基于混沌特征分析的電網(wǎng)輸配電高壓直流檢測技術(shù)研究

周熙瑋

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 鹽城供電分公司，江蘇 鹽城 224001）

0 引 言

在電網(wǎng)輸配電系統(tǒng)中，高壓直流（High Voltage Direct Current，HVDC）輸電具有傳輸能力強(qiáng)、可以實(shí)現(xiàn)非同步的網(wǎng)絡(luò)化以及輸電損耗低等優(yōu)勢，在長距離輸電、非同步的網(wǎng)絡(luò)化輸電、海底電纜輸電等領(lǐng)域得到了廣泛使用[1]。隨著國家“十二五”規(guī)劃中“西電東送”建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，國內(nèi)高壓直流輸電技術(shù)迅速發(fā)展，一批又一批的輸電工程竣工投產(chǎn)，為實(shí)現(xiàn)東西方電力資源的最優(yōu)分配提供了新的契機(jī)。在國內(nèi)，對直流輸電進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)踐，并取得了長足的進(jìn)步。當(dāng)前，我國已經(jīng)形成了“八交九直”的交直流混聯(lián)輸變電網(wǎng)絡(luò)，在華東、珠三角等經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的區(qū)域，直流輸電起到了不可替代的作用，但是日益突出的重要性也給電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

在國內(nèi)的研究中，廖名洋等人基于多波段脈沖輸入法的單端定位理論，給出了一種直流接地線故障定位算法[2]。利用8 μs 的脈沖，循環(huán)對地極線的工作狀況進(jìn)行檢測，判斷輸電線路是否出現(xiàn)故障，再利用4 μs 和2 μs 的脈沖對故障進(jìn)行定位，通過計算平均值得出測距結(jié)果。通過電力系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計/直流電磁暫態(tài)計算程序（Power Systems Computer Aided Design/Electromagnetic Transients including DC，PSCAD/EMTDC）模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的算法可以在雙極型和單極型2 種工況下有效克服由于選擇較寬的脈沖而導(dǎo)致較大的距離盲區(qū)，并在一定程度上保持了對回波信號的高度辨識。

基于以上研究背景，本文將混沌特征分析應(yīng)用到電網(wǎng)輸配電高壓直流檢測中，從而保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 電網(wǎng)輸配電高壓直流檢測技術(shù)設(shè)計

1.1 提取高壓直流特征量

高壓直流信號經(jīng)過小波分解后，可以獲得小波重構(gòu)系數(shù)[3]。在引入信息熵理論的基礎(chǔ)上，計算出高壓直流信號在c尺度下經(jīng)過χ層分解后的小波包時間熵，公式為

式中：λχ,c(t)為t時刻高壓直流信號在c尺度下的能量系數(shù)；為第x個滑動窗口中小波能量系數(shù)落入的概率；L為滑動窗口的區(qū)間參數(shù)。

利用式（1）獲得的小波包時間熵對不同頻帶下的高壓直流信號特征進(jìn)行描述，在χ層尺度下，將小波包時間熵定義為高壓直流的特征元素，構(gòu)建特征向量。

當(dāng)高壓直流信號發(fā)生變化時，對應(yīng)的時間熵值也會隨之改變[4]。對于電網(wǎng)的輸配電系統(tǒng)而言，定義了高壓直流信號，表示為

式中：t為時間；f1、f2、f3和f4為基波。高壓直流信號在[0,0.5 s]時域內(nèi)由基波構(gòu)成，記作輸配電線路狀態(tài)1；在[0.5 s,1 s]時域內(nèi)由基波和多次諧波構(gòu)成，記作輸配電線路狀態(tài)2；在[1 s,1.5 s]時域內(nèi)由基波、第3、5、7 次諧波構(gòu)成，記作輸配電線路狀態(tài)3。

以高壓直流信號的時間離散序列為分析目標(biāo)，計算出輸配電系統(tǒng)中高壓直流信號在0 尺度下的小波包時間熵值，公式為

式中：β為小波熵的窗函數(shù)。

以上通過小波分析，計算出高壓直流信號在不同尺度下的小波包時間熵，將其作為高壓直流特征量，為輸配電高壓直流檢測提供依據(jù)。

1.2 基于混沌特征分析實(shí)現(xiàn)高壓直流的檢測

以提取出的高壓直流特征量為依據(jù)，在引入混沌特征分析理論的基礎(chǔ)上，構(gòu)建輸配電高壓直流特征點(diǎn)的偏差函數(shù)，通過求解偏差函數(shù)的最小值，檢測出輸配電系統(tǒng)中的高壓直流信號，具體過程如下[5]。

