基于频谱分析仪的电力系统故障检测与诊断

王思习

（思禄克科技（青岛）有限公司，山东 青岛 266110）

信号分析最简单有效的方式就是通过研究信号的频谱来达到分析信号的目的。这种研究方式在不同的领域都有应用，比如通信发射领域及抗干扰频域等。不同的领域采用的频域方式也不相同[1]，本文主要利用频谱分析来诊断故障点。

1 频谱分析仪原理分析及小波分析法

1.1 频谱分析仪的原理

频谱分析仪的原理跟诊断电路关键点的找寻息息相关。我们将关键点的信号设置为UD1和UD2，然后对这两组关键点进行信息采集[2]。正常状态下关键点的信号电压是恒压，发生故障时我们可以观察UD1和UD2两个波形，通过观察波形的跳跃点或者骤降点分析两个关键信号后，进行傅里叶变换计算，找到对应的频谱分量，设置为a0次，然后依次类推设置3次谐波函数命令为A1、A2和A3，再分析谐波函数数据，这样不仅可以判断该故障是属于哪种故障类型，还可以精确找到发生故障的频段范围，从而确定有故障的元器件[3]。具体的变换公式如下所示：

1.2 采用频谱分析之小波分析法测电力系统故障

近年来，频谱分析中的小波变换应用越来越广泛。由于小波变换信号自带屏蔽噪音等功效，因此许多公司的电力系统尝试用小波变换，利用小波变换局部放电的作用，进行短期预测分析谐波频率，进而找出故障点，同时减轻运转过程中的噪音等。本文提出一种基于小波变换的凹陷电压检测手段，主要将小波变换通过检测出来的电子信号进行离散，然后计算熵值，从而探测和识别输电线路故障点[4]。具体的操作步骤是构建离散的神经网络模型，将信号正序，比较每一个总线在一个维度下最大系数与最小系数的差值的大小，然后查阅相关的标准来进一步排除和诊断故障。

2 频谱分析之小波分析电力系统故障检测

2.1 小波分析的低频与高频系数

小波分析具有将收到的信息反馈到局部并且将信息细化的功能，其本质就是将初始的信号进行过滤分析，将高阶数据降阶或者将低阶数据升阶等，然后分别对两种数据类型进行数值采样，最后再将小波基数与不同的频率信号内积。内积后发现小波分析得出的函数并不是正交函数，然后将小波分析的非正交函数分解成若干段线性组合的小波函数，由这些小波函数共同组成函数组，通过分析每一组函数从而确定低频与高频的系数，找到故障疑似点[5]。

2.2 基于小波分析检测电力系统故障设计

基于小波分析检测电力系统故障，主要是找到信号中的奇异点。可以通过将整个信号分成若干个小组，然后进行适当的缩放，将信号缩放到某一个频段内，通过小波分解提取高频与低频系数作为疑似奇异点[6]。当电力系统发生故障时，非故障点就会躲避高频与低频系数，此时如果某一个点发出信号，则以初步认定为此点是波段的奇异点，然后找到该点的位置，也就是增加奇异点数值的检测来确定故障点。

下面我们将通过具体的算例进行分析，根据某电力系统公司提供的数据来分析系统中产生的故障，并对故障点进行检测。

选取典型节点数据（第一个节点和坏节点），画出运行20 s内的信号波形，如图1、图2所示。

图1 随机选取节点1原始波形

图2 随机选取节点2原始波形

上述波形图低频小波系数由小波4经过6层迭代分解得到。表1和表2分别记录随机节点1和节点2的数据，所用到的原始数据如表2所示。

表1 节点 1 由小波 4进行6层迭代分解后低频小波系数

表2 节点 2 由小波 4进行6层迭代分解后低频小波系数

从表中可以发现节点1和节点2的低频小波函数的函数点值，通过对这些数据整合重新得到新的波形图，提取低频阶段接近原始信号的一段频谱进行小分解，并进行去噪处理。然后记录这些频谱中的随机点，根据频谱分析仪确定波形。具体如图3、图4所示。

图3 节点1小波分析波形图

图4 节点2小波分析波形图

分析图3和图4可知，通过提取小波高频系数可以得到小波波形。通过小波分析提取高频系数可以精确地检测信号的突发变化点（也就是奇异点）。通过分析小波波形，发现奇异点在第500个数据附近，即系统在5 s时发生故障，T=500。

通过对依据小波波形图提取的数据分析可知，信号失效时间约为T=500，并通过故障定位算法记录信号失效时间，最后通过检测信号模的最大值的分布确定本次前后的奇异点位置。但是如果某个节点在前后保留了模的最大值，则该节点不是失效节点；反之，如果某个节点在前后不保留模的最大值，即它的最大模值全为0，所以这个节点就是故障节点。可以看出，节点2是一个故障节点。

3 基于频谱分析仪的电力系统故障检测与诊断缺陷与改进方法

从上述中的分析可以有效地得出确定故障点的方法。但是上述中的方法对于实时运算需要解决的故障无法解决；还有一些复杂的问题，由于电力系统的容错率较低，在复杂多变的电力环境中处理嘈杂的信号能力较弱；另外部分专家缺乏自我学习的劲头和能力，需要不断的接触电力系统新故障才能真正的改进电力系统[7]。

改进目标：首先要时刻对设备进行在线的监测，监测的时间可以是固定的某个时间段，这个时间段的选取主要是经常容易发生故障的时间段或者电力系统运行最频繁的时间段。其次，需要不断监测电力系统参数，主要是设备的转速，设备的振动值的大小或者信号值大小等。再次要建立网络数据库，将监测到的信号数据实时记录，一旦未来出现类似的数据错误可以快速精准地排查故障点[8]。最后建立故障和设备分析系统，系统主要用于在线进行检测。对于新设备元器件主要在线检测其性能，对于时间较长的零部件主要是检测元器件的老化程度及故障发生率等，从而可以准确掌握设备的运行状态，合理安排检修的时间及次数，减少电力系统发生故障的频率。

4 结束语

综上所述，随着经济的不断发展，社会和公众对电力系统的运行和使用提出了更高的要求，重视供电安全对电力行业的安全运行至关重要，坚持继电器定期检查，保护电力系统。