【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；故障識別；配電自動化主站；信號處理；Hilbert-Huang 變換

引言

隨著電力系統(tǒng)的日益復(fù)雜和智能化，配電自動化作為保障電網(wǎng)安全、高效運行的關(guān)鍵技術(shù)之一，其重要性日益凸顯。然而，電網(wǎng)在運行過程中不可避免地會遇到各種故障，這些故障若不能得到及時準(zhǔn)確地識別和處理，將可能對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量造成嚴重影響。Hilbert-Huang變換作為一種新興的信號處理方法，能夠有效地處理非平穩(wěn)、非線性的信號。HHT由經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和Hilbert譜分析兩部分組成，其中EMD能夠?qū)?fù)雜的信號分解為一系列本征模態(tài)函數(shù)，而HSA則能夠進一步提取IMF的瞬時頻率和能量分布信息。因此，HHT在電力系統(tǒng)故障識別領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。秦雪[1]等人在探討不同故障波形的識別上，從時域、頻域和電弧三個維度構(gòu)建了相應(yīng)的模型，并提出了能夠反映不同故障波形特性的特征參數(shù)。通過檢測并分類這些特征量，實現(xiàn)了配網(wǎng)線路故障類型的自動辨識，無需人工干預(yù)。王東芳[2]等人采用了一種實時波形比對的方法。它首先實時采集暫態(tài)波形信號，然后與波形庫中的標(biāo)準(zhǔn)波形進行比對，尋找最為相似的波形。根據(jù)這些波形的特征參數(shù)和相關(guān)的故障信息，快速確定故障的類型、位置以及可能的原因。而本文方法通過對電網(wǎng)中的各種電氣量進行Hilbert-Huang變換，可以提取出這些電氣量的本質(zhì)特征，進而識別出電網(wǎng)中的故障類型和故障位置。

一、基于Hilbert-Huang變換的配電自動化主站FA故障識別的設(shè)計

（一）配電自動化系統(tǒng)主站結(jié)構(gòu)的分析

配電主站作為電力系統(tǒng)的核心組件，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、人機界面交互以及多種應(yīng)用功能的實現(xiàn)，確保了電力系統(tǒng)的高效運行和智能化管理。其中，配電主站具備強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崟r采集、處理并存儲來自配電網(wǎng)的各種數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括但不限于電流、電壓、功率因數(shù)等實時運行參數(shù)，以及設(shè)備狀態(tài)、故障信息等。通過高效的數(shù)據(jù)處理機制，配電主站能夠迅速分析這些數(shù)據(jù)，為電力系統(tǒng)的運行提供有力支持。配電主站提供直觀、友好的人機界面，方便操作人員進行實時監(jiān)控和控制。通過人機界面，操作人員可以及時了解配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，包括設(shè)備參數(shù)、實時數(shù)據(jù)以及故障信息等。此外，人機界面還支持各種控制操作，如遠程切換、調(diào)節(jié)等，大大提高了操作人員的工作效率和便利性。配電主站功能多樣，確保電力系統(tǒng)高效智能運行。它能實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理故障；支持遠程控制電力設(shè)備，如開關(guān)操作；具有強大的故障診斷與定位能力，快速應(yīng)對突發(fā)情況；同時，深入數(shù)據(jù)分析為運維提供決策支持，優(yōu)化運行策略。此外，完善的用戶權(quán)限管理保障了系統(tǒng)安全穩(wěn)定。這些功能共同助力電力系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。下圖1為常見的配電自動化主站的架構(gòu)。

（二）基于Hilbert-Huang變換提取FA故障信號

Hilbert-Huang變換是一種強大的信號處理技術(shù)，由希爾伯特譜分析和黃氏變換組成，通常用于處理非線性、非平穩(wěn)信號。在故障識別領(lǐng)域，HHT可以提取信號中的特征信息[3]，從而幫助識別和分類不同的故障模式。Hilbert譜分析則是對每個IMF分量進行Hilbert變換，從而得到其瞬時頻率和瞬時幅度。這些信息能夠揭示信號在時間-頻率平面上的能量分布情況，為故障識別提供了豐富的特征信息。因此，本文選擇該處理技術(shù)來提取FA故障信號。

