直流XLPE電纜局部放電模式識(shí)別技術(shù)研究

劉日朗 秦浩洋 陳鵬飛 黃宇平

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局 廣東省廣州市 510630）

直流XLPE 電纜以其高絕緣性，成為直流輸電中的主要應(yīng)用電纜，其局部放電模式作為評(píng)價(jià)其輸電穩(wěn)定性的重要條件，必須引起相關(guān)部門(mén)的重視。針對(duì)其局部放電模式的識(shí)別技術(shù)，能夠?yàn)楸ＷC其放電的可靠性提供依據(jù)[1]。在我國(guó)，針對(duì)該識(shí)別技術(shù)的研究并不少見(jiàn)，主要是通過(guò)分析該電纜局部放電的脈沖頻率，以此得出其是否存在重復(fù)放電的現(xiàn)象，進(jìn)而得出識(shí)別結(jié)果。但傳統(tǒng)技術(shù)在實(shí)際中應(yīng)用后體現(xiàn)出識(shí)別查準(zhǔn)率的缺陷，造成此現(xiàn)象的主要原因?yàn)獒槍?duì)其放電行為特征的提取不精準(zhǔn)。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)技術(shù)中存在的問(wèn)題已經(jīng)逐漸顯露出來(lái)，為此，本文以直流XLPE 電纜局部放電模式為例，針對(duì)其識(shí)別技術(shù)加以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，致力于從根本上提高其識(shí)別查準(zhǔn)率。

1 直流XLPE電纜局部放電模式識(shí)別技術(shù)

1.1 提取局部放電行為特征

在局部放電模式識(shí)別中，必須預(yù)先提取局部放電行為特征。基于行為特征的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，通過(guò)時(shí)域、頻域和時(shí)頻三類(lèi)，提取其行為特征，并以幾何特征、空間、方向、匹配特征以及距離作為局部放電行為特征指標(biāo)[2]。局部放電行為特征指標(biāo)具體內(nèi)容，如表1所示。

結(jié)合表1 所示，離散化處理表1 中的局部放電行為特征[3]。設(shè)離散化處理后的局部放電行為特征為T(mén)，則有公式（1）。

在公式（1）中，R 指的是局部放電行為特征的周長(zhǎng)相似；e 指的是局部放電行為特征的長(zhǎng)度相似度；l 指的是局部放電行為特征的Hausdo 距離；m 指的是局部放電行為特征的歐氏距離；F 指的是局部放電行為特征匹配權(quán)重系數(shù)；n 指的是直流XLPE 電纜長(zhǎng)度，為實(shí)數(shù)。根據(jù)公式（1）可推導(dǎo)出局部放電行為特征的空間峰值比，設(shè)局部放電行為特征的空間峰值比為，則有公式（2）。

在公式（2）中，N 指的是離散系數(shù)；J 指的是局部放電行為特征轉(zhuǎn)向函數(shù)。通過(guò)公式（2），得出局部放電行為特征的空間峰值比，基于行為特征度量的方式，通過(guò)計(jì)算局部放電行為特征系數(shù)，提取其行為特征[4]。設(shè)局部放電行為特征系數(shù)為Y，則有公式（3）。

在公式（3）中，X 指的是對(duì)應(yīng)階次；p 指的是增益效果。通過(guò)上述公式，實(shí)現(xiàn)局部放電行為特征提取。但初步提取到的局部放電行為特征與實(shí)際仍然存在誤差，在后續(xù)計(jì)算中還需要通過(guò)因子分析算法處理局部放電行為特征描述子。

1.2 處理局部放電行為特征描述子

考慮到在提取局部放電行為特征時(shí)，未考慮到局部放電的特征[5]。因此，在局部放電分類(lèi)識(shí)別過(guò)程中，還需要基于因子分析算法處理局部放電行為特征描述子。首先，通過(guò)因子分析算法劃分局部放電的信息空間以及物理空間，將高頻局部放電信息劃分到信息空間，將低頻局部放電信息劃分到物理空間，在多維空間中尋找出訓(xùn)練數(shù)據(jù)的最佳擬合平面；而后，將原局部放電信息與進(jìn)行處理后局部放電信息設(shè)定為兩組通道；最后，根據(jù)行為特征描述子的向量進(jìn)行局部放電信息輸出處理，實(shí)現(xiàn)直接將識(shí)別局部放電信息進(jìn)行輸入或輸出處理。基于因子分析算法處理局部放電行為特征描述子可用方程式的手段進(jìn)行表示，設(shè)處理后的局部放電行為特征描述子為D(x,y)，則有公式（4）。

在公式（4）中，K 指的是局部放電行為特征向量維度；k 指的是維度，為實(shí)數(shù)，通常情況下取值為1；y 指的是直流XLPE 電纜內(nèi)部阻值；rk指的是在采樣率。通過(guò)公式（4），可以基于因子分析算法處理局部放電行為特征描述子，而經(jīng)過(guò)處理后的局部放電行為特征描述子則可以直接反映出局部放電模式中的細(xì)微部件信息，以此，為下文基于行為特征分類(lèi)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.3 基于行為特征的局部放電模式分類(lèi)

在處理局部放電行為特征描述子的基礎(chǔ)上，基于行為特征，分析局部放電中的細(xì)微部件信息[6]。為了進(jìn)一步掌握行為特征在局部放電模式中的規(guī)律，采用對(duì)局部放電行為特征降維處理的方式，選取局部放電某一具備行為特征的空間（此空間應(yīng)相對(duì)目標(biāo)類(lèi)別具備一定相關(guān)性），采用信息反復(fù)交互的方式，權(quán)衡局部放電行為特征與局部放電分類(lèi)，上述提出局部放電中的兩種行為特征分別使用G、V 表示，則存在行為特征的局部放電差準(zhǔn)則融合計(jì)算可用如下計(jì)算公式表示。

