嚴(yán)秋問，江修波，蔡金錠

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建　福州　350108)

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基于瞬時(shí)性故障時(shí)頻分析的配網(wǎng)絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)

嚴(yán)秋問，江修波，蔡金錠

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州350108)

分析介紹了中低壓配電網(wǎng)的一系列瞬時(shí)性故障類型與配電網(wǎng)絕緣狀態(tài)之間的關(guān)系。通過HHT技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征量提取，將瞬時(shí)性故障的高低頻能比作為表征配網(wǎng)絕緣所處劣化階段的特征量。對(duì)比不同類型絕緣瞬時(shí)性故障的零模電流波形之間的特征量差異，將各類絕緣瞬時(shí)性故障進(jìn)行分類并通過引入卡方分布函數(shù)對(duì)當(dāng)前配網(wǎng)絕緣狀態(tài)下可能發(fā)生的瞬時(shí)故障類型進(jìn)行概率計(jì)算。最后通過實(shí)際案例驗(yàn)證了方法的可行性。

絕緣瞬時(shí)性故障;HHT技術(shù);能比均值;卡方分布

1　引言

配電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)是決定配電網(wǎng)能否正常安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)電力設(shè)備運(yùn)行發(fā)生的故障中70%屬于絕緣性故障，而且絕大部分屬于單相接地故障[1]。隨著我國(guó)中低壓配電網(wǎng)的發(fā)展，特別是城市地區(qū)的配電線路絕緣化，目前的配電線路通常采用架空-電纜結(jié)合的混合模式，配電線路日趨復(fù)雜化。而且配電設(shè)備的種類多樣、數(shù)量龐大、布局分散。在日益關(guān)注的配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)中，要達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)配電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)目的，需要建立一個(gè)完善而可靠的配電設(shè)備監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)和高速、通暢的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在綜合考慮技術(shù)可行性和商業(yè)可行性兩方面，全面的配電自動(dòng)化技術(shù)并不具有商業(yè)可行。因此，通過對(duì)母線端采集信號(hào)分析并對(duì)線路的絕緣水平進(jìn)行評(píng)估是十分必要的。

瞬時(shí)性接地故障包括由設(shè)備絕緣劣化或表面污穢引起的絕緣性故障，以及大風(fēng)、飛鳥等突發(fā)性事件引起的不可預(yù)測(cè)性的瞬時(shí)接地故障[2]。本文針對(duì)瞬時(shí)性絕緣接地故障的研究分析，通過HHT信號(hào)處理技術(shù)[2-3]對(duì)故障零模電流進(jìn)行分解提取特征量，提出一種監(jiān)測(cè)中低壓配電網(wǎng)絕緣以及預(yù)測(cè)當(dāng)前絕緣劣化階段主要發(fā)生的瞬時(shí)性故障類型的可行方法。

2　HHT信號(hào)處理技術(shù)

2.1EMD分解

相較于小波分析，HHT信號(hào)處理技術(shù)是一種具有自適應(yīng)性的時(shí)頻分析法，它的核心內(nèi)容是將信號(hào)序列x(t)經(jīng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)(EMD)分解，得到多個(gè)固有模態(tài)函數(shù)(IMF)序列，再對(duì)分解得到的各IMF序列進(jìn)行希爾伯特(Hilbert)變換，并構(gòu)造解析函數(shù)，再求解計(jì)算信號(hào)的瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)幅值以及希爾伯特瞬時(shí)能量等[4-5]。EMD分解的主要功能是將任一信號(hào)序列x(t)分解成多個(gè)IMF分量序列ci(t)和一個(gè)殘余信號(hào)分量序列ri(t)。將所有的IMF信號(hào)分量及殘余信號(hào)分量疊加及可重構(gòu)原有信號(hào)，即：

(1)

對(duì)各IMF序列做Hilbert變換得：

(2)

式中P為柯西主值。定義c(t)的解析信號(hào)為：

Z(t)=c(t)+jH[c(t)]=a(t)ejθ(t)

(3)

其中：

(4)

θ(t)=arctan[H(t)/c(t)]

(5)

式中a(t)為瞬時(shí)振幅；θ(t)為瞬時(shí)相位。

在此基礎(chǔ)上定義瞬時(shí)頻率為：

(6)

由(4)、(5)可以看出瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)頻率都是時(shí)間的函數(shù)，將振幅顯示在時(shí)-頻平面上，就可以得到希爾伯特譜H(ω,t)。

IE(t)=∫H2(ω,t)dω

(7)

瞬時(shí)能量反應(yīng)了信號(hào)的能量隨時(shí)間變化的情況。通過上述計(jì)算過程就可以得到一個(gè)三維的包含信號(hào)各IMF分量的時(shí)-頻-幅的Hilbert矩陣。如假設(shè)一個(gè)信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)為N，通過EMD分解后，原信號(hào)從一個(gè)1×N的行向量被分解成一個(gè)m×N階信息矩陣。再對(duì)各IMF分量即各行向量求瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值，就可以生成一個(gè)三維的時(shí)-頻-幅Hilbert矩陣和m×N的瞬時(shí)能量矩陣。

