基于EMD能量熵的配電線路電纜故障智能定位方法

劉濟(jì)銘

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽白云供電局，貴州 貴陽 550001）

0 引 言

現(xiàn)階段，電力供應(yīng)和調(diào)度的效率質(zhì)量得到了明顯提升，推動了電力行業(yè)的創(chuàng)新與完善。但是配電線路的大面積關(guān)聯(lián)及鎖定，易導(dǎo)致線路電纜出現(xiàn)故障，影響配電正常運(yùn)行。為解決以上問題，相關(guān)人員設(shè)計(jì)了配電線路電纜故障智能定位方法。參考文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]設(shè)定基于行波互相關(guān)法的電力電纜故障定位方法、基于短時互相關(guān)的低壓脈沖法電纜故障智能定位方法，這類故障定位方式缺乏針對性和穩(wěn)定性，容易出現(xiàn)定位誤差[3]。此外，當(dāng)前的定位方式多為單向，對于配電線路的故障定位難以精準(zhǔn)把控，易出現(xiàn)定位差值。為此提出基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）能量熵的配電線路電纜故障智能定位方法的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證分析[4]。

1 設(shè)計(jì)基于EMD能量熵的配電線路電纜故障智能定位方法

1.1 電纜故障定位特征提取及多階故障定位節(jié)點(diǎn)布設(shè)

配電線路電纜在運(yùn)行過程中常出現(xiàn)故障問題，造成這一情況的因素包括導(dǎo)線斷線落地、絕緣子擊穿、線路落雷、樹木接觸導(dǎo)線等，使得電纜出現(xiàn)大范圍的不可控事故，甚至?xí)纬申P(guān)聯(lián)性的大面積電路問題，影響后續(xù)的線路運(yùn)行及定位處理，為此先進(jìn)行故障定為特征的提取[5]。

在電網(wǎng)的中性點(diǎn)位置設(shè)定一個變壓器，促使其與大地的中間位置相互垂直。調(diào)節(jié)配電線路當(dāng)前的電壓狀態(tài)，通過節(jié)點(diǎn)檢測實(shí)時的情況。當(dāng)變壓器與大地形成一個可控的回路后，電流與電纜之間相互抵消，電流為0。如果線路出現(xiàn)故障，電纜也會處于短路狀態(tài)，此時觀測出接地電壓的故障特征值為

式中：N為故障特征值；?為故障轉(zhuǎn)化比；ψ為接地覆蓋范圍；ρ為電壓轉(zhuǎn)換差值；?為電壓波動值。

節(jié)點(diǎn)的設(shè)定多為單向，雖然可以完成預(yù)期的故障定位，但是會出現(xiàn)不可控的定位誤差。因此，結(jié)合EMD能量熵，采用多節(jié)的方式，完善優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的設(shè)置模式。以配電線路的初始運(yùn)行為引導(dǎo)，在易出現(xiàn)故障的位置設(shè)定節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間需要搭建聯(lián)系，并構(gòu)建多層級的映射結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)際的故障識別范圍，提高定位效率。

1.2 構(gòu)建EMD能量熵智能定位模型

利用設(shè)置的節(jié)點(diǎn)，采集周期內(nèi)的配電線路故障數(shù)據(jù)和信息，利用EMD能量熵，構(gòu)建一個模態(tài)分解定位模型，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EMD能量熵智能定位模型結(jié)構(gòu)

結(jié)合模態(tài)故障識別方向，計(jì)算出對應(yīng)的能量熵，針對能量熵?cái)?shù)值的波動，標(biāo)定出配電線路實(shí)時故障的位置，測定計(jì)算出單相故障定位最優(yōu)解，具體為

式中：L為單相故障定位最優(yōu)解；?為可控識別范圍；ξ為電壓轉(zhuǎn)換比；E為單向故障位置；q為單元特征差值；a為額定電流值。將計(jì)算得出的單相故障定位最優(yōu)解導(dǎo)入模型，智能化識別當(dāng)前的配電線路電纜故障情況，獲取模糊定位結(jié)果。

1.3 單向接地控制實(shí)現(xiàn)智能定位處理

單向接地控制是一種靈活的多維配電線路故障智能化識別輔助方法，僅依賴于模型很難精準(zhǔn)鎖定故障的位置。針對實(shí)際的線路運(yùn)行狀況，需要設(shè)計(jì)一個單向接地的控制結(jié)構(gòu)，并調(diào)整故障定位的控制指標(biāo)，具體如表1所示。

表1 單向接地控制的數(shù)值設(shè)置

依據(jù)此結(jié)構(gòu)，搭配設(shè)計(jì)的EMD能量熵配電線路電纜故障智能定位模型，更為精準(zhǔn)、具體、細(xì)化地鎖定線路電纜的故障位置，強(qiáng)化定位的精度，營造更加穩(wěn)定、安全的定故障位環(huán)境。

