基于ID3決策樹的諧振接地系統單相接地故障區段定位分析

【關鍵詞】ID3決策樹；諧振接地系統；單相接地；故障區段；定位

引言

諧振接地系統是一種特殊的中性點消弧線圈接地電力系統，能進行容性效應補償，提高供配電安全性，降低故障點殘流[1]。受諧振接地系統復雜的運行環境及運行負載變化影響，容易出現線路非正常電氣連接問題，引發單相接地故障，造成設備損壞，甚至引發安全事故。諧振接地系統單相接地故障特點主要包括三種[2]：其一，由零序電壓諧波及線路容抗引發的故障電流與電壓波形畸變特征；其二，由外界環境及短間隙放電電弧變化引發的多形態特征[3]；其三，由接地位置引發的定位困難特征。進行單相接地故障區段定位不僅能提高供配電的可靠性，還能降低巡線負擔、快速恢復區域供電。因此，對諧振接地系統單相接地故障區段定位方法進行研究很有必要。

事實上，受消弧線圈補償作用影響，諧振接地系統單相接地故障電流相對微弱，故障特征不明顯，定位難度較高，需要借助先進的量測技術[4]，實時獲取故障信息。譚衛斌等[5]通過線路容流暫態信號進行離散采樣濾波處理，但定位偏差較高。為了滿足供配電安全要求，本研究基于ID3決策樹設計了一種有效的諧振接地系統單相接地故障區段定位方法。

一、接地系統ID3決策樹單相接地故障區段定位方法設計

（一）基于ID3決策樹分析接地系統單相接地故障特性

ID3決策樹屬于高性能決策樹算法，可以根據信息增益關系進行屬性分類，提高決策的魯棒性。因此，本研究基于ID3決策樹算法分析了諧振接地系統單相接地故障特性。

第一步，選取足夠的決策樣本空間，在諧振接地系統不同的位置分配定位點，采集各個點位獲取的信息，作為初始決策樣本集；將對應的故障定位屬性劃分為兩個不同的分支；對樣本數據進行挖掘整理，確定諧振接地系統的故障平衡條件。當諧振接地系統處于完全補償狀態時，其內部條件滿足串聯諧振要求，電流幅值與容性電流滿足某閾值范圍，此時可以考慮欠補償狀態。當諧振接地系統處于電磁暫態過程時，其消弧線圈的補償作用低下，存在等值回路噪聲，可以利用小波閾值進行降噪處理。降噪處理后，所得到的區段定位閾值參量滿足區段定位分解原則，可以根據單向序列差值完成故障區段特征提取[6]。基于此提取的故障區段特征排除了單向不對稱影響，提高了區段定位的有效性。

（二）設計諧振接地系統單相接地故障區段定位算法

在不同的時間序列下，單向接地故障模態特征存在顯著差異，主要反映了原始故障信號的振蕩狀態。因此，本文設計的方法從自適應全局模型（Adaptive Global Model，AGM）出發，假設故障區段定位采樣點數量，進行多模態處理，設計了單相接地故障區段定位算法，可以生成故障數據自適應AGM曲線Ri，如式（1）所示：

iipiRym=?Σ （1）

式（1）中，yi代表原始信號故障采樣點，i表示故障數據，mpi代表分解的故障模態元素。確定不同類型故障相對于上述曲線的偏離狀態，可以通過故障區段定位序列的全局均線方差，計算此時的故障區段定位期望值F（m），如式（2）所示。

（）（）（）mmFmstxtW=++ （2）

式（2）中，W代表傅里葉變換常數，sm（t）代表暫態故障信號增量，m表示故障模態元素，xm（t）代表未出現故障情況下的單相接地信號。實際的故障區段定位過程，需要根據全部數據的變化規律進行均線升級與篩選，重新定義故障區段的方差比率，實現定位優化。

本研究設計的單相接地故障區段定位算法進行了自適應均線尋優處理，設置了有效的模態篩選系數，重復多次分解過程，直至生成的區段定位變化曲線滿足最優分解要求。除此之外，針對滑動窗口的權重系數問題，進行數據自適應優選，判斷電流波形的顯著差異，從而確保函數趨勢最佳。基于此生成的單相接地故障區段定位算法步驟如下。

