林仁杰 李天友 蔡金錠

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116；2. 福建省電力有限公司，福州 350002）

目前我國中低壓配電網(wǎng)大多單相接地故障發(fā)生比較頻繁，且大部分是由于配電網(wǎng)設(shè)備的絕緣劣化產(chǎn)生的暫時(shí)性接地故障，在不切除或切除故障后能夠恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，不利于配電網(wǎng)運(yùn)行的效率。為提高配電網(wǎng)的供電效率，必須對配網(wǎng)的絕緣劣化水平進(jìn)行評估[1-4]。

現(xiàn)已提出的配電網(wǎng)設(shè)備絕緣狀態(tài)測量方法分為離線檢測和在線監(jiān)測兩種，離線監(jiān)測需要定期的對線路進(jìn)行絕緣狀況的測試、維護(hù)，要求中斷供電，會(huì)對生產(chǎn)造成重大影響。而已提出的在線預(yù)警模型，采用基頻穩(wěn)態(tài)分量的方法對絕緣劣化的程度進(jìn)行預(yù)測是可以達(dá)到一定的效果[5]。但是當(dāng)接地故障是由高阻造成時(shí)，測得的電壓和電流容易受到周圍環(huán)境的影響，使得最后的絕緣參數(shù)不準(zhǔn)確。而采用對零序電壓的面積和發(fā)生暫時(shí)性單相接地故障頻度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)形成絕緣劣化值的方法[6]，則忽略了整條饋線的零序電壓是由很多處的接地故障造成的，并且接地故障也沒有具體的分為突發(fā)性故障還是由絕緣劣化造成的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這樣就會(huì)造成絕緣預(yù)警的誤判。

本文首先對收集到的大量永久性和暫時(shí)性接地故障波形、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和分類識(shí)別，可用來統(tǒng)計(jì)分析各種特征類型故障的發(fā)生情況，克服了前面提到的不足。采用相平面對各種故障波形提取特征量，可以比較確切的反應(yīng)波形變化的情況。再加上其他特征量，這樣可以更加全面的體現(xiàn)絕緣劣化情況。對距離絕緣完全損壞的天數(shù)進(jìn)行預(yù)測，提出了一個(gè)表征絕緣劣化情況的量。

1 遺傳BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

文獻(xiàn)[8]指出，通過遺傳算法改善 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法易陷入局部極小的缺陷，能夠充分發(fā)揮兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，有效地避免了局部極小，同時(shí)能以較快的速度收斂到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值學(xué)習(xí)的目標(biāo)精度。鑒于遺傳 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的這些優(yōu)點(diǎn)，本文的配網(wǎng)線路絕緣劣化產(chǎn)生的每次接地故障信息與絕緣劣化值（距離絕緣完全損壞的天數(shù)）又有明確的關(guān)系，故遺傳 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適用于配電網(wǎng)線路絕緣劣化值的預(yù)測。

遺傳算法優(yōu)化 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是用遺傳算法來優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值，使優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠更好的預(yù)測函數(shù)輸出。遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的要素包括種群初始化，適應(yīng)度函數(shù)、選擇操作、交叉操作和變異操作。

遺傳 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測理論的基本思想是根據(jù)配電網(wǎng)線路絕緣劣化情況將其分為有限個(gè)接地故障信息狀態(tài)，每一個(gè)狀態(tài)均含有一系列表征劣化情況的特征參數(shù)，將待診斷配電網(wǎng)線路參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，預(yù)測出待診斷配電網(wǎng)線路老化情況，得出絕緣劣化值。

2 波形到相平面的映射和特征量提取

2.1 狀況

相平面分析是時(shí)域波形特征提取的有效方法，這種方法在電力系統(tǒng)中被應(yīng)用到電弧故障檢測、電能質(zhì)量擾動(dòng)分類等方面。日本學(xué)者使用過一種采用相平面各區(qū)域點(diǎn)數(shù)隨時(shí)間推移分布規(guī)律來對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的方法[9]。

2.2 暫時(shí)故障波形的映射

信號(hào)f(t)的相平面定義為：以f(t)為橫軸、以其導(dǎo)數(shù)h(t)為縱軸建立的二維平面。在應(yīng)用相平面對單相接地故障波形映射時(shí)，以故障線路零序電流i0(t)主要映射原函數(shù)，建立i0(t)的相平面。隨著i0(t)波形的變化，可以從相平面中相點(diǎn)分布的變化反映出來[10]。

本文主要是根據(jù)某電業(yè)局多個(gè)變電站采集得到的暫時(shí)性接地故障波形來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的。由于采集得到的信號(hào)都是離散的，那么離散信號(hào)的相平面映射需要采用如下離散化形式：

