徐雄軍,路興帥,夏 翔,吳 優(yōu)

(國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司孝感供電公司,湖北 孝感 432003)

配電網(wǎng)是整個(gè)電力系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)電能分配的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),隨著電能存儲(chǔ)技術(shù)不斷發(fā)展,其可為配電網(wǎng)的電能分配提供極大支撐[1]。蓄電池是配電網(wǎng)中一種主要的儲(chǔ)能系統(tǒng),通常情況下蓄電池系統(tǒng)安裝在配電網(wǎng)一側(cè),為配電網(wǎng)的運(yùn)行提供電能[2]。蓄電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置,在充電和放電兩種情況下,實(shí)現(xiàn)兩種能源之間的轉(zhuǎn)換,即化學(xué)能和電能的轉(zhuǎn)換。由于蓄電池系統(tǒng)使用壽命較長(zhǎng),對(duì)應(yīng)用環(huán)境的要求較低,因此成為配電網(wǎng)運(yùn)行中的主要儲(chǔ)能系統(tǒng)。但蓄電池系統(tǒng)在使用過(guò)程中,隨著使用時(shí)間的增加,電池內(nèi)部的水分會(huì)逐漸流失[3],導(dǎo)致電解液密度上升,蓄電池發(fā)生短路故障。蓄電池系統(tǒng)發(fā)生短路故障后,會(huì)引起開(kāi)路電壓降低,端電壓呈線性下降,并在極短時(shí)間內(nèi)降為零,甚至在低溫環(huán)境中會(huì)發(fā)生電解液冷凝等一系列現(xiàn)象,影響整個(gè)配電網(wǎng)的正常運(yùn)行。因此,需對(duì)配電網(wǎng)中蓄電池系統(tǒng)的短路故障進(jìn)行檢測(cè),對(duì)蓄電池出現(xiàn)的故障及時(shí)診斷,以便及時(shí)維修或者更換蓄電池,保證配電網(wǎng)的運(yùn)行。小波降噪是一種噪聲處理方法,其能夠?qū)⒃夹盘?hào)與噪聲分離,保留原始信號(hào)[4]。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]分別研究了基于灰色關(guān)聯(lián)度和基于同步相量的故障定位方法,實(shí)現(xiàn)了故障檢測(cè)。上述方法在檢測(cè)過(guò)程中,會(huì)由于噪聲的影響而出現(xiàn)誤檢的問(wèn)題,并且對(duì)于時(shí)間序列數(shù)據(jù)的不平衡處理仍需進(jìn)一步研究。

本文提出基于小波降噪的配電網(wǎng)蓄電池系統(tǒng)短路故障檢測(cè)方法,以蓄電池系統(tǒng)電壓信號(hào)的變化為依據(jù),利用多分辨率小波良好的降噪優(yōu)勢(shì),對(duì)蓄電池充電時(shí)的電壓信號(hào)進(jìn)行降噪。為進(jìn)一步保證故障檢測(cè)效果,對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行降噪處理,為電路故障檢測(cè)提供可靠的依據(jù)。

1 配電網(wǎng)蓄電池系統(tǒng)短路故障檢測(cè)

1.1 蓄電池系統(tǒng)電壓信號(hào)降噪

蓄電池系統(tǒng)在充電過(guò)程中,其電壓信號(hào)存在多尺度特征,且存在高、低兩種頻率的信號(hào)[7],因此采用多分辨率小波分析方法對(duì)蓄電池電壓信號(hào)進(jìn)行降噪。該方法能夠完成給定函數(shù)的分解,使其形成高、低頻率信號(hào),并且該方法具備正交性,能夠較好地完成蓄電池系統(tǒng)電壓信號(hào)的分解和降噪。

設(shè)蓄電池系統(tǒng)充電時(shí)的電壓為Vi(t):

Vi(t)=fi(t)+εi(t)

(1)

式中:fi(t)為沒(méi)有噪聲干擾的電壓信號(hào),εi(t)為含噪信號(hào)。

(2)

通過(guò)上述步驟完成蓄電池系統(tǒng)電壓信號(hào)降噪后,為避免有效信號(hào)的損失,采取消噪方式對(duì)其進(jìn)行處理。消噪的主要目的是降低實(shí)際電壓信號(hào)和降噪后信號(hào)之間的誤差M(λ)[8]。計(jì)算公式為:

(3)

式中:λ為閾值。

(4)

