基于模糊理論的小電流單相接地選線裝置-

1、 基于模糊理論的小電流單相接地選線裝置陳炯聰!齊 鄭!楊奇遜(華北電力大學(xué)電力工程系9北京市102206摘要!正確接地故障選線是小電流接地系統(tǒng)長期存在的難題9通常采用的單一故障選線方法只對部分故障信息進行處理9選線的可靠性不高O 文中把模糊理論應(yīng)用于故障選線9智能融合各種故障信息9綜合各種故障選線方法9并研制出多臺樣機掛網(wǎng)運行O 現(xiàn)場運行記錄表明裝置選線準確9能適用于各種復(fù)雜故障O關(guān)鍵詞!模糊理論;小電流接地系統(tǒng);故障選線;信息融合中圖分類號!TM 774;T p 18收稿日期12003-08-22;修回日期12003-12-29O 國家自然科學(xué)基金資助項目(50177007O 0 引言我國中

2、壓配電網(wǎng)中性點一般采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式9稱為小電流接地電網(wǎng)D 小電流接地系統(tǒng)接地故障選線長期以來是國內(nèi)外關(guān)注的尚未解決的一大難題D 長期以來9人們針對這個間題做了大量的研究9基于不同的原理9提出了許多選線方法9有的已經(jīng)開發(fā)出選線裝置并在實際工作中取得了一定的應(yīng)用D 但是9從現(xiàn)場使用情況來看9這些方法的選線效果并不十分理想9普遍存在著誤選 漏選的情況D 其主要原因在于2D 小電流接地系統(tǒng)零序阻抗大9并受故障接地過渡阻抗的影響9故障電流小9故障線路與非故障線路的區(qū)別不明顯9 受各種干擾因素的影響9故障選線裝置測量到的故障特征量(例如零序電流 零序功率方向等具有很大的膜糊性和不確定性192

3、D 通常9這些干擾的影響程度與故障檢測的手段有關(guān)9同一干擾信號對不同的故障檢測手段的影響相差較大9所以沒有哪種單一選線方法能夠保證對所有故障類型都有效3D本文提出的基于膜糊理論的小電流單相接地選線裝置9是利用膜糊理論對各種選線算法進行智能融合9利用各種算法的互補性9擴大能夠正確選線的故障范圍9提高選線結(jié)果的可靠性D1 模糊選線基本原理膜糊理論已在實踐中被證明是現(xiàn)代智能技術(shù)中最重要的技術(shù)之一9是處理復(fù)雜不確定間題的方法9是用數(shù)學(xué)方法研究和處理具有M 膜糊7現(xiàn)象的一門科學(xué)D 這里9膜糊性主要是指有關(guān)事物差異的中間過渡的不分明性9這種屬性也反映在小電流故障選線中D 例如M 某一故障特征的明顯程度7

4、M 某一方法的有效性7等均沒有精確的度量9存在一定的膜糊性D 膜糊理論可通過建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)有效地處理這種膜糊性9將不分明性轉(zhuǎn)換為確切的數(shù)值描述D膜糊選線是運用膜糊理論實現(xiàn)多判據(jù)選線信息融合469根據(jù)判據(jù)規(guī)則建立各選線方法的故障測度隸屬函數(shù)(表征一條線路表現(xiàn)出故障特征程度的數(shù)值屬性描述和各選線方法的權(quán)系數(shù)隸屬函數(shù)(表征一種方法的可信度D 最后對各個判據(jù)的數(shù)值屬性進行融合9得出一個綜合選線結(jié)果D2 K A 系列小電流單相接地選線裝置2.1 硬件K A 系列選線裝置采用了先進的工控機架構(gòu)I S A 總線9最大可接入4段母線電壓互感器T V 1T V 4信號和26條線路電流互感器T A 1T A

5、26信號9其電氣原理如圖1所示D圖l K A -2000型小電流接地網(wǎng)單相故障選線儀電氣原理F i g .l F i g n r e o f e l e c t r i c a l p r i n c i pl e 88第28卷 第8期2004年4月25日2.2 軟件裝置采用了一種新的小波算法9它利用故障后的穩(wěn)態(tài)信號進行選線9具有可以連續(xù)判斷的特點9對電弧接地等瞬變復(fù)雜的故障也適用O算法綜合應(yīng)用小波變換和最小均方誤差 L M S自適應(yīng)濾波器技術(shù)9基本思想是首先對各條線路零序電流信號進行小波變換9目的是使每一尺度下的信號在短時內(nèi)更加趨近于平穩(wěn)過程9同時使每一尺度下的頻譜分布相對集中O 然后9用L

