魏智娟 李春明 付學(xué)文
(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院,呼和浩特 010080;2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院,呼和浩特 010080)
超高壓輸電線路是電力系統(tǒng)的命脈,它擔(dān)負(fù)著傳送電能的重任,其安全可靠運(yùn)行是電網(wǎng)安全的根本保證。輸電線路在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生各種故障,如輸電線路的鳥害故障[1]、輸電線路的風(fēng)偏故障等[2],及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)輸電線路進(jìn)行故障診斷就顯得非常重要。國家電網(wǎng)公司架空送電線路運(yùn)行規(guī)程明確規(guī)定“220kV及以上架空送電線路必須裝設(shè)線路故障測(cè)距裝置”[3-4]。由于我國幅員遼闊,地形地貌的多樣性致使輸電線路工作環(huán)境極為惡劣,輸電線路發(fā)生故障導(dǎo)致線路跳閘、電網(wǎng)停電,對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成了很大威脅,所以,在線路發(fā)生故障后迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷,減少因故障引起的停電損失,降低尋找故障點(diǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度,盡最大可能降低對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的擾動(dòng)程度,確保電力系統(tǒng)的安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。本文在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)論述了超高壓輸電線路的4種故障診斷方法,建議采用小波熵原理對(duì)輸電線路故障類型進(jìn)行故障識(shí)別,利用基于小波熵的單端行波測(cè)距方法實(shí)現(xiàn)故障定位。
當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí),早先的故障定位通常是由經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)行人員在閱讀故障錄波圖的基礎(chǔ)上,綜合電力用戶提供的信息,進(jìn)行預(yù)測(cè)、判斷可能出現(xiàn)的故障位置,然后派巡線人員通過查線確認(rèn)故障位置并及時(shí)排除故障。在電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日漸激烈的情況下,以及對(duì)供電可靠性要求越來越高的用電設(shè)備投入使用的今天,這種低效率的傳統(tǒng)故障定位方法日益顯示出其弊端??煽?、準(zhǔn)確地對(duì)輸電線路進(jìn)行故障診斷與定位可以縮短查找故障點(diǎn)的時(shí)間,大大減輕了人工巡線的艱辛勞動(dòng);而且,還能查出人們難以發(fā)現(xiàn)的故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路的薄弱環(huán)節(jié),排除故障,保證快速恢復(fù)供電,降低因停電而造成的經(jīng)濟(jì)損失。因此,輸電線路故障診斷與定位技術(shù)給電力生產(chǎn)部門帶來的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益是難以估計(jì)的,它也一直是國內(nèi)外電力生產(chǎn)部門及科研單位密切關(guān)注的研究課題之一。
高壓輸電線路故障所引起的行波中包含著豐富的故障信息。合理、準(zhǔn)確地利用行波信號(hào)中的故障信息,可以構(gòu)成超高速動(dòng)作的行波保護(hù),而且還可以形成精確的行波故障測(cè)距和不受中性點(diǎn)運(yùn)行方式影響的小電流接地系統(tǒng)行波選線方法[5]。而行波保護(hù)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在3個(gè)方面:
1)具有快速動(dòng)作性。提高繼電保護(hù)的快速動(dòng)作性是增大輸電線路傳輸容量、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的簡(jiǎn)單、有效措施。
2)從原理上,行波保護(hù)可以解決傳統(tǒng)的工頻量保護(hù)所不能解決的理論和技術(shù)問題。
3)行波保護(hù)不易受故障點(diǎn)的過渡電阻、電力系統(tǒng)振蕩、短路電流的大小、電壓、電流互感器的誤差等因素的影響。