2.2基于HHT帶通濾波的故障線路零模電流時(shí)頻矩陣求取

直接采用EMD分解出來(lái)的各IMF分量存在著頻域混疊問題，即在不同IMF分量中不同時(shí)刻的瞬時(shí)頻率可能相同，且對(duì)不同樣本信號(hào)進(jìn)行信息處理時(shí)，存在EMD分解出來(lái)的IMF分量個(gè)數(shù)和頻率范圍不同的問題，而引入HHT帶通濾波則可以解決這些問題[3]。

HHT帶通濾波是先分析信號(hào)的主要頻率組成部分并將原信號(hào)分為多個(gè)頻段。再將生成的三維Hilbert時(shí)頻譜中各IMF分量瞬時(shí)頻率處于相同頻段的信號(hào)點(diǎn)提取重構(gòu)，生成一個(gè)一定數(shù)量頻段的信息矩陣。首先，按設(shè)計(jì)的頻帶寬度和頻帶數(shù)量n劃分三維Hilbert時(shí)頻譜，可以得到n個(gè)一定頻帶寬度的分塊三維時(shí)頻譜，定義第i塊三維時(shí)頻譜的瞬時(shí)幅值的集合為Hi。將各個(gè)IMF分量的某些瞬時(shí)頻率對(duì)應(yīng)到Hi集合的數(shù)據(jù)點(diǎn)的瞬時(shí)幅值保留，其余數(shù)據(jù)點(diǎn)瞬時(shí)幅值全部清零，再把處理后的各IMF分量重構(gòu)，就可以得到原信號(hào)在i頻帶的分量。同理可獲得其他頻帶的分量。這樣就可以將EMD分解后產(chǎn)生的不定階的m×N信息矩陣，濾波成為定階的m×N信息矩陣。

在中低壓配網(wǎng)中，當(dāng)架空線路發(fā)生單相接地故障暫態(tài)零模電流瞬態(tài)電容電流的振蕩頻率一般為300～1500Hz；當(dāng)電纜線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，其電感和架空線路的電感相比十分的小，而對(duì)地分布電容卻遠(yuǎn)比架空線路大許多倍，故電纜線路中瞬態(tài)電容電流比起架空線路來(lái)說(shuō)過渡過程的時(shí)間短、振蕩頻率高，一般為1500～3000Hz[6]。

因此，將信號(hào)分成10個(gè)頻段，每個(gè)頻段范圍是300Hz。這樣不僅可以解決了頻率混疊問題，還具有濾除高頻噪聲的能力。例如對(duì)某一次瞬時(shí)性故障的故障線路零模電流如圖1,EMD分解后得到的IMF和經(jīng)過帶通濾波得到的各頻帶波形如圖2、圖3所示。

圖1　原始信號(hào)

圖3中自上而下為低頻帶到高頻帶，對(duì)比圖2和圖3可以明顯看出經(jīng)HHT帶通濾波重構(gòu)后的波形更能反映原信號(hào)的頻率成分。將重構(gòu)后獲得的各頻帶分量序列合并為一個(gè)矩陣n×N，即可獲得時(shí)頻矩陣S[3]。即S可表示為：

(8)

式中行相量為某頻帶分量序列，列向量則是在某一采樣時(shí)間點(diǎn)下不同頻帶的幅值。將重構(gòu)后得到的時(shí)頻矩陣再進(jìn)行瞬時(shí)能量求解，構(gòu)成各頻帶的瞬時(shí)能量矩陣IE。

圖2　原始信號(hào)經(jīng)EMD分解后各IMF分量

圖3　IMF經(jīng)HHT帶通濾波重構(gòu)后的各頻帶分量

3　絕緣劣化各階段特征提取

3.1瞬時(shí)故障零模電流時(shí)頻分析

本文中應(yīng)用的數(shù)據(jù)是采用科匯電氣公司的XJ100小電流接地故障分析系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，所采集的信息包括故障時(shí)間點(diǎn)前后7個(gè)周波共1024個(gè)采樣點(diǎn)的各線路零模電流波形。

不同階段的絕緣劣化發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的故障線路上的零模電流以及母線上的零模電壓都會(huì)出現(xiàn)不同的特征。故障發(fā)生后，零模電流會(huì)被補(bǔ)償電抗補(bǔ)償。因此要對(duì)故障線路的零模電流進(jìn)行分析前，首先需要將故障線路的零模電流進(jìn)行去補(bǔ)償還原，可以將非故障線路零模電流進(jìn)行累加，即可得到待分析的故障線路零模電流[7-9]。單相絕緣瞬時(shí)性故障主要可以分為以下幾種故障，分別如圖4～6所示。

