基于模糊诊断的变电站开关柜局部放电检测方法

李 衎

（国网江苏省电力有限公司阜宁县供电分公司，江苏 盐城 224000）

0 引 言

在国民经济不断发展的时代背景下，供电容量不断扩大、电网压力不断提高已经成为了电力系统的必然发展趋势，由此带来的最直接的影响就是对供电运行稳定性的要求越来越高，对于电源可靠性的要求越来越苛刻[1]。在实际的变电站电力管理过程中，开关柜是极为重要的组成部分之一，该电气设备也是保障电力正常运行的关键配置[2]。因此，保障开关柜实现持续稳定的正常运行是关系到电力系统网络结构运行状态的关键基础。

局部放电（Partial Discharge，PD）是威胁开关柜正常运行最主要的故障类型之一[3]。为了最大限度降低局部放电带来的安全隐患，针对局部放电现象设计针对性的检测方法是十分必要的。现阶段，其主要分为2 种类型，一种是电量检测法，另一种是非电量检测法。上述2 种方法都取得了一定的成果，但是也存在相应的不足。其中，文献[4]提出了一种以测量传感器为基础的局部放电监测方法，检测结果具有较高的时效性，但是精度有待进一步提升；文献[5]在对广义互相关时延估计法进行3次相关改进的基础上，设计了一种局部放电超声波定位方法，对应的检测结果具有较高的准确性，但这是在明确存在局部放电故障前提下的一种检测手段，实际应用阶段存在一定的局限性[6]。

在此基础上，本文提出基于模糊诊断的变电站开关柜局部放电检测方法研究，并通过对比测试的方式分析了设计方法对不同类型局部放电的检测效果。

1 变电站开关柜局部放电检测方法设计

1.1 开关柜局部放电信号降噪

为了有效抑制局部放电的背景噪声，本文以经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）为基础，结合开关柜局部放电信号的特征，对其进行适应性改进，以此实现对噪声干扰以及模态混叠问题的解决。

在具体的降噪算法过程中，本文首先在EMD 算法中输入采集到的携带噪声的开关柜局部放电信号，接着在原始信号中加入了固定的白噪声信号，具体可以表示为

式中：xi(t)为加入白噪声信号后的开关柜局部放电信号；x(t)为原始的开关柜局部放电信号；ni(t)为加入到开关柜局部放电信号中的白噪声信号。

在此基础上，对加入白噪声信号后的开关柜局部放电信号xi(t)进行自适应集成经验模态分解（Adaptive Ensemble Empirical Mode Decomposition，AEEMD）处理，需要注意的是，此时的AEEMD 分解只对xi(t)信号的一阶模态进行一次分解，对应的分解结果可以表示为

式中：c1(xi)为xi(t)分解处理后的一阶内涵模态分量（Intrinsic Mode Functions，IMF）；ci,1(xi)为xi(t)分解处理后的第i阶IMF 分量；N为原始局部放电信号中加入高斯白噪声的次数。

此时，对加入到开关柜局部放电信号中的白噪声信号ni(t)进行分解处理，可以表示为

式中：D1[n1(t)]为分解得到的高斯白噪声信号；cnm,1(t)为二次分解后的m阶IMF 分量。此时，将cnm,1(t)作为白噪声信号，加入到xi(t)AEEMD 分解的一阶IMF分量中，并重复式（2）的计算过程。结合上述的处理过程中可以看出，本文在利用AEEMD 算法对原始的开关柜局部放电信号进行降噪处理时，利用白噪声的均匀传输特性，通过在整个时频空间范围内形成信号在白噪声背景下投影的机制，确保了信号传播的广域性。在进行连续多次分解处理后，本文通过分析相应的噪声性能评价指标，实现对各个阶段开关柜局部放电信号IMF 分量中噪声信号含量的分析。具体的判断方式可以表示为

式中：Em为重构开关柜局部放电信号IMF 分量中噪声信号的能量密度。当连续2 次重构开关柜局部放电信号IMF 分量中噪声信号的能量密度一致时，则表明此时的噪声含量已经达到了可去除的最大限度，结束上述的循环过程。

1.2 基于模糊诊断的局部放电检测

本文在进行局部放电检测时，采用了模糊诊断方式。首先，结合开关柜局部放电信号的指标参数，设置对应的指标隶属函数边界值，具体如表1 所示。

表1 开关柜局部放电信号指标隶属函数模糊边界值的设置

表1 中：τ表示正常运行状态下，变电站开关柜运行信号的均值参数；k表示正常运行状态下，变电站开关柜运行信号的偏斜度参数；λ表示正常运行状态下，变电站开关柜运行信号的陡峭度参数；ԑ表示正常运行状态下，变电站开关柜运行信号的放电量因数参量；φ表示正常运行状态下，变电站开关柜运行信号的相位不对称度参数。结合表1 所示的标准，对降噪处理后的开关柜局部放电信号进行模糊分类处理。当信号状态对应指标参数在边界值范围时，则认为此时的开关柜局部放电信号指标不构成安全威胁；当信号状态对应指标参数超出边界值范围时，则认为此时的开关柜局部放电信号指标构成安全威胁，需要进一步分析计算其对应的强度，具体的计算方式可以表示为

式中：U为变电站开关柜局部放电强度参数；f为变电站开关柜局部放电信号的频率参数。

2 测试分析

2.1 测试环境设置

在对本文设计的基于模糊诊断的变电站开关柜局部放电检测方法实际应用效果进行分析时，本文构建的测试平台中，以交流电压为基础，设置输出电压峰值为20.0 kV，谷值为5.0 kV。本文充分考虑了在实际的开关柜运行过程中，客观环境以及运行设备会对局部放电信号产生不同程度的干扰，因此设置了不同的局部放电信号状态，具体如表2 所示。

表2 局部放电信号状态设置

结合表2 所示的测试工况设置情况，分别采用本文设计的变电站开关柜局部放电检测方法、文献[4]提出的基于测量传感器的变电站开关柜局部放电检测方法、文献[5]提出的基于改进广义互相关时延估计变电站开关柜局部放电检测方法进行测试。通过对比不同方法的检测结果，分析本文设计检测方法的性能。

2.2 测试结果

结合测试环境，分别统计了3 种不同方法对于局部放电信强度的检测结果，得到的数据信息如表3所示。

表3 不同方法局部放电检测结果统计表 （单位：V）

结合表3 所示的测试结果可以看出，在测量传感器检测方法的测试结果中，受干扰信号强度的影响较为明显，误差始终在0.45 V 以上。在改进广义互相关时延估计检测方法的测试结果中，整体表现出了较为明显的稳定性，基本稳定在0.60 ～0.95 V。相比之下，在本文设计检测方法的测试结果中，最大误差仅为0.25 V（测试工况4），最小误差仅为0.07 V（测试工况9），明显优于对照组的检测结果。

3 结 论

在实际的运行过程中，开关柜发挥的作用不仅是防护与隔离异常电力数据，同时也监控着整体电力系统的运行状态。在对开关柜的故障状态进行分析时可以发现，由于开关柜配件的制作和运输过程中难以完全避免各种程度的绝缘缺陷，导致局部放电现象成为了开关柜中较为常见的故障类型之一。本文提出基于模糊诊断的变电站开关柜局部放电检测方法研究，实现了对不同类型局部放电的有效检测。借助本文设计的检测方法，希望能够为开关柜的安全管理提供参考价值，最大限度降低由于局部放电带来的安全问题。