張 強(qiáng)

（甘肅電投河西水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，直流系統(tǒng)在水電站中的地位越來(lái)越重要，其穩(wěn)定性和可靠性直接影響到水電站的正常運(yùn)行。然而，由于各種因素的影響，直流系統(tǒng)接地故障時(shí)有發(fā)生，給水電站的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)很大的威脅。水電站的直流系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，它的主要功能是為水電廠的控制系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、繼電保護(hù)設(shè)備等提供穩(wěn)定的直流供電[1]。由于直流系統(tǒng)在水電站中的重要性，它的穩(wěn)定可靠與否，將對(duì)水電站的安全運(yùn)行產(chǎn)生重要的影響。然而，由于設(shè)備老化、環(huán)境因素、人為操作失誤等原因，在水電站中，直流系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生接地故障，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成極大的威脅。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流系統(tǒng)的接地故障的自動(dòng)診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障，是保障水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要措施。在直流系統(tǒng)中，如果發(fā)生接地故障，就會(huì)導(dǎo)致正負(fù)電源之間的絕緣電阻降低，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[2]。具體來(lái)說(shuō)，接地故障可能會(huì)帶來(lái)以下危害：燒毀設(shè)備、跳閘誤動(dòng)、破壞繼電保護(hù)、破壞監(jiān)控系統(tǒng)等。為避免上述問(wèn)題發(fā)生時(shí)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，本文將結(jié)合小波能量熵，開(kāi)展對(duì)水電站直流系統(tǒng)接地故障自動(dòng)診斷的研究。

1 水電站直流系統(tǒng)接地電阻并聯(lián)值測(cè)量

水電站直流系統(tǒng)接地電阻并聯(lián)值測(cè)量是確保直流系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要步驟[3]。在水電站中，為了保證控制、信號(hào)和繼電保護(hù)等裝置的安全可靠供電，對(duì)其接地電阻的檢測(cè)就顯得非常重要。并聯(lián)值測(cè)量是一種常用的測(cè)量方法，其基本原理是將多個(gè)電阻器并聯(lián)在一起，以獲得更低的總電阻值。這種方法在水電站直流系統(tǒng)接地電阻的測(cè)量中具有廣泛應(yīng)用。

在進(jìn)行水電站直流系統(tǒng)接地電阻并聯(lián)值測(cè)量時(shí)，準(zhǔn)備必要的測(cè)量工具和材料，包括電阻器、導(dǎo)線、萬(wàn)用表等。選擇直流系統(tǒng)的合適點(diǎn)作為接地電阻的測(cè)量點(diǎn)，通常選擇接地母線或接地極[4]。將電阻器按照并聯(lián)方式連接在測(cè)量點(diǎn)上，確保連接牢固可靠。使用萬(wàn)用表測(cè)量并記錄接地電阻的值。為確保其精度，需對(duì)其進(jìn)行多次測(cè)試，并求其平均值。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，分析接地電阻是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。如果不符合要求，需要進(jìn)行相應(yīng)處理，如增加接地極或改善接地系統(tǒng)等。在測(cè)量的過(guò)程中可將水電站直流系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)由電阻、等效電容、直流饋線負(fù)載組成的等效模型。其中，電阻值可以通過(guò)下述公式計(jì)算得出：

式中，R表示電阻阻值；ρ表示電導(dǎo)率；n表示線圈匝數(shù)；r表示線圈半徑；d表示導(dǎo)線直徑。水電站直流系統(tǒng)接地實(shí)際是指與大地之間的絕緣電阻值減小到閾值以下。假設(shè)R+和R-分別表示正負(fù)極上的對(duì)地絕緣電阻。在水電站直流系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通常接地電阻小于25kΩ時(shí)，判定為接地故障。

采用常規(guī)的母線電壓與接地漏電流之比求出支路的絕緣電阻值，利用漏電極性判別法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)分支點(diǎn)接地的有效探測(cè)。如果有兩個(gè)或更多的支路接地，將無(wú)法準(zhǔn)確地反映出系統(tǒng)的接地狀況。若單支路為雙極接地，且接地電阻相等，則其漏電流為0，且接地電阻不超過(guò)閾值[5]。由于外界環(huán)境的改變，漏電檢測(cè)器的零漂也會(huì)受到影響，從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與真實(shí)結(jié)果有很大的誤差，所以不能忽略其對(duì)支路接地電阻的影響。在未發(fā)生接地故障的情況時(shí)，開(kāi)關(guān)處于合上狀態(tài)，雙極饋線之間沒(méi)有電流差，此時(shí)漏電流傳感器不會(huì)輸出信號(hào)。如果是在直流母線上，就不能采集到故障點(diǎn)的泄漏電流。通過(guò)對(duì)各支路的接地電阻進(jìn)行計(jì)算，得出各支路的正阻抗和負(fù)阻抗，從而可以間接地測(cè)定母線接地電阻的阻值[6]。而每一支路的雙極接地電阻之和，就是該線路雙極等值接地電阻的數(shù)值。假設(shè)母線正負(fù)極對(duì)地電壓分別表示為U+和U-，則可得：