圖4　瞬間接地故障

圖5　間歇性接地故障

圖6　瞬時(shí)性阻抗接地故障

隨著絕緣劣化程度的提升故障發(fā)生時(shí)接地點(diǎn)接地阻抗逐漸減小，接地點(diǎn)接地阻抗的減小會(huì)使故障信號(hào)的瞬態(tài)過程中含有的高頻分量向更高頻率的頻段集中，而瞬態(tài)過程的低頻分量也會(huì)增大[6]。又考慮故障持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，高頻分量衰減越徹底，低頻分量在時(shí)域的范圍內(nèi)含量越高。

綜上，絕緣劣化程度越高發(fā)生故障時(shí)所采集到的7個(gè)周波中故障線路零模電流含有的低頻分量比重和總能量就越高，總能量也越來(lái)越大，主要表現(xiàn)在瞬時(shí)故障類型的變化就是從瞬間放電故障向間歇性接地故障和瞬時(shí)性阻抗接地故障過渡。

將各頻帶瞬時(shí)能量疊加求其占總的信號(hào)能量百分比，就可以得到能比行向量kb。

(9)

式中kb(i)代表第i頻帶占總信號(hào)能量的百分比。將該行向量作為描述樣本的特征向量。

3.2頻帶能比因子與絕緣劣化水平

引入故障發(fā)生時(shí)采集到的7個(gè)周波整個(gè)時(shí)間段頻帶能比因子：

(10)

式中,k為頻帶能比因子；eL為采集到的7個(gè)周波故障零模電流信號(hào)中低頻帶的能量；eH為采集到的7個(gè)周波故障零模電流信號(hào)中高頻帶的能量；e為采集到的7個(gè)周波故障零模電流信號(hào)的總能量。

用能比行向量來(lái)表示即為：

(11)

對(duì)劣化越嚴(yán)重的絕緣來(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)，其故障線路的零模電流的頻帶能比因子k越小，對(duì)各次永久故障前發(fā)生的瞬時(shí)故障的統(tǒng)計(jì)計(jì)算也驗(yàn)證了這點(diǎn)。所以k在一定程度上可以表征絕緣劣化水平。

3.3絕緣瞬時(shí)性故障類型區(qū)分

對(duì)比三種瞬時(shí)性故障類型的零模電流，其計(jì)算得到的能比行向量有很大的區(qū)別。如表1所示。

表1　各案例能比行向量統(tǒng)計(jì)表格

經(jīng)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其中瞬間放電故障的kb(i=1)在0.6以下，間歇性接地故障處于0.6～0.9之間，而阻抗性接地故障的kb(i=1)均大于0.9。將1/k作為主要特征量，可以得到各瞬時(shí)故障類型與特征量(1/k)之間的關(guān)系如表2所示。

表2　各瞬時(shí)故障類型與特征量之間的關(guān)系

4　基于能比均值的瞬時(shí)故障類型概率估計(jì)和絕緣狀態(tài)水平評(píng)估

4.1修正能比均值

電力系統(tǒng)中每發(fā)生一次瞬時(shí)性故障，就相當(dāng)于對(duì)系統(tǒng)的電力設(shè)備進(jìn)行一次絕緣的破壞，由于絕緣故障時(shí)所遇環(huán)境的隨機(jī)性，不同劣化程度的絕緣，可能發(fā)生的瞬時(shí)性故障類型也是不同的。但是不同階段劣化的絕緣發(fā)生的主要瞬時(shí)性故障類型是一定的。因此可以通過對(duì)不同劣化階段發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)進(jìn)行能比的均值計(jì)算來(lái)反映這一特性。按上述分類方法將各類瞬時(shí)故障進(jìn)行分類，并對(duì)某變電站相同線路B相發(fā)生永久性故障前的多次瞬時(shí)性故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖7所示。

圖7　某變電站一線路B相2次永久性故障的絕緣瞬時(shí)性接地故障歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

文中將當(dāng)前瞬時(shí)性故障和前3次瞬時(shí)性故障的能比進(jìn)行均值計(jì)算，即求能比均值:

(11)

如果為歷史最大值則對(duì)均值能比進(jìn)行修正，如果不是則沿用歷史最大值，不斷對(duì)當(dāng)前估計(jì)能比均值進(jìn)行修正。

4.2引入卡方分布函數(shù)

當(dāng)發(fā)生一次瞬時(shí)故障時(shí)，對(duì)當(dāng)前的能比均值進(jìn)行概率計(jì)算，并計(jì)算出下次瞬時(shí)故障發(fā)生時(shí)能比1/kx所處各區(qū)間的概率，以此來(lái)預(yù)測(cè)下次瞬時(shí)故障類型的發(fā)生,同時(shí)大體上評(píng)估整個(gè)電力網(wǎng)的絕緣劣化階段。