公式（7）中：r 指的是局部放電之間的信息交互行為。根據(jù)上述計(jì)算公式，假定存在相同行為特征的局部放電屬于多元變量，則基于行為特征的局部放電分類(lèi)可表示為如下：

公式（8）中：Sm指的是局部放電行為特征可能存在的多元變量；d 指的是局部放電分類(lèi)識(shí)別控制系數(shù)，通常情況下用常數(shù)表示。通過(guò)公式（8），實(shí)現(xiàn)基于行為特征的局部放電分類(lèi)。

1.4 建立局部放電模式識(shí)別矩陣

基于行為特征實(shí)現(xiàn)局部放電分類(lèi)后，標(biāo)志局部放電所屬類(lèi)型，建立局部放電行為特征分類(lèi)識(shí)別矩陣，將分類(lèi)后局部放電的若干字段進(jìn)行ColumnGroup 定義。在局部放電行為特征分類(lèi)識(shí)別中，首先，要建立局部放電行為特征與計(jì)算機(jī)識(shí)別之間的邏輯關(guān)系；再通過(guò)將局部放電映射到同一個(gè)行為特征表示空間；最后，得到維數(shù)一致的行為特征向量。設(shè)局部放電行為特征分類(lèi)識(shí)別矩陣為E，可得公式（9）。

在公式（9）中，M 指的是局部放電數(shù)據(jù)的字符長(zhǎng)度；N 指的是局部放電的語(yǔ)義特征；x(i,j)指的是局部放電缺陷在共享空間的投影距離。利用公式（9）可得出局部放電行為特征分類(lèi)識(shí)別投影，使局部放電分類(lèi)識(shí)別成為可能。

1.5 實(shí)現(xiàn)局部放電模式識(shí)別

在完成上述研究的基礎(chǔ)上，本文構(gòu)建一個(gè)局部放電模式識(shí)別數(shù)據(jù)集，通過(guò)重構(gòu)權(quán)值的方法直接省略前期的降噪處理流程[7]。面對(duì)在識(shí)別中運(yùn)算復(fù)雜的情況，以行為特征參數(shù)作為高精度識(shí)別依據(jù)，計(jì)算識(shí)別的波動(dòng)幅度標(biāo)準(zhǔn)差。設(shè)局部放電模式識(shí)別的波動(dòng)幅度標(biāo)準(zhǔn)差為v，則有公式（10）。

在公式（10）中，γ 指的是局部放電模式中待識(shí)別信號(hào)的最大參數(shù)值。根據(jù)公式（10）對(duì)波動(dòng)幅度標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行判斷，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)識(shí)別過(guò)程中的正交分量與正常信號(hào)的同相分量的絕對(duì)值，得出識(shí)別表達(dá)式。設(shè)局部放電模式識(shí)別表達(dá)式為τ，則有公式（11）。

通過(guò)公式（11），得出τ的具體數(shù)值，在lm與lj均為正數(shù)的前提下，當(dāng) 時(shí)，能夠取得高精度的識(shí)別結(jié)果；當(dāng)τ>m 時(shí)，則證明該次識(shí)別結(jié)果無(wú)效。至此，完成直流XLPE 電纜局部放電模式識(shí)別。

2 實(shí)例分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

以下將采用設(shè)計(jì)實(shí)例分析的方式，驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)識(shí)別技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用中的作用。本次實(shí)例分析對(duì)象選取直流XLPE 電纜，本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為直流XLPE 電纜局部放電模式識(shí)別。首先，使用本文設(shè)計(jì)識(shí)別技術(shù)，識(shí)別直流XLPE 電纜局部放電模式，通過(guò)MATALB軟件測(cè)試其識(shí)別查準(zhǔn)率，并記錄，將其設(shè)為實(shí)驗(yàn)組；再使用傳統(tǒng)識(shí)別技術(shù)，識(shí)別直流XLPE 電纜局部放電模式，同樣通過(guò)MATALB軟件識(shí)別其查準(zhǔn)率，并記錄，將其設(shè)為對(duì)照組。由此可見(jiàn)，本次實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容為測(cè)試兩種識(shí)別技術(shù)的識(shí)別查準(zhǔn)率，識(shí)別查準(zhǔn)率越高證明該技術(shù)的識(shí)別精度越高。通過(guò)10 次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的識(shí)別查準(zhǔn)率，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出兩種識(shí)別技術(shù)下的識(shí)別查準(zhǔn)率，具體結(jié)果如表2 所示。

表1：局部放電行為特征指標(biāo)

表2：實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表2 中的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)組識(shí)別查準(zhǔn)率明顯高于對(duì)照組，具有現(xiàn)實(shí)推廣價(jià)值，值得在現(xiàn)實(shí)中被大力應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)例分析的方式，證明了設(shè)計(jì)識(shí)別技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的適用性，以此為依據(jù)，證明此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性。因此，有理由相信通過(guò)本文設(shè)計(jì)，能夠解決傳統(tǒng)直流XLPE 電纜局部放電模式識(shí)別中存在的缺陷。但本文同樣存在不足之處，主要表現(xiàn)為未對(duì)本次識(shí)別查準(zhǔn)率測(cè)定結(jié)果的精密度與準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)一步提高識(shí)別查準(zhǔn)率測(cè)定結(jié)果的可信度。這一點(diǎn)，在未來(lái)針對(duì)此方面的研究中可以加以補(bǔ)足。與此同時(shí)，還需要對(duì)直流XLPE 電纜的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出深入研究，以此為提高直流XLPE 電纜質(zhì)量提供建議。