趙文強(qiáng), 周軍, 王正偉, 石生超

(國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院, 西寧 810008)

特高壓輸電系統(tǒng)送端電網(wǎng)不僅容量大、輸送距離遠(yuǎn),還能在供電需求大的地區(qū)合理分配電力資源,保障電力供應(yīng),實(shí)現(xiàn)真正意義上的電力高效傳輸。然而特高壓輸電系統(tǒng)的長期運(yùn)行會加重送端電網(wǎng)的無功調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān),使送端電網(wǎng)逐漸無法滿足輸電系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)需求,最終發(fā)生直流閉鎖等問題。為了消除特高壓輸電系統(tǒng)的安全隱患,通常將同步調(diào)相機(jī)與輸電系統(tǒng)結(jié)合[1]。同步調(diào)相機(jī)是無機(jī)械負(fù)載、無原動機(jī)拖動、始終處于電動機(jī)狀態(tài)的同步電機(jī),在輔助特高壓輸電系統(tǒng)完成輸電工作時,主要通過調(diào)相機(jī)的無功補(bǔ)償能力平衡系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)需求,支撐系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。因此,同步調(diào)相機(jī)對消除特高壓輸電系統(tǒng)內(nèi)劇烈的無功波動有著至關(guān)重要的作用。若同步調(diào)相機(jī)在系統(tǒng)無功需求持續(xù)增長的過程中出現(xiàn)故障,那么特高壓輸電系統(tǒng)也會由于支撐力不足而出現(xiàn)輸電中斷等問題。因此,需要對特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)故障診斷方法進(jìn)行研究。

為了及時識別同步調(diào)相機(jī)故障位點(diǎn),保證特高壓輸電系統(tǒng)安全運(yùn)行,國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)故障診斷方法進(jìn)行了研究。如李永剛等[2]通過電磁有限元仿真軟件Maxwell構(gòu)建應(yīng)用于特高壓輸電系統(tǒng)的同步調(diào)相機(jī)模型,并記錄模型在動、靜偏心故障發(fā)生后的振動頻率。通過推導(dǎo)振動頻率的特征量,并輸入粒子群算法中,實(shí)現(xiàn)特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)故障診斷,該方法存在斷路故障診斷性能差的問題。李俊卿等[3]通過Iava Web技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測同步調(diào)相機(jī)實(shí)時狀態(tài),并將狀態(tài)相關(guān)量以散點(diǎn)的形式映射至前端可視化平面。通過觀察平面內(nèi)脫離正常運(yùn)行的散點(diǎn),了解同步調(diào)相機(jī)故障信息,實(shí)現(xiàn)特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)故障診斷,該方法在特高壓輸電系統(tǒng)中存在短路故障診斷精度不高的問題。李環(huán)宇等[4]通過計(jì)算各支路誤差電流,獲取基于同步調(diào)相機(jī)的故障檢測變量,實(shí)現(xiàn)特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)故障診斷。該方法所有的分析均基于電流傳感器處于健康狀態(tài)的前提條件,并未考慮其他異常情況下的故障檢測效果。蔣夢瑤等[5]提出基于瞬時功率偶數(shù)次諧波的TTS-300-2型同步調(diào)相機(jī)定子繞組匝間短路故障診斷方法。利用有限元分析平臺建立定子繞組匝間短路仿真模型,利用實(shí)驗(yàn)室小型同步電機(jī)模擬調(diào)相機(jī)運(yùn)行,比較不同故障程度,不同運(yùn)行工況下,瞬時功率中特征頻率的幅值變化。該方法僅采用模擬試驗(yàn)進(jìn)行性能故障診斷,未進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),不能完全確定診斷性能的可靠性。張玉良等[6]提出基于變分模態(tài)分解(variational mode decomposition,VMD)和多核支持向量機(jī)(multi-kernel support vector machine, MSVM)的同步調(diào)相機(jī)載荷分配故障診斷方法。針對該信號非線性且成分復(fù)雜的特性,利用 VMD 將其分解為多層模態(tài)函數(shù),將特征向量輸入核函數(shù)構(gòu)建的MSVM中進(jìn)行故障診斷。該方法可以有效地對載荷分配不均的故障進(jìn)行診斷識別,但對于短路電流的故障診斷效果不佳。馬明晗等[7]基于Simulink+Maxwell/Simplorer構(gòu)建了含同步調(diào)相機(jī)的高壓直流輸電的場-路-網(wǎng)耦合模型,分析了雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)換相失敗前后轉(zhuǎn)子受到的不平衡磁拉力,對解釋機(jī)組異常振動、診斷靜偏心故障有一定的參考價值。該方法也可實(shí)現(xiàn)輸電系統(tǒng)的故障診斷,但在特高壓輸電系統(tǒng)短路故障診斷中存在效果不理想的問題。

