基于頻譜分析儀的電力系統(tǒng)故障檢測(cè)與診斷

王思習(xí)

（思祿克科技（青島）有限公司，山東 青島 266110）

信號(hào)分析最簡(jiǎn)單有效的方式就是通過(guò)研究信號(hào)的頻譜來(lái)達(dá)到分析信號(hào)的目的。這種研究方式在不同的領(lǐng)域都有應(yīng)用，比如通信發(fā)射領(lǐng)域及抗干擾頻域等。不同的領(lǐng)域采用的頻域方式也不相同[1]，本文主要利用頻譜分析來(lái)診斷故障點(diǎn)。

1 頻譜分析儀原理分析及小波分析法

1.1 頻譜分析儀的原理

頻譜分析儀的原理跟診斷電路關(guān)鍵點(diǎn)的找尋息息相關(guān)。我們將關(guān)鍵點(diǎn)的信號(hào)設(shè)置為UD1和UD2，然后對(duì)這兩組關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行信息采集[2]。正常狀態(tài)下關(guān)鍵點(diǎn)的信號(hào)電壓是恒壓，發(fā)生故障時(shí)我們可以觀察UD1和UD2兩個(gè)波形，通過(guò)觀察波形的跳躍點(diǎn)或者驟降點(diǎn)分析兩個(gè)關(guān)鍵信號(hào)后，進(jìn)行傅里葉變換計(jì)算，找到對(duì)應(yīng)的頻譜分量，設(shè)置為a0次，然后依次類(lèi)推設(shè)置3次諧波函數(shù)命令為A1、A2和A3，再分析諧波函數(shù)數(shù)據(jù)，這樣不僅可以判斷該故障是屬于哪種故障類(lèi)型，還可以精確找到發(fā)生故障的頻段范圍，從而確定有故障的元器件[3]。具體的變換公式如下所示：

1.2 采用頻譜分析之小波分析法測(cè)電力系統(tǒng)故障

近年來(lái)，頻譜分析中的小波變換應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于小波變換信號(hào)自帶屏蔽噪音等功效，因此許多公司的電力系統(tǒng)嘗試用小波變換，利用小波變換局部放電的作用，進(jìn)行短期預(yù)測(cè)分析諧波頻率，進(jìn)而找出故障點(diǎn)，同時(shí)減輕運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的噪音等。本文提出一種基于小波變換的凹陷電壓檢測(cè)手段，主要將小波變換通過(guò)檢測(cè)出來(lái)的電子信號(hào)進(jìn)行離散，然后計(jì)算熵值，從而探測(cè)和識(shí)別輸電線(xiàn)路故障點(diǎn)[4]。具體的操作步驟是構(gòu)建離散的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將信號(hào)正序，比較每一個(gè)總線(xiàn)在一個(gè)維度下最大系數(shù)與最小系數(shù)的差值的大小，然后查閱相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)一步排除和診斷故障。

2 頻譜分析之小波分析電力系統(tǒng)故障檢測(cè)

2.1 小波分析的低頻與高頻系數(shù)

小波分析具有將收到的信息反饋到局部并且將信息細(xì)化的功能，其本質(zhì)就是將初始的信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾分析，將高階數(shù)據(jù)降階或者將低階數(shù)據(jù)升階等，然后分別對(duì)兩種數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行數(shù)值采樣，最后再將小波基數(shù)與不同的頻率信號(hào)內(nèi)積。內(nèi)積后發(fā)現(xiàn)小波分析得出的函數(shù)并不是正交函數(shù)，然后將小波分析的非正交函數(shù)分解成若干段線(xiàn)性組合的小波函數(shù)，由這些小波函數(shù)共同組成函數(shù)組，通過(guò)分析每一組函數(shù)從而確定低頻與高頻的系數(shù)，找到故障疑似點(diǎn)[5]。

2.2 基于小波分析檢測(cè)電力系統(tǒng)故障設(shè)計(jì)

基于小波分析檢測(cè)電力系統(tǒng)故障，主要是找到信號(hào)中的奇異點(diǎn)。可以通過(guò)將整個(gè)信號(hào)分成若干個(gè)小組，然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s放，將信號(hào)縮放到某一個(gè)頻段內(nèi)，通過(guò)小波分解提取高頻與低頻系數(shù)作為疑似奇異點(diǎn)[6]。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，非故障點(diǎn)就會(huì)躲避高頻與低頻系數(shù)，此時(shí)如果某一個(gè)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)，則以初步認(rèn)定為此點(diǎn)是波段的奇異點(diǎn)，然后找到該點(diǎn)的位置，也就是增加奇異點(diǎn)數(shù)值的檢測(cè)來(lái)確定故障點(diǎn)。

下面我們將通過(guò)具體的算例進(jìn)行分析，根據(jù)某電力系統(tǒng)公司提供的數(shù)據(jù)來(lái)分析系統(tǒng)中產(chǎn)生的故障，并對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。