2 基于小波能量熵的直流系統(tǒng)接地故障多尺度分析

小波分析因其優(yōu)良的時(shí)頻局域性，可以從多個(gè)尺度有效地提取信號(hào)的特征。而能量熵則可以用于衡量信號(hào)的復(fù)雜度和不確定性。

在多尺度分析中，小波分析是把信號(hào)分解為不同的頻率分量，而每一分量又分別與一種尺度相對(duì)應(yīng)。小波變換的基本公式為：

式中，c(a,b)表示小波系數(shù)；f(t)表示輸入信號(hào)；ψ(t)表示小波函數(shù)；a和b分別表示尺度參數(shù)和平移參數(shù)。通過(guò)對(duì)不同尺度上的信號(hào)進(jìn)行能量熵計(jì)算，可以獲得信號(hào)在不同尺度上的復(fù)雜度和不確定性。能量熵的計(jì)算為：

式中，H表示能量熵值；pi表示各個(gè)狀態(tài)的概率。這有助于更好地理解信號(hào)的本質(zhì)特征，從而更準(zhǔn)確地診斷接地故障。當(dāng)pi的取值為0時(shí)，此時(shí)pilog2pi為0，能量熵值H是在一定的狀態(tài)當(dāng)中對(duì)水電站直流系統(tǒng)定位的測(cè)度信息，是一種衡量一個(gè)序列不確定度的方法，它可以用來(lái)估算一個(gè)隨機(jī)信號(hào)的復(fù)雜度。

在實(shí)際應(yīng)用中，利用上述水電站直流系統(tǒng)接地電阻并聯(lián)值測(cè)量得到的電壓和電流信號(hào)，以獲取接地故障的相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行小波變換，將其分解成不同尺度的成分。對(duì)每個(gè)尺度上的信號(hào)成分計(jì)算其能量熵，以獲得信號(hào)的復(fù)雜度和不確定性[8]。從能量熵的計(jì)算結(jié)果中提取出與接地故障相關(guān)的特征信息。

3 小波熵接地檢測(cè)與故障自動(dòng)診斷

在得到所需的特征信息后，進(jìn)一步對(duì)水電站直流系統(tǒng)進(jìn)行小波熵接地檢測(cè)和故障自動(dòng)診斷。這一步驟是整個(gè)分析過(guò)程的重點(diǎn)，旨在準(zhǔn)確識(shí)別和定位直流系統(tǒng)的接地故障。

小波熵接地檢測(cè)是一種基于小波變換和信息熵的檢測(cè)方法。該方法采用小波分析方法，對(duì)直流輸電線路的電壓、電流信號(hào)做多尺度分析，并從多個(gè)尺度上提取其特征信息。然后，通過(guò)計(jì)算這些特征信息的熵值，可以得到信號(hào)的復(fù)雜度和不確定性[9]。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，信號(hào)的熵值會(huì)發(fā)生變化，從而可以檢測(cè)到故障的存在。

在完成小波熵接地檢測(cè)后，進(jìn)行故障自動(dòng)診斷。這一步驟基于提取的特征信息和預(yù)設(shè)的閾值或分類器。通過(guò)比較實(shí)際測(cè)量值與閾值或使用分類器進(jìn)行模式識(shí)別，可以自動(dòng)判斷是否存在接地故障以及故障的類型和位置。將水電站直流系統(tǒng)常見(jiàn)接地故障的具體參數(shù)數(shù)據(jù)匯總，構(gòu)成數(shù)據(jù)庫(kù)。將得到的特征信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的故障實(shí)例進(jìn)行對(duì)比，利用歐氏距離度量方法，檢索出相似度最高的故障類型。歐氏距離度量方法的計(jì)算為：

式中，di表示歐氏距離；Xh表示實(shí)際運(yùn)行中水電站直流系統(tǒng)中第h個(gè)參數(shù)的實(shí)際值；Yih表示數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中第i個(gè)故障實(shí)例的第h個(gè)參數(shù)的實(shí)際值。通過(guò)上式計(jì)算得出的di值越大，則說(shuō)明特征信息與案例之間的距離越大，相似度越小。將上式進(jìn)一步轉(zhuǎn)換得到相似度：

