杜政奇，王敬華，張新慧，李晨朝，王洪慶，張 瑩

（1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，淄博 255049；2.山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司，淄博 255087）

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大，各類(lèi)型故障頻發(fā)，故障后需快速檢測(cè)出故障位置，隔離故障區(qū)段進(jìn)而恢復(fù)供電，但諧振接地系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)特征信號(hào)微弱，給定位造成困難[1]?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，電網(wǎng)80%以上的故障均發(fā)生在配網(wǎng)側(cè)，因配電網(wǎng)作為與用戶直接連接的環(huán)節(jié)，研究配電網(wǎng)故障定位方法對(duì)提高配電網(wǎng)供電可靠性具有重要意義。

現(xiàn)有故障定位技術(shù)多以單一特征量為依據(jù)來(lái)進(jìn)行故障定位。文獻(xiàn)[2]采用故障點(diǎn)上下游主諧振分量振蕩頻率的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段定位，但在故障點(diǎn)上下游線路長(zhǎng)度一致且高阻接地情況下，故障點(diǎn)上下游零序電流振蕩頻率相似且接近工頻，容易造成誤判。文獻(xiàn)[3]利用廣義S 變換得到暫態(tài)零序電流時(shí)頻矩陣，以相對(duì)熵來(lái)衡量故障點(diǎn)上下游的能量差異，對(duì)于自動(dòng)化較低的系統(tǒng)無(wú)法滿足同步采樣的要求。文獻(xiàn)[4-5]利用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離DTW（dynamic time warping）來(lái)描述故障區(qū)段兩側(cè)的暫態(tài)零序電流波形差異，一定程度上解決了采樣不同步的問(wèn)題，在低阻接地時(shí)也具有良好的效果，但在高阻接地時(shí)易受線路類(lèi)型的影響，由于架空線路對(duì)地電容遠(yuǎn)小于電纜線路，在單相接地故障發(fā)生在架空線路區(qū)段內(nèi)時(shí)會(huì)出現(xiàn)非故障區(qū)段穩(wěn)態(tài)零序分量大于故障區(qū)段的情況，影響定位可靠性。文獻(xiàn)[6]提取暫態(tài)零模電流并構(gòu)造衰減速度判據(jù)，但在高阻接地情況下，暫態(tài)高頻分量振蕩頻率接近工頻，在一定情況下需要十幾個(gè)工頻周期才會(huì)衰減至0，截取的數(shù)據(jù)窗不易確定。

隨著經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EMD（empirical model decomposition）、集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EEMD（ensemble empirical mode decomposition）、互補(bǔ)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解CEEMD（complementary ensemble empirical mode decomposition）等信號(hào)處理算法的發(fā)展，故障特征量的獲取更加便捷，但一些算法本身存在一定缺陷，與理論計(jì)算的故障特征量存在偏差。文獻(xiàn)[7]利用EMD自適應(yīng)分解各出線零序電流，并有效解決了EMD算法本身模態(tài)混疊的缺陷，但需要選取故障特征明顯的有效分量。文獻(xiàn)[8-10]采用變分模態(tài)分解VMD（variational mode decomposition）算法分解暫態(tài)零序電流獲得特征模態(tài)分量IMF（intrinsic mode function）時(shí)，分解層數(shù)K設(shè)置為3，但由于故障點(diǎn)下游暫態(tài)零序電流第3 個(gè)本征模態(tài)分量相較于其余高頻信號(hào)能量較小，無(wú)法準(zhǔn)確得到暫態(tài)零序電流信號(hào)的暫態(tài)高頻分量。文獻(xiàn)[11]采用邊界延拓方法對(duì)局部均值分解LMD（local mean decomposition）進(jìn)行改進(jìn)，消除端點(diǎn)效應(yīng)和模態(tài)混疊問(wèn)題，并應(yīng)用于暫態(tài)零序電流分解。同時(shí)，人工智能的發(fā)展為故障定位問(wèn)題轉(zhuǎn)化為機(jī)器學(xué)習(xí)中的分類(lèi)問(wèn)題提供了新思路。文獻(xiàn)[12]將輕量級(jí)梯度提升機(jī)LightGBM 應(yīng)用到故障區(qū)段定位中，但由于故障特征量的選取只適用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，在經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中容易引起誤判。文獻(xiàn)[13]搭建了基于電壓與數(shù)據(jù)之間相關(guān)性的支持向量機(jī)SVM（support vector machine）的故障定位模型，其分類(lèi)結(jié)果準(zhǔn)確率不僅與最優(yōu)特征維數(shù)相關(guān)，還受SVM算法本身關(guān)鍵參數(shù)影響。此外，貝葉斯[14]、模糊聚類(lèi)[15]等分類(lèi)算法均已被廣泛應(yīng)用到配電網(wǎng)故障分析中。

