竇國賢，高 楊

(安徽繼遠軟件有限公司，安徽 六安 230088)

0 引言

隨著電力、電網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，電網(wǎng)信息系統(tǒng)的應用更加廣泛，其穩(wěn)定運行關系到電網(wǎng)的良性運行以及用電用戶的切身利益[1-3]。在電力系統(tǒng)中，引起故障的因素包羅萬象，故障分析已經(jīng)成為電網(wǎng)調(diào)度中心的必備工作[4-6]。在對電網(wǎng)信息故障情況進行評估時，對故障元件及故障線路進行及時、有效地判別和切除是調(diào)控運行電網(wǎng)的關鍵環(huán)節(jié)。完整、及時、有效地獲取電力電網(wǎng)線上的故障信息是及時診斷電網(wǎng)故障、保障電網(wǎng)順利進行的主要方式[7-9]。 在傳統(tǒng)方法中，比如在有些電力線對人身安全造成潛在威脅的地方，如果采用常規(guī)的方式進行直接檢測，就難以保障用戶的安全，常規(guī)技術對電力信號的分析也存在一定的局限性。

因此，在進行故障信息分析與研究時，需要采用新型的檢測方法來克服現(xiàn)有技術的不足。本文通過數(shù)據(jù)算法得出信號的無噪聲時域和頻域數(shù)據(jù)[10-12]。利用時、頻域數(shù)據(jù)進行特征提取和分析，得出設備的運行狀態(tài)和潛在故障信息，并且將能夠?qū)⒌贸龅臄?shù)據(jù)進行遠距離傳輸，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)信息數(shù)據(jù)的深層分析與遠程監(jiān)控，下面將詳細描述。

1 總體架構(gòu)設計

在本研究設計中，主要包括數(shù)據(jù)采集單元、工業(yè)計算機、計算單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、遠程無線通訊、中央控制室等，如圖1所示。本研究通過工業(yè)計算機接收傳感器組件的感測信息，在檢測故障信息時，故障來源于包含電網(wǎng)信息系統(tǒng)中的絕緣子、導線、桿塔等，傳感器組件包括但不限于溫濕度傳感器、風速傳感器、風向傳感器、雨量傳感器、日照傳感器、壓力傳感器、風偏角傳感器、泄露電流傳感器、振動傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等。通過這些傳感器能夠檢測不同的數(shù)據(jù)信息，全面反映電網(wǎng)信息系統(tǒng)故障情況[14]。

圖1 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在本系統(tǒng)設計中，工業(yè)計算機通過數(shù)據(jù)采集單元進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集單元在設計時采用高速數(shù)據(jù)采集卡，其連接有網(wǎng)卡以及 GBH 接口卡。采集單元還包含有電壓隔離轉(zhuǎn)換單元、電流隔離轉(zhuǎn)換單元以及信號調(diào)理電路。通過信號調(diào)理電路調(diào)理過高的電壓、電流，使得數(shù)據(jù)采集單元在采集數(shù)據(jù)時，能夠采集比較寬的數(shù)據(jù)范圍。采集卡具有多個模擬量輸入通道，能夠快速采集數(shù)據(jù)，分辨率高。然后通過工業(yè)計算機對所采集到的數(shù)據(jù)進行處理，通過電壓互感器、電流互感器對獲取的信號進行隔離變換后，再通過信號調(diào)理電路和A/D 轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換后送入工業(yè)計算機，工業(yè)計算機能夠通過工業(yè)控制對檢測的到數(shù)據(jù)進行綜合管理。通常，工業(yè)計算機利用RS232或者RS485標準串行口來獲取外部數(shù)據(jù)，通過其內(nèi)部的高速處理器來計算獲得的數(shù)據(jù)，然后通過顯示屏顯示數(shù)據(jù)，或者再通過RS232或者RS485標準串行口進行輸出，在通過故障診斷單元對所獲得數(shù)據(jù)進行診斷。本文采用小波分析算法對所獲得數(shù)據(jù)進行計算，借助于虛擬儀器LabVIEW軟件平臺對檢測到的故障數(shù)據(jù)進行分析和顯示。檢測到的數(shù)據(jù)還可以通過數(shù)據(jù)傳輸單元將采集到的數(shù)據(jù)傳遞到中央控制室內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸單元可以通過ZigBee無線網(wǎng)絡或者GPRS/CDMA無線通訊的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在中央控制室內(nèi)，實現(xiàn)電網(wǎng)信息數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控和管理。