式中，f(tk)為故障線路零序電流采樣序列；Δt為采樣步長。

2.3 典型故障波形對應(yīng)的相平面軌跡

通過對暫時(shí)性接地故障中的一些典型特征波形進(jìn)行相平面映射，得到如圖1所示。

圖1 各種典型故障波形及其相平面軌跡

觀察這些典型特征波形可以發(fā)現(xiàn)：圖1（a）對應(yīng)于典型正弦波故障波形，映射到相平面可以得到它的軌跡就類似于圓，且都集中在外面。圖1（b）對應(yīng)于典型瞬時(shí)性接地故障第一個(gè)周期的波形，映射到相平面可以得到它的軌跡大部分都集中在中間。圖1（c）對應(yīng)于典型多次脈沖波形，映射到相平面可以得到它的軌跡多在一三象限繞圈。圖1（d）屬于間歇性電弧接地故障波形，映射到相平面可以得到它的軌跡大多在中點(diǎn)且有漩渦。由于有的波形斜率過大，在這里只考慮在相平面上的軌跡。綜上所述，對于每一特定波形，其所對應(yīng)的相平面軌跡也是唯一的。所以相平面在辨別各種典型波形是特別出色的，可以準(zhǔn)確的辨認(rèn)出絕緣劣化過程中的狀態(tài)。

2.4 相平面軌跡特征量的提取

由于在絕緣劣化過程中發(fā)生的暫時(shí)性故障波形其所對應(yīng)的相平面軌跡大多在靠近中點(diǎn)的位置，所以需要對相平面進(jìn)行分割。綜合考慮數(shù)據(jù)的精確性和計(jì)算的復(fù)雜度，將每個(gè)故障波形的相平面等分成8×8（64）格，再將64格從相平面原點(diǎn)向外等間隔地分成A，B，C這3個(gè)區(qū)，如圖2所示。

圖2 相平面分區(qū)

經(jīng)分區(qū)后，離散信號(hào)就可以通過其在相平面上的點(diǎn)數(shù)來描述典型波形的相平面軌跡。由于本文采用的是科匯公司設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，它在每次暫時(shí)性故障中只采集前7個(gè)周波的信號(hào)，而且7個(gè)周波是1024個(gè)采樣點(diǎn)，這樣平分到每個(gè)周期就有約146個(gè)數(shù)據(jù)。將落在相平面每個(gè)格子內(nèi)的點(diǎn)數(shù)予以合計(jì)。即得采樣信號(hào)在A、B、C三個(gè)區(qū)的點(diǎn)數(shù)，并計(jì)算該區(qū)域點(diǎn)數(shù)占該波形相平面總點(diǎn)數(shù)的百分比。通過提取每個(gè)周期 A、B區(qū)的百分比作為每個(gè)周期波形的特征量。針對采集到的7個(gè)周波數(shù)據(jù)，進(jìn)行相平面的映射后，可以得到波形的14個(gè)特征量。

式中，xiA、xiB分別為暫時(shí)性故障后第i個(gè)周期的相平面A，B區(qū)離散點(diǎn)百分比；i=1，2，…，7。

通過這樣分區(qū)后，對比較典型的四種波形提取特征量做比較，得出見表1。

表1 典型波形A/B特征量對比

在絕緣劣化過程中的這四種典型波形映射到相平面上后，通過提取 A、B區(qū)所占百分比，從表 1可以很明顯的區(qū)分出這四種波形，所以可以應(yīng)用到預(yù)測算法中去，作為算法的特征量輸入。

3 配電網(wǎng)線路絕緣劣化預(yù)警流程

詳細(xì)診斷步驟如下：

第一步，對從某電業(yè)局監(jiān)測錄入回來的各種接地故障進(jìn)行分類。

第二步，提取其中某一種絕緣劣化過程的全部接地故障信息。

第三步，采用相平面提取零模電流波形在 A/B區(qū)的七個(gè)周期百分比特征量。

第四步，把波形特征量、每次接地故障的持續(xù)時(shí)間、兩次接地故障是否在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)結(jié)合起來。作為衡量本次接地故障絕緣劣化值（距離絕緣完全損壞的天數(shù)）的參數(shù)。

第五步，通過這些參數(shù)利用遺傳 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行絕緣劣化值的訓(xùn)練，同時(shí)對其他數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。

第六步，通過絕緣劣化值的大小來判斷該配網(wǎng)線路是否需要進(jìn)行維護(hù)或者設(shè)備更換。

4 線路設(shè)備的絕緣預(yù)警

4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出

對于線路設(shè)備的絕緣來說，能夠表現(xiàn)其絕緣劣化情況的因素很多，從測量得到的數(shù)據(jù)中能夠描述絕緣劣化情況的有：故障電阻，故障波形，故障持續(xù)的時(shí)間，本次故障與前一次故障相差的時(shí)間，故障時(shí)的天氣情況，造成故障的原因等。本文主要采用對測量得到的多次暫時(shí)性接地故障零序電流的各種特征進(jìn)行分析。根據(jù)各因素對絕緣劣化情況影響的大小，從中選取故障波形、故障持續(xù)的時(shí)間、本次故障與前一次故障是否相差在2h內(nèi)這3個(gè)因素，總的是16維數(shù)據(jù)（其中故障波形是14維數(shù)據(jù)），作為主要因素預(yù)測設(shè)備的絕緣劣化距離完全損壞的天數(shù)。即輸入數(shù)據(jù)為16維，輸出數(shù)據(jù)為1維。具體見表2。