在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行中,現(xiàn)有的行波測(cè)距選線方法的正確性和有效性己經(jīng)被證實(shí)[6-8]。這說明了我們是可以利用行波中的故障信息對(duì)輸電線路進(jìn)行故障診斷與定位,同時(shí)又為行波保護(hù)的研究與應(yīng)用提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)。近年來,隨著行波理論的不斷完善以及小波變換和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)等理論的發(fā)展,特別是現(xiàn)代微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,行波保護(hù)技術(shù)也得到了快速發(fā)展,出現(xiàn)了許多基于單端、雙端行波測(cè)距和保護(hù)的方法和理論。因此,一些國內(nèi)外學(xué)者也致力于行波保護(hù)的研究與應(yīng)用。目前,雖然基于GPS的雙端故障測(cè)距裝置已在輸電網(wǎng)中獲得了廣泛的應(yīng)用,且具有較高的測(cè)距精度,但該裝置需要在輸電線路兩端安裝設(shè)備,成本較高;而且需要通信通道和GPS,其可靠性相對(duì)較低。所以,研究基于單端行波測(cè)距的方法具有一定的前景和意義。
將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入到電力系統(tǒng)后,使得輸電線路阻抗測(cè)距法得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。阻抗法的基本原理是通過測(cè)量輸電線路發(fā)生故障時(shí)的電壓、電流量,計(jì)算出故障回路的阻抗。由于線路長(zhǎng)度與阻抗成正比,因此便可求出裝置裝設(shè)處到故障點(diǎn)的距離,或是利用故障時(shí)記錄下來的電壓、電流量。通過分析計(jì)算,求出故障點(diǎn)的距離。由于該方法容易實(shí)現(xiàn),操作方便而得到廣泛應(yīng)用,但架空輸電線路參數(shù)R、L、C是沿輸電線路是按照潮流分布的,一般不能當(dāng)做集中參數(shù)元件處理,且阻抗法的測(cè)距精度受系統(tǒng)運(yùn)行方式、過渡電阻和線路分布電容等因素影響,所以該方法誤差較大,很難保證測(cè)距精度[7,9-10]。
近幾年國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者對(duì)輸電線路智能診斷理論的研究也越來越多,其中以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論方法的研究尤多。各種智能技術(shù)之間的交叉結(jié)合,如模糊專家系統(tǒng)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)等也相繼出爐,但大多數(shù)尚處于研究階段,距離輸電線路故障診斷的實(shí)際應(yīng)用有很長(zhǎng)的一段路要走。相關(guān)學(xué)科的研究成果如:小波變換、優(yōu)化方法、卡爾曼濾波技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、概率與統(tǒng)計(jì)決策方法等也被引入到輸電線路故障診斷與定位的研究中[7,9]。目前,這些輸電線路故障診斷方法大部分也尚處于開發(fā)立論階段。
在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法中人工神經(jīng)元模擬了腦神經(jīng)元的基本特性,它按照不同的權(quán)重接收其他神經(jīng)元傳遞來的信號(hào),而輸出則是這種加權(quán)和信號(hào)的非線性函數(shù)值。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由大量人工神經(jīng)元相互廣泛連接組成,如圖1所示的前饋網(wǎng)絡(luò)模型包含輸入層、隱含層和輸出層,每層由數(shù)量不等的神經(jīng)元L、M、N組成。相鄰的各神經(jīng)元之間由連接線相互聯(lián)系,信息分散地存儲(chǔ)在連接線權(quán)重上[11-13]。
圖1 前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)圖
文獻(xiàn)[14]研究了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本的本端等值系統(tǒng)阻抗及電勢(shì)變化對(duì)故障測(cè)距或距離保護(hù)的影響,指出人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于故障測(cè)距時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的因素極多,所需訓(xùn)練樣本巨大,且訓(xùn)練很難收斂,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)用于故障測(cè)距尚需進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于模糊理論的單回線單端故障方法,因偽根問題沒有得到解決,所以其定位精度不高。文獻(xiàn)[16]對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷做了簡(jiǎn)要概括,指出由于電力設(shè)備的實(shí)際結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,要獲得學(xué)習(xí)所需的放電數(shù)據(jù)難度很大,所以該方法距離實(shí)用階段尚有相當(dāng)距離。
