林中愛,程富勇,廖耀華,王 恩
(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,昆明 650041;2.中國(guó)南方電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650041)
隨著我國(guó)搭建電網(wǎng)面積的擴(kuò)大,越來越多的用戶加入到電網(wǎng)日常用電的負(fù)荷中。由于電網(wǎng)中電路的電磁作用,當(dāng)用戶側(cè)在接入電網(wǎng)過程中產(chǎn)生一定的非線性負(fù)荷時(shí),由于電荷的不規(guī)律運(yùn)動(dòng),電網(wǎng)線路中會(huì)產(chǎn)生一部分直流分量,從而在電網(wǎng)中形成非線性的諧波電流。直流互感器是電網(wǎng)中的重要組成元件,當(dāng)電網(wǎng)中所產(chǎn)生的非線性諧波電流通過互感器時(shí),其中的一次繞組會(huì)受到諧波的干擾,互感器的計(jì)量量程會(huì)瞬間處于爆表狀態(tài),此時(shí)互感器如果不采取相應(yīng)前使用的檢測(cè)方的動(dòng)作,繼續(xù)進(jìn)行計(jì)量工作,此時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的二次電流畸變,幅值與正常情況下相差較大,使得計(jì)量數(shù)值出現(xiàn)誤差,因此在電網(wǎng)中需要應(yīng)用低壓抗直流互感器,以保證在計(jì)量工作中免受諧波電流的干擾,因此低壓抗直流互感器成為了我國(guó)電力系統(tǒng)中的重要傳變?cè)O(shè)備[1]。我國(guó)建設(shè)智能電網(wǎng)是電力系統(tǒng)改革的重要舉措,也成為了目前研究的熱點(diǎn)問題。低壓抗直流互感器作為變電站中的測(cè)量裝置,必須能夠精準(zhǔn)測(cè)量,及時(shí)發(fā)現(xiàn)互感器在工作中的故障或誤差,因此對(duì)其進(jìn)行動(dòng)作行為檢測(cè)在實(shí)際的電網(wǎng)保護(hù)中具有重要的意義。
目前對(duì)于低壓抗直流互感器動(dòng)作行為的檢測(cè)研究較少,低壓抗直流互感器在二次側(cè)波形的獲取中,很容易發(fā)生畸變,在不同程度上出現(xiàn)直流和各個(gè)諧波分量,此時(shí)變換誤差會(huì)受到一定影響。目前通常使用的動(dòng)作行為檢測(cè)方法中,需要設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)互感器,采用數(shù)字式的直接校驗(yàn)對(duì)互感器的動(dòng)作行為進(jìn)行檢測(cè),但是這種傳統(tǒng)的互感器動(dòng)作行為檢測(cè)方法的檢測(cè)誤差較大,因此本文以改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)一種低壓抗直流互感器動(dòng)作行為檢測(cè)方法。
對(duì)于低壓抗直流互感器來說,能夠有效地改善直流分量引起的直流偏磁,在實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)影響互感器的正確傳變[2]。想要精準(zhǔn)的檢測(cè)到低壓抗直流互感器動(dòng)作行為,本文設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)裝置,相關(guān)的接線方法如圖1所示。
圖1 低壓抗直流互感器動(dòng)作行為檢測(cè)裝置電路圖
在上圖的裝置連接電路中,整體的檢測(cè)設(shè)備包括電壓源、調(diào)壓器以及升流器等,另外選取檢測(cè)精度能夠達(dá)到0.01%的交直流標(biāo)準(zhǔn)器以及二極管,搭配若干取樣電阻R0-Rx。根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求,對(duì)于互感器的斑駁電流來說,需要提供電流的標(biāo)準(zhǔn)值以及測(cè)試值[3]。在上圖的電路結(jié)構(gòu)中,當(dāng)升流器的輸出電流如圖中的箭頭方向所示的時(shí)候,此時(shí)電流會(huì)通過二極管D1流回原位,但是如果電流方向相反,那么電流則會(huì)依次經(jīng)過二極管D2、被檢測(cè)的互感器和交直流的標(biāo)準(zhǔn)互感器返回,這時(shí)被檢測(cè)的互感器則會(huì)與交直流標(biāo)準(zhǔn)互感器的極性端形成閉合回路。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)互感器來說,一般的額定二次負(fù)荷范圍在2.5VA~5VA之間,此時(shí)的相位角為90°。
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近年來人工智能研究領(lǐng)域的重要算法結(jié)構(gòu),該網(wǎng)絡(luò)算法經(jīng)常被應(yīng)用在智能檢測(cè)方法中,其結(jié)構(gòu)主要由輸出層、輸入層以及隱含層所構(gòu)成,在不同層中斗毆包含不同的節(jié)點(diǎn)神經(jīng)元,神經(jīng)元之間依靠傳遞神經(jīng)遞質(zhì)作為溝通的橋梁。在傳統(tǒng)的互感器動(dòng)作行為檢測(cè)中,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法能夠廣泛地應(yīng)用在故障檢測(cè)、動(dòng)作判斷等領(lǐng)域中,對(duì)于復(fù)雜度和維度較低的問題識(shí)別與判斷中具有較好的非線性處理能力,但是由于算法自身結(jié)構(gòu)的問題,其在實(shí)際的檢測(cè)學(xué)習(xí)中收斂速度慢,學(xué)習(xí)能力差,容易陷入局部最小值,導(dǎo)致最終的檢測(cè)結(jié)果偏差較大[4]。