6、 M S 自適應(yīng)濾波對平滑信號或細節(jié)信號進行濾波去噪處理O 最后9對濾波后的電流信號進行幅值和相位比較9如果某一條線路的相位與其他線路相反9則判斷該線路為故障線路;如果所有電流同相位9則判斷為母線故障O構(gòu)造故障測度隸屬函數(shù)的步驟如下:a .對n 條線路及母線建立故障測度變量su m 9并咀預(yù)設(shè)s u m =09其中 代表線路編號 注: =0時表示母線O b .如果經(jīng)L M S 濾波后的小波細節(jié)信號在第 個采樣數(shù)據(jù)點上第 Z 1 條線路的極性與其他線路相反9則s u m =s u m +1;如果所有線路極性都相同9則s u m 0 =s u m 0+1O c .比較s u m 的累加值O 如果s

7、 u m 最大 Z 1 9則判斷線路 為故障線路;如果s u m0 最大9則判斷是母線故障O定義故障測度隸屬函數(shù)P為:P=s u mZ n j =0su m j 1此算法的權(quán)系數(shù)隸屬函數(shù)根據(jù)信號和噪聲在中心頻率處的功率譜密度的比值 而確定 中心頻率是指所利用的小波分解尺度空間的中心頻率 O 圖2所示為權(quán)系數(shù)的隸屬函數(shù)O圖2 小波法的權(quán)系數(shù)隸屬函數(shù)F i g .2 P r o p o r t i o nm e m b e r s h i p f權(quán)系數(shù)的隸屬函數(shù)設(shè)系統(tǒng)共n 條線路9線路 故障電流相量幅值用m a g I "表示9m a g I "E 09>1O 以母線零序

8、電壓為參考相量9線路 故障電流相角用a n g I "表示9定義相角區(qū)間為a n g I "E -180 9180 1O 令m a g I "=m a g I "s i g n a n g I "2式中:s i gn " 為符號函數(shù)O 當電流超前電壓時9m a g I "為正;當電流滯后電壓時9m a g I "為負O 再令:m a g I "0=-Z n=1ma g I "3 s u m =Z nj =0ma g I "j 4式中:m a g I "0為注入和流出母線的差額

9、電流9即母線對地電流;在線路接地情況下9注入和流出的電流近似相等9m a g I "0非常小9在母線接地情況下9m a g I "0等于母線故障點電流9符號為負;s u m 為各線路電流幅值的累加和9近似等于2借故障電流O在不考慮誤差和干擾并忽略系統(tǒng)有功損耗的情況下9故障線路電流滯后電壓90 9非故障線路電流超前電壓90 9但實際上由于干擾和測量影響9角度和幅值都存在誤差9這些都能夠在隸屬函數(shù)中反映出來O定義故障測度隸屬函數(shù) 見圖3 :P= 1m a g I "j -12s u m 12s u m -m a g I "j s u m -12s u m m

10、 a g I "j12s u m 0m a g I "j Z12s u m 5圖3 比幅比相算法故障測度隸屬函數(shù)F i g .3 M e m b e r s h i p f n n c t i o no f i n t e l l i g e n t c o m p a r i n g基波比幅比相算法的權(quán)系數(shù)隸屬函數(shù)主要針對信號畸變率U各次諧波有效值平方和的方根值與98$新技術(shù)新產(chǎn)品$ 陳炯聰?shù)?基于膜糊理論的小電流單相接地選線裝置基波有效值的比率作出9波形質(zhì)量越高9它就具備越高的可信度O 圖4所示為權(quán)系數(shù)的隸屬函數(shù)O圖4 比幅比相算法的權(quán)系數(shù)隸屬函數(shù)F i g .4 P

