新型電力系統(tǒng)衰減暫態(tài)信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)研究

杜 欣

（國(guó)網(wǎng)杭州供電公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

暫態(tài)信號(hào)的增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用中，可以較為快速地檢測(cè)初始行波的準(zhǔn)確到達(dá)時(shí)間，增加了測(cè)距精度，使得距離檢測(cè)過(guò)程中形成一定的可靠通路。根據(jù)信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效提取相角信息，準(zhǔn)確提取特征頻率點(diǎn)，及時(shí)增強(qiáng)信號(hào)。提取不同頻帶之間的暫態(tài)信號(hào)特征，并觀(guān)察其在不同頻率內(nèi)的波形變化。有效減少局部故障特征信息產(chǎn)生單一暫態(tài)信號(hào)而形成的異常問(wèn)題[1,2]。在受到噪聲的影響下也能夠?qū)簯B(tài)信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)動(dòng)作。由于傳統(tǒng)信號(hào)增強(qiáng)方法在小波變換時(shí)對(duì)暫態(tài)信號(hào)的增強(qiáng)效果不明顯，當(dāng)變換尺度增大時(shí)，時(shí)頻局域性較差，使得增強(qiáng)效果減弱，提取暫態(tài)信號(hào)過(guò)程中無(wú)法準(zhǔn)確找到故障位置。變換過(guò)程中受衰減直流分量影響，頻率分辨力較差導(dǎo)致結(jié)果難以達(dá)到預(yù)期。因此，現(xiàn)階段以新型電力系統(tǒng)的衰減暫態(tài)信號(hào)增加技術(shù)以研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)其展開(kāi)研究與分析。

1 新型電力系統(tǒng)暫態(tài)信號(hào)增強(qiáng)

1.1 電流行波幅值衰減

設(shè)定電力系統(tǒng)行波與故障點(diǎn)的距離為x，行波首波頭信號(hào)為s(x)，得到信號(hào)的計(jì)算公式為

式中：I為電力系統(tǒng)的行波初始幅值，其大小與故障電阻等因素相關(guān)；χ為頻率w下電力系統(tǒng)的行波傳播數(shù)值。當(dāng)頻率為w時(shí)，電力系統(tǒng)行波首波頭含有的分量設(shè)定為sw(x)，這時(shí)其幅值的表達(dá)式為

根據(jù)不同頻率的暫態(tài)信號(hào)幅值，可以得到在不同傳播距離x的變化量。當(dāng)x值逐漸變大時(shí)，信號(hào)的衰減效果越顯著，衰減的程度與行波傳播常數(shù)的實(shí)部χ呈正相關(guān)。

1.2 消除幅值誤差

運(yùn)用Prony算法分析故障暫態(tài)信號(hào)取樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。新型電力系統(tǒng)故障暫態(tài)信號(hào)經(jīng)一階差分濾波后衰減因子e=0，設(shè)定需要測(cè)試信號(hào)中頻率分量的階數(shù)為q，根據(jù)電路狀況選取符合設(shè)定的閾值，滿(mǎn)足取樣點(diǎn)數(shù)存在的表達(dá)式為N＞2q。建立電力系統(tǒng)故障暫態(tài)信號(hào)特征模型，在計(jì)算幅值過(guò)程中，由于畸變形成的誤差均在計(jì)算中體現(xiàn)，因此存在一定的積累誤差[3-5]。設(shè)定誤差值為k，根據(jù)不同間距的取樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，當(dāng)輸入衰減暫態(tài)信號(hào)時(shí)，不同分量的時(shí)間保持相同，相同頻率分量的移動(dòng)距離也保持相同。運(yùn)用差分算法可以增強(qiáng)時(shí)頻分量，將衰減的直流分量進(jìn)行合理過(guò)濾和消除，在一定程度上還原頻率信號(hào)幅值[6]。運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障暫態(tài)信號(hào)法進(jìn)行分析，將權(quán)向量等輸入模型中，不同頻率幅值根據(jù)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的調(diào)整量。不同頻率分量的頻率權(quán)值調(diào)整量為