假設(shè)輸配電系統(tǒng)中存在2 個時間值aji和ajk，如果aij≤a，將2 個時間值合并成，生成輸配電系統(tǒng)中高壓直流時間序列的分段yi，利用式（4）計算出高壓直流中時間序列分段xi和yi的均方誤差，公式為

在輸配電系統(tǒng)中，如果高壓直流時間序列存在N個分段，定義高壓直流時間序列的分段集合為DN，在此基礎(chǔ)上，計算出所有高壓直流時間序列的誤差集合，即

高壓直流信號中用yi表示第i個分段的時間序列，如果其中存在t個高壓直流節(jié)點(diǎn)，通過計算高壓直流節(jié)點(diǎn)的均方誤差，對信號進(jìn)行混沌特征分析[6]。建立高壓直流的偏差函數(shù)，表示為

通過混沌特征分析確定高壓直流節(jié)點(diǎn)的過程就是對偏差函數(shù)求解最小值的過程[7]。在輸配電系統(tǒng)時間序列分段中，利用式（7）給出高壓直流偏差函數(shù)的最小均方誤差，公式為

定義a1,a2,…,aj代表分段數(shù)量為j時的高壓直流時間序列，當(dāng)偏差數(shù)量為k時，計算出高壓直流偏差函數(shù)的最小均方誤差，將其作為高壓直流信號檢測的最優(yōu)策略。

當(dāng)e≥y-x+1 時，高壓直流偏差函數(shù)的最小均方誤差為0[8]。通過混沌特征分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)y為輸配電系統(tǒng)中高壓直流節(jié)點(diǎn)時，需要增加一個ai變量，更新高壓直流偏差函數(shù)的最小均方誤差，得到的更新結(jié)果為

當(dāng)高壓直流偏差函數(shù)的均方誤差最小時，獲取對應(yīng)的G*和GG*，通過混沌特征分析，確定高壓直流節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)輸配電高壓直流的檢測。

2 實(shí)驗(yàn)對比分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證文中技術(shù)在高壓直流檢測中的可行性，進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。在電力系統(tǒng)中選擇一個輸配電裝置作為實(shí)驗(yàn)研究對象，該裝置的相關(guān)參數(shù)如下：電源電壓為220 V；直流電壓參考值為1 000 V；電容器的額定電容為2 250 μF；晶體管的開關(guān)頻率為12.4 kHz；交流電感為1.88 mF。

在上述參數(shù)的依托下，搭建了高壓直流檢測的實(shí)驗(yàn)平臺，如圖1 所示。將其與輸配電裝置連接在一起，為高壓直流檢測提供支撐。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在某一電力企業(yè)的輸配電裝置中，采集高壓直流信號，其波形如圖2 所示。

圖2 高壓直流波動

由圖2 可知，輸配電裝置中，高壓直流信號的電流幅值變化比較均衡，適用于輸配電高壓直流檢測。利用文中方法對輸配電高壓直流進(jìn)行檢測，能夠保證電網(wǎng)輸配電的穩(wěn)定性。

2.3 對比分析

為了突出文中技術(shù)的優(yōu)越性，引入基于多脈沖注入法的檢測技術(shù)作對比，在不同數(shù)量的高壓直流信號樣本下，測試了輸配電高壓直流檢測的時間，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 輸配電高壓直流檢測的時間

從圖3 的結(jié)果可以看出，采用基于多脈沖注入法的檢測技術(shù)時，輸配電高壓直流檢測的時間為3 ～6 s，原因是向高壓直流信號中注入多脈沖后會導(dǎo)致高壓直流信號中存在一定干擾，對檢測時間產(chǎn)生影響。而采用文中技術(shù)時，利用小波分解提取出高壓直流特征量，并通過混沌特征分析，得到高壓直流信號檢測的最優(yōu)策略，將高壓直流檢測的時間控制在2 s 以內(nèi)，有效提高了輸配電高壓直流的檢測效率。

3 結(jié) 論

本文提出了基于混沌特征分析的電網(wǎng)輸配電高壓直流檢測技術(shù)研究，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)在高壓直流檢測中通過減小檢測時間，提高了高壓直流檢測的效率。本文研究雖然取得一定成果，但是還存在很多需要改進(jìn)的地方，在今后的研究中，希望可以設(shè)計一個濾波器，對高壓直流信號進(jìn)行抗干擾抑制，在保證高壓直流信號質(zhì)量的前提下，提高檢測性能。