輸電線路單相自適應重合閘專家系統

張帆

摘 要：將集合經驗模態分解（EEMD）邊際譜熵方法融入單相自適應重合閘專家系統，以期提高輸電線路故障識別效果。采用ATP-EMTP對輸電線路的瞬時性故障和永久性故障進行仿真，根據兩者電壓波形和頻譜特征差異，實現基于EEMD邊際譜熵方法的故障識別設計。在單相自適應重合閘專家系統中，基于規則推理（RBR）采用EEMD邊際譜熵對案例庫進行更新，基于案例推理（CBR）采用歐氏距離法對故障的貼近度進行度量。EEMD邊際譜熵方法與專家系統相結合，既提高了規則庫的靈活性，又實現了案例庫的實時更新，可以更好地發揮各自的優勢，大幅提高針對輸電線路瞬時性故障和永久性故障識別的速度和準確率。

關鍵詞：線路故障；重合閘；自適應分析

1.引言

架空輸電線路是電力系統中不可或缺的一部分，自動重合閘又是高壓輸電線路中必不可少的裝置，對輸電線路供電的安全性和可靠性起著重要作用。傳統重合閘技術無法對瞬時性故障和永久性故障進行識別，只是通過時延進行故障后的重合閘，也容易在永久性故障時發生重合閘。因此，自適應重合閘技術的研究對整個電力系統的供電安全性和可靠性具有十分重要的意義。自適應重合閘的技術關鍵就是實現故障類型的分辨：瞬時性故障時發生重合閘、永久性故障時不發生重合閘。在已有研究中典型的方法有：經驗模態分解法、小波分析法、電壓判據法、智能算法和拍頻電氣量識別法等。戴永梁等利用HHT邊際譜熵識別瞬時性故障和永久性故障，但HHT邊際譜熵中的經驗模態分解無法克服模態混疊問題。冷崇富等和Park等使用小波分析法識別故障時選擇了不同的小波基，導致分析結果不盡相同，因此容易導致故障誤判。Ahn等利用故障電壓的幅值大小來判別故障類型，這是因為永久性故障比瞬時性故障時的電壓小很多，但單純從電壓的幅值大小來判據故障性質容易受到系統運行狀況的影響，容易發生診斷錯誤。Park等運用神經網絡算法識別故障，但需要大量的電氣量進行訓練，導致識別速度下降。鐘高越等和邵文權等區別故障類型的方法是運用拍頻電氣量，但拍頻現象只會在電壓恢復階段出現，推后了重合閘的時間，且其只適用于帶并聯電抗器的線路。

本文將集合經驗模態分解邊際譜熵與單相自適應重合閘專家系統相結合，對故障類型進行識別，即采用EEMD邊際譜熵對案例庫進行更新，并結合專家系統解決故障識別的快速性和有效性問題。

2.自適應重合閘概述

自動重合閘采用的是固定時限自動重合，重合閘重合于永久性故障（即故障點絕緣未恢復）時，短路電流會對系統和電氣設備再次造成沖擊，保護將再次動作切除故障，惡化了斷路器的工作環境，減少其使用壽命。針對這種問題，自適應重合閘概念被提出，即線路兩側斷路器重合前預先對故障性質進行判斷，瞬時性故障時重合斷路器，永久性故障閉鎖重合閘。避免自動重合閘的盲目重合，減少重合失敗對電網和電氣設備的不利影響。

目前單相自適應重合閘已進入實用化階段，廣泛應用于特/超高壓輸電線路上，提高電網穩定性的同時也大大提高了供電可靠性，是提高輸電線路故障自愈能力的一種重要手段。自適應重合閘的概念在 20 世紀 80 年代由葛耀中教授提出。此后，國內外學者針對自適應重合閘也開展了大量的研究，經過多年不斷地探索，自適應重合閘技術也取得了一定的成果。自適應重合閘技術的主要核心是故障性質的判別，根據瞬時性故障時電氣信號（故障特征量）的不同，可分為基于瞬時性故障的電弧特性、恢復電壓、基于參數識別等方法。根據研究對象的不同可分為帶并聯電抗器和不帶并聯電抗器輸電線路兩種故障電弧主要出現在故障發生到故障電弧完全熄滅之間的時間段，分為一次電弧和二次電弧兩個階段。根據兩次電弧所處階段不同表現出的不同的物理特征，將利用故障電弧階段特性來判別故障性質的判別方法分為三類。