表2 絕緣劣化情況的輸入輸出數(shù)據(jù)

這些是某條饋線在發(fā)生電纜燒毀前的暫時(shí)性接地故障特征量，在這里只列出5組數(shù)據(jù)。在采集的過程中劣化過程中的某一天可能會(huì)發(fā)生多次的暫時(shí)性接地，這樣的話就只取當(dāng)天中發(fā)生劣化程度最為嚴(yán)重的一次（從波形來看）來記為當(dāng)天的故障波形。從這個(gè)表中，也可以簡易的區(qū)分出在距離絕緣損壞越久的天數(shù)，它在A/B區(qū)內(nèi)采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)所占百分比越高。同時(shí)故障持續(xù)時(shí)間和兩次故障是否接近也可以表現(xiàn)出某種關(guān)系。那么就可以代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類和預(yù)測。

4.2 驗(yàn)證及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證遺傳 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可行性和預(yù)警效果，通過對某變電站電纜饋線上從 2011-2013采集的37組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，把其中的30組數(shù)據(jù)作為輸入樣本代入遺傳BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，并把這30組數(shù)據(jù)用作評價(jià)網(wǎng)絡(luò)的可行性。遺傳 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測輸出和原始數(shù)據(jù)的誤差如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4中可以看出，遺傳BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的擬合能力，能夠把絕緣劣化程度不同的情況區(qū)分開來，這就證明了遺傳 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有區(qū)分各種絕緣劣化程度的作用。雖然還是會(huì)存在誤差，但是可以通過對大量數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，來提高這整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精確率。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可行性

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差百分比

下面通過對其他的數(shù)據(jù)預(yù)測來查看它的預(yù)測效果，把剩下的7組數(shù)據(jù)輸入遺傳BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?？梢缘玫饺鐖D5和圖6所示的預(yù)測輸出和期望輸出的圖形、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的誤差。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測

圖6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的誤差

從圖5和圖6可以看出，遺傳BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測7組數(shù)據(jù)的誤差都小于6天，這種情況在絕緣劣化過程中的預(yù)警是可以使用的。因?yàn)轭A(yù)測得到的是距離絕緣劣化的天數(shù)，這里的預(yù)警是起到一個(gè)提醒的作用，并不一定要精確到那一天，只要能夠使電力公司有足夠的時(shí)間進(jìn)行設(shè)備更換和維護(hù)就行。

這樣通過每次絕緣劣化產(chǎn)生的零序電流波形特征預(yù)測得到所對應(yīng)的距離絕緣完全損壞的天數(shù)。那么可以做這樣一個(gè)定義，就是在通過波形特征預(yù)測出來的距離絕緣完全損壞的天數(shù)小于 45天時(shí)就提出預(yù)警。這樣就使供電局調(diào)整好停電的時(shí)間和準(zhǔn)備更換的設(shè)備，確保供電的連續(xù)性，提高供電效率。但是網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果仍有一定誤差，如果樣本數(shù)據(jù)組別更多的話將會(huì)更加精確，得到更好的預(yù)測結(jié)果。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用相平面離散點(diǎn)按區(qū)域進(jìn)行劃分并統(tǒng)計(jì)各區(qū)域點(diǎn)數(shù)百分比建立了特征量，采用遺傳 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對絕緣劣化過程中產(chǎn)生的暫時(shí)性單相接地電弧對應(yīng)距離絕緣完全損壞天數(shù)的預(yù)測。通過對某變電站大量實(shí)測樣本進(jìn)行的預(yù)測結(jié)果表明兩種方法的結(jié)合是有效的。相平面軌跡能夠很好的提取波形的全局特性，與波形的幅值，相位無關(guān)，區(qū)分度高。相對其他方法，本方法不需要注入信號(hào)，設(shè)備成本低，檢測信號(hào)變化非常明顯。

本文中距離絕緣完全損壞的天數(shù)，只是對應(yīng)于那條線路的劣化情況。各種類型的絕緣劣化天數(shù)不一樣，今后可以把這個(gè)天數(shù)制定成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的值，這個(gè)值就是對應(yīng)于某一種劣化下的狀態(tài)。本文提出的絕緣劣化預(yù)警方法對于在線掌握絕緣的劣化狀況和排查故障具有指導(dǎo)作用。

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