為了解決上述方法中存在的問題,現(xiàn)提出特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)故障診斷方法研究的方法。在故障信號采集與降噪處理的基礎(chǔ)上,從單位信號模態(tài)分量的中心頻率入手,利用支持向量機(jī)實(shí)現(xiàn)同步調(diào)相機(jī)故障診斷。該方法對于提高特高壓輸電系統(tǒng)斷路和短路故障診斷精度,確保特高壓輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

1 故障信號的采集與預(yù)處理

1.1 故障信號的采集

含同步調(diào)相機(jī)的特高壓輸電系統(tǒng)采用雙極對稱運(yùn)行方式就近補(bǔ)償換流站消耗的無功功率[8],避免系統(tǒng)局部無功功率疊加,造成送端電網(wǎng)母線負(fù)載過盈。特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)主電路如圖1所示。

圖1 特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)主電路Fig.1 Main circuit of synchronous condenser for ultra-high voltage transmission system

維持同步調(diào)相機(jī)正常運(yùn)行的主要零部件是機(jī)組內(nèi)部參與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的軸承[9]。正常情況下,軸承機(jī)械振動為調(diào)相機(jī)同軸勵磁啟動提供大小適宜的動能和勢能。當(dāng)軸承受到高溫、強(qiáng)撞擊等干擾因素的影響,出現(xiàn)芯片過熱、軸承磨損、破碎和變形時,調(diào)相機(jī)的電動機(jī)組運(yùn)行情況將由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴淮_定狀態(tài)。不確定狀態(tài)對軸承受力會有很大沖擊。從受力角度分析,軸承座不是依靠墊鐵緊固的剛性連接,而是由灌漿澆筑的防滲帷幕。這種有別于剛性接觸面的不規(guī)則接觸面在遭受外界干擾時極易由于墊片靈活性差而出現(xiàn)受力過激等問題,導(dǎo)致軸承機(jī)械振動超標(biāo)。采集特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)故障信號實(shí)際上就是采集軸承機(jī)械振動超標(biāo)時的振動信號[10-11]。軸承單次循環(huán)產(chǎn)生的動能和勢能的表達(dá)式為

(1)

式(1)中:Y為軸承單次循環(huán)產(chǎn)生的動能;P為軸承單次循環(huán)產(chǎn)生的動能和勢能;Iv(α)為無功功率變化量;α為送端電網(wǎng)暫態(tài)電壓;i為等值阻抗;m為調(diào)相機(jī)同步電抗;ui為附加磁動勢;uj為脈振磁動勢。

軸承機(jī)械振動超標(biāo)的表達(dá)式為

(2)

在同步調(diào)相機(jī)軸承座附近布置多個信號采集裝置,方便實(shí)時采集與調(diào)相機(jī)不確定狀態(tài)息息相關(guān)的振動信號,為后續(xù)診斷調(diào)相機(jī)故障提供真實(shí)可靠的訓(xùn)練樣本。振動信號的函數(shù)表達(dá)式為

(3)