2 故障檢測方法

電網(wǎng)信息系統(tǒng)故障是指設備不能按照預期的指標進行工作的一種狀態(tài)，諸如發(fā)電機組故障、輸電線路故障、變電所故障、母線故障等[15]。電網(wǎng)信息系統(tǒng)包含有多個電力組件，各個電力組件比如發(fā)電機、變壓器、母線、輸配電線路及用電設備通常會受異常因素的影響，直接或者間接地影響電力電網(wǎng)線路的穩(wěn)定、可靠運行，一旦發(fā)生電力系統(tǒng)故障，容易造成大面積電力彈簧或者停電事故，輸電線路中存在的故障包含有雷擊跳閘故障、外力破壞故障、鳥害故障、線路覆冰、導線的斷股、損傷和閃絡燒傷故障等多種形式，如果通過信號分析發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)信息系統(tǒng)故障或異常，并能夠快速做出故障信息診斷，并將診斷信息傳遞到調(diào)度中心，是本文要解決的問題。

2.1 小波分析方法

為了獲得輸出信號時間和頻率之間的相互關系。常用傅立葉變換來分析信息，其能夠提供有關頻率域的信息，但在使用過程中，往往會丟失關于時間的局部化信息。本文引用與傅立葉變換不同的小波變換方式，其是通過縮放母小波(Mother wavelet)的寬度來輸出各種信號的頻率特征， 通過平移母小波輸出不同信號的時間信息。通過對母小波的縮放和平移操作，能夠計算小波系數(shù)，這些不同的小波系數(shù)能夠反映小波和局部信號之間的相關程度。其采用的理論依據(jù)如圖2所示。

圖2 故障信息小波變換信號理論依據(jù)

小波分析方法是將信號窗口面積固定，同時改變形狀、時間窗和頻率窗以進行局域化分析，在小波變換時，在低頻區(qū)段可以具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻區(qū)段具有較高的時間分辨率和較低的分辨率。通過利用小波分析，能夠發(fā)現(xiàn)隱藏于電網(wǎng)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)之中的故障信號，分析無法用肉眼識別的深層信息，小波變換可以對電網(wǎng)信息系統(tǒng)實施局部分析，在任意的時間域或空間域中對信號進行分析，這對于考量電網(wǎng)信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常重要。小波變換公式為：

(1)

轉(zhuǎn)換為：

(2)

在上述公式中，定義頻率為ω，小波變換的兩個變量定義為尺度(用a表示)和平移量(用τ示)。在上述公式中，尺度a用于控制小波函數(shù)的伸縮，平移量τ用于控制故障信號小波函數(shù)的平移。在上述公式中，伸縮因子作用不同，其生成的頻率成分也不同，其變換圖可表示為如圖3～5所示，其中橫坐標表示時間t，縱坐標表示頻率f(Hz):

圖3 故障信息正弦信號

圖4 故障信息小波變換信號

圖5 故障信息正弦信號

其中，在進行故障信息分析時，需要提取小波分解系數(shù)特征的頻率信號，在求出小波分解后，對子頻帶中的各個層重構(gòu)系數(shù)進行均方根(RMS)求值，均方根公式見式(3)所示。

(3)

通過式(3)，能夠更精確地反映信號的能量大小，比如x1，x2，…，xN為信號xs(t)的采樣數(shù)據(jù)，則可利用上述式(3)計算出均方根值。

利用小波多分辨分析能夠基于函數(shù)概念構(gòu)造數(shù)學正交基，使故障信號的空間尺度與小波信號的空間尺度能夠相互正交，當故障信號的尺度從大變化到小時，可從更精細的尺度上觀察故障信息。其原理示意圖如圖6所示。

圖6 小波多分辨分析的原理圖

通過上述分析，可以更詳細地分析故障數(shù)據(jù)。下面建立小波分解樹，進一步說明故障信息的分析原理，在采集到的故障信號中，將高頻分量劃分為細節(jié)分量，將頻率分量劃分為近似分量，如圖7所示。

圖7 小波多分辨分析的原理圖

通過對故障信號的瞬態(tài)信號或圖像的突變點進行分析，能夠獲取其中包含的故障信息，使得用戶更全面地獲取電網(wǎng)信息的運行的情況。在利用小波變換分析時，通過使用小波基能夠提取電力信號中的“指定時間”和“指定頻率”的變化。其中所說的時間，是指提取信號中“指定時間”的變化。也可以解釋為：小波在一端時間區(qū)域內(nèi)發(fā)生的小的波動。所說的頻率包含有較低頻率成分和較高頻率成分，其中較低頻率成分是指提取信號中時間的比較慢速變化，而較高頻率成分是指提取信號中時間B的比較快速變化。

