基于SLO 實(shí)時(shí)分解的電力電容器局部放電信號(hào)檢測(cè)方法研究

楊軼婷

（安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程系，安徽 合肥 230000）

近年來，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，作為電力系統(tǒng)中重要設(shè)備的電力電容器，對(duì)其安全性能提出了更高的要求。根據(jù)電力電容器的絕緣狀況判斷其是否具有可靠性，當(dāng)絕緣內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生脈沖電流、超聲波、不同種類的氣體、光、電磁波等，通過測(cè)量這些量可以判斷局部放電是否發(fā)生及發(fā)生的程度。當(dāng)絕緣性能降低時(shí)，電力電容器會(huì)產(chǎn)生局部放電，而局部放電又會(huì)導(dǎo)致電力電容器絕緣性能再次下降，甚至遭到破壞。局部放電檢測(cè)是高壓電力設(shè)備絕緣狀態(tài)檢測(cè)的重要手段，它對(duì)提高電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有較高的理論意義和實(shí)用價(jià)值［1］。在電力電容器局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，超聲波具有在傳播過程中不受電磁干擾影響，易于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)及定位的特點(diǎn)。因此，局部放電信號(hào)對(duì)檢測(cè)電力電容器的絕緣特性有著重要意義［2］。

當(dāng)電力電容器在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，通常伴隨有強(qiáng)大的電磁干擾，主要包括窄帶周期性干擾、脈沖型干擾和白噪聲干擾。由于局部放電信號(hào)非常微弱，容易導(dǎo)致信號(hào)被淹沒。因此，如何在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下準(zhǔn)確獲取這些微弱的局部放電信號(hào)是目前研究的難點(diǎn)。文獻(xiàn)［3］提出了一種基于多種抗干擾手段的新型高頻電流局部放電測(cè)量方法，通過視在放電量校準(zhǔn)器注入的方式，研究了該方法檢測(cè)局部放電的靈敏度及受電容量的影響程度，并通過與常規(guī)脈沖電流對(duì)比，探索了視在放電量的修正問題，最后在現(xiàn)場(chǎng)與超聲法進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。但是該方法對(duì)電力電容器局部放電信號(hào)檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)。文獻(xiàn)［4］提出了一種基于超聲波和超高頻的局部放電檢測(cè)方法，結(jié)合局部放電原理及局部放電檢測(cè)技術(shù)，對(duì)局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)超聲波檢測(cè)和超高頻檢測(cè)硬件電路模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用CCS3.3 軟件對(duì)下位機(jī)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，利用Labview 軟件對(duì)上位機(jī)檢測(cè)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過運(yùn)行驗(yàn)證了上述方案的可行性及正確性。文獻(xiàn)［5］提出了一種電容式電力設(shè)備局部放電高頻和特高頻綜合在線檢測(cè)方法，通過UHF 方法對(duì)電容式電力設(shè)備局部放電量進(jìn)行標(biāo)定和估計(jì)，以局部放電的UHF 信號(hào)為時(shí)間參考，對(duì)HFCT 信號(hào)進(jìn)行平均降噪，可以有效提高信噪比，更好地滿足估計(jì)局部放電量的需求。但是，文獻(xiàn)［4-5］中提出的兩種方法對(duì)電力電容器局部放電信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確率較低。

針對(duì)上述問題，本文提出了基于SLO（System Logic Open）實(shí)時(shí)分解的電力電容器局部放電信號(hào)檢測(cè)方法。SLO 是一種智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的系統(tǒng)性、邏輯性和開放性原則［6］。本文利用SLO 實(shí)時(shí)分解的原則對(duì)電力電容器局部放電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析證明，該方法能夠準(zhǔn)確并快速地檢測(cè)出電力電容器局部放電信號(hào)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 基于SLO 實(shí)時(shí)分解的電力電容器局部放電信號(hào)檢測(cè)

1.1 電力電容器信息素更新

通過引入電力電容器節(jié)點(diǎn)可信度機(jī)制，對(duì)電力電容器中的信息素進(jìn)行全局更新，即更新電力電容器中的局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)信息。

利用局部放電技術(shù)衡量一個(gè)電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)中的信息素，假設(shè)m表示電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)數(shù)量；p表示電力電容器脈沖電流處理能力；r表示電力電容器的容量；h表示電力電容器零序電壓，零序電壓和流通的回路產(chǎn)生零序電流；b表示電力電容器介質(zhì)損耗因數(shù)。利用這些參數(shù)衡量電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)的信息素，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息素進(jìn)行初始化處理［7］。

電力電容器信息素初始化表達(dá)式為

電力電容器無功補(bǔ)償能夠提高電力供電系統(tǒng)中電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低線路和電力電容器因輸送無功功率造成的電能損耗，從而起到提升供電效率，改善供電環(huán)境的作用。因此，對(duì)電力電容器無功補(bǔ)償進(jìn)行初始設(shè)置，其初始化公式為