選取典型節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)（第一個(gè)節(jié)點(diǎn)和壞節(jié)點(diǎn)），畫(huà)出運(yùn)行20 s內(nèi)的信號(hào)波形，如圖1、圖2所示。

圖1 隨機(jī)選取節(jié)點(diǎn)1原始波形

圖2 隨機(jī)選取節(jié)點(diǎn)2原始波形

上述波形圖低頻小波系數(shù)由小波4經(jīng)過(guò)6層迭代分解得到。表1和表2分別記錄隨機(jī)節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的數(shù)據(jù)，所用到的原始數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 節(jié)點(diǎn) 1 由小波 4進(jìn)行6層迭代分解后低頻小波系數(shù)

表2 節(jié)點(diǎn) 2 由小波 4進(jìn)行6層迭代分解后低頻小波系數(shù)

從表中可以發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的低頻小波函數(shù)的函數(shù)點(diǎn)值，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)整合重新得到新的波形圖，提取低頻階段接近原始信號(hào)的一段頻譜進(jìn)行小分解，并進(jìn)行去噪處理。然后記錄這些頻譜中的隨機(jī)點(diǎn)，根據(jù)頻譜分析儀確定波形。具體如圖3、圖4所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)1小波分析波形圖

圖4 節(jié)點(diǎn)2小波分析波形圖

分析圖3和圖4可知，通過(guò)提取小波高頻系數(shù)可以得到小波波形。通過(guò)小波分析提取高頻系數(shù)可以精確地檢測(cè)信號(hào)的突發(fā)變化點(diǎn)（也就是奇異點(diǎn)）。通過(guò)分析小波波形，發(fā)現(xiàn)奇異點(diǎn)在第500個(gè)數(shù)據(jù)附近，即系統(tǒng)在5 s時(shí)發(fā)生故障，T=500。

通過(guò)對(duì)依據(jù)小波波形圖提取的數(shù)據(jù)分析可知，信號(hào)失效時(shí)間約為T(mén)=500，并通過(guò)故障定位算法記錄信號(hào)失效時(shí)間，最后通過(guò)檢測(cè)信號(hào)模的最大值的分布確定本次前后的奇異點(diǎn)位置。但是如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)在前后保留了模的最大值，則該節(jié)點(diǎn)不是失效節(jié)點(diǎn)；反之，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)在前后不保留模的最大值，即它的最大模值全為0，所以這個(gè)節(jié)點(diǎn)就是故障節(jié)點(diǎn)。可以看出，節(jié)點(diǎn)2是一個(gè)故障節(jié)點(diǎn)。

3 基于頻譜分析儀的電力系統(tǒng)故障檢測(cè)與診斷缺陷與改進(jìn)方法

從上述中的分析可以有效地得出確定故障點(diǎn)的方法。但是上述中的方法對(duì)于實(shí)時(shí)運(yùn)算需要解決的故障無(wú)法解決；還有一些復(fù)雜的問(wèn)題，由于電力系統(tǒng)的容錯(cuò)率較低，在復(fù)雜多變的電力環(huán)境中處理嘈雜的信號(hào)能力較弱；另外部分專(zhuān)家缺乏自我學(xué)習(xí)的勁頭和能力，需要不斷的接觸電力系統(tǒng)新故障才能真正的改進(jìn)電力系統(tǒng)[7]。

改進(jìn)目標(biāo)：首先要時(shí)刻對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線(xiàn)的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的時(shí)間可以是固定的某個(gè)時(shí)間段，這個(gè)時(shí)間段的選取主要是經(jīng)常容易發(fā)生故障的時(shí)間段或者電力系統(tǒng)運(yùn)行最頻繁的時(shí)間段。其次，需要不斷監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)參數(shù)，主要是設(shè)備的轉(zhuǎn)速，設(shè)備的振動(dòng)值的大小或者信號(hào)值大小等。再次要建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，一旦未來(lái)出現(xiàn)類(lèi)似的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤可以快速精準(zhǔn)地排查故障點(diǎn)[8]。最后建立故障和設(shè)備分析系統(tǒng)，系統(tǒng)主要用于在線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于新設(shè)備元器件主要在線(xiàn)檢測(cè)其性能，對(duì)于時(shí)間較長(zhǎng)的零部件主要是檢測(cè)元器件的老化程度及故障發(fā)生率等，從而可以準(zhǔn)確掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，合理安排檢修的時(shí)間及次數(shù)，減少電力系統(tǒng)發(fā)生故障的頻率。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，社會(huì)和公眾對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行和使用提出了更高的要求，重視供電安全對(duì)電力行業(yè)的安全運(yùn)行至關(guān)重要，堅(jiān)持繼電器定期檢查，保護(hù)電力系統(tǒng)。