傳統(tǒng)故障定位方法多采用閾值整定的方法，故障定位準(zhǔn)確度不高。為此，本文在小電流接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，分析研究故障線路各區(qū)段暫態(tài)零序電流的特征，并在此基礎(chǔ)上提出一種利用自適應(yīng)VMD構(gòu)造多種故障特征量和優(yōu)化SVM融合特征的區(qū)段定位新方法。首先利用暫態(tài)過(guò)程主諧振能量最大原理對(duì)VMD 的分解層數(shù)K進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化，然后分解故障暫態(tài)零序電流得到1組IMF。從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面分析暫態(tài)量蘊(yùn)含的多種故障信息，構(gòu)造了5種不同的故障特征量，將高維特征向量輸入到改進(jìn)鯨魚(yú)優(yōu)化算法IWOA（improved whale optimization algorithm）優(yōu)化的故障定位SVM分類(lèi)模型中進(jìn)行訓(xùn)練，最后輸出故障區(qū)段定位結(jié)果。所提方法將區(qū)段定位問(wèn)題轉(zhuǎn)化為分類(lèi)問(wèn)題，提高了故障定位的可靠性。

1 單相接地故障暫態(tài)特征分析

為了判定本文所選故障特征量在故障區(qū)段定位問(wèn)題中的有效性，在忽略線路阻抗的前提下，圖1給出了適用于分析健全線路和故障線路各區(qū)段暫態(tài)零序電流的分布特征。其中，S1為包含全部健全線路的等效故障檢測(cè)點(diǎn)；S2、S3為故障點(diǎn)上游區(qū)段的相鄰故障檢測(cè)點(diǎn)；S4、S5為故障點(diǎn)下游區(qū)段的相鄰故障檢測(cè)點(diǎn)；iCs為流經(jīng)全部健全線路的對(duì)地電容電流之和；iLp為流經(jīng)消弧線圈的暫態(tài)電感電流；iCu1、iCu2為故障點(diǎn)到母線側(cè)各區(qū)段內(nèi)的對(duì)地電容電流；iCd1、iCd2為故障點(diǎn)到負(fù)荷側(cè)各區(qū)段的對(duì)地電容電流。

圖1 故障零序電流分布Fig.1 Distribution of fault zero-sequence current

由圖1 故障零序電流流向可知，流經(jīng)故障點(diǎn)的暫態(tài)零序電流可表示為

式中：if為流經(jīng)接地點(diǎn)的暫態(tài)零序電流；iup為流經(jīng)故障點(diǎn)上游的暫態(tài)零序電流；idown為流經(jīng)故障點(diǎn)下游的暫態(tài)零序電流。流經(jīng)故障點(diǎn)上游和下游暫態(tài)零序電流表達(dá)式分別為

由圖1 可知，故障點(diǎn)上游相鄰檢測(cè)點(diǎn)S2和S3零序電流之差為iCu1，故障點(diǎn)下游相鄰檢測(cè)點(diǎn)S4和S5零序電流之差iCd1?？梢?jiàn)，故障線路上各檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流的差異為故障區(qū)段定位提供了判定依據(jù)。

對(duì)于諧振接地系統(tǒng)，故障零序電流分量[15]可表示為

式中：ω0為工頻頻率；；δc為主諧振分量的衰減因子，δc=R2L，其中R和L分別為零模網(wǎng)絡(luò)中等值電阻和電感；δL為衰減直流分量的時(shí)間常數(shù)，δL=RfLp，其中Lp為消弧線圈等值電感，Rf為故障點(diǎn)過(guò)渡電阻；ILm=Umω0Lp，ICm=Umω0C，其中Um為系統(tǒng)虛擬電壓源幅值，C為零模網(wǎng)絡(luò)中等值電容。

