基于混沌特征分析的电网输配电高压直流检测技术研究

周熙玮

（国网江苏省电力有限公司 盐城供电分公司，江苏 盐城 224001）

0 引 言

在电网输配电系统中，高压直流（High Voltage Direct Current，HVDC）输电具有传输能力强、可以实现非同步的网络化以及输电损耗低等优势，在长距离输电、非同步的网络化输电、海底电缆输电等领域得到了广泛使用[1]。随着国家“十二五”规划中“西电东送”建设项目的实施，国内高压直流输电技术迅速发展，一批又一批的输电工程竣工投产，为实现东西方电力资源的最优分配提供了新的契机。在国内，对直流输电进行了大量的理论分析和实践，并取得了长足的进步。当前，我国已经形成了“八交九直”的交直流混联输变电网络，在华东、珠三角等经济较发达的区域，直流输电起到了不可替代的作用，但是日益突出的重要性也给电力系统的安全性、稳定性带来了严峻的考验。

在国内的研究中，廖名洋等人基于多波段脉冲输入法的单端定位理论，给出了一种直流接地线故障定位算法[2]。利用8 μs 的脉冲，循环对地极线的工作状况进行检测，判断输电线路是否出现故障，再利用4 μs 和2 μs 的脉冲对故障进行定位，通过计算平均值得出测距结果。通过电力系统计算机辅助设计/直流电磁暂态计算程序（Power Systems Computer Aided Design/Electromagnetic Transients including DC，PSCAD/EMTDC）模拟实验，验证了所提出的算法可以在双极型和单极型2 种工况下有效克服由于选择较宽的脉冲而导致较大的距离盲区，并在一定程度上保持了对回波信号的高度辨识。

基于以上研究背景，本文将混沌特征分析应用到电网输配电高压直流检测中，从而保证电网稳定运行。

1 电网输配电高压直流检测技术设计

1.1 提取高压直流特征量

高压直流信号经过小波分解后，可以获得小波重构系数[3]。在引入信息熵理论的基础上，计算出高压直流信号在c尺度下经过χ层分解后的小波包时间熵，公式为

式中：λχ,c(t)为t时刻高压直流信号在c尺度下的能量系数；为第x个滑动窗口中小波能量系数落入的概率；L为滑动窗口的区间参数。

利用式（1）获得的小波包时间熵对不同频带下的高压直流信号特征进行描述，在χ层尺度下，将小波包时间熵定义为高压直流的特征元素，构建特征向量。

当高压直流信号发生变化时，对应的时间熵值也会随之改变[4]。对于电网的输配电系统而言，定义了高压直流信号，表示为

式中：t为时间；f1、f2、f3和f4为基波。高压直流信号在[0,0.5 s]时域内由基波构成，记作输配电线路状态1；在[0.5 s,1 s]时域内由基波和多次谐波构成，记作输配电线路状态2；在[1 s,1.5 s]时域内由基波、第3、5、7 次谐波构成，记作输配电线路状态3。

以高压直流信号的时间离散序列为分析目标，计算出输配电系统中高压直流信号在0 尺度下的小波包时间熵值，公式为

式中：β为小波熵的窗函数。

以上通过小波分析，计算出高压直流信号在不同尺度下的小波包时间熵，将其作为高压直流特征量，为输配电高压直流检测提供依据。

1.2 基于混沌特征分析实现高压直流的检测

以提取出的高压直流特征量为依据，在引入混沌特征分析理论的基础上，构建输配电高压直流特征点的偏差函数，通过求解偏差函数的最小值，检测出输配电系统中的高压直流信号，具体过程如下[5]。

假设输配电系统中存在2 个时间值aji和ajk，如果aij≤a，将2 个时间值合并成，生成输配电系统中高压直流时间序列的分段yi，利用式（4）计算出高压直流中时间序列分段xi和yi的均方误差，公式为

在输配电系统中，如果高压直流时间序列存在N个分段，定义高压直流时间序列的分段集合为DN，在此基础上，计算出所有高压直流时间序列的误差集合，即

高压直流信号中用yi表示第i个分段的时间序列，如果其中存在t个高压直流节点，通过计算高压直流节点的均方误差，对信号进行混沌特征分析[6]。建立高压直流的偏差函数，表示为

通过混沌特征分析确定高压直流节点的过程就是对偏差函数求解最小值的过程[7]。在输配电系统时间序列分段中，利用式（7）给出高压直流偏差函数的最小均方误差，公式为

定义a1,a2,…,aj代表分段数量为j时的高压直流时间序列，当偏差数量为k时，计算出高压直流偏差函数的最小均方误差，将其作为高压直流信号检测的最优策略。

当e≥y-x+1 时，高压直流偏差函数的最小均方误差为0[8]。通过混沌特征分析，发现当y为输配电系统中高压直流节点时，需要增加一个ai变量，更新高压直流偏差函数的最小均方误差，得到的更新结果为

当高压直流偏差函数的均方误差最小时，获取对应的G*和GG*，通过混沌特征分析，确定高压直流节点，实现电网输配电高压直流的检测。

2 实验对比分析

2.1 实验准备

为了验证文中技术在高压直流检测中的可行性，进行一次实验。在电力系统中选择一个输配电装置作为实验研究对象，该装置的相关参数如下：电源电压为220 V；直流电压参考值为1 000 V；电容器的额定电容为2 250 μF；晶体管的开关频率为12.4 kHz；交流电感为1.88 mF。

在上述参数的依托下，搭建了高压直流检测的实验平台，如图1 所示。将其与输配电装置连接在一起，为高压直流检测提供支撑。

图1 实验平台

2.2 实验数据

在某一电力企业的输配电装置中，采集高压直流信号，其波形如图2 所示。

图2 高压直流波动

由图2 可知，输配电装置中，高压直流信号的电流幅值变化比较均衡，适用于输配电高压直流检测。利用文中方法对输配电高压直流进行检测，能够保证电网输配电的稳定性。

2.3 对比分析

为了突出文中技术的优越性，引入基于多脉冲注入法的检测技术作对比，在不同数量的高压直流信号样本下，测试了输配电高压直流检测的时间，结果如图3 所示。

图3 输配电高压直流检测的时间

从图3 的结果可以看出，采用基于多脉冲注入法的检测技术时，输配电高压直流检测的时间为3 ～6 s，原因是向高压直流信号中注入多脉冲后会导致高压直流信号中存在一定干扰，对检测时间产生影响。而采用文中技术时，利用小波分解提取出高压直流特征量，并通过混沌特征分析，得到高压直流信号检测的最优策略，将高压直流检测的时间控制在2 s 以内，有效提高了输配电高压直流的检测效率。

3 结 论

本文提出了基于混沌特征分析的电网输配电高压直流检测技术研究，经过实验测试发现，该技术在高压直流检测中通过减小检测时间，提高了高压直流检测的效率。本文研究虽然取得一定成果，但是还存在很多需要改进的地方，在今后的研究中，希望可以设计一个滤波器，对高压直流信号进行抗干扰抑制，在保证高压直流信号质量的前提下，提高检测性能。