基于分層分布式人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輻射狀配電網(wǎng)故障定位及分支識(shí)別

基于分層分布式人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輻射狀配電網(wǎng)故障定位及分支識(shí)別

0多于充分發(fā)揮被動(dòng)式故障定位法的應(yīng)用考慮到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全等因素，中國的大多數(shù)中壓電氣網(wǎng)都采用了低電流連接方式。配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中與用戶聯(lián)系最為直接的環(huán)節(jié),其覆蓋范圍廣泛,一般多采用輻射狀結(jié)構(gòu)、閉環(huán)設(shè)計(jì)開環(huán)運(yùn)行結(jié)構(gòu),單相接地故障幾率高,技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素綜合決定了多分支輻射狀配電網(wǎng)故障定位有其特殊性,人們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究［１－８］。按照所利用信號(hào)的不同可分為主動(dòng)式故障定位法和被動(dòng)式故障定位法。主動(dòng)式故障定位法是通過向配電網(wǎng)系統(tǒng)注入特定頻率功率信號(hào),利用移動(dòng)或固定安裝的信號(hào)檢測(cè)設(shè)備來檢測(cè)故障發(fā)生的位置,如“S”注入法、加信傳遞函數(shù)法等,但其可靠性受過渡電阻、間歇性電弧的影響較大,實(shí)際應(yīng)用效果罕見報(bào)道。被動(dòng)式故障定位法主要利用饋線發(fā)生故障前后電壓、電流信號(hào)特征實(shí)現(xiàn)故障定位,其中,阻抗法、行波法［９－１３］和相關(guān)法在小電流接地系統(tǒng)定位技術(shù)的不同發(fā)展時(shí)期具有其代表性。阻抗法是基于故障回路阻抗和故障距離間的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)故障位置的判斷,因配電網(wǎng)電壓和電流互感器傳遍特性往往不一致,會(huì)給基于阻抗法的定位方法造成較大的測(cè)距誤差。同時(shí),針對(duì)多分支配電網(wǎng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu),阻抗法無法排除偽故障點(diǎn)。行波法利用暫態(tài)行波在量測(cè)端和故障點(diǎn)間傳播的時(shí)差實(shí)現(xiàn)故障定位,但受多分支配電網(wǎng)特殊結(jié)構(gòu)影響,故障點(diǎn)第2個(gè)反射波頭的準(zhǔn)確識(shí)別更為困難,加之配電網(wǎng)的干擾信源較多、行波法對(duì)硬件及互感器性能要求較高等因素,使得行波法在多分支配電網(wǎng)中的應(yīng)用效果亦不十分理想。相關(guān)法利用相鄰檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)電流的相關(guān)性確定故障區(qū)段,但該方法需將各檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)電流信號(hào)上傳主站或相互交換,數(shù)據(jù)傳輸量大,對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信能力要求較高,且各檢測(cè)點(diǎn)需精確保持時(shí)間同步,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施困難較大。本文先分析了輻射狀配電網(wǎng)不同分支發(fā)生單相接地故障時(shí),母線零序電壓的幅值頻率分布特性。當(dāng)故障發(fā)生在不同分支時(shí),由母線量測(cè)端獲得的故障零序暫態(tài)電壓的自然頻率分布亦不相同,不同分支組合的行波傳播路徑與自然頻率及其幅值分布之間存在著映射關(guān)系?；诖?借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)強(qiáng)大的非線性擬合能力,提出了一種基于自然頻率的輻射狀配電網(wǎng)分層分布式ANN故障定位模型和新方法。