11、r o p o r t i o nm e m b e r s h i p fn n c t i o no f i n t e l l i g e n t c o m p a r i n g膜糊信息融合的計算方法很多9為適應(yīng)接地故障選線的特點9通常取加法運算O 假設(shè)電網(wǎng)中共有N 條線路( =0919.9N ; =0時表示母線9裝置中共使用P 種選線方法(P =1929.9P 9則采用第P 種選線方法得到的第 條線路故障測度隸屬函數(shù)為A P P ( 9第P 種選線方法權(quán)系數(shù)為B P P O 每一條備選線路 都得到一個P 種方法融合的總的膜糊決策可信度Y =Z PP =1AP P ( B P P 9

12、可信度最大的為故障線路O 軟件流程如圖5所示O圖5 裝置軟件流程F i g.5 S o f t w a r e f l o wc h a r t 3 電網(wǎng)應(yīng)用K A 系列小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置已在遼寧甘肅山東等地采用和運行9現(xiàn)場記錄表明裝置人機界面友好9選線快速準確9對已發(fā)生的永久故障接地故障全部能準確選出故障線路9受到廣泛好評O 值得一提的是9我們建立了配電網(wǎng)接地故障信息管理系統(tǒng)9裝置本身具備故障錄波以及遠程通信功能O 在遠程監(jiān)控中心9可定期對現(xiàn)場的裝置進行檢測和收錄數(shù)據(jù)O下面列出部分現(xiàn)場算例9以說明裝置的動作情況和采用新算法的有效性O(shè)現(xiàn)場算例1I 某地中性點不接地系統(tǒng)9共16條線路

13、9故障發(fā)生時部分線路未投運9高阻接地O 電阻接地波形如圖6所示O圖6 電阻接地波形F i g .6 C h a r t o f g r o n n d i n g t h r o n gh r e s i s t a n c e 算例1膜糊選線結(jié)果如表1所示O 限于篇幅9表中只列出包含故障線路在內(nèi)的5條線路的故障隸屬函數(shù)9第1條線路為故障線路O表l 算例l 模糊選線結(jié)果T a b l e l R e s n l t s f o r f a n l t d e t e c t i o nw i t h f n z z ya n a l ys i s o f c a s e l 項目權(quán)系數(shù)測度集是

14、否正確總測度現(xiàn)場實例2I某地中性點不接地系統(tǒng)9共17條線路9發(fā)生故障時部分線路未投運9電弧接地O 電弧接地波形如圖7所示O圖7 電弧接地波形F i g .7 C h a r t o f g r o n n d i n g t h r o n gha r c 9算例2膜糊選線結(jié)果如表2所示O 限于篇幅9表中只列出包含故障線路在內(nèi)的5條線路的故障隸屬函數(shù)9第1條線路為故障線路O表2 算例2模糊選線結(jié)果T a b l e 2 R e s n l t s f o r f a n l t d e t e c t i o nw i t h f n z z ya n a l ys i s o f c a s

15、 e 2項目權(quán)系數(shù)測度集是否正確總測度可以看出9對于高阻接地以及電弧接地等復(fù)雜故障9如果像以往一樣單獨使用某一判據(jù)9極有可能9起誤判;而使用本算法智能融合后9充分考慮了各種因素的影響9各種惡劣情況下均能正確選出故障線路O4 結(jié)語K A 系列小電流單相接地選線裝置將膜糊理論應(yīng)用到故障選線中9對各種故障選線方法各種故障信息進行綜合處理9用隸屬函數(shù)表示各故障選線方法輸出的膜糊性9應(yīng)用加權(quán)求和進行運算9實現(xiàn)多種故障選線方法在饋線保護中的就地融合9能有效克服各種干擾的影響9提高故障檢測的精度和魯棒性O(shè) 現(xiàn)場應(yīng)用表明9該裝置性能較以往有很大的提高9能自動適用于電網(wǎng)各種單相接地故障情況9選線準確快速O參考文

16、獻1 曾祥君9L iK K 9C h a n W L 9等(Z e n g Xi a n g u n 9L i K K 9C h a n W L 9e t a l .信息融合技術(shù)在故障選線中的應(yīng)用(E a r t h F a u l t F e e d e rd e t e c t i o n w i t hI n f o r m a t i o n F u s i o n .繼電器(R e l a y 92002930(9I 15202 要煥年9曹梅月(Y a ou a n n i a n 9C h a oM e i yu e .電力系統(tǒng)諧振接地(R e s o n a n tE a r t