a. 基于一次電弧判據

一次電弧發生在故障發生時刻到斷路器跳開時間段，存在于瞬時性故障和永久性故障中。輸電線路處于一次電弧階段時，會有大量的高次諧波信號存在于電弧電流和電壓中；兩種不同性質的故障在一次階段的區別在于，瞬時性故障時的電弧電壓遠遠大于永久性故障時的電壓，在其中存在有方波等較大電弧電壓。正是由于此種不同，一次階段的電弧電壓的幅值特性被許多學者進行了大量研究并取得了一定成果。文獻【1】利用傅里葉變換的方法對一次電弧的電壓和電流進行頻譜分析，然后利用最小二乘估計計算出兩種不同性質故障的電壓方波幅值，根據幅值大小的差異進行故障性質判別。文獻【2】采用與文獻【3】相同的方法，利用傅里葉變換對一次電弧階段的線路的故障電流、電壓進行處理，不同之處在于利用最小二乘計算的是三次諧波的幅值，比較該幅值大小與事先設定的門檻值的差異判別故障性質。文獻【4】指出線路中發生故障時，由于故障電弧的非線性特性，母線電壓也將含有高頻分量，而母線電壓和故障點電弧電壓兩者中諧波含量相差不大，因而可利用傅里葉變換的方法對母線電壓進行分析處理，根據諧波分量的存在與否來判斷故障性質。

b. 基于二次電弧判據

二次電弧發生在斷路器跳開時到故障熄弧時間段，是一個電弧熄滅、重燃反復的過程。故障點對地電壓低于重燃電壓時，電弧處于熄滅狀態；隨著故障點的電壓增大，當高于重燃所需電壓時，電弧將重燃，直到電弧長度足夠長，故障點電壓不足以使電弧重燃，電弧真正熄滅。因此該階段會存在較長時間，且只存于瞬時性故障中。另外，二次電弧具有的非線性特性，將會導致故障線路中出現豐富的高頻分量以及諧波分量，通過連接線路這些特征也將出現在故障相上。因此可以利用該階段線路的非線性進行故障性質的判別。二次電弧電壓中含有的各次諧波，會對連接的線路產生影響，文獻【5】通過檢測諧波能量百分比變化以及各次諧波衰減快慢來判別故障性質，瞬時性故障時的奇次諧波含量明顯高于永久性故障。文獻【6】采用神經網絡技術，利用故障線路中二次電弧階段的高壓頻譜特性來判別故障性質。神經網絡中輸入特征量為故障相電壓的直流分量、基波、3次、奇次、偶次、高次諧波等 6 種信號，鑒別故障電弧的產生到熄滅。文獻【7】利用復小波分析來檢測重合閘安裝處的電壓諧波含量，根據兩種故障電弧電壓諧波含量不同的特征，利用復小波的幅值大小以及相位來判別。該方法在故障熄弧之前就可以判斷，有利于斷路器在最佳時間點重合。

3.故障仿真與識別

3.1線路故障仿真

通過ATP-EMTP對750 k V輸電線路的瞬時性故障和永久性故障進行仿真。

假設故障在0.05 s時發生，在0.1 s時兩端斷路器相繼跳開。發生瞬時性故障時，由于電弧的反復重燃，通常持續10個工頻周期。設置電弧熄滅時間為0.3 s，重合閘時間為0.8 s。由于永久性故障的可靠性接地，斷路器斷開后重合閘就閉鎖

