基于模糊診斷的變電站開關(guān)柜局部放電檢測方法

李 衎

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司阜寧縣供電分公司，江蘇 鹽城 224000）

0 引 言

在國民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，供電容量不斷擴(kuò)大、電網(wǎng)壓力不斷提高已經(jīng)成為了電力系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢，由此帶來的最直接的影響就是對供電運(yùn)行穩(wěn)定性的要求越來越高，對于電源可靠性的要求越來越苛刻[1]。在實(shí)際的變電站電力管理過程中，開關(guān)柜是極為重要的組成部分之一，該電氣設(shè)備也是保障電力正常運(yùn)行的關(guān)鍵配置[2]。因此，保障開關(guān)柜實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的正常運(yùn)行是關(guān)系到電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

局部放電（Partial Discharge，PD）是威脅開關(guān)柜正常運(yùn)行最主要的故障類型之一[3]。為了最大限度降低局部放電帶來的安全隱患，針對局部放電現(xiàn)象設(shè)計(jì)針對性的檢測方法是十分必要的。現(xiàn)階段，其主要分為2 種類型，一種是電量檢測法，另一種是非電量檢測法。上述2 種方法都取得了一定的成果，但是也存在相應(yīng)的不足。其中，文獻(xiàn)[4]提出了一種以測量傳感器為基礎(chǔ)的局部放電監(jiān)測方法，檢測結(jié)果具有較高的時(shí)效性，但是精度有待進(jìn)一步提升；文獻(xiàn)[5]在對廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法進(jìn)行3次相關(guān)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種局部放電超聲波定位方法，對應(yīng)的檢測結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，但這是在明確存在局部放電故障前提下的一種檢測手段，實(shí)際應(yīng)用階段存在一定的局限性[6]。

在此基礎(chǔ)上，本文提出基于模糊診斷的變電站開關(guān)柜局部放電檢測方法研究，并通過對比測試的方式分析了設(shè)計(jì)方法對不同類型局部放電的檢測效果。

1 變電站開關(guān)柜局部放電檢測方法設(shè)計(jì)

1.1 開關(guān)柜局部放電信號(hào)降噪

為了有效抑制局部放電的背景噪聲，本文以經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）為基礎(chǔ)，結(jié)合開關(guān)柜局部放電信號(hào)的特征，對其進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，以此實(shí)現(xiàn)對噪聲干擾以及模態(tài)混疊問題的解決。

在具體的降噪算法過程中，本文首先在EMD 算法中輸入采集到的攜帶噪聲的開關(guān)柜局部放電信號(hào)，接著在原始信號(hào)中加入了固定的白噪聲信號(hào)，具體可以表示為

式中：xi(t)為加入白噪聲信號(hào)后的開關(guān)柜局部放電信號(hào)；x(t)為原始的開關(guān)柜局部放電信號(hào)；ni(t)為加入到開關(guān)柜局部放電信號(hào)中的白噪聲信號(hào)。

在此基礎(chǔ)上，對加入白噪聲信號(hào)后的開關(guān)柜局部放電信號(hào)xi(t)進(jìn)行自適應(yīng)集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Adaptive Ensemble Empirical Mode Decomposition，AEEMD）處理，需要注意的是，此時(shí)的AEEMD 分解只對xi(t)信號(hào)的一階模態(tài)進(jìn)行一次分解，對應(yīng)的分解結(jié)果可以表示為

式中：c1(xi)為xi(t)分解處理后的一階內(nèi)涵模態(tài)分量（Intrinsic Mode Functions，IMF）；ci,1(xi)為xi(t)分解處理后的第i階IMF 分量；N為原始局部放電信號(hào)中加入高斯白噪聲的次數(shù)。

此時(shí)，對加入到開關(guān)柜局部放電信號(hào)中的白噪聲信號(hào)ni(t)進(jìn)行分解處理，可以表示為

式中：D1[n1(t)]為分解得到的高斯白噪聲信號(hào)；cnm,1(t)為二次分解后的m階IMF 分量。此時(shí)，將cnm,1(t)作為白噪聲信號(hào)，加入到xi(t)AEEMD 分解的一階IMF分量中，并重復(fù)式（2）的計(jì)算過程。結(jié)合上述的處理過程中可以看出，本文在利用AEEMD 算法對原始的開關(guān)柜局部放電信號(hào)進(jìn)行降噪處理時(shí)，利用白噪聲的均勻傳輸特性，通過在整個(gè)時(shí)頻空間范圍內(nèi)形成信號(hào)在白噪聲背景下投影的機(jī)制，確保了信號(hào)傳播的廣域性。在進(jìn)行連續(xù)多次分解處理后，本文通過分析相應(yīng)的噪聲性能評價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)階段開關(guān)柜局部放電信號(hào)IMF 分量中噪聲信號(hào)含量的分析。具體的判斷方式可以表示為

式中：Em為重構(gòu)開關(guān)柜局部放電信號(hào)IMF 分量中噪聲信號(hào)的能量密度。當(dāng)連續(xù)2 次重構(gòu)開關(guān)柜局部放電信號(hào)IMF 分量中噪聲信號(hào)的能量密度一致時(shí)，則表明此時(shí)的噪聲含量已經(jīng)達(dá)到了可去除的最大限度，結(jié)束上述的循環(huán)過程。

