信息融合技術(shù)在小電流接地系統(tǒng)故障檢測(cè)中的應(yīng)用

郝潔

摘要：隨著信息融合技術(shù)和電力系統(tǒng)的發(fā)展，信息融合技術(shù)越來(lái)越多的被用到處理復(fù)雜的和不確定性問(wèn)題上。本文基于信息融合技術(shù)在選線思路上做了一定的原理探究，所研究的信息融合方法也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，決策層信息融合中隸屬函數(shù)的形狀和每個(gè)特征所取的權(quán)值的處理要根據(jù)不同的小電流接地系統(tǒng)做不同的調(diào)整，這些問(wèn)題尚需深入研究和不斷完善，進(jìn)而達(dá)到最大限度地提高選線準(zhǔn)確率的目的。

關(guān)鍵詞：小電流單相接地 故障檢測(cè) 信息融合

1 小電流接地系統(tǒng)故障概述

小電流接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，受接地相角、接地電阻、接地方式等等多種因素的影響，再加上電網(wǎng)本身結(jié)構(gòu)和負(fù)荷很復(fù)雜，所以，到目前為止還沒(méi)有一種方法可以很好的解決小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的問(wèn)題。在目前看來(lái)，小電流接地系統(tǒng)單相接地選線問(wèn)題因?yàn)榇嬖谏鲜龅亩喾N因素的影響，所以我們單獨(dú)采用一種方法進(jìn)行準(zhǔn)確選線是很困難的。經(jīng)過(guò)電力工作者和科研工作者多年的努力，現(xiàn)在我們已經(jīng)探索出多種基于不同原理的選線方法。本文通過(guò)采用新興的信息融合技術(shù)來(lái)把多種方法綜合起來(lái)，對(duì)故障特征信息進(jìn)行融合，進(jìn)而達(dá)到最大限度地提高選線準(zhǔn)確率的目的。

2 數(shù)據(jù)層信息融合

隨著對(duì)信息融合研究的深入，在多個(gè)領(lǐng)域己經(jīng)采用了信息融合技術(shù)來(lái)解決實(shí)際的問(wèn)題。同樣，對(duì)于復(fù)雜的電力系統(tǒng)我們也應(yīng)該采用信息融合技術(shù)來(lái)綜合復(fù)雜的電力系統(tǒng)中的各種信息來(lái)做出準(zhǔn)確的決策和判斷。小電流接地系統(tǒng)一直是電力系統(tǒng)中的一個(gè)難題，經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)科研工作者的努力，至今都沒(méi)有很好的解決。但是，我們從不同的角度、基于不同的原理已經(jīng)獲得了很多選線方法。所以，我們采用信息融合技術(shù)來(lái)融合不同選線方法，進(jìn)而提高選線的正確率。在故障選線信息融合過(guò)程中，數(shù)據(jù)層信息融合對(duì)應(yīng)于AD采集數(shù)據(jù)的濾波處理及故障啟動(dòng)檢測(cè)，其數(shù)據(jù)層信息融合方法包括差分濾波、采樣頻率自動(dòng)跟蹤、零序電壓?jiǎn)?dòng)判據(jù)。在數(shù)字式故障選線裝置中，數(shù)據(jù)層信息融合和特征層信息融合得到廣泛使用，在故障選線中決策層信息融合技術(shù)得到初步的應(yīng)用。對(duì)于故障選線裝置通常只采用單一的故障選線方法進(jìn)行故障選線。為此，一方面需要研究不同的故障選線方法的融合處理，另一方面需要研究配電網(wǎng)中不同測(cè)量點(diǎn)的各種故障特征量的融合處理，采用更多的故障特征量進(jìn)行綜合故障選線，進(jìn)而提高保護(hù)的精度和魯棒性。