1.2 故障信號的預(yù)處理

通過信號采集裝置獲取的振動信號由于存在分量較高的噪聲[12],極易出現(xiàn)信號間歇性中斷或信號高頻表達(dá)不充分等問題,尚不能作為訓(xùn)練樣本診斷特高壓輸電系統(tǒng)同步相機(jī)故障。想要獲取更為精確的診斷結(jié)果,需要在應(yīng)用振動信號前,優(yōu)先利用降噪算法消除信號噪聲。針對軸承振動信號的去噪采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?ensemble empirical mode decomposition,EEMD)算法[13-15]。由于軸承振動信號在波動頻率上具有較強(qiáng)的周期特點(diǎn),因此信號局部包絡(luò)的混疊現(xiàn)象相較于其他信號更為復(fù)雜。傳統(tǒng)去噪算法主要通過識別、抑制噪點(diǎn)的方式,在保留信號高、低頻成分的前提下優(yōu)化信號[16]。就振動信號而言,難以識別非平穩(wěn)噪點(diǎn),是導(dǎo)致振動信號消噪困難的主要原因,因此保留信號高、低頻成分并不足以減少信號損失。集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾娜ピ胨悸穱@周期和原信號展開,即將信號包絡(luò)按時間尺度排列在均值曲線上,抵消信號局部包絡(luò)混疊現(xiàn)象的同時,在凸顯周期特點(diǎn)的波動頻率上重構(gòu)振動信號,達(dá)到降噪的目的。信號頻率周期的表達(dá)式為

(4)

式(4)中:go為信號的點(diǎn)數(shù);β為信號有效功率;a為有用信息丟失率。

振動信號時間尺度的表達(dá)式為

(5)

式(5)中:Xij(θ)為軸承轉(zhuǎn)頻;θ為信噪比;θ1為信噪比的最大值,值為100 dB;v1為調(diào)相機(jī)氣隙磁導(dǎo)。

集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾谋磉_(dá)式為

(6)

降噪前后軸承振動信號波形如圖2所示。

圖2 降噪前后軸承振動信號波形Fig.2 Waveform of bearing vibration signal before and after noise reduction

2 同步調(diào)相機(jī)故障診斷

想要通過分類的方式實(shí)現(xiàn)特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)故障診斷,需要先提取調(diào)相機(jī)軸承振動信號特征。同步調(diào)相機(jī)的故障類型多樣,其對應(yīng)振動信號所蘊(yùn)含的能量熵[17]也有所不同?？紤]到信號模態(tài)分量的中心頻率在頻域和時域兩方面具有較為獨(dú)立的特點(diǎn),在提取振動信號特征時,可以從單位信號模態(tài)分量的中心頻率入手。振動信號模態(tài)分量中心頻率的表達(dá)式為

A=sjcos[ψ(c′)]

(7)

式(7)中:sj為信號離散度;ψ(c′)為頻域容限;c′為時域容限。

在成功獲取振動信號模態(tài)分量中心頻率的基礎(chǔ)上,計(jì)算該頻率所蘊(yùn)含的能量熵,并視反映實(shí)際故障類型的能量熵為振動信號的特征向量。能量熵的計(jì)算公式為

(8)

式(8)中:i2k-1為振動信號總體能量;fik為中心頻率集合;k為迭代次數(shù)。

支持向量機(jī)[18-20](support vector machine,SVM)是以規(guī)避結(jié)構(gòu)風(fēng)險為優(yōu)勢的機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法,該算法的核心思路圍繞最小化準(zhǔn)則展開,即通過將高維度、非線性的大基數(shù)訓(xùn)練樣本投射至無窮維空間,并利用最優(yōu)超平面分割非線性不可分樣本,使樣本從無序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性區(qū)間,實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練樣本的分類。

步驟1將振動信號特征作為訓(xùn)練樣本輸入支持向量機(jī)中,支持向量機(jī)在接收訓(xùn)練樣本的第一時間開啟無窮維空間并投射信號。無窮維空間的表達(dá)式為

(9)

式(9)中:σ為空間容量;dn為信號維數(shù);γn為對錯誤投射信號的懲罰程度。

步驟2振動信號特征在接觸最優(yōu)超平面前通常以無序的分布狀態(tài)離散在空間各個角落。最優(yōu)超平面作為支持向量的分類核心,能夠以一對一、一對多等形式依次把特征向量相近的振動信號歸為一類。最優(yōu)超平面的表達(dá)式為

