基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單相接地自動(dòng)化研究

王 東，王炳國(guó)，鄭春生

（勝利油田石油管理局 電力總公司，東營(yíng) 257061）

0 引言

電力輸電線是電力系統(tǒng)的命脈，是發(fā)電廠與終端用戶的紐帶，它擔(dān)負(fù)著傳送電能的任務(wù)，是電網(wǎng)中的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。由于電力線路長(zhǎng)期暴露于風(fēng)、雨、雷、電等自然環(huán)境中，不可避免地發(fā)生各種各樣的故障，準(zhǔn)確迅速地定位故障位置有著重要意義。有助于運(yùn)行人員快速地確定故障地點(diǎn)，減少維修人員的檢查時(shí)間，加快線路的恢復(fù)，減少因停電造成的經(jīng)濟(jì)損失，保證可靠的供電，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著十分重要的作用[1]。

電力系統(tǒng)故障測(cè)距方法根據(jù)測(cè)距原理[2]大致可以分為:故障分析法[3]和行波法[4,5]。行波法雖然采用較為精確的分布參數(shù)模型，測(cè)距精度比較高，不受過(guò)渡電阻、分布電容等的影響，但可靠性較差，而且有測(cè)距死區(qū)，當(dāng)故障位置離測(cè)量點(diǎn)很近禍故障初始角接近零度時(shí)，測(cè)距將失敗[6,7]。按照采用的電路模型來(lái)看，故障分析法可分為集中參數(shù)法和分布參數(shù)法，但由于分布參數(shù)法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜[8,9]，所以多采用集中參數(shù)模型；根據(jù)所使用的電氣量,故障分析法又可分為單端電氣量算法和雙端電氣量算法，雙端電氣量算法原理比單端電氣量算法原理要準(zhǔn)確，但由于需要通訊設(shè)備以及雙端同步采樣等要求而很難實(shí)現(xiàn)[10～12]；單端電氣量算法原理簡(jiǎn)單，費(fèi)用較低，也不受系統(tǒng)通信技術(shù)條件的限制，在各錄波裝置中得到了廣泛應(yīng)用。但該方法在原理上無(wú)法消除故障過(guò)渡電阻和分布電容對(duì)測(cè)距精度的影響,這是其最大缺陷。文獻(xiàn)[13]提出了一種考慮分布電容的模糊故障測(cè)距算法，較好地克服了分布電容的影響，考慮了分布參數(shù)模型。

本文提出一種基于集中參數(shù)模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單相故障測(cè)距算法。該方法以單側(cè)電壓和電流信號(hào)為依據(jù)，將單端阻抗測(cè)距算法計(jì)算出故障距離和過(guò)渡電阻的初始值以及線路的分布電容作為訓(xùn)練樣本，通過(guò)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的離線訓(xùn)練和在線補(bǔ)償，最終得到精確的故障測(cè)距，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路分布電容的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

1 故障測(cè)距原理

如圖1所示雙電源單回線系統(tǒng)單相接地故障為例，簡(jiǎn)單介紹單端測(cè)距法的基本原理。

圖1 雙電源單回線系統(tǒng)

設(shè)M側(cè)為測(cè)量端，已知量為M側(cè)電壓、電流和線路參數(shù)。可得到如下方程式：

從(2)式可以得到I的 實(shí)部和虛部。

由式(1)~(4)可得

求解方組得：

上述單端阻抗測(cè)距算法未考慮分布電容對(duì)測(cè)距精度的影響，精度較低，不適用于測(cè)距精度要求較高的場(chǎng)合。

2 應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障測(cè)距算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的學(xué)習(xí)能力,只要有足夠的樣本數(shù)據(jù)就可建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并通過(guò)離線訓(xùn)練學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路故障測(cè)距長(zhǎng)度補(bǔ)償系數(shù)的的學(xué)習(xí),為在線補(bǔ)償?shù)於ɑA(chǔ)。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和學(xué)習(xí)效率高的特點(diǎn)，本文將BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于輸電線路的故障測(cè)距。

本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共三層，輸入層，隱含層和輸出層。輸入層為初始故障距離、過(guò)渡電阻、正序分布電容和零序分布電容等4個(gè)參數(shù)；隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為9，輸出層1個(gè)節(jié)點(diǎn)，為單相接地故障類型下的測(cè)距補(bǔ)償系數(shù)。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