2 VMD 及最優(yōu)參數(shù)選取

2.1 變分模態(tài)分解

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路上的零序電流會(huì)發(fā)生突變，由饋線終端采集的零序電流信號(hào)中存在類(lèi)似于IMF 的調(diào)幅-調(diào)頻信號(hào)。為了驗(yàn)證采用VMD[16]分析暫態(tài)零序電流信號(hào)的可行性，根據(jù)式（4）可構(gòu)造1組仿真信號(hào)，即

式中：x1(t)為衰減直流分量；x2(t)為穩(wěn)態(tài)工頻分量；x3(t)為暫態(tài)主頻分量。

由式（5）可知，該仿真信號(hào)主要包含0 Hz、50 Hz和500 Hz 這3 個(gè)頻率成分。VMD 算法預(yù)先設(shè)置的參數(shù)主要有分解層數(shù)K、懲罰因子α、凸函數(shù)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)、中心頻率初始化參數(shù)、中心頻率更新時(shí)的相關(guān)參數(shù)。

采用VMD對(duì)信號(hào)x( )t進(jìn)行分解，設(shè)置分解層數(shù)K=3，懲罰因子α=20 000，分解結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真信號(hào)的VMD（K=3）Fig.2 VMD of simulation signal（K=3）

由圖2 可知，當(dāng)信號(hào)中存在衰減直流分量時(shí)，設(shè)置K= 3 并不能很好地分解仿真信號(hào)，x1(t)和x2(t)被分解到同一模態(tài)分量(IMF1)中且出現(xiàn)了虛假分量IMF3。為了準(zhǔn)確分解暫態(tài)零序電流中的衰減直流分量，將IMF1經(jīng)VMD二次分解，分解結(jié)果如圖3所示。

圖3 原始信號(hào)及最終分解效果Fig.3 Original signal and final decomposition renderings

圖3中，x(t)為原始信號(hào)；IMF2-1為二次分解得到的衰減直流分量；IMF2-2為二次分解得到的穩(wěn)態(tài)工頻分量；IMF3為暫態(tài)主頻分量，與原始信號(hào)組成的分量一致。

2.2 最優(yōu)模態(tài)參數(shù)選取

VMD算法中除分解層數(shù)和懲罰因子之外，其他參數(shù)對(duì)分解效果的影響并不明顯，通常設(shè)置為經(jīng)驗(yàn)值。分解層K對(duì)VMD 的分解效果影響較大，參數(shù)K選取合適是取得良好分解效果的關(guān)鍵，因此本文只討論參數(shù)K的選取。

諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，其暫態(tài)過(guò)程包含了由模網(wǎng)絡(luò)相互作用引起的多個(gè)串并聯(lián)諧振過(guò)程。圖4 為一次故障中暫態(tài)零序電流在高頻段的幅頻特性。

圖4 暫態(tài)零序電流高頻段幅頻特性Fig.4 Amplitude-frequency characteristic of transient zero-sequence current at high frequency

由圖4 可知，主諧振頻率接近1 kHz 且遠(yuǎn)大于其他諧振頻率下的能量，與故障瞬間較大的沖擊能量相對(duì)應(yīng)。因此，本文以暫態(tài)過(guò)程中主諧振分量能量最大原理來(lái)優(yōu)化參數(shù)K。根據(jù)第6.1節(jié)仿真模型所獲得的故障零序電流對(duì)VMD關(guān)鍵參數(shù)尋優(yōu)過(guò)程進(jìn)行具體分析。K取不同值時(shí)，對(duì)故障零序電流信號(hào)進(jìn)行VMD，各IMF分量如圖5所示。

圖5 不同K 值下故障零序電流分解Fig.5 Decomposition of fault zero-sequence current under different values of K