1.2 基于模糊診斷的局部放電檢測

本文在進(jìn)行局部放電檢測時(shí)，采用了模糊診斷方式。首先，結(jié)合開關(guān)柜局部放電信號(hào)的指標(biāo)參數(shù)，設(shè)置對應(yīng)的指標(biāo)隸屬函數(shù)邊界值，具體如表1 所示。

表1 開關(guān)柜局部放電信號(hào)指標(biāo)隸屬函數(shù)模糊邊界值的設(shè)置

表1 中：τ表示正常運(yùn)行狀態(tài)下，變電站開關(guān)柜運(yùn)行信號(hào)的均值參數(shù)；k表示正常運(yùn)行狀態(tài)下，變電站開關(guān)柜運(yùn)行信號(hào)的偏斜度參數(shù)；λ表示正常運(yùn)行狀態(tài)下，變電站開關(guān)柜運(yùn)行信號(hào)的陡峭度參數(shù)；?表示正常運(yùn)行狀態(tài)下，變電站開關(guān)柜運(yùn)行信號(hào)的放電量因數(shù)參量；φ表示正常運(yùn)行狀態(tài)下，變電站開關(guān)柜運(yùn)行信號(hào)的相位不對稱度參數(shù)。結(jié)合表1 所示的標(biāo)準(zhǔn)，對降噪處理后的開關(guān)柜局部放電信號(hào)進(jìn)行模糊分類處理。當(dāng)信號(hào)狀態(tài)對應(yīng)指標(biāo)參數(shù)在邊界值范圍時(shí)，則認(rèn)為此時(shí)的開關(guān)柜局部放電信號(hào)指標(biāo)不構(gòu)成安全威脅；當(dāng)信號(hào)狀態(tài)對應(yīng)指標(biāo)參數(shù)超出邊界值范圍時(shí)，則認(rèn)為此時(shí)的開關(guān)柜局部放電信號(hào)指標(biāo)構(gòu)成安全威脅，需要進(jìn)一步分析計(jì)算其對應(yīng)的強(qiáng)度，具體的計(jì)算方式可以表示為

式中：U為變電站開關(guān)柜局部放電強(qiáng)度參數(shù)；f為變電站開關(guān)柜局部放電信號(hào)的頻率參數(shù)。

2 測試分析

2.1 測試環(huán)境設(shè)置

在對本文設(shè)計(jì)的基于模糊診斷的變電站開關(guān)柜局部放電檢測方法實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析時(shí)，本文構(gòu)建的測試平臺(tái)中，以交流電壓為基礎(chǔ)，設(shè)置輸出電壓峰值為20.0 kV，谷值為5.0 kV。本文充分考慮了在實(shí)際的開關(guān)柜運(yùn)行過程中，客觀環(huán)境以及運(yùn)行設(shè)備會(huì)對局部放電信號(hào)產(chǎn)生不同程度的干擾，因此設(shè)置了不同的局部放電信號(hào)狀態(tài)，具體如表2 所示。

表2 局部放電信號(hào)狀態(tài)設(shè)置

結(jié)合表2 所示的測試工況設(shè)置情況，分別采用本文設(shè)計(jì)的變電站開關(guān)柜局部放電檢測方法、文獻(xiàn)[4]提出的基于測量傳感器的變電站開關(guān)柜局部放電檢測方法、文獻(xiàn)[5]提出的基于改進(jìn)廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)變電站開關(guān)柜局部放電檢測方法進(jìn)行測試。通過對比不同方法的檢測結(jié)果，分析本文設(shè)計(jì)檢測方法的性能。

2.2 測試結(jié)果

結(jié)合測試環(huán)境，分別統(tǒng)計(jì)了3 種不同方法對于局部放電信強(qiáng)度的檢測結(jié)果，得到的數(shù)據(jù)信息如表3所示。

表3 不同方法局部放電檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 （單位：V）

結(jié)合表3 所示的測試結(jié)果可以看出，在測量傳感器檢測方法的測試結(jié)果中，受干擾信號(hào)強(qiáng)度的影響較為明顯，誤差始終在0.45 V 以上。在改進(jìn)廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)檢測方法的測試結(jié)果中，整體表現(xiàn)出了較為明顯的穩(wěn)定性，基本穩(wěn)定在0.60 ～0.95 V。相比之下，在本文設(shè)計(jì)檢測方法的測試結(jié)果中，最大誤差僅為0.25 V（測試工況4），最小誤差僅為0.07 V（測試工況9），明顯優(yōu)于對照組的檢測結(jié)果。

3 結(jié) 論

在實(shí)際的運(yùn)行過程中，開關(guān)柜發(fā)揮的作用不僅是防護(hù)與隔離異常電力數(shù)據(jù)，同時(shí)也監(jiān)控著整體電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在對開關(guān)柜的故障狀態(tài)進(jìn)行分析時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，由于開關(guān)柜配件的制作和運(yùn)輸過程中難以完全避免各種程度的絕緣缺陷，導(dǎo)致局部放電現(xiàn)象成為了開關(guān)柜中較為常見的故障類型之一。本文提出基于模糊診斷的變電站開關(guān)柜局部放電檢測方法研究，實(shí)現(xiàn)了對不同類型局部放電的有效檢測。借助本文設(shè)計(jì)的檢測方法，希望能夠?yàn)殚_關(guān)柜的安全管理提供參考價(jià)值，最大限度降低由于局部放電帶來的安全問題。