1通過選定的電源連接失敗的自然頻率特征分析1.1故障產(chǎn)生的自然頻率主成分圖1給出了直配線路分布參數(shù)等值的故障分量零序網(wǎng)絡(luò),其中R０,L０,G０和C０分別為線路單位長度零序的電阻、電感、電導(dǎo)和電容;Zｓ為電源阻抗;Zｍ為負(fù)荷側(cè)阻抗;F為故障點(diǎn);ZＦ為故障點(diǎn)處阻抗;UＦ為故障前F點(diǎn)處電壓;v為故障行波波速;d為直配線路全長;dｆ為故障點(diǎn)到電源側(cè)的距離。故障產(chǎn)生的初始行波沿線路向兩側(cè)傳播,量測(cè)端感受到的是量測(cè)端M和故障點(diǎn)、末端多次反射的行波的疊加,表現(xiàn)在頻率上為一系列具有固定頻率的高頻分量［１４－１７］。在極端邊界條件下,當(dāng)系統(tǒng)側(cè)為開路,故障點(diǎn)為短路時(shí)行波形成的自然頻率主成分為:同理,線路兩端均為開路行波形成的自然頻率的主成分為:由上述分析可知,故障行波形成的自然頻率主成分和故障點(diǎn)距離之間存在著映射關(guān)系,自然頻率很好地反映了故障位置。而實(shí)際情況中,考慮到母線系統(tǒng)對(duì)地雜散電容以及故障點(diǎn)過渡電阻等因素的存在,利用式(1)或式(2)來估計(jì)故障電壓行波自然頻率時(shí)存在一定偏差。1.2多分支機(jī)構(gòu)輻射狀配電網(wǎng)現(xiàn)構(gòu)建多分支配電網(wǎng)如圖2所示,該系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地,饋出線路1包含5條分支,分別為L１１,L１２,L１３,L１４和L１５。該配電網(wǎng)中的T為主變壓器,電壓比為110kV/35kV,為星形/三角形連接方式;TＺ是Z字形變壓器;L為消弧線圈電感;R為消弧線圈的阻尼電阻。消弧線圈通過隔離開關(guān)K投切。M點(diǎn)是位于母線處的故障行波的量測(cè)端,母線系統(tǒng)雜散電容CＥ=0.0001μF;負(fù)荷側(cè)降壓變壓器的對(duì)地雜散電容如圖2中虛線框所示,其中C４=0.0004μF,C５=0.0007μF,C６=0.0002μF。當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)饋出線路某個(gè)分支上發(fā)生單相接地故障時(shí),其單相接地故障饋線零序分量的等效電路如圖3所示。對(duì)于零序網(wǎng)絡(luò),其母線側(cè)和配電網(wǎng)末端等效波阻抗近似為無窮大,可等效為開路狀態(tài),故障行波在此發(fā)生近似的全反射。配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后并沒有形成短路回路,在系統(tǒng)和饋線中流通的零序電流僅僅是線路對(duì)地電容電流。對(duì)于輻射狀配電網(wǎng),波阻抗不連續(xù)處包括故障點(diǎn)、母線、饋出線路的末端及分支的連接節(jié)點(diǎn)等邊界。故障行波在波阻抗不連續(xù)處發(fā)生折射和反射,其在沿線傳播過程中會(huì)發(fā)生衰減和畸變,且傳播距離越長,行波信號(hào)在線路上的衰減和畸變?cè)絿?yán)重。現(xiàn)設(shè)饋出線路的線路L１３發(fā)生單相接地故障,故障點(diǎn)為f,過渡電阻為0.01Ω,故障初始相角為90°?，F(xiàn)就量測(cè)端M而言,故障行波傳播路徑的組合如圖2所示,一共有6條。其中,路徑1為量測(cè)端M→節(jié)點(diǎn)A,路徑2為量測(cè)端M→節(jié)點(diǎn)A→節(jié)點(diǎn)B,路徑3為量測(cè)端M→節(jié)點(diǎn)A→節(jié)點(diǎn)B→節(jié)點(diǎn)C,路徑4為量測(cè)端M→節(jié)點(diǎn)A→節(jié)點(diǎn)B→節(jié)點(diǎn)D,路徑5為量測(cè)端M→節(jié)點(diǎn)A→節(jié)點(diǎn)E,路徑6為量測(cè)端M→節(jié)點(diǎn)A→節(jié)點(diǎn)B→故障點(diǎn)f。量測(cè)端檢測(cè)到的零序電壓如圖4所示,選取故障后5ms數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)［１８］,得到的自然頻率分布如圖5所示。由式(1)和式(2)計(jì)算得到在極端邊界條件下的各條傳播路徑對(duì)應(yīng)的自然頻率的參考值,以及利用FFT所提取的自然頻率及其幅值,如表1所示。由圖5和表1可知,當(dāng)饋出線路的f點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí),故障行波的傳播路徑與其自然分布之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。