(5)

3)依據(jù)n/2個(gè)數(shù)據(jù)獲取閾值估計(jì)結(jié)果,依據(jù)該結(jié)果可得n個(gè)點(diǎn)的閾值估計(jì)結(jié)果:

(6)

式中:tn/2為估計(jì)結(jié)果中的n/2個(gè)數(shù)據(jù)。

通過(guò)上述步驟即可完成信號(hào)的降噪處理,保證了實(shí)際電壓信號(hào)和降噪后信號(hào)之間的誤差最小。

1.2 基于動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整的短路故障檢測(cè)

本文采用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整(dynamic time warping, DTW)方法完成蓄電池系統(tǒng)短路故障檢測(cè),該方法能夠完成相似度的計(jì)算,并且當(dāng)序列之間的長(zhǎng)度存在差異時(shí),依舊具備良好的計(jì)算效果。因此,該方法可理解為通過(guò)非線性變換對(duì)時(shí)間序列曲線進(jìn)行處理,體現(xiàn)樣本之間的相似度,且樣本位于不同的相位上。

定義Q和C分別表示兩個(gè)時(shí)間序列,前者為待檢測(cè)序列,由處理后的電壓信號(hào)組成,后者為參考序列。Q={q(1),q(2),…,q(n)},q(n)為第n個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間序列;C={c(1),c(2),…,c(m)},c(m)為第m個(gè)電壓信號(hào)。

由于電壓信號(hào)數(shù)據(jù)在采集過(guò)程中,會(huì)存在不平衡數(shù)據(jù),導(dǎo)致Q成為不平衡時(shí)間序列,為保證短路故障檢測(cè)結(jié)果的精度[9],采用模糊聚類(lèi)算法對(duì)Q中的不平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊聚類(lèi)處理。

(7)

(8)

式中:rand(0,1)表示隨機(jī)數(shù),取值范圍為(0,1)。

(9)

(10)

γ(i,j)=D(qi,cj)+min[γ(i,j-1),γ(i-1,j-1)]

(11)

基于動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整的短路故障檢測(cè)流程如圖1所示。

圖1 基于動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整的短路故障檢測(cè)流程

2 驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證本文方法在配電網(wǎng)蓄電池系統(tǒng)短路故障方面的應(yīng)用性能和效果,采用MATLAB軟件模擬該短路故障,進(jìn)行仿真測(cè)試。為了模擬蓄電池組不同程度的短路狀態(tài),采用6個(gè)不同阻值的電阻進(jìn)行模擬,每一個(gè)電阻值均對(duì)應(yīng)一個(gè)蓄電池自放電電流,詳情見(jiàn)表1。

表1 放電電流詳情

模擬配電網(wǎng)的電壓為220 V,蓄電池系統(tǒng)由2組108節(jié)的蓄電池組成,每節(jié)蓄電池的電壓為2 V。在模擬過(guò)程中,為獲取蓄電池的電壓信號(hào),反復(fù)對(duì)配電網(wǎng)蓄電池系統(tǒng)實(shí)行充放電,循環(huán)次數(shù)為30次,充電方式為浮充。在表1中,電阻值越大,表示短路故障程度越小。為了模擬短路故障,在進(jìn)行充電的前9次循環(huán)中不使用并聯(lián)電阻。而在第12次、18次、21次、27次和30次循環(huán)充電時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān),這表示信號(hào)中存在5次短路故障信號(hào)。通過(guò)這樣的模擬,可以獲取充電過(guò)程中的電壓信號(hào)。

采用本文方法進(jìn)行測(cè)試前,需對(duì)小波基進(jìn)行取值,該取值結(jié)果與信號(hào)的降噪效果直接關(guān)聯(lián),以信號(hào)的均方誤差作為參考指標(biāo),測(cè)試不同小波基取值下的均方誤差結(jié)果,將最小誤差值作為最終小波基。為了更準(zhǔn)確地確定小波基的取值范圍,隨機(jī)在獲取的電壓中抽取兩段局部信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 小波基取值測(cè)試結(jié)果

由圖可知,兩段局部電壓信號(hào)的均方誤差結(jié)果發(fā)生不同程度的波動(dòng),當(dāng)小波基取值為3、5、6 dB時(shí),第一段局部信號(hào)的均方誤差結(jié)果較低;當(dāng)小波基取值為5、8、10 dB時(shí),第二段局部信號(hào)的均方誤差結(jié)果最低,綜合兩段信號(hào)的測(cè)試結(jié)果,最終確定小波基取值為5 dB,并用于后續(xù)測(cè)試中。