進(jìn)行故障檢測(cè)時(shí)，單一的故障選線方法準(zhǔn)確度比較低，其原因在于：①小電流接地系統(tǒng)零序阻抗大，在故障接地過(guò)渡阻抗的影響下，產(chǎn)生的故障電流比較小，導(dǎo)致故障線路與非故障線路難以區(qū)分。②在各種干擾因素的影響下，通過(guò)故障選線裝置對(duì)故障特征量的測(cè)量具有很大的模糊性和不確定性。

通常情況下，故障檢測(cè)信息的類別影響著干擾的程度，對(duì)不同的故障檢測(cè)信息同一干擾信號(hào)的影響也存在較大的差異，例如：接地相角對(duì)暫態(tài)電容電流的影響比較大，在接地相角比較小時(shí)，暫態(tài)電容電流幅值比較小，所以，此時(shí)基于暫態(tài)電容電流的選線方法不是很理想：而基于5次諧波的選線方法卻不受接地相角等因素的影響。

當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生故障后，與正常運(yùn)行相比，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)都會(huì)表現(xiàn)出不同的特征。基于穩(wěn)態(tài)分析的選線方法研究的比較多，其中許多方法在現(xiàn)有的選線裝置中得到了廣泛應(yīng)用；而基于暫態(tài)分析的研究相對(duì)較少，隨著DSP和其他硬件技術(shù)的發(fā)展，獲取暫態(tài)信息的能力不斷提高，再加上在電力系統(tǒng)應(yīng)用了小波分析理論。所以，要充分利用小電流接地系統(tǒng)的在暫態(tài)所表現(xiàn)出的故障特征進(jìn)行故障選線。

以前多是單獨(dú)根據(jù)穩(wěn)態(tài)或者暫態(tài)來(lái)進(jìn)行選線，沒(méi)有充分利用故障信息，所以，本文順應(yīng)電力系統(tǒng)信息化發(fā)展的潮流，采用新興的信息融合技術(shù)，把暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個(gè)方面的故障特征作為來(lái)自不同的“傳感器”所得到的數(shù)據(jù)，充分利用兩方面的特征信息，最大限度的提高選線的準(zhǔn)確率。而且，根據(jù)電力系統(tǒng)規(guī)章，故障發(fā)生后還允許運(yùn)行1-2個(gè)小時(shí)，所以，也給我們進(jìn)行信息融合處理放寬了時(shí)間上的限制，可以考慮在實(shí)際工程上進(jìn)行運(yùn)用本方法。

3 小電流接地系統(tǒng)故障特征分析

當(dāng)中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地時(shí)，產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)程。電氣量中含有高頻分量和直流分量。其中，電流量通常比較大，尤其是接地電容電流的暫態(tài)分量往往比其穩(wěn)態(tài)值大幾倍到幾十倍，容易測(cè)量。而此時(shí)的消弧線圈對(duì)于暫態(tài)分量中豐富的高頻信號(hào)相當(dāng)于開(kāi)路。

在單相接地故障發(fā)生后，故障相電壓降低，正常相的電壓升高：由于線路上存在分布電容，所以，相電壓的變化會(huì)導(dǎo)致分布電容有一個(gè)比較明顯的充放電的過(guò)程。故障點(diǎn)的相電壓降低，這條線路的電容進(jìn)行放電，相當(dāng)于加入了一個(gè)電流源，故障線路的電流從故障點(diǎn)流向母線，而正常線路的電流從母線流向線路末端。因?yàn)閷?duì)于暫態(tài)電容電流而言，它們的頻率是比較高的，消弧線圈的作用可以忽略，相當(dāng)于中性點(diǎn)不接地，所以，故障線路的暫態(tài)電容電流幅值相當(dāng)于別的線路上的電容電流的總和。

小波包變換實(shí)際上就相當(dāng)于一個(gè)高通和低通雙通道濾波器，其過(guò)程就是將信號(hào)分為高頻信號(hào)和低頻信號(hào)，再對(duì)高頻信號(hào)和低頻信號(hào)進(jìn)行再次的分解，分解到所需的頻率段。通過(guò)小波變換把信號(hào)分解成不同的尺度，對(duì)信號(hào)進(jìn)行多分辨率分析，把信號(hào)分解成不同的頻率段分量。