因?yàn)槟鼙?/k的范圍在(0，∞)，且考慮自由度為n的χ2分布，其均值為n,故假設(shè)能比的概率密度服從能比所處區(qū)段n為自由度，如表3所示的χ2分布即1/kx在n附近概率最大)。

表3　能比區(qū)段相對(duì)應(yīng)的自由度n

則1/kx的概率密度函數(shù)為：

(12)

式中n為經(jīng)過當(dāng)前瞬時(shí)性故障時(shí)估計(jì)的能比1/kg所在區(qū)段的，即不同區(qū)段的1/k選用自由度不同的概率密度函數(shù)；x即為下次故障發(fā)生時(shí)的可能的能比1/kx。

永久性故障1和永久性故障2的歷史均值能比修正圖以及對(duì)各種瞬時(shí)性故障進(jìn)行預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率如表4和圖8所示。

表4　對(duì)瞬時(shí)故障類型的預(yù)測(cè)正確率

通過上面的圖表可以看出通過修正均值能比對(duì)絕緣劣化監(jiān)測(cè)的方法是可行的。當(dāng)修正能比均值大于10的時(shí)候，絕緣進(jìn)入劣化后期，必須對(duì)配網(wǎng)絕緣進(jìn)行檢修，以免發(fā)生重大事故。而且該方案有助于排除一些非絕緣性故障，如在永久故障2發(fā)生前173天發(fā)生一次能比為41.5557的故障，而當(dāng)前的能比均值僅為5.1665，經(jīng)計(jì)算能比大于40的概率只有4.5551e-005%，經(jīng)后期現(xiàn)場(chǎng)探查發(fā)現(xiàn)是一次斷桿事故。

圖8　兩次永久性故障的歷史修正均值能比

對(duì)瞬時(shí)故障類型的預(yù)測(cè)主要是判別當(dāng)前配網(wǎng)線路絕緣薄弱點(diǎn)劣化階段最大可能發(fā)生的故障類型，面對(duì)處于隨機(jī)性極強(qiáng)的各類環(huán)境的各類電力設(shè)備，其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率還有待提高，但基本可以預(yù)測(cè)出下次瞬時(shí)性故障的故障類型,從這一方面也可以驗(yàn)證基于修正能比均值的絕緣劣化監(jiān)測(cè)方法的正確性。

5　結(jié)論

本文通過對(duì)絕緣劣化各階段的瞬時(shí)性故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用Hilbert帶通濾波提取出故障線路的故障時(shí)刻前后7個(gè)周波的零模電流高低頻能比為判別絕緣劣化程度的特征量，并引入χ2分布來(lái)計(jì)算當(dāng)前最大可能發(fā)生的瞬時(shí)故障類型，方法簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確率也較高，對(duì)不同電力設(shè)備絕緣的劣化估計(jì)都有很強(qiáng)的適應(yīng)性，實(shí)用性強(qiáng)。

對(duì)故障類型的預(yù)測(cè)部分，僅計(jì)算出當(dāng)前階段最大可能發(fā)生的瞬時(shí)故障類型，而缺少對(duì)環(huán)境因素以及其他因素的考慮。綜合考慮環(huán)境因素、故障的持續(xù)長(zhǎng)短、非絕緣瞬時(shí)性單相故障和同線路不同絕緣劣化點(diǎn)產(chǎn)生的瞬時(shí)性故障的干擾對(duì)絕緣劣化的評(píng)估和預(yù)測(cè)的影響是一個(gè)十分重要的待解決的問題。

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Distribution Network Insulation Condition Monitoring Based on Transient Fault Time-frequency Analysis

YANQiu-wen,JIANGXiu-bo,CAIJin-ding

(College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou Fujian Province 350108,China)

This paper analyses and introduces the link between series of transient fault types and distribution power network insulation status in the low voltage distribution power network.Via HHT technology to extract signal's characteristic.Than set low-high frequency energy ratio as a characteristic which can represent the distrib4tion network insulation degradation stage.Compares different kinds of transient fault types′ zero modes currents′ characteristic,and makes a fault classification.Than introducing the chi-square distribution function to calculate the probability of the most possibility happen transient fault type of current net insulation condition.At last,the feasibility of method is validated by practical cases.

insulation transient fault;HHT technique;energy ratio average;chi-square distribution function

1004-289X(2016)02-0039-06

TM726

B

2015-04-27

嚴(yán)秋問(1992-)，男，福建人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備絕緣診斷；

江修波(1960-)，男，福建人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行、電氣設(shè)備檢測(cè)以及電力變壓器絕緣老化測(cè)試研究；

蔡金錠(1954-)，男，福建人，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芗夹g(shù)在電力工程和電力電子故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用研究。