G=?[ws(2μ-1)]

(10)

式(10)中:ws為最優(yōu)超平面的法向量;?為兩類特征向量被正確分開的幾率;μ為類別標(biāo)簽。

步驟3參數(shù)選擇。定義一個風(fēng)險函數(shù),來符合支持向量機(jī)的要求。此風(fēng)險函數(shù)旨在訓(xùn)練數(shù)據(jù)值中找到擁有最多ε偏置的函數(shù),并使其盡可能平滑。該風(fēng)險函數(shù)的表達(dá)式為

(11)

式(11)中:C為懲罰因子;L為風(fēng)險項(xiàng)。C越大表示對訓(xùn)練誤差大于ε樣本的懲罰越大。

步驟4選擇徑向基核函數(shù)。泛化能力的提高離不開核函數(shù)類型及相關(guān)參數(shù)的選取。對于大多數(shù)非線性高維數(shù)據(jù),其使用徑向基核函數(shù)均取得了更為精確的結(jié)果,選用的徑向基核函數(shù)表達(dá)式為

K(xi,x)=exp(-φ‖xi-x‖2)

(12)

式(12)中:基函數(shù)φ為非線性函數(shù);訓(xùn)練數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)(xi,x)為基函數(shù)φ的中心。

步驟5由支持向量機(jī)輸出的特征類別能夠較為容易地反映同步調(diào)相機(jī)的故障類型,根據(jù)支持向量機(jī)的分類結(jié)果,即可實(shí)現(xiàn)特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)的故障診斷。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)故障診斷方法研究的整體有效性,對其測試試驗(yàn)。選取某段特高壓輸電線路和換流站作為研究對象,將250 MVar同步調(diào)相機(jī)安裝在特高壓輸電系統(tǒng)送受端換流站的交流側(cè),為交流電網(wǎng)提供無功支撐。試驗(yàn)用同步調(diào)相機(jī)及其驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)對象及其驅(qū)動電路Fig.3 Test object and its driving circuit

試驗(yàn)用同步調(diào)相機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 同步調(diào)相機(jī)的技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of synchronous camera

通過人工切斷同步調(diào)相機(jī)串聯(lián)回路,擊穿串聯(lián)回路絕緣層,模擬同步調(diào)相機(jī)驅(qū)動電路的斷路故障(斷路點(diǎn)α、斷路點(diǎn)β、電路點(diǎn)γ)和短路故障(短路點(diǎn)a、短路點(diǎn)b、短路點(diǎn)c)。驅(qū)動電路模擬故障的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 驅(qū)動電路模擬故障的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Topological structure of driving circuit simulation faults

3.1 斷路故障

由圖4可知,同步調(diào)相機(jī)驅(qū)動電路主要以串聯(lián)回路的形式連接各項(xiàng)轉(zhuǎn)子繞組和晶閘管,完成電流、電壓的輸送工作?，F(xiàn)設(shè)計(jì)三組斷路故障,第一組斷路點(diǎn)α3號支路被切斷,α4號支路完整;第二組斷路點(diǎn)β15號、β16號支路同時被切斷;第三組斷路點(diǎn)γ36號支路被切斷,γ35號支路完整。這三組斷路點(diǎn)的實(shí)際電流、電壓變化情況分別如圖5～圖7所示。

由圖5可知,斷路點(diǎn)α3號支路被切斷后,α3號支路電壓和電流降至0,由α4號支路代償。由圖6可知,斷路點(diǎn)β15號、β16號支路被切斷后電壓和電流均降至0。由圖7可知,斷路點(diǎn)γ36號支路被切斷后電壓和電流均降至0,由γ35號支路代償。

圖6 斷路點(diǎn) β 的電流和電壓變化情況Fig.6 Current and voltage changes at break point β

圖7 斷路點(diǎn) γ 的電流和電壓變化情況Fig.7 Current and voltage changes at break point γ

分別采用所提方法、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法診斷特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)故障,不同方法對上述三組斷路點(diǎn)的診斷結(jié)果分別如圖8～圖10所示。