因此使用粒子群對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),針對(duì)復(fù)雜的檢測(cè)問題能夠加速優(yōu)化過程,對(duì)于高維度的復(fù)雜檢測(cè)來說,將目標(biāo)函數(shù)的梯度信息影響降至最低。本文所采用的改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠在傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,避免學(xué)習(xí)過程中陷入局部循環(huán)。利用粒子群算法來優(yōu)化閾值和權(quán)值,保證BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算各層權(quán)重和分析閾值的過程中,能夠保證粒子群的學(xué)習(xí)范圍更加廣泛。在檢測(cè)流程中,主要是隱藏層和輸出層在相同方向進(jìn)行傳輸運(yùn)算時(shí),各個(gè)閾值和權(quán)值之間的計(jì)算關(guān)系如式(1)所示。
上式中,Zk表示隱含層中某節(jié)點(diǎn)k面對(duì)下一層級(jí)的輸出值,f表示激勵(lì)函數(shù),netk表示該點(diǎn)的凈輸入值,vik表示輸入層中任意節(jié)點(diǎn)i連接到隱含層中的任意節(jié)點(diǎn)k之間的權(quán)重,xi表示輸入層神經(jīng)元的輸入權(quán)值,wkj表示隱含層中節(jié)點(diǎn)k到輸出層中節(jié)點(diǎn)j的連接權(quán)值。n代表總的輸入樣本,zk表示節(jié)點(diǎn)在隱含層的輸出值。根據(jù)以上方程組的計(jì)算檢測(cè)流程,首先要確定改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的輸入、隱含和輸出層的結(jié)構(gòu),并在粒子群算法的基礎(chǔ)上將改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的閾值以及各層之間的連接權(quán)重進(jìn)行編碼,得到粒子群。此時(shí)粒子群的參數(shù)是不規(guī)則且散亂的,要想對(duì)粒子群進(jìn)行重新排布,需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行初始化,計(jì)算粒子群在尋優(yōu)過程中的適應(yīng)度值,在全局范圍內(nèi)尋找最優(yōu)解,并實(shí)現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)的更新。以上操作完畢之后,需要判斷粒子群的迭代次數(shù),保證結(jié)果精度在提前預(yù)設(shè)的范圍之內(nèi),如果在范圍內(nèi)達(dá)標(biāo),則將全局的最優(yōu)值作為改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值;如果不達(dá)標(biāo),則需要按照計(jì)算公式完成新一代種群的培養(yǎng),重新計(jì)算粒子的適應(yīng)度值,直至達(dá)到精度和迭代次數(shù)的要求。
在上一節(jié)中,通過優(yōu)化檢測(cè)流程能夠得到互感器在工作過程中的參數(shù)變化。但是互感器根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況的不同會(huì)出現(xiàn)故障動(dòng)作和保護(hù)動(dòng)作[5]。在檢測(cè)過程中,如果互感器自身發(fā)生故障,此時(shí)與之相聯(lián)的電抗器組的額定電壓會(huì)發(fā)生變化,電流互感器的變比會(huì)上升至1600∶1,當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí),此時(shí)互感器的檢測(cè)準(zhǔn)確及能夠達(dá)到10P20,斷路器與電流互感器都會(huì)在電抗器的尾部出現(xiàn)電流或電壓的震動(dòng)。但是互感器在實(shí)際工作中出現(xiàn)次數(shù)最多的應(yīng)該是保護(hù)動(dòng)作,當(dāng)在1號(hào)主變壓器中的1號(hào)電抗器完成投入時(shí),此時(shí)的低抗低流I段會(huì)發(fā)生保護(hù)動(dòng)作,即低壓抗直流的互感器開關(guān)與主變壓器35kV的開關(guān)都會(huì)跳開。根據(jù)得到的互感器運(yùn)行過程樣本,想要將其動(dòng)作行為進(jìn)行分類,首先要完成歸一化處理。歸一化過程如式(2)所示。
上式中,y表示經(jīng)過歸一化之后的輸出值,x表示互感器動(dòng)作行為的檢測(cè)值輸入。當(dāng)投入不同的電抗器時(shí),動(dòng)作電流與上一次投入是相似的,在經(jīng)過歸一化之后,因此故障波形與保護(hù)動(dòng)作之間的行為能夠保持基本一致。根據(jù)保護(hù)互感器保護(hù)動(dòng)作的原理和邏輯,結(jié)合互感器之間的電流電壓波形,能夠分析出在合閘的過程中,電流波形周圍會(huì)出現(xiàn)非線性的分量,造成波形出現(xiàn)偏沉。在電感元件出現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作時(shí),電流所產(chǎn)生的變化是漸進(jìn)的,此時(shí)的合閘電流是緩慢上升的,當(dāng)合閘電流的波形相位瞬間電流角度在180°,此時(shí)電流中則會(huì)產(chǎn)生非線性的波形分量,對(duì)于互感器來說,此時(shí)則處于自我保護(hù)的狀態(tài)。因此根據(jù)對(duì)低壓抗直流互感器來說,準(zhǔn)確獲取其電壓值,并對(duì)其波形情況進(jìn)行判斷,就可以分析出其具體的動(dòng)作行為。至此完成基于改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的低壓抗直流互感器動(dòng)作行為檢測(cè)方法的研究。