2 方法測試

2.1 測試準(zhǔn)備

設(shè)定基于行波互相關(guān)法的電力電纜故障定位測試組、基于短時互相關(guān)的低壓脈沖法電纜故障定位測試組以及此次所設(shè)計(jì)的基于EMD能量熵的配電線路電纜故障智能定位測試組。結(jié)合EMD能量熵，對選定H區(qū)域的5條配電線路電纜故障智能定位方式的測試結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析。當(dāng)前，需要先進(jìn)行基礎(chǔ)配電線路的設(shè)置，同時劃分出多個需要測定的模塊，在各個位置部署一定數(shù)量的智能化定位節(jié)點(diǎn)，每一個節(jié)點(diǎn)均需要進(jìn)行關(guān)聯(lián)和搭接，形成一個循環(huán)性的監(jiān)測結(jié)構(gòu)，便于日常數(shù)據(jù)和信息的采集。以此為基礎(chǔ)，調(diào)整配網(wǎng)電纜運(yùn)行系統(tǒng)中的控制開關(guān)，并將主控程序與測試系統(tǒng)建立映射聯(lián)系，為后續(xù)的控制奠定基礎(chǔ)條件。

結(jié)合EMD能量熵，構(gòu)建一個多維具體的故障智能定位矩陣，結(jié)合遺傳算法，將當(dāng)前的電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，營造穩(wěn)定、細(xì)化的測試環(huán)境。根據(jù)矩陣的定位結(jié)構(gòu)與需求，計(jì)算出故障定位的可控限值為

式中：F為故障定位可控限值；n為故障識別耗時；α為交叉轉(zhuǎn)換比；η為配電線路；κ為故障特征；δ為變異均值。

基礎(chǔ)測試環(huán)境搭建完成，綜合EMD能量熵，進(jìn)行測試與驗(yàn)證分析。

2.2 測試過程及結(jié)果分析

首先，設(shè)置6個測試周期，利用部署的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行基礎(chǔ)線路配電數(shù)據(jù)及信息的采集。利用三維虛擬化技術(shù)，設(shè)計(jì)虛擬化的故障指令，分為3組，測試故障分別為5處、10處以及15處，導(dǎo)入測試系統(tǒng)中。結(jié)合EMD能量熵，對當(dāng)前的電纜故障進(jìn)行交叉變異處理，計(jì)算出初始周期的實(shí)時自適應(yīng)度為

式中：p為實(shí)時自適應(yīng)度；b為單相均值；i為定位次數(shù)；t為故障特征值；ε為電容狀態(tài)。完成對配電線路智能定位實(shí)時自適應(yīng)度的測算，將其作為輔助性的測試標(biāo)準(zhǔn)。按照順序啟動設(shè)置的故障定位指令，結(jié)合EMD能量熵，構(gòu)建故障定位流程圖，如圖2所示。

圖2 EMD能量熵故障定位流程結(jié)構(gòu)

以設(shè)置的EMD能量熵模態(tài)結(jié)構(gòu)作為智能定位引導(dǎo)，制定對應(yīng)的定位目標(biāo)，針對多方面因素計(jì)算故障智能定位耗時為

式中：M為故障智能定位耗時；m為能量熵均值；n為變異均值；?為故障定位偏差；χ為適應(yīng)度函數(shù)；x為堆疊范圍。測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 測試結(jié)果

根據(jù)圖3完成對測試結(jié)果的分析：與基于行波互相關(guān)法的電力電纜故障定位測試組、基于短時互相關(guān)的低脈沖法電纜故障定位測試組相比，此次所設(shè)計(jì)的基于EMD能量熵的配電線路電纜故障智能定位測試組最終得出的故障智能定位耗時被較好地控制在0.2 s以下，說明在EMD能量熵的輔助下，當(dāng)前所設(shè)計(jì)的智能化定位結(jié)構(gòu)更加靈活、多變，具有較強(qiáng)的智能化故障定位價值。

3 結(jié) 論

文章基于EMD能量熵，針對配電線路電纜故障智能定位方法展開設(shè)計(jì)與驗(yàn)證分析。與初始的配電線路電纜故障智能定位形式相比對，此次結(jié)合EMD能量熵，所設(shè)計(jì)的智能定位結(jié)構(gòu)更為靈活、多變、具體，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性與針對性，在面對不同的線路環(huán)境，可以結(jié)合輸入阻抗識別法以及EMD能量熵的測算，標(biāo)定出具體的故障位置，鎖定故障的延伸方向，通過對頻率分量的控制來實(shí)現(xiàn)接地故障的二次定位，以修正的方式獲取最終的故障定位幅值與后的相位識別結(jié)果，營造更加穩(wěn)定、安全的配電線路實(shí)踐環(huán)境，推動相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。