2.2 系統(tǒng)檢測流程

基于上述分析，下面更詳盡地介紹本系統(tǒng)的工作步驟。在本系統(tǒng)設計中，采用小波分析的方法實現(xiàn)所采集數(shù)據(jù)的故障檢測，通過小波變換函數(shù)提取電網(wǎng)信息系統(tǒng)中的參數(shù)，通過傳感器對電網(wǎng)信息系統(tǒng)運行中的溫度、濕度、電流等進行數(shù)據(jù)采集與分析，數(shù)據(jù)采集單元自動實現(xiàn)電網(wǎng)信息系統(tǒng)的波形信號、信號峰值、信號閾值、脈沖方式、設備電源狀態(tài)、設備運行溫度、電壓、負荷、絕緣狀況、電流、設備的信息數(shù)據(jù)、設備信息故障內(nèi)容、原因、預警值、設備變化等信息采集和獲取。最終實現(xiàn)對檢測信號、采集數(shù)據(jù)信息、數(shù)據(jù)處理結(jié)果的分析、評估等。參考圖8所示。

圖8 檢測過程流程示意圖

在上述步驟中，檢測的數(shù)據(jù)通過小波分析算法檢測故障點，對線路中的故障點進行信息診斷，在診斷時，首選采集電網(wǎng)信息系統(tǒng)在T時刻時的信息，如圖9所示，在不同的信息通道采集不同的信息，然后建立故障數(shù)據(jù)庫存儲故障信息數(shù)據(jù)，在不同的數(shù)據(jù)通道基于小波變換提取數(shù)據(jù)信息進行故障診斷。接著在T+t時刻，根據(jù)所選擇的不同通訊分支，提取線路上的潮流分布特征，同樣利用小波變換采集故障信息，通過工業(yè)計算機顯示故障數(shù)據(jù)，如果分析、顯示的數(shù)據(jù)未能滿足需求，則再次進行小波分析，如果分析、顯示的數(shù)據(jù)滿足用戶需求，則將檢測數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸單元上傳至中央控制室，用戶在中央控制室監(jiān)控或者管理故障點，根據(jù)故障信息采取適當?shù)拇胧?/p>

圖9 檢測過程流程示意圖

3 試驗結(jié)果及分析

在試驗時，軟件系統(tǒng)采用ADO方式的C/S架構(gòu)設計，信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用MSSQL2015，在前臺運行的程序在Win98/Me 2015/XP上進行。采用的系統(tǒng)軟件是由圖形化語言LABVIEW開發(fā)，在LABVIEW軟件上完成電網(wǎng)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、波形顯示、頻率測試、諧波檢測故障判斷以及報表生成等功能。在具體試驗時，以同步發(fā)電機為例，檢測同步電機在工作過程中故障數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)正常運行和非正常運行時，將電網(wǎng)A相單相接地信號和三相接地信號分別在正常運行和非正常運行狀態(tài)下分析其電網(wǎng)信號，利用小波分析方法對同步發(fā)電機的A相電壓信號和B相電壓信號、電流信號、諧波信號、振動信號、有功功率信號等進行分析，基于篇幅限制，現(xiàn)在僅僅對電流信號進行小波分解。圖10為含有噪音的波形示意圖，圖11未含有噪音的波形示意圖。

圖10 含有噪音的波形示意圖

根據(jù)圖10～11，選擇 Haar 小波進行分析的波形如圖12～圖15所示，其中圖12為含有噪音的波形分析示意圖。

圖12 含有噪音的波形分析示意圖

然后對比圖13，圖13未含有噪音的波形示意圖，通過其波形可以看出噪音情況。

圖13 未含有噪音的波形示意圖

然后采用小波進行分析的波形如圖14所示。

圖14 含有噪音的波形分析示意圖

未含噪音的波形如圖15所示。

圖15 未含有噪音的波形示意圖

當尺度因子s=2時，表示噪聲沒有完全被處理掉，其波形輪廓能夠基本可現(xiàn)。當s=6，8 時，雖然比較好地消除了噪聲，但是與原始信號的相位具有明顯的差別。

通過上述試驗，分別采用兩種不同的方法進行分析、試驗。在采用傳統(tǒng)方法和本研究設計的方法分別進行測試、對比，得出如表1所示的數(shù)據(jù)。其中A表示采用傳統(tǒng)方法進行測試的誤差百分比(%)，B表示采用本研究技術方案進行測試的誤差百分比(%)。

表1 試驗數(shù)據(jù)記錄表

通過上述試驗可以看出，采用本文設計的方案誤差較小，因此，本文設計的方法有利于用戶更加準確地分析、判斷電網(wǎng)故障數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文運用小波變換的方法對電網(wǎng)信息系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)進行了分析，通過對故障特征進行提取，對電網(wǎng)中存在的不同信號根據(jù)均方根值計算，得出故障值，使得用戶很好地對電網(wǎng)運行情況進行把控和分析。當電網(wǎng)信息系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障線路的暫態(tài)信號(其包括但不局限于電壓、電流、諧波功率等)表示明顯。因此，采用小波分析的方法使電網(wǎng)信息系統(tǒng)故障信號得到很好的分析，能夠使用戶準確地判斷出電網(wǎng)故障類型，在電網(wǎng)故障診斷中具有一定的應用價值。