圖8 斷路點(diǎn)α診斷結(jié)果Fig.8 Diagnostic results of breaking point α

圖10 斷路點(diǎn) γ 診斷結(jié)果Fig.10 Diagnostic results of breakpoint γ

由圖8～圖10分別對比圖5～圖7可知,所提方法下斷路點(diǎn)α、斷路點(diǎn)β 和斷路點(diǎn)γ 的診斷結(jié)果與該處電流、電壓實(shí)際波形基本吻合,說明所提方法能夠準(zhǔn)確識別同步調(diào)相機(jī)驅(qū)動電路的故障位點(diǎn),對應(yīng)用于特高壓輸電系統(tǒng)的同步調(diào)相機(jī)具有較強(qiáng)的診斷性能。主要是由于所提方法在診斷同步調(diào)相機(jī)故障前,優(yōu)先利用去噪算法消除振動信號噪聲,獲取更為精確的訓(xùn)練樣本,使獲取的診斷結(jié)果可信度更高。而文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法下的斷路點(diǎn)α、斷路點(diǎn)β和斷路點(diǎn)γ的診斷結(jié)果與該處電流、電壓實(shí)際波形相比,呈現(xiàn)整體偏離的趨勢,說明文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法無法準(zhǔn)確識別同步調(diào)相機(jī)驅(qū)動電路的故障位點(diǎn),對應(yīng)用于特高壓輸電系統(tǒng)的同步調(diào)相機(jī)的診斷性能較差。經(jīng)上述對比,可知所提方法對斷路故障的診斷性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

3.2 短路故障

不同于斷路故障,同步調(diào)相機(jī)驅(qū)動電路在發(fā)生短路故障時不會由于傳輸線路被切斷而產(chǎn)生電流、電壓降至零點(diǎn)的現(xiàn)象。理論上來說,在定子繞組或晶閘管發(fā)生短路故障時,流經(jīng)短路點(diǎn)的定子電流會由于有效繞組減少而略微下降,然而在實(shí)際工況中,除定子電流這一物理參數(shù)外,串聯(lián)回路前后兩端的調(diào)相機(jī)功率和定子電壓都未發(fā)生明顯變化,因此短路點(diǎn)發(fā)生故障時,可以在與其串聯(lián)的其余相中檢測出大幅增加的諧波電流。這些諧波電流在平面圖中,具體表現(xiàn)為畸變程度不一的電流峰值。

分別采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法診斷特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)故障,不同方法對路點(diǎn)a、短路點(diǎn)b、短路點(diǎn)c的診斷結(jié)果如圖11所示。

圖11 短路點(diǎn)診斷結(jié)果Fig.11 Diagnosis results of short circuit points

由圖11可知,所提方法在a、b、c三組短路點(diǎn)檢測到的諧波電流幅值與實(shí)際諧波電流幅值在各峰值處的重合率較高,說明所提方法對同步調(diào)相機(jī)的故障診斷性能較強(qiáng)。文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法在a、b、c三組短路點(diǎn)檢測到的諧波電流幅值與實(shí)際諧波電流幅值在各峰值處的重合率較低,說明文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法對同步調(diào)相機(jī)的故障診斷性能較差。經(jīng)上述對比,可知所提方法對短路故障的診斷性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

4 結(jié)論

作為輸電工程專用的無功功率源,同步調(diào)相機(jī)在無功數(shù)值的調(diào)節(jié)靈敏度上明顯優(yōu)于其他設(shè)備。為了及時檢修同步調(diào)相機(jī),相關(guān)人員投入到特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)故障診斷方法的研究之中。提出了特高壓輸電系統(tǒng)用同步調(diào)相機(jī)故障診斷方法。在故障信號的采集與預(yù)處理的基礎(chǔ)上,利用支持向量機(jī)方法實(shí)現(xiàn)同步調(diào)相機(jī)故障診斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提方法對于斷路故障和短路故障的診斷效果均較好,有利于特高壓輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。