由圖5（a）可知，當(dāng)K=2 時(shí)，IMF1為穩(wěn)態(tài)工頻分量與衰減直流分量的疊加，IMF2為暫態(tài)主頻分量；隨著K值的增大，分解得到的IMF1和IMF2與K=2時(shí)結(jié)果相同，但出現(xiàn)了幅值更小的高頻分量。由于各IMF分量為單一頻率信號(hào)，故采用快速傅里葉變換來(lái)衡量IMF分量的能量大小，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同K 值下各IMF 分量能量對(duì)比Fig.6 Comparison of IMF component energy under different values of K

從圖6 可以看出，當(dāng)K=3 時(shí)IMF2的能量E大于IMF3且與K=2 時(shí)IMF2的能量相同；當(dāng)K=4時(shí)，IMF2仍為能量最大的分量，IMF3和IMF4的能量均遠(yuǎn)小于IMF2。綜合以上分析可以得出，最優(yōu)參數(shù)K=2。在最優(yōu)參數(shù)K下，經(jīng)VMD二次分解可以得到故障零序電流的暫態(tài)主頻分量、衰減直流分量和穩(wěn)態(tài)工頻分量。

3 故障特征量的構(gòu)造

3.1 衰減直流分量衰減速度

為了描述故障線路上不同檢測(cè)點(diǎn)故障零序電流中衰減直流分量的差異，定義衰減速度Kup為

式中：|I2-1.up|>|I2-1.down|；I2-1.up為故障點(diǎn)上游區(qū)段衰減直流分量；I2-1.down為故障點(diǎn)下游區(qū)段衰減直流分量；|I2-1.up|、|I2-1.down|分別為故障點(diǎn)上游、下游區(qū)段故障零序電流衰減直流分量的幅值；|I2-1.up|max、|I2-1.up|min分別為故障點(diǎn)上游區(qū)段故障零序電流衰減直流分量幅值的最大值和最小值；t1.max、t2.max分別為最大值和最小值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。

3.2 暫態(tài)主頻分量峰值與穩(wěn)態(tài)工頻分量幅值比

當(dāng)諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)下游健全區(qū)段兩端檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)主頻分量峰值與穩(wěn)態(tài)工頻分量幅值比嚴(yán)格相等[17]。故障點(diǎn)下游、上游的暫態(tài)主頻分量峰值與穩(wěn)態(tài)工頻分量幅值的比值分別為

式中：ωl、ωb分別為故障點(diǎn)上游和下游的暫態(tài)主諧振頻率；C1為健全線路和故障點(diǎn)上游線路的等值電容；C2為故障點(diǎn)下游線路的等值電容。

故障點(diǎn)上游健全區(qū)段由于消弧線圈電感電流對(duì)暫態(tài)零序電流穩(wěn)態(tài)工頻分量的補(bǔ)償作用，使得故障點(diǎn)上游健全區(qū)段相鄰檢測(cè)點(diǎn)比值不再相等，且故障區(qū)段相鄰檢測(cè)點(diǎn)比值更大?；诖瞬町?，可構(gòu)造故障特征量實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的準(zhǔn)確定位。

3.3 暫態(tài)主頻分量與衰減直流分量能量比

為了考慮衰減直流分量在小角度故障時(shí)能量占比大的情況，引入暫態(tài)主頻分量與衰減直流分量能量比來(lái)衡量故障點(diǎn)上下游暫態(tài)零序電流在不同故障初相角的能量差異。。

t時(shí)刻IMF分量所具有的瞬時(shí)能量E(t)為

式中，A(t)為IMF分量在t時(shí)刻的瞬時(shí)值。

單相接地故障過(guò)程的暫態(tài)能量函數(shù)為

考慮到衰減直流分量與暫態(tài)主頻分量的衰減時(shí)間不同，本文選取不同的數(shù)據(jù)窗進(jìn)行能量計(jì)算，衰減直流分量選取5個(gè)工頻周期，暫態(tài)主頻分量選取1個(gè)工頻周期。

3.4 相鄰檢測(cè)點(diǎn)故障零序電流波形差異系數(shù)

