配變終端的配電網(wǎng)單相接地故障檢測研究

錫林郭勒電業(yè)局錫林浩特供電分局 鄭世平

為了提高單相接地故障檢測精準(zhǔn)度和檢測時間滯后問題，本文選取GPNMF算法作為研究工具，根據(jù)配電網(wǎng)作業(yè)原理，針對配變終端故障問題展開探究。通過構(gòu)建監(jiān)測模型，對配電網(wǎng)終端作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，利用GPNMF模型，完成單相接地故障檢測。仿真測試結(jié)果顯示，本檢測方案能夠有效改善以往檢測模型的精準(zhǔn)度和時間滯后問題，可以推廣應(yīng)用。

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)與客戶建立交互連接，直接為客戶提供所需服務(wù)。所以，配電網(wǎng)的作業(yè)狀態(tài)在一定程度上決定了電力單位服務(wù)質(zhì)量。由于我國配電網(wǎng)技術(shù)水平不是很高，作業(yè)期間受多項因素影響會發(fā)生故障。單相接地故障是一種比較常見的配電網(wǎng)作業(yè)故障，檢測難度較大。目前大部分檢測方法的檢測誤差較大，檢測滯后問題較為顯著。本文嘗試引入GPNMF算法，提出新的故障檢測方案研究。

1 基于GPNMF的配電網(wǎng)作業(yè)實時監(jiān)控模型

本研究在NMF算法基礎(chǔ)上，提出一種非負(fù)矩陣分解算法GPNMF（generalized projection non-negative matrix factorization）應(yīng)用研究，利用此算法構(gòu)建配電網(wǎng)作業(yè)實時監(jiān)控模型。根據(jù)配電網(wǎng)作業(yè)原理和結(jié)構(gòu)組成，構(gòu)建以下監(jiān)控模型：

本模型監(jiān)控統(tǒng)計量的計算，采用PCA（principal component analysis）檢測方法分解空間。其中，統(tǒng)計量包括SPE、T2，前者指的是監(jiān)控模型與配電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)前運行狀況的差距描述參數(shù)，后者指的是前a個主元變量發(fā)生的波動情況。經(jīng)過歸一化處理后的統(tǒng)計量分別為TG2和SPEG，利用這些新的變量來統(tǒng)計空間變化情況，包括殘余子空間和特征子空間。以下為新的統(tǒng)計變量計算公式：

以上為監(jiān)控統(tǒng)計量的定義，利用定義公式計算數(shù)值。按照設(shè)定的限定范圍，有效控制故障檢測范圍，從而準(zhǔn)確判斷單相接地故障狀況。本研究采用核密度計算方法，分別計算和SPEG對應(yīng)的控制限。其中，置信區(qū)間為99%。

2 基于GPNMF的配電網(wǎng)單相接地故障檢測方法

2.1 離線檢測方法

（1）設(shè)置故障監(jiān)測變量，構(gòu)建GPNMF模型，利用該模型對數(shù)據(jù)采取訓(xùn)練處理，得到樣本矩陣X，經(jīng)過歸一化處理，得到故障檢測數(shù)據(jù)支撐。

（2）選取累計貢獻(xiàn)率計算方法，計算模型中各項系數(shù)數(shù)值。其中，系數(shù)k的數(shù)值需要根據(jù)實際情況確定。

（3）對GPNMF算法采取初始化處理，生成系數(shù)矩陣及初始值。

（4）采用樣本訓(xùn)練處理方法，通過運行GPNMF算法，完成樣本訓(xùn)練。此操作過程矩陣X拆分為多個模塊，生成對應(yīng)的系數(shù)矩陣，記為H。

（5）運用公式(3)，計算訓(xùn)練樣本數(shù)值TG2，運用公式(4)，計算訓(xùn)練樣本數(shù)值SPEG。

（6）探究樣本TG2和SPEG分布情況。該環(huán)節(jié)使用的方法為KDE法，以置信區(qū)間99%作為分布條件，分別計算兩種樣本的控制限，記為和SPEGθ。

2.2 在線檢測方法

（1）采取歸一化處理方法，對樣本矩陣進(jìn)行檢測，將處理后的樣本數(shù)據(jù)帶入公式（2）中，計算得到新的矩陣。

3 仿真測試分析

3.1 仿真測試環(huán)境

為了對本文提出的單相接地故障檢測方法可靠性進(jìn)行驗證，本研究通過搭建仿真測試環(huán)境，在此環(huán)境內(nèi)對T2和SPE數(shù)值進(jìn)行測試，對比歸一化處理前后數(shù)值變化情況。其中，仿真環(huán)境的搭建在MATLAB軟件中完成，按照配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)搭建仿真系統(tǒng)模型。

3.2 測試內(nèi)容與數(shù)據(jù)樣本

本次測試中，根據(jù)監(jiān)測模型變量設(shè)置情況，選擇故障線路零序電流、每一條輸電線路的三相電流、次級測三相電流與電壓等作為測試變量。本次仿真測試耗時1s，設(shè)置單相接地故障發(fā)生時間為0.8s，利用50μs采集樣本數(shù)據(jù)。

關(guān)于測試數(shù)據(jù)樣本，在仿真期間收集數(shù)據(jù)樣本為20000個，假設(shè)故障數(shù)據(jù)4000個，其余數(shù)據(jù)均顯示配電網(wǎng)作業(yè)正常。按照時間段不同，將樣本數(shù)據(jù)拆分為兩部分。其中，0～0.25s時間間隔數(shù)據(jù)為一組，建立訓(xùn)練集，0.75～1s時間間隔數(shù)據(jù)為一組，建立測試集，每組樣本數(shù)據(jù)均為5000個，從第1001個樣本數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)單相接地故障。將兩組集合中的樣本數(shù)據(jù)輸入GPNMF模型中進(jìn)行檢測。

3.3 仿真測試結(jié)果分析

按照本文提出的仿真測試方案，分別對數(shù)值T2和SPE進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 監(jiān)控統(tǒng)計量T 2仿真測試結(jié)果

圖2 監(jiān)控統(tǒng)計計量SPE仿真測試結(jié)果

圖1中T2數(shù)值統(tǒng)計結(jié)果顯示，故障檢測存在滯后情況，完全檢測到故障樣本數(shù)據(jù)滯后時間為0.025s。由于滯后時間非常短，可以忽略不計。所以，本檢測方案能夠有效檢測出單相接地故障，符合配電網(wǎng)作業(yè)狀態(tài)檢測需求。

圖2中SPE檢測結(jié)果顯示，單相故障檢測時間不存在滯后現(xiàn)象，并且數(shù)據(jù)分布狀況存在較為明顯的規(guī)律，自1500個樣本后，SPE檢測結(jié)果變化規(guī)律逐漸趨于穩(wěn)定，與限定閾值相差較大，能夠為用戶展示較為清晰的接地故障檢測結(jié)果。

總結(jié)：本文圍繞配電網(wǎng)故障檢測問題展開探究，選取比較常見的單相接地故障問題作為主要研究內(nèi)容，引入GPNMF算法，構(gòu)建配電網(wǎng)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測模型，利用該模型檢測故障。本檢測方法的應(yīng)用仿真測試結(jié)果顯示，T2統(tǒng)計量檢測結(jié)果雖然產(chǎn)生了0.025s滯后時間，但是在允許范圍之內(nèi)，SPE統(tǒng)計量檢測精準(zhǔn)度較高，并且不存在滯后問題。