3.2單相接地故障分析

超高壓輸電線路中發生頻率最高的為單相接地故障，因此單相故障中瞬時性故障和永久性故障的識別尤為重要。如果線路發生故障，線路兩端的斷路器將相繼跳開。但非故障相對故障相會有耦合電壓存在，從而導致斷路器斷開后，故障相仍會有較大的潛供電流。永久性故障時由于具有可靠的接地，使得潛供電流通過故障點迅速釋放，電弧很快就會熄滅，幾乎只有50 Hz的電壓波形；瞬時性故障時由于沒有接地，因此發生故障時，潛供電流無法消除，且存在電弧重燃導致的大量諧波波形。因此，可以根據故障電壓復雜程度的差異進行故障識別。運用ATP-EMTP仿真得到兩種故障下的電壓變化時域圖，然后運用傅里葉變換得到了頻譜圖。瞬時性故障下采集的是二次電弧階段的電壓信號，從圖2和圖3中可知，由于電弧的反復重燃，二次電弧階段產生了大量的諧波，使得波形變得不再規則。永久性故障時采集的是斷路器斷開后的電壓信號，從圖4和圖5中得出，由于電弧的迅速熄滅，斷路器斷開后線路幾乎只存在50 Hz電壓，并且后續時間的幅值在零附近振蕩。因此，通過故障電壓的復雜程度來區分故障類型是明顯可行的。

4.單相自適應重合閘專家系統

4.1系統組成

單相自適應重合閘專家系統主要由數據庫、知識庫、解釋器、推理機、知識獲取和人機接口組成。知識庫和推理機是專家系統中十分重要的組成部分，知識庫中包含規則庫和案例庫，推理機中包含基于規則推理（RBR）和基于案例推理（CBR）。在RBR中，利用EEMD邊際譜熵作為一個自適應規則，這不但可以使得規則更加智能，而且還可以對案例庫中的案例進行不斷的更新，并刪除案例庫中十分相似的案例，以提高專家系統處理問題的效率和準確率；在CBR中，利用歐氏距離法來度量兩個故障的貼近度，從而判斷故障性質。

4.2案例庫表示和基于案例推理

案例庫描述輸電線路發生故障時斷路器斷開后的故障類型和故障特征。在案例庫中存儲的故障類型即為瞬時性故障和永久性故障，分別用0和1表示。案例庫主要特征屬性用故障電壓和電流來表示。故障案例的組織是輸電線路故障案例表示的基礎，故障的表示和組織又是為了更加方便和快捷的檢索，其中最重要和最難的也就是故障案例的檢索。故障案例的檢索根據貼近度方法，有效地檢索到與待診斷故障相似的案例，用歐氏距離表示兩個案例庫之間的差距：如果案例的貼近度小于所設定的閾值，則為值得考慮的方案；是否真正選擇此方案，還要與規則庫中識別故障所用的時間進行比較，以最終選用用時較短的一個結果。

4.3重合閘執行條件集

根據GB/T 14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》，重合閘手動跳閘和斷路器失靈保護時動重合閘均不應該動作。因此在正常運行狀態、冷備用狀態和檢修狀態下，重合閘不應該動作，只有在熱備用狀態下才可能動作。熱備用狀態下，如果是瞬時性故障就重合，是永久性故障則不動作。兩種故障的識別通過EEMD邊際譜熵來實現。將每一項操作定義為一個事件，事件的行為就是對斷路器的重合或閉鎖，事件的執行具有一定次序性。比如，220 k V電壓等級輸電線路發生瞬時性故障時，應該先重合受電端側斷路器，后重合送電端側斷路器。

5小結

基于案例推理的專家系統在進行搜索時，根據輸入的故障電壓和電流，利用歐氏距離法度量兩個故障案例的相似度，其主要特點是運行的快速性。在規則庫中加入EEMD邊際譜熵推理規則，既提高了規則庫的靈活性，又可以實現案例庫的實時更新?；诎咐龓旌鸵巹t庫的綜合推理方法能夠充分發揮各自的優點，特別是融入了EEMD邊際譜熵方法，大大提高了整個專家系統的故障識別率，這是單獨運用專家系統所無法實現的。輸電線路兩端斷路器斷開后，案例庫和規則庫同時運行，提取故障相電壓和電流，采用歐氏距離法將其與案例庫相匹配。規則庫中主要運用EEMD邊際譜熵識別故障類型，如果案例庫中得到的貼近度大于整定值，則運用規則庫中推理得到的結果。如果二者推理時間都超過整定重合閘時間，則重合閘嘗試重合一次；如果再次跳閘，則重合閘不動作，并且跳開其他兩相。

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