相關(guān)系數(shù)法忽略了信號(hào)幅值對(duì)波形相似度的影響。在諧振接地系統(tǒng)中由于消弧線圈的存在，故障線路各區(qū)段穩(wěn)態(tài)工頻分量極性相同，均從母線流向線路，如圖1所示。由于故障點(diǎn)上下游線路長(zhǎng)度存在較大差別，因此故障點(diǎn)上下游故障零序電流波形存在明顯差異。本文采用DTW衡量各區(qū)段故障零序電流波形的差異。DTW的計(jì)算公式[18]為

式中：I1、I2為相鄰檢測(cè)點(diǎn)的故障零序電流；P為路徑空間，P={p1,p2,…,ps,…,pk} ；元素ps為路徑上第s個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)；k為所有路徑中元素的總數(shù)；DTW為距離計(jì)算值。

通過(guò)1 個(gè)積累距離矩陣可求得兩時(shí)間序列的DTW(I1,I2)，便于實(shí)現(xiàn)。為了消除線路參數(shù)對(duì)健全區(qū)段兩端檢測(cè)點(diǎn)故障零序電流的影響，對(duì)DTW 進(jìn)行歸一化處理，即

式中：D*TW為經(jīng)過(guò)歸一化的距離計(jì)算值；i1r、i2j分別為時(shí)間序列I1、I2的某一瞬時(shí)值；m、n為兩時(shí)間序列的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

3.5 相鄰檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)主頻分量極性比

由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，故障線路各區(qū)段暫態(tài)零序電流中穩(wěn)態(tài)工頻分量的流向一致，均是從母線流向故障點(diǎn)，無(wú)法準(zhǔn)確判斷故障區(qū)段。結(jié)合對(duì)暫態(tài)零序電流的分析，故障點(diǎn)上游各區(qū)段零序電流暫態(tài)主頻分量幅值較大且初始方向與健全線路、故障點(diǎn)下游線路相反。本文采用差分方法判斷相鄰檢測(cè)點(diǎn)故障零序電流暫態(tài)主頻分量的初始極性pk,k+1，可表示為

式中：x(n0)為某一點(diǎn)的瞬時(shí)值；n0為差分計(jì)算的起始采樣點(diǎn)；diff(i)為暫態(tài)主頻分量的一階差分測(cè)度；sgn(diff(ik))為各檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)主頻分量一階差分的符號(hào)。

4 理論分析

4.1 SVM 基本原理

SVM能提供良好的泛化性能，已被廣泛應(yīng)用于小樣本分類(lèi)中[19]。故障定位問(wèn)題中作為經(jīng)典的非線性問(wèn)題，SVM無(wú)法在原始樣本空間中找到分類(lèi)超平面，需引入核函數(shù)K( )xi,xj映射到高維空間線性可分。本文采用高斯核函數(shù)映射變換，其表達(dá)式為

式中：xi、xj為樣本向量；‖xi-xj‖2為xi和xj之間距離的平方；γ為核函數(shù)本身的超參數(shù)。

引入松弛變量度量訓(xùn)練集中單個(gè)樣本違背約束的程度，得到軟間隔核化SVM的基本型，即

式中：ξi為松弛變量；c為懲罰因子；xi為輸入的第i個(gè)樣本；yi為樣本類(lèi)型；ω為SVM 的自身參數(shù)；?(xi)為映射后的樣本向量。

引入拉格朗日懲罰因子α，最終得到軟間隔高斯核SVM的對(duì)偶型，即

式中：αi和αj為懲罰參數(shù)；γ和c為兩個(gè)需要預(yù)先設(shè)定的超參數(shù)。由式（17）可知，SVM模型中超參數(shù)γ和c設(shè)定值直接決定了SVM 的最終分類(lèi)效果。當(dāng)c較大時(shí)，分類(lèi)邊界會(huì)傾向于復(fù)雜，最大間隔帶的寬度較小，支持向量由較少的樣本組成；當(dāng)c較小時(shí)，支持向量由多個(gè)不滿足大間隔約束的樣本組成。超參數(shù)γ可以近似認(rèn)為控制每個(gè)支持向量的影響范圍。

4.2 改進(jìn)鯨魚(yú)優(yōu)化算法

為克服傳統(tǒng)優(yōu)化算法易陷入局部最優(yōu)的問(wèn)題，采用IWOA[20]對(duì)SVM的兩個(gè)超參數(shù)尋優(yōu)。