式中：λ為頻率的學(xué)習(xí)率。當(dāng)λ值滿(mǎn)足范圍為0 ＜λ＜n+1時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算進(jìn)行收斂[7]。調(diào)整頻率過(guò)程中，設(shè)定幅值的權(quán)重為固定值，將權(quán)向量設(shè)定為g，函數(shù)為。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)算法要想形成收斂態(tài)勢(shì)，需要在頻率學(xué)習(xí)率滿(mǎn)足時(shí)，F(xiàn)(n)＜0。在不同取樣長(zhǎng)度中得到其優(yōu)化范圍值，即為上述頻率學(xué)習(xí)率。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，完成學(xué)習(xí)后得到第h個(gè)諧波分量的幅值為

式中：R為幅值；c為衰減直流量的起始值；C為衰減常數(shù)值；d為頻率分量個(gè)數(shù)。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練可以得到不同頻率分量的幅值，這樣就能減少計(jì)算誤差累積，從而消除幅值之間的誤差。

1.3 暫態(tài)信號(hào)增強(qiáng)

在電力系統(tǒng)的輸電線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)，故障分量中存在不同信息，故障會(huì)生成高頻暫態(tài)分量，在行波傳播過(guò)程中存在一定的折反射現(xiàn)象[8,9]。運(yùn)用小波變換對(duì)時(shí)頻進(jìn)行分析，對(duì)暫態(tài)信號(hào)的頻率特征進(jìn)行提取。將暫態(tài)信號(hào)特征不斷進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)對(duì)其進(jìn)行放大處理，在此過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)有與小波函數(shù)波形不同的部分進(jìn)行清除，這樣才能完整地將特征提取出來(lái)[10]。波形相同的判斷系數(shù)為ρ，通過(guò)比較ρ的大小可以判斷波形的相似程度。ρ的值越大，就表示提取的暫態(tài)信號(hào)波形與設(shè)定波形的相似程度高，通過(guò)波形的相似程度來(lái)得到故障信息。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)計(jì)算變換熵來(lái)進(jìn)行小波變換。將衰減暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行小波變換得到關(guān)系矩陣，并對(duì)其進(jìn)行奇異值拆分，拆分得到的奇異值表示關(guān)系矩陣特征。將信息進(jìn)行奇異值拆分，設(shè)定一個(gè)維數(shù)為n×m的矩陣，對(duì)其進(jìn)行拆分，拆分公式為

式中：T為n階矩陣；V為聯(lián)合矩陣；Δ為中間矩陣，中間元素α表示矩陣Δ的奇異值。將奇異值進(jìn)行歸一化處理，得到小波奇異熵的計(jì)算公式和最大奇異熵的計(jì)算公式為

式中：D為奇異熵值；Δz為最大奇異熵。在經(jīng)過(guò)小波變換后，將奇異值進(jìn)行拆分，并完成增強(qiáng)處理。運(yùn)用小波變換時(shí)頻末段的特征，奇異值拆分提取數(shù)據(jù)特征，運(yùn)用變換熵對(duì)特征信號(hào)進(jìn)行整合與增強(qiáng)，同時(shí)還能在一定程度中得到不同時(shí)頻信號(hào)并進(jìn)行區(qū)分。信號(hào)增強(qiáng)程度與Δz成正比，Δz越大，暫態(tài)信號(hào)增強(qiáng)程度越明顯，從而完成了對(duì)于電力系統(tǒng)中衰減暫態(tài)信號(hào)的增強(qiáng)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境

選擇某地新型電力系統(tǒng)中的某條225 kV 線(xiàn)路。該線(xiàn)路發(fā)生三相單相接地故障，對(duì)故障進(jìn)行實(shí)際勘測(cè)并記錄對(duì)應(yīng)故障數(shù)據(jù)。設(shè)定從母線(xiàn)A 端到B 端對(duì)故障信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，錄波設(shè)備在對(duì)故障線(xiàn)路進(jìn)行取樣時(shí)的頻率為1 634 Hz。完成操作后，啟動(dòng)保護(hù)裝置，設(shè)定取樣數(shù)據(jù)點(diǎn)，并記錄保護(hù)動(dòng)作的數(shù)據(jù)。其中故障電路參數(shù)如表1 所示。

表1 故障線(xiàn)路參數(shù)