初始故障距離乘以該補(bǔ)償系數(shù)即可得到精確的故障距離，從而解決過(guò)渡電阻和分布電容的影響。針對(duì)不同的故障過(guò)渡電阻，不同的故障距離和不同的分布電容，利用Matlab /Simulink搭建故障模型，進(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn)以及電科院動(dòng)模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到測(cè)量點(diǎn)的電壓和電流數(shù)據(jù)，作為計(jì)算初始故障距離和過(guò)渡電阻的依據(jù)。將初始故障距離、過(guò)渡電阻、正序分布電容、零序分布電容以及補(bǔ)償系數(shù)作為一對(duì)輸入/輸出訓(xùn)練樣本。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)確定后，利用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，對(duì)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，得到精確的故障距離補(bǔ)償系數(shù)。從BP算法和遺傳算法自身的特點(diǎn)上講，BP算法的訓(xùn)練是基于誤差梯度下降的權(quán)值修改原則，不可避免的存在落入局部最小點(diǎn)問(wèn)題；遺傳算法[14,15]克服BP算法利用梯度下降法所帶來(lái)的缺點(diǎn)，善于全局搜索，而對(duì)于局部的精確搜索顯得能力不足。遺傳算法和BP算法的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。圖3是應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障測(cè)距算法的基本流程。

圖3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障測(cè)距算法流程

3 仿真與動(dòng)模數(shù)據(jù)驗(yàn)證

3.1 仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證算法的正確性，在Matlab/Simulink中搭建雙端電源系統(tǒng)的仿真模型，來(lái)驗(yàn)證單相接地故障神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單端測(cè)距精度。圖4為Matlab仿真圖，線路為三相50Hz輸電線路，電壓等級(jí)220kV，線路結(jié)構(gòu)參數(shù)為：R1=0.016Ω/km，X1=0.28Ω/km， R0=0.147Ω/km，X0=0.837Ω/km，線路的總長(zhǎng)度為400km，采樣頻率為4.8KHz。

圖4 Matlab仿真圖

對(duì)于同一故障距離，采用本文算法與文獻(xiàn)[2]的算法對(duì)在不同過(guò)渡電阻和分布電容情況下的單相接地故障仿真驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

表1 單相接地故障仿真結(jié)果

由表1可以看出，與文獻(xiàn)[2]的不考慮對(duì)地分布電容算法相比，本文所提出的算法簡(jiǎn)單，測(cè)距精度明顯改善，測(cè)距誤差小于2%，基本消除了故障過(guò)渡電阻和分布電容對(duì)測(cè)距精度的影響，測(cè)距精度令人滿意。

3.2 動(dòng)模數(shù)據(jù)驗(yàn)證

利用電科院500kV線路動(dòng)模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證本文所提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單端測(cè)距精度，動(dòng)模實(shí)驗(yàn)的線路參數(shù)如下：R1=0.018Ω/km，X1=0.28Ω/km，C1=0.0134uF/km，R0=0.12Ω/km，X0=0.83Ω/km，C0=0.0094uF/km，線路總長(zhǎng)度為390.13km。單相接地故障過(guò)渡電阻為0歐姆，測(cè)距結(jié)果如表2所示。

表2 動(dòng)模實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出文獻(xiàn)[2]算法的測(cè)距誤差最大為7.1%，補(bǔ)償后的最大測(cè)距誤差為1.05%，測(cè)距精度有了很大的提高。

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)故障分析法基礎(chǔ)上提出了一種新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)距算法，它保留了單端阻抗測(cè)距算法的原理簡(jiǎn)單、費(fèi)用較低和不受系統(tǒng)通信技術(shù)條件的限制的特點(diǎn)，同時(shí)考慮過(guò)渡電阻和分布電容的影響，克服了傳統(tǒng)故障測(cè)距算法在經(jīng)高阻接地故障時(shí)測(cè)距誤差過(guò)大和忽略分布電容引起的故障定位不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。仿真及動(dòng)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最大誤差小于2%，具有較高的測(cè)距精度。

該方法已經(jīng)成功地運(yùn)用在許繼電氣有限公司W(wǎng)GL-800故障錄波產(chǎn)品中，并通過(guò)了國(guó)家繼電器質(zhì)量檢測(cè)中心和電科院動(dòng)模實(shí)驗(yàn)相關(guān)測(cè)試。

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