式中，ωi表示相似度。將上式輸入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行實(shí)現(xiàn)對(duì)獲取到的特征信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中各個(gè)階段故障類型的對(duì)比，將得到的相似度值最高的對(duì)應(yīng)故障類型作為最終的診斷結(jié)果輸出。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

本文旨在通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，探討基于小波能量熵方法在水電站直流系統(tǒng)接地故障自動(dòng)診斷中的效果。選取某大型水電站的直流系統(tǒng)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)具有復(fù)雜的接線結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境。收集其在正常運(yùn)行和發(fā)生接地故障時(shí)的數(shù)據(jù)，作為實(shí)驗(yàn)樣本。選擇低頻信號(hào)電壓為20V，頻率為35Hz作為低頻信號(hào)注入。在獲取到的實(shí)驗(yàn)樣本當(dāng)中包含了少量600Hz以及高頻噪聲干擾。圖1為在沒(méi)有故障發(fā)生的情況下水電站直流系統(tǒng)的運(yùn)行信號(hào)。

圖1 無(wú)故障發(fā)生情況下水電站直流系統(tǒng)運(yùn)行信號(hào)

從圖1可以看出，在水電站直流系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，信號(hào)電流始終控制在-40～+40mA范圍內(nèi)。這一電流范圍是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的，確保了直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在此范圍內(nèi)，信號(hào)電流的幅度基本一致，表明系統(tǒng)內(nèi)部的電流分布均勻且穩(wěn)定。此外，從圖中的曲線可以看出，信號(hào)電流的變化非常平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)突然的波動(dòng)或跳變，這也進(jìn)一步證明了直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)于水電站的正常運(yùn)行至關(guān)重要，因?yàn)樗ＷC了電力供應(yīng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，進(jìn)而確保了水電站的安全和可靠性。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)人為的方式，在20～30ms和40～50ms兩個(gè)分段設(shè)置接地故障，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，信號(hào)電流變化范圍將縮小到-20～+20mA范圍。分別利用本文上述提出的基于小波能量熵的診斷方法（實(shí)驗(yàn)組）、基于電流行波的診斷方法（對(duì)照A組）和基于電流修正的診斷方法（對(duì)照B組）對(duì)該水電站直流系統(tǒng)接地故障進(jìn)行診斷，并將得到的診斷結(jié)果繪制成如圖2～圖4所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)組接地故障診斷結(jié)果

從圖2可以看出，實(shí)驗(yàn)組診斷方法診斷出兩組電流變化在-20～+20mA范圍的信號(hào)。這一電流范圍與人為設(shè)置的接地故障范圍完全一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)組診斷方法的準(zhǔn)確性。由于實(shí)驗(yàn)組方法成功識(shí)別出異常電流信號(hào)，并且這個(gè)范圍與實(shí)際接地故障相符，因此可以確信該方法能夠準(zhǔn)確地診斷直流系統(tǒng)的接地故障。

同時(shí)，從圖3和圖4中，可以看到對(duì)照A組診斷方法也診斷出了電流變化在-20～+20mA范圍的信號(hào)。然而，其異常波動(dòng)的范圍與人為設(shè)置的時(shí)間范圍相比存在較大的差異，這表明該方法在某些情況下可能存在一定的診斷誤差。

圖3 對(duì)照A組接地故障診斷結(jié)果

圖4 對(duì)照B組接地故障診斷結(jié)果

而對(duì)照B組診斷方法在實(shí)驗(yàn)中僅成功診斷出一組電流變化在-20～+20mA范圍的信號(hào)，對(duì)于另一組并沒(méi)有給出準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。此外，其診斷出的電流異常波動(dòng)范圍與實(shí)際接地故障范圍相差較大，這進(jìn)一步說(shuō)明對(duì)照B組的診斷方法在實(shí)際應(yīng)用中可能存在較大的局限性。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出結(jié)論：實(shí)驗(yàn)組診斷方法不僅具備極高的診斷精度，而且能夠準(zhǔn)確識(shí)別直流系統(tǒng)的接地故障。這種方法在實(shí)際應(yīng)用中是可行的，并且具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

直流系統(tǒng)的接地故障嚴(yán)重影響了水電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，所以研究其故障診斷方法是十分必要的。目前常用的自動(dòng)診斷方法包括絕緣電阻檢測(cè)法、支路電壓法、主動(dòng)電流注入法、被動(dòng)電流注入法和人工智能診斷法等。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的診斷方法，以達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除接地故障的目的。同時(shí)，還需要加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)和管理，以減少接地故障的發(fā)生概率，從而保障水電站的穩(wěn)定運(yùn)行。