為了提高種群的復(fù)雜性，在傳統(tǒng)WOA中，引入混沌理論生成初始狀態(tài)的種群，其表達(dá)式為

同時(shí)，在鯨魚(yú)位置更新后增加反饋階段，通過(guò)交流學(xué)習(xí)使種群中最差鯨魚(yú)能快速運(yùn)動(dòng)到食物附近，提高算法的收斂速度，其表達(dá)式為

式中：Xwor-new為更新后的位置向量；Xwor為種群中最差鯨魚(yú)個(gè)體位置向量；Xp為隨機(jī)選擇的個(gè)體；r為0～1之間的隨機(jī)數(shù)。

此外，在收縮包圍機(jī)制和螺旋更新位置數(shù)學(xué)模型中引入自適應(yīng)慣性權(quán)重，進(jìn)一步改善算法的優(yōu)化性能。

自適應(yīng)慣性權(quán)重w的表達(dá)式為

式中：f(x)為適應(yīng)度函數(shù)，本文選取測(cè)試集的分類(lèi)準(zhǔn)確率作為適應(yīng)度函數(shù)；u為第1 次迭代種群中的最優(yōu)值；n1為當(dāng)前的迭代次數(shù)。

最終得到的位置更新公式為

式中：Xp(t)為獵物位置向量；X(t)為當(dāng)前鯨魚(yú)位置向量；A0和C0為系數(shù)向量；D0為鯨魚(yú)與獵物之間的距離；b為1個(gè)常數(shù)；l為[-1，1]內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。

隨著迭代次數(shù)增加，適應(yīng)度值與慣性權(quán)重近似成反比，保證了慣性權(quán)重的自適應(yīng)性，很大程度上提高了算法的全局優(yōu)化能力。

5 區(qū)段定位流程

故障區(qū)段定位流程如圖7所示，具體步驟如下。

圖7 故障定位流程Fig.7 Flow chart of fault location

步驟1判定發(fā)生故障后，利用各檢測(cè)點(diǎn)故障指示器提取故障線路各區(qū)段的電流波形，采樣時(shí)間為0.1 s，采樣頻率為10 kHz，

步驟2采用自適應(yīng)VMD暫態(tài)零序電流，獲得多組IMF分量。

步驟3結(jié)合時(shí)域波形及頻域分解得到各模態(tài)分量，構(gòu)建5個(gè)特征量。

步驟4計(jì)算各區(qū)段的多維特征量，構(gòu)建用于SVM分類(lèi)模型的輸入特征向量。

步驟5改變故障初相角、過(guò)渡電阻等故障條件，獲得多組故障樣本，按照高阻和低阻接地的發(fā)生概率比劃分訓(xùn)練集和測(cè)試集，驗(yàn)證故障區(qū)段定位效果。

6 仿真分析

6.1 模型搭建

在ATP/EMTP 中搭建10 kV小電流接地系統(tǒng)仿真模型[21]，如圖8 所示。設(shè)消弧線圈脫諧度為8%，計(jì)算可得Lp=0.25 H；消弧線圈本身阻值為感抗的2%，RL=1.57 Ω。線路參數(shù)如表1所示。

表1 線路阻抗參數(shù)Tab.1 Line impedance parameters

圖8 諧振圈接地系統(tǒng)仿真模型Fig.8 Simulation model of resonant coil grounding system

模擬不同過(guò)渡電阻、故障初相角和故障位置下單相接地故障時(shí)的故障零序電流，提取故障特征，獲得300組故障樣本。按照7∶3的比例劃分訓(xùn)練集和測(cè)試集，為了符合實(shí)際情況下低阻與高阻接地發(fā)生概率不同的情況，在210組訓(xùn)練樣本中設(shè)置低阻接地故障樣本為150 組、高阻接地故障樣本為50組、另外10組樣本隨機(jī)選取的方式。以區(qū)段編號(hào)作為分類(lèi)目標(biāo)，區(qū)段1為第1種分類(lèi)結(jié)果，區(qū)段2為第2種分類(lèi)結(jié)果，以此類(lèi)推，區(qū)段5為第5種分類(lèi)結(jié)果。