采用本文方法對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行降噪處理,獲取降噪后電壓信號(hào)結(jié)果,并將降噪后的信號(hào)與降噪前進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證本文方法的降噪效果,結(jié)果如圖3所示。

圖3 降噪效果測(cè)試結(jié)果

由圖可知,本文方法具備良好的降噪效果,能夠完成電壓信號(hào)中絕大部分噪聲信號(hào)的去除,并且能夠保留有效電壓信號(hào)的完整性,去除噪聲的電壓信號(hào)沒(méi)有發(fā)生信號(hào)中斷和缺失現(xiàn)象。由此說(shuō)明本文方法可以在保證電壓有效信號(hào)完整性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)信號(hào)降噪。

采用本文方法對(duì)蓄電池短路故障進(jìn)行檢測(cè)時(shí),需要計(jì)算序列元素之間的最短路徑距離。這意味著最短路徑距離的計(jì)算結(jié)果將決定故障檢測(cè)結(jié)果的可靠性。為了評(píng)估本文方法在故障診斷方面的性能,獲取了本文方法在第一次循環(huán)充電與其他各次循環(huán)之間路徑距離的測(cè)試結(jié)果,如圖4所示。

圖4 路徑最短距離測(cè)試結(jié)果

由圖可知,隨著充電循環(huán)次數(shù)增加,最短路徑值也隨之發(fā)生變化,前9次充電循環(huán)中,最短路徑結(jié)果較低,9次之后,路徑距離發(fā)生波動(dòng)性變化,距離波動(dòng)較大則表示在該循環(huán)充電下電壓信號(hào)存在異常。因此,本文方法能夠依據(jù)計(jì)算的距離判斷電壓的變化情況。

為了進(jìn)一步評(píng)估本文方法在短路故障檢測(cè)方面的效果,分別考慮了兩種情況:序列長(zhǎng)度相等和序列長(zhǎng)度不相等。對(duì)前10次循環(huán)充電獲取的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),獲取DTW的計(jì)算結(jié)果,如圖5所示。

圖5 短路故障檢測(cè)結(jié)果

由圖可知,兩種序列長(zhǎng)度下,本文方法均能夠完成前10次循環(huán)充電電壓信號(hào)的檢測(cè),并且在第9次時(shí),檢測(cè)出異常值。該結(jié)果表明本文方法檢測(cè)性能良好,能夠在序列長(zhǎng)度存在差異的情況下完成故障的準(zhǔn)確檢測(cè)。

為直觀體現(xiàn)本文方法的短路故障檢測(cè)效果,采用本文方法對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行診斷,并獲取信號(hào)序列的相似度值,以此判斷本文方法的故障檢測(cè)效果,測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 相似度值測(cè)試結(jié)果

觀察圖6可知,使用本文方法計(jì)算出的6個(gè)相似度值之間存在較大差距,表示出現(xiàn)6次故障,該結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致。這是因?yàn)楸疚姆椒ㄔ谶M(jìn)行短路故障檢測(cè)時(shí),綜合考慮了信號(hào)降噪和不平衡時(shí)間序列處理,能夠?qū)π蛄袛?shù)據(jù)集中的不平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理,因此能夠依據(jù)蓄電池的電壓信號(hào)可靠地檢測(cè)出短路故障,并且不會(huì)受到噪聲的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,蓄電池若發(fā)生短路故障,可能會(huì)引發(fā)連帶的電池故障,并給配電網(wǎng)造成嚴(yán)重?fù)p失。為了可靠地完成蓄電池系統(tǒng)的短路故障檢測(cè),本文提出了一種基于小波降噪的方法。該方法在配電網(wǎng)蓄電池系統(tǒng)短路故障檢測(cè)方面進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明其具有較高的檢測(cè)性能。本文方法在蓄電池系統(tǒng)短路故障檢測(cè)時(shí)使用小波降噪技術(shù),能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到故障的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在循環(huán)充電次數(shù)變化的情況下,本文方法的故障檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致,并且可以根據(jù)相似度值準(zhǔn)確判斷故障次數(shù),這表明本文方法在實(shí)際應(yīng)用中具有較強(qiáng)的實(shí)用性。