第一步：獲取數據的極值點，依次完成故障數據標記。

第二步：將滿足單相接地故障對應極值點的線段有效連接，按照要求進行標記。

第三步：利用線性插值法添加故障區段定位邊界點，補充左右臨界值，直至其滿足邊界重點要求。

第四步：構造故障區段定位差值曲線，計算定位均值。

第五步：重復上述篩選步驟，按照預先設定的容許關系進行經驗模態分解，直至獲取有效的故障區段定位極值點。

第六步：調整最大篩選系數，重復上述步驟，計算不同狀態下的故障區段定位方差比率，得到隨機篩選變化圖，計算標準差。

第七步：獲取最佳故障區段定位篩選次數，進行字型分解，查找原始數據余量，生成最佳自適應全局均線，輸出有效的單相接地故障區段定位結果。

使用上述算法可以最大程度上降低原始信號加權周期變化對故障區段定位結果造成的影響，保證定位的準確性。

二、實驗設計

為了驗證本研究中基于ID3決策樹的諧振接地系統單相接地故障區段定位方法的定位效果，本文構建了有效的仿真實驗模型，將其與譚衛斌等[5]、劉天宇等[6]設計的兩種常規的單相接地故障區段定位方法對比，進行了以下實驗。

（一）實驗準備

結合諧振接地系統單相接地故障區段定位實驗要求，本文選取MATLAB中的Simulink作為實驗平臺，結合電力系統計算機輔助設計（Power Systems Computer Aided Design，PSCAD）暫態仿真軟件構建仿真實驗模型，如圖1所示。

該仿真實驗模型的額定容量為40，000 kVA，電容電流為52 A，為了降低過補償問題對實驗結果造成的影響，需要進行消弧線圈調節處理。實驗模型線路阻抗負載為1 MW，測點位置符合實際運行狀態。

上述構建的模型通過SOP仿真實驗端口進行工頻調節，與實驗電路拓撲相連，所設置的SOP仿真實驗端口參數如表1所示。

由表1可知，上述仿真實驗端口參數符合實驗接地要求，可以根據各個區段的暫態能量關系調整故障區段空載，有效地濾除故障噪聲，提高故障區段定位結果的準確性。

（二）實驗結果與討論

在實驗準備的基礎上，研究以某10 kV混合諧振接地線路系統作為研究對象，隨機選取故障位置，設置過渡電阻阻值、信噪比、故障初相角，分別使用本文設計的基于ID3決策樹的諧振接地系統單相接地故障區段定位方法，譚衛斌等[5]的考慮線路容流暫態信號的諧振接地系統單相接地故障區段定位方法，以及劉天宇等[6]的基于互補集合經驗模態分解（Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition，CEEMD）的諧振接地系統單相接地故障區段定位方法進行定位。三種方法在不同故障位置下得到的故障區段定位實驗結果如下表2所示。

由表2可知，在不同的過渡電阻阻值、信噪比、故障初相角參數下，本文設計的基于ID3決策樹的定位方法均能正確完成故障區段定位，不受故障位置限制。譚衛斌等[5]的考慮線路容流暫態信號的定位方法，以及劉天宇等[6]的基于CEEMD模糊熵的定位方法在部分狀態參數下的定位結果錯誤，整體定位局限性較高。實驗結果表明，本文設計的區段定位方法的定位效果較好，能顯著降低定位干擾，滿足故障定位準確性要求。

結語

在工業生產雙重發展格局下，我國的電力需求激增。諧振接地系統作為一種利用中心點進行消弧補償的特殊系統，對配電網的供配電質量有重要影響。本文基于ID3決策樹設計了一種有效的故障區段定位方法并進行實驗，結果表明，設計的區段定位方法未出現定位錯誤問題，定位效果較好，具有可靠性，具備實用價值，為提高配電網的綜合自動化安全水平做出了一定的貢獻。