電力電容器無功補(bǔ)償?shù)某跏蓟幚碛?jì)算表達(dá)式為

電力電容器介質(zhì)損耗因數(shù)的初始化處理為

電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)i的信息素是上述各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息素的加權(quán)和，其計(jì)算公式如下：

式中，a、b、c、d分別代表上述各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息素的加權(quán)系數(shù)，且滿足a+b+c+d=1。

根據(jù)式（5），引入電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)的可信度評(píng)價(jià)機(jī)制，電力電容器中可信度越高的局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)代表了該節(jié)點(diǎn)執(zhí)行任務(wù)的成功率越高；在電力電容器局部放電信號(hào)進(jìn)行任務(wù)分配時(shí)，會(huì)優(yōu)先分配任務(wù)給可信度高的局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)［8］。衡量電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)可信度的計(jì)算公式如下：

式中，Te表示電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)的可信度；Ts表示電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)實(shí)際完成任務(wù)的總量；Tg表示電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)接收的任務(wù)總量。當(dāng)Ts與Tg相同時(shí)，Te為1，此時(shí)電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)完成任務(wù)的成功率達(dá)到最高。

待局部放電發(fā)生時(shí)，局部放電信號(hào)會(huì)被空間電磁波和硬件電路噪聲干擾，對(duì)局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)中的信息素進(jìn)行更新，能夠提高局部放電信號(hào)的檢測(cè)準(zhǔn)確率，有利于電力電容器的缺陷識(shí)別。因此，采用局部更新機(jī)制更新電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)的信息素，其計(jì)算表達(dá)式為

式中，τi(t)表示在t時(shí)刻電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)i的信息素；λ表示功率調(diào)整因子。

根據(jù)上述計(jì)算，電力電容器中有效節(jié)點(diǎn)上的任務(wù)隨著時(shí)間的不斷推移會(huì)隨之變少，而當(dāng)電力電容器計(jì)算節(jié)點(diǎn)完成分配的任務(wù)后，利用全局更新機(jī)制更新電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)的信息素［9-10］。

1.2 局部放電信號(hào)傳播路徑選擇

電力設(shè)備內(nèi)部早期故障產(chǎn)生的局部放電信號(hào)很微弱，往往處于強(qiáng)大噪聲的包圍之中。為了從復(fù)雜環(huán)境中準(zhǔn)確提取局部放電信號(hào)，依據(jù)電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)的信息素全局更新結(jié)果，利用蟻群算法對(duì)局部放電產(chǎn)生的電磁波信號(hào)的傳播路徑進(jìn)行選擇。具體過程為螞蟻在搜索電力電容器局部放電目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的過程中，依據(jù)每條路徑上的電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)的信息素大小決定螞蟻下一跳節(jié)點(diǎn)，螞蟻總是朝著路徑上電力電容器局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)的信息素比較大的方向前進(jìn)。

設(shè)螞蟻k(k=1,2,…,m)在移動(dòng)過程中根據(jù)每條路徑上的電力電容器信息素決定其運(yùn)動(dòng)方向。在t時(shí)刻，螞蟻k選擇電力電容器下一跳節(jié)點(diǎn)的概率計(jì)算公式如下：

式中，ak={0,1,2,…,n}，表示螞蟻k下一跳節(jié)點(diǎn)；s表示電力電容器節(jié)點(diǎn)i的相鄰節(jié)點(diǎn)；ηk表示電力電容器節(jié)點(diǎn)螞蟻k的固定屬性值，即電力電容器啟發(fā)因子；α和β均表示電力電容器調(diào)節(jié)因子，α越小，電力電容器局部放電的收斂性能越好，而β越小，電力電容器局部放電的收斂性能越差。

1.3 基于SLO實(shí)時(shí)分解的局部放電信號(hào)提取及檢測(cè)

局部放電是電力電容器絕緣老化的關(guān)鍵性因素，絕緣老化的程度和放電類型有著十分密切的關(guān)系，所以對(duì)電力電容器局部放電電磁信號(hào)的特征提取很重要。在上述利用蟻群算法選擇局部放電產(chǎn)生的電磁信號(hào)傳播路徑的基礎(chǔ)上，提取局部放電特征信號(hào)。

首先，要反應(yīng)電力電容器當(dāng)前局部放電信號(hào)節(jié)點(diǎn)在電力電容器所有節(jié)點(diǎn)中所占的比例；然后，進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，適應(yīng)電力電容器任務(wù)負(fù)載的變化性。電力電容器局部放電電磁信號(hào)通過SLO 實(shí)時(shí)分解可以得到若干個(gè)頻率由高到低的模態(tài)分量，每個(gè)模態(tài)分量所包含的頻率成分隨信號(hào)本身變化而變化，可以準(zhǔn)確地表征電力電容器局部放電電磁信號(hào)的本質(zhì)特征。詳細(xì)描述過程如下：