6.2 SVM 參數(shù)尋優(yōu)

分別采用WOA和IWOA對(duì)SVM的兩個(gè)超參數(shù)γ和c進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置種群個(gè)數(shù)為20，最大迭代次數(shù)為100，γ∈[0.01,10] ，c∈[0.1,100] 。兩種算法的適應(yīng)度迭代曲線如圖9所示。表2給出了兩種算法性能對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯觯琁WOA 的運(yùn)行時(shí)間比WOA少1.39 s，最佳適應(yīng)度迭代次數(shù)兩種算法相差不大，但I(xiàn)WOA 的平均適應(yīng)度收斂速度明顯快于WOA。經(jīng)IWOA-SVM模型訓(xùn)練10次后得到的平均最優(yōu)值為c=3.669 3、γ=1.148 7，此參數(shù)下訓(xùn)練模型分類(lèi)準(zhǔn)確率為98.89%；經(jīng)WOA-SVM模型訓(xùn)練10次得到的平均最優(yōu)值為c=12.256 9、γ=0.653 4，此參數(shù)下訓(xùn)練模型的分類(lèi)準(zhǔn)確率為96.67%。

表2 兩種算法性能對(duì)比Tab.2 Comparison of performance between two methods

圖9 兩種SVM 參數(shù)尋優(yōu)算法的適應(yīng)度迭代曲線Fig.9 Fitness iteration curves of two SVM parameter optimization algorithms

6.2 結(jié)果分析

在最優(yōu)參數(shù)c和γ下得到IWOA-SVM 故障定位分類(lèi)模型，測(cè)試集分類(lèi)準(zhǔn)確率達(dá)到98.89%，測(cè)試集分類(lèi)結(jié)果如圖10所示。

圖10 測(cè)試集分類(lèi)結(jié)果Fig.10 Classification results of test set

在故障線路末端靠近負(fù)荷側(cè)發(fā)生高阻接地故障時(shí)，由于故障初相角為90°時(shí)衰減直流分量較小，加之上游檢測(cè)點(diǎn)采集的暫態(tài)零序電流幅值較小且含噪聲造成特征不明顯，從而出現(xiàn)誤選問(wèn)題。不同特征向量分類(lèi)準(zhǔn)確率對(duì)比如圖11 所示?？梢钥闯?，特征1～5的定位正確率依次為84.44%、87.78%、92.22%、94.44%、95.56%，相比于特征融合的SVM分類(lèi)模型定位正確率分別降低了14.45%、11.11%、6.67%、4.45%、3.33%。

圖11 不同特征向量分類(lèi)準(zhǔn)確率對(duì)比Fig.11 Comparison of classification accuracy among different feature vectors

7 結(jié) 論

本文以暫態(tài)過(guò)程中故障信息為依據(jù)，結(jié)合SVM提出了一種多特征融合的單相接地故障區(qū)段檢測(cè)方法。主要結(jié)論如下。

（1）基于暫態(tài)零序電流在故障線路各區(qū)段的差異，構(gòu)造了5 個(gè)特征量用于故障定位，即衰減直流分量衰減速度、暫態(tài)主頻分量峰值與穩(wěn)態(tài)工頻分量幅值比、暫態(tài)主頻分量與衰減直流分量能量比、相鄰檢測(cè)點(diǎn)故障零序電流波形差異系數(shù)、相鄰檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)主頻分量極性比。

（2）采用IWOA 優(yōu)化SVM 的關(guān)鍵參數(shù)，融合多個(gè)時(shí)頻特征量構(gòu)成高維特征向量，得到用于故障定位的分類(lèi)模型。

（3）通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了本文所提定位方法在不同故障條件下的適用性。所提方法的故障定位正確率相比于利用不同單一特征量的定位方法均有不同程度的提高，且在小初相角、高阻接地等極限故障情況下能準(zhǔn)確定位故障區(qū)段，可靠性高。

由于VMD的分解效果受1個(gè)關(guān)鍵參數(shù)（即懲罰因子α）的影響較大，適用于暫態(tài)零序電流分解的最優(yōu)值有待研究。同時(shí)，實(shí)際配電網(wǎng)中還存在電弧接地等情況，本文所提方法的適用性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。