為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的低壓抗直流互感器動(dòng)作行為檢測(cè)方法在檢測(cè)精度方面具有一定的優(yōu)勢(shì),在方法性能測(cè)試中需要搭建測(cè)試環(huán)境,設(shè)計(jì)測(cè)試流程以進(jìn)行驗(yàn)證。在搭建的測(cè)試裝置中,選擇的主控單元為PLC的MA5680T,在數(shù)據(jù)采集中,同步采樣單元為AD7066,并在測(cè)試中設(shè)置不同的互感器變比。搭建的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境如圖2所示。
圖2 精度測(cè)試檢定環(huán)境接線圖
在測(cè)試過程中,需要設(shè)置采用的內(nèi)置分流電阻的電阻值為2mΩ,在檢測(cè)的過程中能夠控制電阻值的調(diào)節(jié)值為0.1mΩ,精度能夠達(dá)到±0.1%,實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中溫度系數(shù)的改變范圍值為0~±7ppm/℃,實(shí)驗(yàn)中的分流器最大功率為350W,檢測(cè)鉑電阻中會(huì)預(yù)先放置一個(gè)溫度傳感器,保證溫度變化在可控范圍內(nèi),避免溫度影響檢測(cè)精度。在測(cè)試過程中的二次數(shù)據(jù)讀取中,需要對(duì)上圖中的高精密電流檢測(cè)箔電阻的阻值進(jìn)行設(shè)置,設(shè)置范圍為20~200mΩ,每次變化的梯度為20mΩ。在以上實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中的整體流程如圖3所示。
圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程
正在以上實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程下,對(duì)低壓抗直流互感器的動(dòng)作行為進(jìn)行檢測(cè)。在實(shí)驗(yàn)中選擇傳統(tǒng)的數(shù)字式直接校驗(yàn)法對(duì)互感器的電壓進(jìn)行檢測(cè),并與數(shù)字萬用表的測(cè)得值進(jìn)行比較,得到相對(duì)誤差。
為了保證測(cè)試過程的可靠性,本文選擇了30∶1、40∶1、50∶1、60∶1以及80∶1的5種互感器進(jìn)行測(cè)試。兩種方法得到的電壓檢測(cè)誤差如表1所示。
表1 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比
根據(jù)上表得到的兩種方法的檢測(cè)結(jié)果,與數(shù)字萬用表測(cè)得值相比,相對(duì)誤差的計(jì)算公式為:
上式中,V0表示數(shù)字萬用表測(cè)得值,V表示不同方法的測(cè)得值。根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到的兩種方法誤差對(duì)比結(jié)果如圖4所示。
圖4 兩種方法電壓檢測(cè)誤差對(duì)比
從上圖中的計(jì)算結(jié)果可以看出,在不同低壓抗直流互感器類型中,本文設(shè)計(jì)的互感器動(dòng)作行為檢測(cè)方法與傳統(tǒng)方法相比,在電壓檢測(cè)的過程中與數(shù)字萬用表測(cè)得值之間的誤差更小,驗(yàn)證了本文方法在實(shí)際檢測(cè)中的準(zhǔn)確性。
我國(guó)電網(wǎng)的覆蓋面積增大,輸電線路的數(shù)量和長(zhǎng)度都有突破性的增長(zhǎng),負(fù)荷的增加也造成了直流分量的快速增長(zhǎng)。為了精確電能計(jì)量,低壓抗直流互感器的應(yīng)用有效解決了直流分量帶來的干擾。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)互感器在工作中的故障或誤差,對(duì)其進(jìn)行動(dòng)作行為檢測(cè)在實(shí)際的電網(wǎng)保護(hù)中的意義重大。本文針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)方法中存在的缺陷和不足,在檢測(cè)過程中引入了基于改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,這一突破性創(chuàng)新有效增強(qiáng)了動(dòng)作行為檢測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中的計(jì)算準(zhǔn)確性,減小了傳變誤差,對(duì)于電力行業(yè)發(fā)展來說成為了新的推動(dòng)力。本文設(shè)計(jì)的方法雖然取得了一定的成果,但是也仍然存在一些不足之處,在后續(xù)的工作和研究中,需要針對(duì)目前存在的缺陷進(jìn)行更深入地研究與創(chuàng)新。