小波分析(Wavelet Analysis)是近20年來發(fā)展起來的一個(gè)新的領(lǐng)域,其可以稱為是對(duì)傅里葉分析方法的突破性的發(fā)展,它對(duì)數(shù)學(xué)和工程應(yīng)用的發(fā)展都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。小波變換是一種信號(hào)的時(shí)間—尺度(時(shí)間-頻率)分析方法,它具有多分辨率分析(Multi-resolution Analysis)的特點(diǎn),而且在時(shí)頻兩域都具有表征信號(hào)局部特征的能力,是一種窗口大小固定不變,形狀可以改變,時(shí)-頻窗都可以改變的時(shí)頻局部化分析方法。即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率,在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率,很適合于探測(cè)正常信號(hào)中夾帶的瞬態(tài)反常信號(hào)并展示其成分[17],所以被譽(yù)為分析信號(hào)的“顯微鏡”。正是由于這種特性,使小波變換具有對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)性。
小波分析是數(shù)值分析、傅里葉分析、泛函分析相結(jié)合而發(fā)展來一種新的數(shù)學(xué)分支,它廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程、雷達(dá)、機(jī)器視覺、機(jī)器故障診斷、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、圖像處理與分析、語音識(shí)別與合成、音樂、CT成像、量子場(chǎng)論、地震勘探、天體物理、分形等領(lǐng)域。原則上講,傳統(tǒng)上使用傅里葉分析的地方,現(xiàn)在都可以用小波分析來取代。
小波變換是通過多尺度分析對(duì)信號(hào)奇異點(diǎn)進(jìn)行提取的。利用小波多分辨率分析的特性將突變信號(hào)進(jìn)行多尺度分解,然后通過分解后的信號(hào)來確定突變信號(hào)的突變位置。Lipschitz指數(shù)被用來定量描述函數(shù)的奇異性。當(dāng)小波變換尺度越來越精細(xì)時(shí),小波變換的極大值信號(hào)的突變點(diǎn)位置越精確,其衰減速度取決于信號(hào)在突變點(diǎn)的Lipschitz指數(shù)。小波變換不僅可以確定突變點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間,而且可以進(jìn)一步判斷突變的性質(zhì)。由于小波具有空間局部性,它能“聚焦”于信號(hào)的局部結(jié)構(gòu),因此,利用小波變換來確定信號(hào)的突變性位置更有效。
熵最初在熱力學(xué)領(lǐng)域提出并得以應(yīng)用的,經(jīng)100多年的發(fā)展,它已深入到生命科學(xué)、工程應(yīng)用等研究領(lǐng)域。1948年 Shannon定義了信息熵。Shannon 指出,任何信息都存在冗余,冗余大小與信息中每個(gè)符號(hào)(數(shù)字、字母或單詞)的出現(xiàn)概率或者說不確定性有關(guān)。小波熵是小波變換和信息熵的結(jié)合,它的提出始于1998年,Blanco基于小波變換定義了小波熵,它具有小波變換在處理不規(guī)則異常信號(hào)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)以及信息熵對(duì)信號(hào)復(fù)雜程度的統(tǒng)計(jì)特性。隨著該理論的不斷發(fā)展,小波熵在生物、機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[18]闡述了小波熵理論在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性,文獻(xiàn)[19]提出采用離散小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法,對(duì)輸電線路故障進(jìn)行分類和定位,雖然訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以準(zhǔn)確地對(duì)故障進(jìn)行分類和定位,但存在計(jì)算量大、運(yùn)算費(fèi)用高的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[20]提出一種小波熵權(quán)和支持向量機(jī)相結(jié)合的故障識(shí)別方法。該方法識(shí)別速度快,克服了常規(guī)線性分類方法的局限性,具有較強(qiáng)的通用性和實(shí)用性。文獻(xiàn)[21]探討了小波熵作為一種后處理(特征提取)方法在電力系統(tǒng)故障檢測(cè)中的應(yīng)用,證明了小波熵理論在電力系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。由于目前小波熵在電力系統(tǒng)的應(yīng)用甚少,而且它的各種定義還不夠成熟,因此,將小波熵用在電力暫態(tài)信號(hào)的檢測(cè)和分類識(shí)別有待進(jìn)一步深入研究。
