電纜絕緣老化缺陷信號(hào)樣本

試驗(yàn)過程中，為便于本文設(shè)計(jì)識(shí)別模型可以對(duì)表中4類電纜局部放電信號(hào)進(jìn)行直接識(shí)別，并提升模型訓(xùn)練過程中的運(yùn)算效率，本章將各信號(hào)的邊際譜轉(zhuǎn)換為圖像的形式，并使用加權(quán)平均法對(duì)電纜局部放電信號(hào)的邊際譜圖像進(jìn)行灰度化處理，得到可視化形式的信號(hào)邊際譜灰度圖像，進(jìn)入圖1所示。

圖1 電力電纜局部放電信號(hào)的邊際譜灰度圖

將圖1所示的電力電纜局部放電信號(hào)邊際譜圖像輸入本文設(shè)計(jì)的識(shí)別模型中進(jìn)行訓(xùn)練，識(shí)別的目標(biāo)為表1所示的四種絕緣老化缺陷，此時(shí)得到本文設(shè)計(jì)技術(shù)在不同樣本數(shù)量下的識(shí)別效果，如圖2所示。

圖2 不同樣本數(shù)量下局部放電信號(hào)識(shí)別結(jié)果

由圖可知，在樣本數(shù)量較少時(shí)，本文設(shè)計(jì)技術(shù)的正確識(shí)別率相對(duì)較低，且隨著樣本數(shù)量的增加而上升，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這主要是因?yàn)榫矸e神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模型需要大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)數(shù)據(jù)規(guī)模達(dá)到一定值時(shí)，電力電纜局部放電信號(hào)的正確識(shí)別率基本穩(wěn)定在90%以上。

為進(jìn)一步判斷本文設(shè)計(jì)識(shí)別技術(shù)的性能，選用基于輸入阻抗譜的電力電纜缺陷識(shí)別技術(shù)、基于邏輯回歸的電力電纜缺陷識(shí)別技術(shù)作為對(duì)照組，與本文技術(shù)一起分別對(duì)四種類型的電力電纜絕緣老化缺陷進(jìn)行識(shí)別，得到各技術(shù)在不同缺陷類型下的識(shí)別結(jié)果見表2。

表2 電力電纜絕緣老化缺陷識(shí)別結(jié)果對(duì)比表

由表2可知，在三種電力電纜絕緣老化缺陷識(shí)別技術(shù)中，本文設(shè)計(jì)技術(shù)的識(shí)別精度相對(duì)較高，平均正確識(shí)別率為94.5%，較對(duì)照組技術(shù)提升了6.7%、9.5%，可以說明本文所提技術(shù)在絕緣老化缺陷識(shí)別方面更具優(yōu)越性，符合110kV 高壓電力電纜的缺陷識(shí)別要求。

5 結(jié)語

電力電纜的運(yùn)行狀態(tài)與電網(wǎng)供電質(zhì)量之間息息相關(guān)，對(duì)電纜絕緣老化缺陷進(jìn)行正確地識(shí)別有利于電網(wǎng)檢修部門及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜故障并進(jìn)行檢修工作。一般來說，局部放電是電力電纜絕緣老化的重要征兆與主要表現(xiàn)形式，所以本文從電纜局部放電信號(hào)入手，針對(duì)110kV 高壓電力電纜絕緣老化缺陷識(shí)別技術(shù)展開了研究，同時(shí)通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提技術(shù)具有較高的識(shí)別精度，對(duì)推動(dòng)我國電網(wǎng)健康發(fā)展有著重要的價(jià)值。