根據(jù)電力系統(tǒng)中提供的故障信息，測(cè)定故障點(diǎn)位于距B 端15 kA 處。同時(shí)，模型參數(shù)設(shè)定為100π，衰減系數(shù)為20。

2.2 結(jié)果與分析

新型電力系統(tǒng)中的2 處發(fā)生接地故障時(shí)，在經(jīng)過(guò)對(duì)其暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行變換后，對(duì)信號(hào)的信號(hào)復(fù)雜度進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。設(shè)置3 個(gè)小組，運(yùn)用不同方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，給定信號(hào)為暫態(tài)分量中的直流衰減分量。設(shè)定基波頻率為65 Hz，相位為0.3π，幅值為15。針對(duì)給定信號(hào)，本文提出方法、傳統(tǒng)方法1 以及傳統(tǒng)方法2 計(jì)算得到的擬合信號(hào)如圖1 所示。

圖1 不同方法信號(hào)增強(qiáng)效果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在較強(qiáng)的噪聲影響下，傳統(tǒng)方法的計(jì)算結(jié)果與給定信號(hào)有較大的差距，而且均沒(méi)有呈現(xiàn)出信號(hào)增強(qiáng)的趨勢(shì)。而相比于給定信號(hào)，本文方法的信號(hào)增強(qiáng)效果明顯，起到了對(duì)于電力系統(tǒng)衰減暫態(tài)信號(hào)增加的功能。

為驗(yàn)證方法的應(yīng)用性和有效性，計(jì)算電力系統(tǒng)衰減暫態(tài)信號(hào)故障后，將B 端的電流進(jìn)行分解。將分解后的穩(wěn)態(tài)信號(hào)、暫態(tài)信號(hào)與B 端數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)用上述3 種算法，在相同計(jì)算時(shí)間內(nèi)對(duì)其信號(hào)受到噪聲影響程度的結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。計(jì)算得到上述3 種算法的最大相對(duì)誤差，分析受到噪聲影響的結(jié)果，具體如表2 所示。

表2 結(jié)果比較

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文方法的最大相對(duì)誤差為0，受到噪聲的影響程度最小，說(shuō)明本文方法在計(jì)算能力和抗干擾能力上均有較高的應(yīng)用性與準(zhǔn)確性。同時(shí)，本文方法可以有效地將暫態(tài)信號(hào)中的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分量分解，在減少計(jì)算誤差的同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，相位的位移不發(fā)生改變。A、B 兩端計(jì)算出的故障點(diǎn)處電壓波形相同，證實(shí)了本文提出的暫態(tài)信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)的有效性。

綜上所述，根據(jù)暫態(tài)信號(hào)的衰減特征產(chǎn)生的誤差可以精準(zhǔn)消除。在給定信號(hào)的對(duì)比下，本文方法可有效分解故障信號(hào)的暫態(tài)信號(hào)分量，并對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)增強(qiáng)，達(dá)到較好的增強(qiáng)效果。

3 結(jié) 論

本次從暫態(tài)信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)入手，深入分析新型電力系統(tǒng)方面的有關(guān)問(wèn)題，探究了新型電力系統(tǒng)衰減暫態(tài)信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)研究。對(duì)暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行了多方面識(shí)別與衰減，為搭建新型電力系統(tǒng)提供了重要依據(jù)。但方法中還存在一些不足之處，如特征訓(xùn)練集有關(guān)問(wèn)題，實(shí)際信號(hào)捕捉要實(shí)時(shí)流動(dòng)，對(duì)涉及到的功能進(jìn)行優(yōu)化等。今后應(yīng)更加完善計(jì)算，通過(guò)多種增強(qiáng)方法進(jìn)行特征提取，對(duì)動(dòng)態(tài)的暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確捕捉和精準(zhǔn)增強(qiáng)，避免了因?yàn)槭謩?dòng)輸入增強(qiáng)和經(jīng)驗(yàn)限制造成無(wú)法提升信號(hào)。通過(guò)對(duì)于信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)的計(jì)算和改善，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新型電力系統(tǒng)衰減暫態(tài)信號(hào)更有效、更準(zhǔn)確地增強(qiáng)。