基于HHT的高压电气主设备短路故障监测系统设计

解紫城

（合肥工业大学设计院（集团）有限公司，合肥230001）

0 引言

希尔伯特—黄变换（Hilbert-Huang Transform，HHT），作为一种适用于处理非平稳、非线性信号的算法，能够起到使得各类信号的自身特征更加明显和平稳的作用。提到HHT算法，就不得不提到其整个算法内部的核心创造性部分，那就是经验模态分解方法（EMD）。EMD作为针对信号预处理工作的第一步，为后续帮助完成对瞬时信号频率，以及可能出现的问题进行了有效解析。由于HHT本身就专门针对于信号的传输与叠加问题，因此在电力、矿山等行业内部，都得到了广泛应用。而其被广泛推广应用的背后，离不开该算法本身优越的性能，以及极具指向作用的，对于谐波分量的有效抑制能力。在几种常见的信号处理算法当中，HHT相对于其他算法局限性的突破，成为了名副其实的能通过其自身理论特点，依据不受Heisenberg原理约束的情况，以及极佳的自适应性，帮助降低因人为干扰因素而产生的误差。当前，与电力系统相关的高压电气主设备的短路故障监测效率问题，已经成为相关部门内部较为关注的问题。一旦高压电气主设备在运转的途中出现短路情况，就会直接导致主设备的内外温度在短时间之内快速升高，在温度提高到一定程度后，设备内部的元件就会遭到严重损坏，直接导致大型停电事故的发生，最终严重影响到电力系统的安全平稳运行。不过由于HHT的定义以及流程，本身是极具叙述性的，这就导致了算法本身在数学理论支撑方面会受到一定程度的限制。在整个HHT算法当中，一直存在着两个较为明显的问题，即端点效应和模态混叠，基于这两个问题，国内外学者多年来通过不断地研究，利用优化相应算法的方式，旨在完成对这两方面问题的解决。

1 高压电气主设备短路故障监测系统硬件设计

1.1 高压电气主设备传输电路

关于电网设备发生短路故障，已经成为了整个电力系统当中最为常见的一种问题，只要在用电过程当中出现不规范的用电行为，就极有可能造成短路现象的出现。一旦这种意外情况发生，所造成的后续影响也将是范围广、危害大的，甚至可能导致大型用电事故的发生。因此，在整体的供电体系当中，高压电气主设备的重要性不言而喻，针对这一现实情况，就需要通过重新设置主设备传输电路的具体构造，帮助完善主设备的硬件性能，以便从根本上杜绝短路故障的发生[1]。而HHT作为能够预先进行经验模态分解的一种算法，在帮助各领域完成针对信号稳定问题上，一直具备着极强的优势。针对算法的天然优势，以及原理本身极强的叙述性，需要利用HHT自身的有效优势对高压电器主设备相关的模拟信号以及设备电路情况，开展新一轮的构建。其中，最直观的构建方式，就是对电路的连接情况进行新一轮的更新，通过对变压器主体、调压补偿绕组的连接设计，选用型号为ODFPS-1 000 000/1 000的高压变压器作为设计实例[2]。以便对电路连接方式，以及额定电压进行新一轮的控制，具体电路连接情况如图1所示。

图1 高压变压器与调压补偿绕组间电路连接

高压变压器设计为并联结构，主要芯柱为套线圈结构，外加两组旁轭结构予以配合。其中，两组主要芯柱的结构必须做到形状、构造、大小完全相同。并且，为了能够有效地在根源上杜绝短路问题的发生，绕组间外部的排列方式必须严格按照低压、中压、高压的顺序，在整个调压补偿绕组上进行有序排列，在规整排列过后，基本实现对高压电气主设备的电路控制，从而实现对电压的实时监控，只有通过对电路的设计和改良，才能进一步从根源上将可能发生的，设备运行过程当中可能出现的危害地区用电安全的短路事故，直接扼杀在萌芽状态[3]。对高压状态下的电气主设备的短路问题进行有效控制，是为了防止因三种范围内的电压压强当中的任何一种在设备出现问题时，造成整个设备的完全短路，及时对故障进行监测和排查[4]。

1.2 设计短路故障自动控制器

根据所提出的研究思路，在关注对高压电气主设备的传输电路的同时，注重设备内部的控制设备安全监测。想要更加科学合理地对高压电气主设备开展针对故障排查的监测，还需要通过设计专用的短路故障监测自动控制器实现[5]。在电路设计研究部分，就已经完成了对于调压绕组的连接，但这仅代表着将主设备的内部，根据电压的高低分成了3个既相互独立，又能够交互传递电流信号的部分。通常情况下大型主设备在整个供电网络上参与运行，主设备负责中压的部分，如果发生短路故障，相对应的短路电流就会在高压绕组部分产生[6]。如果是高压绕组一端出现短路的情况，最终影响的仍然是高压绕组，因为此时主设备内部处在短路故障的状态下，需要依靠设备内的中压部分开展供电工作，根据这种思路，可以结合公式对短路故障的产生开展分析，帮助完成自动控制器设计。主设备电压的额定容量，在被用于短路监测的时候，设备系统的电压承受能力，相较于正常情况下的设备电流承受能力要低近2倍[7]。

当前，各行业主设备自动化已经成为了一种当前形势以及社会背景下必须要进行探讨的问题。面对HHT这样极具自适应性的算法，除了充分地利用其帮助进行信号处理工作，更重要的仍在于观察其本身的性能以及信号平滑程度，在基于HHT的处理效果之下，当前针对电气主设备的优化问题，其主要的方向就是对于电信号的控制，因此设计与HHT算法直接关联的自动监测短路故障控制器便成为了帮助系统硬件设计的重要环节[8]。

