中铁武汉电气化局集团有限公司 夏永涛

GIS 变电站，全称为气体绝缘变电站，是20世纪60年代出现的一种新型电力设备。但是，GIS 变电站也存在缺点，即在GIS变电站的开关操作时，会形成快速暂态过电压，进而在GIS 内部产生瞬态电磁场，从而引发电磁干扰，对与GIS 本体设备邻近布设的二次设备的正常运行产生的了严重影响[1-3]。

在此背景下，为保证电力系统的正常运行，相关专家和学者均针对GIS 变电站开关操作瞬态电磁异常扰动的研究。刘渝根和李勇翔研究了电力系统中一次设备故障时二次电缆芯线上暂态过电压，并使用EMTP 进行仿真计算；石雨鑫提出了集总等效电磁干扰源测量方法，并在252kV GIS 实验平台进行了隔离开关操作瞬态电磁过程的实验研究，分析了瞬态干扰源的特性以及影响；嵇建飞、钱佳斌、王立辉等人结合电力系统典型电路的分析方法，建立高压开关过电压分析模型，分析仿真瞬态电磁干扰特性，为电磁异常扰动自动检测提供了参考。但是以上两种传统方法实际应用效果不理想，无法检测所有的电磁异常扰动[4-6]。

本文以前人研究为基础，提出GIS 变电站开关操作瞬态电磁异常扰动自动捕捉方法。从各种扰动类型中捕捉到由于开关操作引起的异常变化，以便及时进行处理。该方法包括干扰电压采集、电压数据预处理、扰动特征参数提取、扰动捕捉。通过本文研究以期为抑制GIS 变电站开关操作引起的电磁干扰提供可靠的数据支持。

1 GIS 变电站开关操作瞬态电磁异常扰动自动捕捉方法

GIS 变电站中的大部分的电气设备都是被直接或间接密封在金属管道和套管所组成的管道树中，因此一旦产生电磁干扰，将会严重干扰其他设备的运行。电磁干扰是由GIS 的快速暂态现象引起的，而引起暂态现象的原因有隔离开关、断路器的操作、现场试验或运行过程中发生的接地故障等[2]。

在上述导致瞬态电磁异常扰动的原因下，隔离开关操作原因是最为常见，也是最严重的，因此本文以该故障为对象，研究GIS 变电站开关操作瞬态电磁异常扰动自动捕捉方法。

1.1 电压数据预处理

采集到的电压数据受到采集环境和采集设备自身的影响，采集到数据中包含了一些噪声。这些噪声的存在导致GIS 变电站开关操作瞬态电磁异常被掩盖，导致捕捉失误，因此为提高GIS 变电站开关操作瞬态电磁异常扰动自动捕捉准确性，有必要进行电压电信号数据预处理，即进行去噪滤波处理[7-8]。

为此，本章节选择基于小波变换的阈值去除方法对电压信号进行去噪滤波处理。

构建含噪的信号模型为：

其中，x(t)为含噪信号模型，s(t)为电压扰动信号，z(t)为噪声。

根据上述含噪信号模型构建结果可知，电压数据的预处理的关键为如何去除含噪混合信号。小波去噪基本过程大致可以分为三步：

步骤1：对x(t)含噪的电压扰动信号进行分解处理。选择小波基和分解层数，以此为依据，将x(t)分解为N 层小波，并组成一组小波系数[9]。由于本文研究的瞬态电压电磁的异常状况，因此发生突变的速度很快，这就要求选择的小波基函数要具很好的正交性、时频紧支撑性[10]。从上述表1中选择Daubechies 这个对奇异性敏感的小波基函数。

步骤2：对小波系数进行阈值量化。选择一个阈值对小波系数进行处理，得出估计小波系数，使得估计小波系数与原小波系数之间的差值尽可能达到最小。

步骤3：信号重构，完成去噪处理。

1.2 扰动特征提取

发生瞬态电磁异常扰动时，其电压信号波形是不同，每一种故障原因，导致的电压波动都各有其不同之处，这个不同之处就被称为扰动特征[11]。找出这个扰动特征对于进行后续的捕捉识别至关重要。使用Higuchi 方法计算分形维度的具体步骤如下：

步骤1：设时间序列X(i)(i=1,2,…,N），并对其重新构造，结果如下：

其中，[N－m/k]为高斯符号；m 和k 分别为初始时间与初始时间间隔。

步骤2：每个子时间序列的曲线长度为Lm(k)：

式中，N－1/[(N－m)/k]×k 为归一化因子。

步骤3：子时间序列的平均曲线长度为L(k)：

步骤4：若时间序列具备分形特性，则平均曲线长度满足幂函数：

式中，D 为所分析数据的分形维数。

步骤5：对上式两边取对数得：

由上式即可判断1gL(k)与1g(1/k)之间是否存在线性关系，回归直线1g(1/k)－1gL(k)的斜率即为分形维数D[12]。

1.3 扰动捕捉实现

最后一步为根据提取出来的扰动特征进行扰动事件类型分类，即实现GIS 变电站开关操作瞬态电磁异常扰动自动捕捉。实现分类识别的算法有很多。本文采用最小二乘支持向量机的算法分类暂态电能质量扰动事件类型。最小二乘支持向量机（LSSVM）是支持向量机的一种扩展。这种改进后的算法降低了计算复杂度，加快了求解速度[13]。

2 仿真实验分析

为测试本文所研究的GIS 变电站开关操作瞬态电磁异常扰动自动捕捉方法的有效性，以某GIS 变电站为例，进行开关操作瞬态电磁异常扰动自动捕捉。

2.1 变电站实例模型

变电站实例模型中各元件参数如下表1所示。

表1 各元件参数

2.2 采集装置

电压探头选择RP1300H 型探头，其参数配置如表2所示。

表2 RP1300H 型探头参数配置

2.3 扰动环境设置

为模拟实际环境，对采集到的数据进行人为干扰，扰动类型如表3所示。

表3 扰动环境设置

2.4 实测电压数据信号

利用上述装置采集并处理的电压数据信号如图1所示。

图1 电压数据信号（部分）

2.5 测试结果

按照章节1.2～1.4对采集到的电压数据信号进行处理和分析，最后得到的结果如下表4所示。

表4 测试结果

从表5中可以看出，不同干扰下本文方法准确捕捉到了GIS 变电站开关操作瞬态电磁异常扰动现象，证明了本文方法的有效性。

综上所述，GIS 变电站在当代供电系统中起到了关键作用，但是也存在一个严重问题亟待解决，即GIS 变电站开关操作瞬态电磁异常扰动问题。在此背景下，为解决上述问题，研究一种自动捕捉方法，以期为异常扰动抑制提供参考。本文方法经测试，证明了其有效性，但是本文研究仍存在一些局限性，即实验仅在仿真环境中进行，因此得到的结果可能与实际情况存在一定的误差，因此有待在实际环境中进行进一步测试。