17、 h e d i np o w e r S y s t e m .北京I 中國電力出版社(B e i i n gI C h i n aE l e c t r i cp o w e rp r e s s 920003 賈清泉9楊以涵9楊奇遜(J i a i n g Iu a n 9Y a n g Y i h a n 9Y a n g i X u n .應(yīng)用證據(jù)理論實現(xiàn)配電網(wǎng)單相接地故障選線保護(A p p l i c a t i o no fd -SE v i d e n c eT h e o r y t oS i n g l e -p h a s e -t o -g r o u n d F a

18、 u l tL i n ed e t e c t i o n .電力系統(tǒng)自動化(A u t o m a t i o no fE l e c t r i c p o w e r S ys t e m s 92003927(21I 35384 王增平9高中德9張 舉9等(W a n g Z e n g p i n g 9G a oZ h o n gd e 9Z h a n g Ju 9e t a l .膜糊理論在變壓器保護中的應(yīng)用(A p p l i c a t i o n o fF u z z y S e tT h e o r y i nT r a n s f o r m e rp r o t

19、e c t i o n s .電力系統(tǒng)自動化(A u t o m a t i o no fE l e c t r i cp o w e rS y s t e m s 91998922(2I 13169455 郝玉山9馬文田9康慶平9等(a o Y u s h a n 9M a W e n t i a n 9K a n gi n g pi n g 9e t a l .應(yīng)用膜糊推理的一種小電流接地保護原理(T h e F a u l t d e t e c t i o n U s i n g F u z z y S e t T h e o r y .電力情報(I n f o r m a t i o

20、 no nE l e c t r i cp o w e r 91994(26 Y ud C 9K h a n S .A n A d a p t i v e i g ha n d L o w I m pe d a n c e F a u l td e t e c t i o n M e t h o d .I E E ET r a n s o np o w e rd e l i v e r y 9199499(4I 18121821陳炯聰(1979HH 9男9碩士研究生9從事電力系統(tǒng)分析與控制以及配電網(wǎng)保護研究工作D E -m a i l I c c f o r e v e r s i n a .

21、c o m齊 鄭(1977HH 9男9博士研究生9從事配電網(wǎng)自動化研究工作D楊奇遜(1937HH 9男9教授9博士生導(dǎo)師9研究方向為微機保護DAF A U L TL I N ED E T E C T I O ND E V I C EF O RT H EN O N -S O L I D L YG R O U N D E DS Y S T E M A S E DO NF U Z Z YS E T ST H E O R YC h e n j i O n g c O n g ,iz h e n g ,Y a n g i s u n (N o r t hC h i n aE l e c t r i cp

22、 o w e rU n i v e r s i t y ,B e i i n g 102206,C h i n a A b s t r a c t :C o r r e c t f a u l t l i n e d e t e c t i o n f o r t h en o n -s o l i d l yg r o u n d e d s y s t e mi s a l o n g s t a n d i n g a n dh a r d p r o b l e mi n i t so p e r a t i o n .T r a d i t i o n a l s i n g l e

23、 -p h a s e f a u l t l i n e d e t e c t i o nm e t h o d s u s i n g o n l yp a r t i a l f a u l t i n f o r m a t i o nh a v e p o o r r e l i a b i l i t y .F u z z y s e t s t h e o r y i s t h e r e f o r e i n t r o d u c e d a n d a p p l i e d i n f a u l t f e e d e r d e t e c t i o n t

24、o i n t e l l i g e n t l y f u s e a l l k i n d s o f t h e f a u l t i n f o r m a t i o n a n d i n t e g r a t e a l l o f t h e f a u l t d e t e c t i o nm e t h o d s .M o r e o v e r ,s e v e r a l t e s t e r s h a v e b e e n p r o d u c e d a n du s e d i n s p o t f i e l d s a n d t h e f a u l t r e c o r d s s h o w t h a t t h e s e t e s t e r s r u nw e l l a n d t r u l y a p p l i c a b l e t o a l l k i n d s o f s i n gl e f a u l t s .T h i