在電力網(wǎng)絡(luò)的實際運行中，故障發(fā)生的可能性帶有顯著的不確定性和變動性，因此產(chǎn)生的故障類型也展現(xiàn)出多樣性，這些故障涵蓋了三相、兩相以及單相短路等多種類型。因此，本文以三相故障為例，選取10kV線路作為故障識別模型進行深入探討。

Huang變換是一種信號處理技術(shù)，其核心理念在于將原始信號拆解成一系列獨特的成分[4]，這些成分被稱為固有模態(tài)函數(shù)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生a，b，c三相同時相間短路或接地故障時，使用Huang變換三相電流與對地電壓，在故障點會產(chǎn)生以下情況：

由此可知，事故的主要電源側(cè)在事故發(fā)生時，供電系統(tǒng)仍繼續(xù)供應(yīng)，且三相電流區(qū)均存在故障流過。但在事故的結(jié)尾部分，即純負載區(qū)，由于沒有電源供給，此部分也無故障電壓通過。另外，在三相短路現(xiàn)象時，電路的相電壓值大大減小，而該短路電壓中也沒有出現(xiàn)其他零序或負序成分[5]。此時，三相故障的識別信號條件為：

公式中： 代表三相故障短路時電流整定值。

Huang變換將非平穩(wěn)信號變換成了多階平穩(wěn)的IMF分量，再對每個IMF分量進行Hilbert 變換，可得出三相故障的第一階解析信號，其表達公式如下：

公式中：hi代表IMF分量。

在電流信號的檢測中，由于故障信息在高頻段表現(xiàn)顯著，選擇利用第一階IMF的時頻特性來精確分析并識別電流行波波頭的到達時刻[6]。這一方法聚焦于高頻信息，旨在通過IMF的特性來捕捉電流波動的重要時刻點。

（三）實現(xiàn)配電自動化主站的饋線自動化故障識別

一旦饋線出現(xiàn)異常情況，如故障發(fā)生，相應(yīng)受到影響的饋線監(jiān)控終端會迅速識別出超過其預(yù)設(shè)閾值的電流強度。終端不僅記錄下故障電流的最高值及其出現(xiàn)的確切時間，而且會將這一過電流信號迅速傳送給配網(wǎng)的主站系統(tǒng)。

主站系統(tǒng)接收到這些信號后，會進行一系列的數(shù)據(jù)處理，生成一個包含故障詳細信息向量。隨后，通過利用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)向量與故障信息向量的綜合運算，系統(tǒng)會得到一個準(zhǔn)確的故障診斷向量?；谶@個向量，系統(tǒng)能夠精確地識別并隔離出發(fā)生故障的具體區(qū)段。其具體步驟如下：

1、根據(jù)上述章節(jié)提取到的故障信號，與配電主站結(jié)構(gòu)，構(gòu)造一個網(wǎng)基結(jié)構(gòu)向量Y。該網(wǎng)基結(jié)構(gòu)向量是一個N階方陣，其元素的賦值規(guī)則如下：當(dāng)節(jié)點i直接連接到子節(jié)點j時，向量中的元素Cij將被設(shè)為1。設(shè)定饋線的方向為由節(jié)i點指向節(jié)點j時，如果這種連接關(guān)系存在，則Y向量中相應(yīng)的Cij元素值為0。通過這樣的定義，網(wǎng)基結(jié)構(gòu)向量Y能夠清晰地反映網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間的連接關(guān)系及其方向性。