綜上,在多分支輻射狀配電網(wǎng)中,若其分支線路數(shù)目為n,當(dāng)故障點(diǎn)不發(fā)生在分支節(jié)點(diǎn)或饋線末端時(shí),就量測(cè)端M而言,故障行波傳播路徑數(shù)目有n+1條;當(dāng)不考慮饋線末端降壓變壓器對(duì)地雜散電容時(shí),對(duì)于零序分量,多分支輻射狀配電網(wǎng)的末端可等效為開路,其故障行波在饋線末端發(fā)生了正的全反射,這就相當(dāng)于在饋出線末端多了一個(gè)虛擬的“觀測(cè)點(diǎn)”,通過反射波的形式把故障點(diǎn)到饋線末端負(fù)荷側(cè)之間的行波傳播路徑上的各分支信息傳遞到量測(cè)端M,這樣極有利于故障分支的判別;不同分支組合的行波傳播路徑與自然頻率及其幅值分布之間存在映射關(guān)系,而故障發(fā)生在分支上不同的位置時(shí),相同的行波傳播路徑對(duì)應(yīng)的自然頻率及其幅值分布亦不相同。可見,量測(cè)端M檢測(cè)到的故障零序電壓的自然頻率及其幅值包含著故障距離和故障分支信息,可利用其自然頻率及其幅值分布特性進(jìn)行配電網(wǎng)故障定位和故障分支識(shí)別。2配電網(wǎng)故障定位方法不失一般性,不妨將從配電網(wǎng)始端至末端分支數(shù)最多的路徑定義為主干,其他定義為分支?，F(xiàn)以饋出線路的故障區(qū)間劃分如圖6所示,當(dāng)故障位置位于主干上某段且無分支時(shí),如Cut１,Cut３和Cut５所示,可利用自然頻率分布進(jìn)行故障定位;當(dāng)故障位置位于主干上某段但有分支時(shí),如圖6中Cut２和Cut４所示,會(huì)出現(xiàn)等電氣距離故障分支識(shí)別問題,此時(shí)可先利用自然頻率分布進(jìn)行故障定位,然后借助于自然頻率對(duì)應(yīng)的幅值進(jìn)行分支識(shí)別,因?yàn)楫?dāng)故障發(fā)生在不同分支時(shí),自然頻率幅值在一定程度上反映了故障行波在不同傳播路徑上波阻抗不連續(xù)點(diǎn)的折反射情況,繼而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障的準(zhǔn)確定位和分支識(shí)別。然而,倘若2條分支一樣或近似一致時(shí)將無法實(shí)現(xiàn)分支識(shí)別,這是由于本文只利用了始端這一個(gè)可觀測(cè)點(diǎn),此時(shí)可通過增加觀測(cè)點(diǎn)來加以區(qū)分故障分支,但是對(duì)于故障定位而言依然有效。3分層分布式培養(yǎng)模型現(xiàn)利用ANN強(qiáng)大的非線性擬合能力來反映此種映射關(guān)系,為了提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)效率,優(yōu)化反向傳播(BP)模型的結(jié)構(gòu),本文采用分層分布式ANN模型。如圖7所示,其中第1層ANN用于故障定位,其輸入樣本屬性為自然頻率分布;第2層ANN用于故障分支識(shí)別,其輸入樣本屬性為自然頻率對(duì)應(yīng)的幅值。利用第1層故障定位ANN進(jìn)行故障定位,當(dāng)輸出故障距離位于主干上某段且無分支時(shí),則輸出結(jié)果即為故障點(diǎn)位置;當(dāng)輸出故障距離位于主干上某段且有分支時(shí),則需要利用第2層分支識(shí)別ANN進(jìn)行故障分支的識(shí)別。3.1故障測(cè)距模型選擇取用自然頻率個(gè)數(shù)以故障饋出線路分支的行波路徑組合計(jì),圖2中故障饋出線路的故障行波分支組合數(shù)為6,再考慮噪聲等因素的影響,多取用2個(gè)自然頻率。提取量測(cè)端M的電壓故障行波的自然頻率及其幅值作為故障定位ANN的輸入向量。由上述分析可知,第1層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本為自然頻率向量p１=[fｎ１,fｎ２,fｎ３,fｎ４,fｎ５,fｎ６,fｎ７,fｎ８],輸出為y１=dｆ,即故障點(diǎn)的距離。第2層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本為向量p１所對(duì)應(yīng)的幅值向量p２=[Eｎ１,Eｎ２,Eｎ３,Eｎ４,Eｎ５,Eｎ６,Eｎ７,Eｎ８],輸出向量分別為y２１=和y２２=。當(dāng)輸出結(jié)果分別1,2,3和4時(shí),表示故障點(diǎn)分別位于分支線路L１２,L１５,L１３和L１４上。仍采用圖2所示配電網(wǎng)模型,沿饋出線路選取故障點(diǎn),每200m步長仿真一次故障,其中故障過渡電阻Rｆ=0Ω,故障初始相角取90°。針對(duì)上述故障條件進(jìn)行仿真,采樣頻率為1MHz,數(shù)據(jù)時(shí)窗長度為5ms,提取對(duì)應(yīng)的自然頻率分布中幅值較大的8個(gè)頻率值及其幅值作為ANN的輸入向量。