2 高压电气主设备短路故障监测系统软件设计

2.1 基于HHT的短路故障在线监测程序

在基本完成高压电气主设备短路故障监测相关的硬件设计后，应关注与监测系统直接相关的、决定系统能否正常运行的软件设计部分。面对人工智能日益发展完善的今天，对于信号的预处理能力的提升也成为了电力行业亟待关注和解决的问题[9]。通过HHT的端点抑制方法对支持向量回归机的端点效应抑制情况进行分析。检测程序的设计，通过结合多种计算机学习理论，合理使用相关原理，构建与原理相契合的程序代码，将低维度特征空间结合非线性映射，在映射动作结束过后进入到高维度特征空间当中，之后再进行线性回归，使其不光具备优良的非线性特征，还能适用于程序功能的构建，其表达公式为：

式中：≤和≥两个符号所表示的是高维度空间的内积，s为阈值；β、α为非线性映射的数值。

相较于其他算法，支持向量机在考虑全局性，以及泛化能力上均具有极强的优势[10]。同时，通过算法自身能够帮助处理小数据样本的能力，能够帮助改变其他算法原理下，需要依赖大量样本数据来开展信号处理工作的方式，从而实现专门针对故障检测监测程序的流程升级[11]。根据上述逻辑进一步推导出与HHT相关的算法程序处理过程，具体情况如图2所示。图中，基于HHT的算法程序处理流程情况已经得到完整展现。在流程第三步骤当中，首次出现了HHT相关的系数，并且在下文的边际谱当中，能够第二次提取到相关系数，在结合算法程序、特征向量，以及原始输入的功率信号后，最终目的是完成对于程序的监测和流程的梳理。

图2 HHT相关算法程序处理过程

2.2 计算短路故障电流

有关于电网高压电气主设备的故障检测系统设计情况，除了要对硬件与程序进行有效研究，仍需要对设备所运输的电流进行合理计算[12]。并通过HHT开展完整集合的经验模态分解工作，但由于普遍存在的计算量、重构误差较大的问题，因此需要通过对发生短路故障时的电流进行计算，方便完成对故障检测系统的建立[13]。国外学者在提出具备自适应性的模态分解方法后，还需要通过引入其他的辅助因素，来帮助对设备通过的电流进行过滤，消除电信号之间的重构误差，消除误差的计算方法如式（2）所示。

式中：St为变压器短路阻抗；Sz为系统短路阻抗；Uf为变压器额定电压；i为对称短路电流。

根据上述过程，能够利用诸多因素来对导致短路故障出现的电流进行有效计算[14-15]。根据系统短路容量标准的规定可知，收集短路电流、非短路电流可以更进一步提高短路故障出现的不稳定电流计算的准确率。而想要完成更进一步的计算与测试，需要针对电流与主设备的连接情况展开分析，为保证高压变压器可以在其他条件不变的情况下，独立完成内部自动升压的工作，采用高压中性点接地的方式连接串级变压器，然后通过对比高压变压器在电网当中运行情况的电流量，分析产生短路故障电流的原因检验系统的合理性。

3 仿真实验

为了验证此次设计系统的有效性，通过仿真测试进行验证。首先提取HHT的故障特征，与孙文星等[13]的基于传递函数法的变压器感应式振荡操作冲击电压试验故障诊断方法进行对比，比较两种方法下系统的故障特征值，仿真测试的工具需要使用Matlab软件作为测试平台。并将文中提到的HHT算法作为实验组，传递函数方法作为对照组，通过引入高斯白噪声帮助测试工具开展故障特征提取的数值计算，其中的变量分别为正常、T1开路、T3开路、T5开路，以及T3和T5同时开路5种故障状态，分别将5种状态代入到HHT算法和传递函数方法中，得到的故障特征值提取结果如表1～2所示。

表1 传递函数方法提取的故障特征值

表2 HHT提取的故障特征值

根据表1～2所示数据结果可知，HHT算法通过观察故障特征值情况之后，能够清晰地提取故障特征值，要明显高于传递函数方法所提取到的故障特征值，并且HHT算法可以实现不同状态下的故障特征提取。

为进一步验证设计的高压电气主设备短路故障监测系统的有效性，还需要利用整体向量距离分布的情况进行进一步分析，将数据按照顺序排列后结合图2所示的程序处理过程，得到特征向量距离分布结果如图3所示。从图中可以看出，在共10次的基于两种系统的对比实验当中，实验组的方法所提取到的特征向量间距要大于对照组的间距，最大差值为1.0。同时，文中提到的方法能够将特征向量的维度从6维降低到4维。可进一步帮助降低故障分类程序的运算量，展现了该算法的优越性能，有利于对相关系统开展在线、实时的状态监测，基于这样的综合考量，文中方法要优于对比方法。

图3 两种不同系统下的故障特征向量距离分布

4 结束语

本文通过对能够处理非平稳性、非线性电信号的HHT算法展开研究与分析，对高压电气主设备的短路故障监测系统展开了合理设计。旨在帮助优化各地区电网所包含的高压电气主设备，为居民用电安全提供有效保障。高压电气主设备故障监测系统的升级，离不开互联网技术的优化和发展，在今后相关系统的转型升级道路上，需要深入挖掘和测试不同算法间的性能，最终目的是帮助优化电力系统主设备对于故障数据的分析和处理能力。