假設(shè)在電力電容器VMi中，它的全局SLO 為(σi,ρi,δi)，表示電力電容器VMi在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)nj的局部SLO。如果電力電容器VMi的最大響應(yīng)時(shí)間固定不變，則如果同時(shí)也相等，則電力電容器的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)能更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)的任務(wù)負(fù)載。電力電容器全局平均吞吐量ρi分配到電力電容器局部放電信號(hào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算表達(dá)式分別如下：

由于在SLO實(shí)時(shí)分解中會(huì)出現(xiàn)過分解、虛假分量，進(jìn)而造成局部放電電磁信號(hào)特征量提取過多，因此將式（10）中的進(jìn)一步分解。電容器虛假分量和電力電容器實(shí)際的信號(hào)成分線性組合，其表達(dá)式為

對(duì)式（12）進(jìn)一步計(jì)算可得：

根據(jù)式（15）可知，任意電力電容器VMi在所有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中得到的SLO 份額之和為1，即電力電容器全局SLO被分解成合適的電力電容器局部SLO。

從電力電容器存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)nj上次接收到VMi的任務(wù)請(qǐng)求至今，電力電容器VMi向所有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)共同發(fā)出（）個(gè)任務(wù)請(qǐng)求，其中只有一個(gè)任務(wù)請(qǐng)求到達(dá)電力電容器VMi，在此段時(shí)間內(nèi)電力電容器的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)nj所承受的任務(wù)負(fù)載量占全部負(fù)載量的

根據(jù)式（9）～（17）進(jìn)行推導(dǎo)可得：

根據(jù)式（19），對(duì)提取到的電力電容器局部放電電磁信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，其表達(dá)為

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提出的基于SLO 實(shí)時(shí)分解的電力電容器局部放電信號(hào)檢測(cè)方法的綜合有效性，選取某發(fā)電廠變電站電力電容器局部放電信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。電力電容器如圖1所示。

圖1 電力電容器

設(shè)置電力電容器參數(shù)，如表1所示。

表1 電力電容器參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：Matlab 仿真工具，Microsoft Windows XP 操作系統(tǒng)，Intel（R）Celeron（R）2.6 GHz 處理器，24 GB內(nèi)存。圖2為實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)。

圖2 實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)

通過上述參數(shù)設(shè)置，實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)的配置，構(gòu)建電力電容器局部放電模型，如圖3所示。

圖3 電力電容器局部放電模型

通過電力電容器局部放電模型，采用高頻電流傳感器對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行采集，共采集5 000 個(gè)信號(hào)節(jié)點(diǎn)，其中訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)為2 000 個(gè)，測(cè)試節(jié)點(diǎn)為3 000個(gè)，采集結(jié)果如圖4所示。

分別采用文獻(xiàn)［3-5］中提出的方法和本文的方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的電力電容器局部放電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比4 種方法的檢測(cè)準(zhǔn)確率，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)采集的局部放電信號(hào)

圖5 檢測(cè)準(zhǔn)確率對(duì)比結(jié)果

根據(jù)圖5 可知，隨著迭代次數(shù)的增加，采用本文方法得到的電力電容器局部放電信號(hào)檢測(cè)準(zhǔn)確率也在逐漸升高。在迭代次數(shù)為10 時(shí)，采用本文方法的電力電容器局部放電信號(hào)的檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到100%，比采用文獻(xiàn)［3-5］中所提到的方法所得到的電力電容器局部放電信號(hào)檢測(cè)準(zhǔn)確率高，這說明了本文方法具有較高的檢測(cè)準(zhǔn)確率。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性，對(duì)這4 種方法的電力電容器局部放電信號(hào)的檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 檢測(cè)時(shí)間對(duì)比結(jié)果

對(duì)圖6進(jìn)行分析可知，相對(duì)于文獻(xiàn)［3-5］中的方法，本文方法的電力電容器局部放電信號(hào)的檢測(cè)時(shí)間最短。

3 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前電力電容器局部放電信號(hào)檢測(cè)方法存在的檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)、檢測(cè)準(zhǔn)確率較低的問題，本文提出基于SLO 實(shí)時(shí)分解的電力電容器局部放電信號(hào)檢測(cè)方法，采用相關(guān)系數(shù)提取主要SLO實(shí)時(shí)分解的模態(tài)分量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電容器局部放電信號(hào)的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所提出的方法提高了電力電容器局部放電信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確率，并縮短了檢測(cè)時(shí)間，具有廣泛的應(yīng)用前景。