2、在單電源供電時，由于故障電流的方向無需特別考慮，僅通過檢測是否有故障電流流過各節(jié)點來構(gòu)建故障信息向量S。當(dāng)?shù)趇節(jié)點存在故障電流，則在向量S中，該節(jié)點對應(yīng)的對角線元素Sij被設(shè)置為1，以指示故障的存在。反之，若該節(jié)點無故障電流，則Sij為0。

3、根據(jù)上述分析，故障區(qū)間識別向量C的表達公式如下：

此時，若某一饋線區(qū)段遭遇單重故障，其中主要節(jié)點檢測到故障電流，而所有附屬節(jié)點均未檢測到故障電流，這一特定情況直接指示該饋線區(qū)段為故障發(fā)生的具體區(qū)域。這一判斷基于故障電流在系統(tǒng)中的流動特性，即故障電流通常只在故障發(fā)生的直接區(qū)段內(nèi)流動，而不會影響到其他非故障區(qū)段。因此，可知這一饋線區(qū)段即為故障區(qū)段。

二、實驗測試與分析

（一）實驗準(zhǔn)備

為證明本文提出的基于Hilbert-Huang變換的配電自動化主站FA故障識別在實際應(yīng)用中具有較高的可行性，現(xiàn)模擬一實驗環(huán)境，將本文方法與傳統(tǒng)方法分別帶入該環(huán)境中進行對比測試，以驗證本文方法的有效性。首先，模擬的配電網(wǎng)環(huán)境實驗參數(shù)如下表1所示。

本次測試以單相接地故障為例，設(shè)定在不同短路條件下發(fā)生的故障位置的識別，將兩種方法分別帶入實驗中，故障識別位置即為最終的測試結(jié)果。

（二）實驗結(jié)果與分析

基于上述實驗準(zhǔn)備，兩種故障識別方法的測試結(jié)果如下表2所示。

根據(jù)上述測試結(jié)果可以看出，本文方法在單相接地故障中能夠準(zhǔn)確識別出故障所在位置，而傳統(tǒng)方法的識別誤差較大，因此，可以證明本文方法的有效性。綜上所述，通過本次實驗，驗證了基于Hilbert-Huang變換的配電自動化主站FA故障識別的有效性和可靠性。本文方法能夠在故障發(fā)生后迅速準(zhǔn)確地識別出故障的類型、位置，為配電網(wǎng)的故障處理和恢復(fù)提供了有力的技術(shù)支持。同時，實驗結(jié)果也表明，本文方法具有較高的識別準(zhǔn)確率和良好的性能，適用于各種復(fù)雜的配電網(wǎng)環(huán)境。

結(jié)束語

在深入探討了基于Hilbert-Huang變換的配電自動化主站故障自動定位技術(shù)后，不禁對這項技術(shù)的潛力和應(yīng)用前景感到振奮。HHT作為一種非線性、非平穩(wěn)信號處理方法，為配電自動化主站中的故障識別提供了新的思路和方法。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進，對故障定位的準(zhǔn)確性和實時性要求也越來越高。基于HHT的FA故障識別技術(shù)，憑借其獨特的優(yōu)勢，如能夠處理非線性、非平穩(wěn)信號，以及具有高度的自適應(yīng)性和魯棒性，成為解決這一難題的重要手段。當(dāng)然，任何技術(shù)都并非完美無缺。在未來的研究中，還需要進一步探索HHT在配電自動化主站FA故障識別中的優(yōu)化方法，如提高算法的計算效率、減少誤判率等。同時，也應(yīng)該關(guān)注其他先進信號處理方法和技術(shù)，以期將多種技術(shù)結(jié)合起來，形成一個更加全面、高效的故障識別系統(tǒng)。相信在不久的將來，基于HHT的FA故障識別技術(shù)將在配電自動化主站中得到廣泛應(yīng)用，為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行提供有力保障。同時也期待更多的科研工作者和工程師們投身于這一領(lǐng)域的研究與實踐之中，共同推動電力行業(yè)向更高層次邁進。