故障行波定位法是居于行波傳輸理論實(shí)現(xiàn)的定位方法,在線路上發(fā)生故障時(shí),故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生向線路兩端傳播行波,行波保護(hù)原理是根據(jù)故障時(shí)產(chǎn)生的行波的特征檢出故障的,由于行波保護(hù)原理利用了故障初期出現(xiàn)的行波電壓、行波電流或兩者組合中含有的故障信息,因此它必須要在極短的時(shí)間內(nèi)檢出故障。
在電力系統(tǒng)中,最早利用行波的故障檢測(cè)技術(shù)要追溯到1948年。受二戰(zhàn)后雷達(dá)發(fā)明的啟發(fā),美國人Seidu提出了利用故障后所產(chǎn)生的行波測(cè)量輸電線路故障距離的思想,基于該想法,20世紀(jì)50年代末期先后出現(xiàn)了3種原理的行波測(cè)距技術(shù),并在70-80年代達(dá)到高潮。這期間,提出了行波差動(dòng)保護(hù)原理、行波判別式方向保護(hù)原理、幅值比較式行波保護(hù)原理、極性比較式行波保護(hù)原理和行波距離繼電器。其中,行波差動(dòng)保護(hù)、極性比較式行波保護(hù)都進(jìn)行了裝置的研究。由于各種技術(shù)條件的限制,早期研制的行波保護(hù)裝置都沒能在電力系統(tǒng)中獲得廣泛運(yùn)用,這在很大程度上影響了人們對(duì)行波保護(hù)的研究熱情,因此在之后的一段時(shí)間內(nèi),行波保護(hù)的研究陷入了低谷[22]。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、GPS時(shí)間同步技術(shù)和小波變換的出現(xiàn),20世紀(jì)90年代再次掀起了行波保護(hù)研究和應(yīng)用的高潮。小波變換具有良好的時(shí)頻分析能力和消噪能力,能夠同時(shí)從時(shí)域和頻域描述奇異信號(hào)的每一個(gè)細(xì)節(jié),故障產(chǎn)生的行波是一種非平穩(wěn)變化的高頻信號(hào),因此小波變換成為分析行波信號(hào)的最為有效的數(shù)學(xué)工具,它在輸電線路行波測(cè)距中的成功運(yùn)用已經(jīng)充分說明了這一點(diǎn),為行波保護(hù)的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。而DSP等現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展使得行波保護(hù)的單指令計(jì)算速度由微秒級(jí)降至納秒級(jí),為研制現(xiàn)代電力系統(tǒng)同步時(shí)鐘創(chuàng)造了條件,為行波保護(hù)速動(dòng)性的實(shí)現(xiàn)提供了硬件保證。
在此期間,我國在行波保護(hù)研究方面已取得了階段性的成果,代表人物有清華大學(xué)的董新洲教授,西安交通大學(xué)的葛耀中教授等人。他們研究的重點(diǎn)是利用小波變換識(shí)別故障行波,在此基礎(chǔ)上形成保護(hù)原理和算法,主要成果有:
1)利用 GPS技術(shù)的輸配電線路兩端電氣量故障測(cè)距原理與技術(shù)[23-24],該技術(shù)已經(jīng)由清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、山東理工大學(xué)等單位聯(lián)合研制、由山東科匯電氣公司生產(chǎn),并成功應(yīng)用于電力系統(tǒng),2007年獲得國家發(fā)明獎(jiǎng)。中國電力科學(xué)研究院、華中科技大學(xué)等單位也研制出類似裝置。
2)基于組合故障測(cè)距算法的輸電線路單端電氣量故障測(cè)距技術(shù),較好地解決了精度和可靠性的矛盾,已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利授權(quán)?;谠撍惴?,清華大學(xué)研制出一種高精度故障錄波與測(cè)距裝置并成功應(yīng)用于實(shí)際電力系統(tǒng)。
而國外的一些學(xué)者也致力于基于故障引起暫態(tài)信號(hào)的暫態(tài)量保護(hù)研究,如英國的A.T.Johns及阿爾斯通公司的薄志謙等,他們?cè)?0世紀(jì)90年代提出了一些關(guān)于單端暫態(tài)量的全線速動(dòng)保護(hù)原理和具體實(shí)施方案,推動(dòng)了單端電氣量暫態(tài)保護(hù)研究的快速發(fā)展。因目前電壓互感器主要采用電容分壓式電壓互感器(CVT),其不能傳變高頻電壓信號(hào)而無法獲取暫態(tài)電壓信號(hào)。因此,國內(nèi)有關(guān)學(xué)者陸續(xù)提出了基于電流行波(或電流暫態(tài)信號(hào))的單端量全線速動(dòng)保護(hù)原理[25-27]。