所以，采用小波包對(duì)各條線路進(jìn)行小波包分解，找出電容電流特征最明顯的頻段，可以根據(jù)這個(gè)特征頻段的模最大值來(lái)比較電容電流的大小。也就是說(shuō)，小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，在系統(tǒng)所有的線路中，故障線路的暫態(tài)電容電流經(jīng)小波包分解后特征頻段的模最大值是最大的，這一點(diǎn)可以成為我們進(jìn)行故障檢測(cè)的依據(jù)。

受電網(wǎng)本身和接地電阻的影響和制約，通過(guò)選取合適的小波函數(shù)，進(jìn)而最大限度地提取暫態(tài)故障信息。但是，面對(duì)不同的電網(wǎng)，不同的接地方式，不同的接地電阻，都會(huì)對(duì)故障信息的幅值有所影響，但是故障線路的電容電流相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較大的。通過(guò)采用比較法，找出各個(gè)線路在細(xì)節(jié)系數(shù)的模的大小順序，通過(guò)模糊運(yùn)算得出判斷結(jié)果。在各種干擾存在的情況下，最大限度的提高選線的準(zhǔn)確率。

4 故障選線過(guò)程

因?yàn)樵诎l(fā)生單相接地故障后，三相零序電壓比起正常情況突然有明顯升高，所以把零序電壓作為發(fā)生單相接地故障的判斷信號(hào)。一般情況下，設(shè)置一個(gè)電壓閡值，當(dāng)三相電壓超過(guò)此值時(shí)，我們就認(rèn)為是發(fā)生了單相接地故障。

因?yàn)橐獙?duì)暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析，我們又不能夠預(yù)知故障發(fā)生的具體時(shí)刻，所以采樣要不間斷的進(jìn)行。當(dāng)判斷發(fā)生單相接地故障后，再連續(xù)采樣幾個(gè)周期，然后，根據(jù)接地故障前的1個(gè)周期和故障后的幾個(gè)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散小波包分析，根據(jù)以上所述的原則對(duì)每條線路的模最大值按大小順序進(jìn)行排隊(duì)。

諧波法是基于穩(wěn)態(tài)特征進(jìn)行選線，所以，我們需要根據(jù)故障后的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。因?yàn)楦道锶~變換可以計(jì)算幾次諧波，所以，我們可以等進(jìn)行完離散小波包分析后，對(duì)小電流接地系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，用傅里葉變換求出每回出線零序電流的5次諧波。

接下來(lái)就是對(duì)所獲得的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特征量進(jìn)行模糊化，再加權(quán)進(jìn)行求和，把計(jì)算結(jié)果按大小順序進(jìn)行排隊(duì)，讓電站操作人員進(jìn)行故障選線，排除故障線路。本文所采用的方法具體的實(shí)現(xiàn)流程圖如圖1所示。

5 結(jié)論

對(duì)于小電流接地系統(tǒng)的故障選線，本文通過(guò)采用信息融合技術(shù)進(jìn)行解決。通過(guò)綜合處理多種故障信息，在一定程度上降低了干擾的影響，進(jìn)而提高了故障檢測(cè)的精度以及系統(tǒng)的魯棒性。對(duì)于故障選線方法輸出的模糊性通過(guò)隸屬函數(shù)進(jìn)行表示，通過(guò)加權(quán)求和的方式進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而將多種故障選線方法的信息進(jìn)行融合。

隨著信息融合技術(shù)和電力系統(tǒng)的發(fā)展，在電力系統(tǒng)中運(yùn)用信息融合技術(shù)解決復(fù)雜問(wèn)題。但是，基于信息融合技術(shù)的小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障選線處在起步階段，對(duì)信息融合方法的研究相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于隸屬函數(shù)的形狀和每個(gè)特征的權(quán)值，需要根據(jù)小電流接地系統(tǒng)做出相應(yīng)的調(diào)整，這些問(wèn)題需要進(jìn)行深入地研究。

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