故障測(cè)距模型采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),本文采用含有兩層隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［１９－２２］。其傳遞函數(shù)均為tansig(·),輸出層傳遞函數(shù)為logsig(·),構(gòu)建故障定位和分支識(shí)別ANN,其中故障定位ANN隱含一層和隱含二層的節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為20和15,分支識(shí)別ANN隱含一層和隱含二層的節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為15和8。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法選用自適應(yīng)學(xué)習(xí)速度算法,最大訓(xùn)練次數(shù)選為5000次,目標(biāo)函數(shù)誤差設(shè)定為e－５。3.2運(yùn)行故障定位方法以實(shí)現(xiàn)流程綜上分析,基于自然頻率的輻射狀配電網(wǎng)分層分布式ANN故障定位方法流程如圖8所示。4模擬驗(yàn)證與適應(yīng)性分析4.1金屬性故障條件仿真由故障定位ANN和故障分支識(shí)別ANN共同組成分層分布式多分支輻射網(wǎng)故障測(cè)距模型。對(duì)不同故障初始相角的金屬性故障條件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,得到測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2可以看出,基于自然頻率的輻射狀配電網(wǎng)分層分布式ANN學(xué)習(xí)效率好、收斂速度快、定位準(zhǔn)確、分支識(shí)別正確。4.2故障定位方法為了驗(yàn)證基于自然頻率的多分支配電網(wǎng)故障定位方法在不同故障條件下的適應(yīng)性,討論了過渡電阻、故障初始相角、雜散電容及電弧性故障對(duì)其自然頻率的影響。4.2.1暫態(tài)電壓自然頻率分布現(xiàn)設(shè)圖2所示饋出線路的分支L１３上距離節(jié)點(diǎn)B2km的f點(diǎn)發(fā)生單相接地故障,故障初始相角為90°,采樣頻率為1MHz。故障過渡電阻分別為0Ω和20Ω,量測(cè)端M檢測(cè)到的暫態(tài)電壓自然頻率分布如圖9所示。由圖9可以看出,隨著過渡電阻的增大,故障行波的自然頻率幅值逐漸降低,過渡電阻在一定范圍內(nèi),不會(huì)引起自然頻率的偏差。同樣,假設(shè)在故障初相角分別為90°和60°情況下f點(diǎn)發(fā)生單相接地金屬性故障,量測(cè)端M檢測(cè)到的暫態(tài)電壓自然頻率分布如圖10所示?？梢钥闯?隨著故障初始相角的減小,故障行波的自然頻率幅值不斷降低,但自然頻率基本沒有發(fā)生偏差。由上述分析可知,雖然故障初相角和故障過渡電阻不影響自然頻率的大小,但是它會(huì)影響自然頻率的幅值,會(huì)導(dǎo)致在弱故障情況下故障分支識(shí)別失效。4.2.2暫態(tài)電壓自然頻率分布母線系統(tǒng)雜散電容CＥ直接影響著故障行波在母線處的折反射系數(shù)?，F(xiàn)改變母線對(duì)地雜散電容,分別設(shè)置為0.0001μF和0.01μF,配電網(wǎng)末端降壓變壓器對(duì)地雜散電容保持不變,量測(cè)端M檢測(cè)到的暫態(tài)電壓自然頻率分布如圖11所示?？梢钥闯?當(dāng)母線系統(tǒng)雜散電容從0.0001μF增加至0.01μF時(shí),自然頻率幅值逐漸增大,且自然頻率發(fā)生偏差。因此母線系統(tǒng)雜散電容的大小是影響故障行波所形成的自然頻率分布的一個(gè)因素。4.2.3故障行波形成的自然頻率分布配電網(wǎng)單相電弧性故障與金屬性接地故障相比,電弧故障情況下該過程內(nèi)會(huì)增加大量的諧波分量,因此有必要對(duì)其故障行波形成的自然頻率分布的影響進(jìn)行分析。在圖2中,設(shè)f點(diǎn)發(fā)生單相電弧性故障,得到故障量測(cè)端零序電壓如圖12所示。同樣,對(duì)故障后5ms的零序電壓進(jìn)行FFT,得到其自然頻率分布如圖13所示。與穩(wěn)定型故障相比,電弧性故障電壓行波形成的主自然頻率個(gè)數(shù)將增加?？梢?對(duì)于電弧故障的自然頻率定位方法有待進(jìn)一步研究。5分層分布式培養(yǎng)原理1)在配電網(wǎng)始端可測(cè)條件下,不同分支發(fā)生故障時(shí),其故障電壓行波經(jīng)由不同分支組合的傳播路徑到達(dá)母線側(cè)量測(cè)端,由量測(cè)端獲得的故障暫態(tài)電壓的自然頻率及其幅