總之,經(jīng)過國內(nèi)外10多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,采用現(xiàn)代行波故障測(cè)距原理的輸電線故障測(cè)距裝置具有測(cè)距精度高和適用范圍廣等一系列優(yōu)點(diǎn)。但基于暫態(tài)行波的故障測(cè)距技術(shù)尚不成熟,仍存在不少問題,概括起來主要有:
1)目前,D型行波測(cè)距原理已在輸電線路上獲得成果應(yīng)用,雖然其具有較高的可靠性,但準(zhǔn)確性稍差。它需要利用線路全長(zhǎng),因而其測(cè)距誤差往往比單端測(cè)距原理的測(cè)距誤差要大,且需要通道和時(shí)間同步設(shè)施,其準(zhǔn)確性略低于單端測(cè)距,投資較大。
2)沒有考慮線路出口故障時(shí)行波采集失真及在電壓過零發(fā)生故障時(shí)對(duì)行波保護(hù)的影響。
3)在保護(hù)硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)上抗干擾問題嚴(yán)重。采用小波模極大值算法的現(xiàn)有雙端行波測(cè)距方法,由于所提取特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻并不是所選中心頻率分量到來的真正時(shí)刻,因而測(cè)距精度不夠準(zhǔn)確。
4)由于輸電線路的色散效應(yīng),波速受頻率影響較大,而行波檢測(cè)到的頻率成分又隨傳輸距離的變化而變化,實(shí)際檢測(cè)的波速難以確定[28],所以有必要對(duì)考慮頻散特性的輸電線路進(jìn)行研究,找到檢測(cè)波速度變化的規(guī)律,進(jìn)而找到估算波速度的辦法。因此,對(duì)單端行波實(shí)用化的測(cè)距方法進(jìn)一步研究是非常必要的。
1)阻抗法是利用測(cè)量到的故障電壓、電流量,根據(jù)測(cè)量阻抗與線路長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系求得故障距離,容易實(shí)現(xiàn),但誤差較大,很難保證測(cè)距精度。
2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論等智能算法,大多數(shù)尚處于研究階段,還有賴于各種智能技術(shù)的發(fā)展與成熟。
3)小波理論,它具有多分辨率分析的特點(diǎn),而且在時(shí)頻兩域都具有表征信號(hào)局部特征的能力,是一種時(shí)頻局部化分析方法??衫眯〔ǘ喾直媛史治龅奶匦詫⑼蛔冃盘?hào)進(jìn)行多尺度分解,然后通過分解后的信號(hào)來確定突變信號(hào)的突變位置。小波熵具有小波變換在處理不規(guī)則異常信號(hào)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)以及信息熵對(duì)信號(hào)復(fù)雜程度的統(tǒng)計(jì)特性,具有很好的應(yīng)用前景。
4)行波法,行波保護(hù)原理是根據(jù)故障時(shí)產(chǎn)生的行波的特征檢出故障的,由于行波保護(hù)原理利用了故障初期出現(xiàn)的行波電壓、行波電流或兩者組合中含有的故障信息,因此它能在極短的時(shí)間內(nèi)檢出故障。行波保護(hù)的超高速動(dòng)作特性及其他優(yōu)點(diǎn)吸引了眾多學(xué)者的研究,現(xiàn)有的行波保護(hù)與早期行波保護(hù)相比,在理論和技術(shù)上都取得了較大進(jìn)步,但尚存在許多問題,需要大量的研究來完善行波保護(hù)原理及其實(shí)用化技術(shù)。
5)綜合輸電線路故障的診斷方法,建議采用小波熵原理對(duì)輸電線路故障模型進(jìn)行仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,進(jìn)而識(shí)別故障類型;運(yùn)用基于小波熵的單端行波測(cè)距方法進(jìn)行故障仿真并對(duì)仿真結(jié)果分析,實(shí)現(xiàn)故障定位。通過小波熵法、小波變換模極大值法進(jìn)行比較分析,對(duì)本文所提方法進(jìn)行有效性的驗(yàn)證。
小波熵具有小波變換和信息熵的特點(diǎn),對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的微小變化具有獨(dú)特的敏感性,它反映了暫態(tài)信號(hào)在時(shí)域和頻域空間的能量分布信息,因此,用小波熵來分辨故障類型是可行的。行波故障信息具有暫態(tài)特性和不可重復(fù)性,故障后的暫態(tài)電流波形會(huì)有變化,主要體現(xiàn)在暫態(tài)電流的高頻分量,利用小波的時(shí)頻可變特性可以準(zhǔn)確地捕捉到這種變化,通過小波熵可以提取該變化?,F(xiàn)有行波測(cè)距選線方法的正確性和有效性己被現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行所證實(shí),這說明了行波故障信息是可以利用的,同時(shí)又為行波保護(hù)的研究和實(shí)際應(yīng)用提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
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