【毕业学位论文】基于傅立叶算法和神经网络的输电线路故障定位研究-模式识别与智能系统

分类号 密级 U D C 编号 中南大学硕士学位论文 论 文 题 目 学 科、专 业 研究生姓名 导师姓名及 专业技术职务 基于傅立叶算法和神经网络 的输电线路故障定位研究 模式识别与智能系统 肖雄军 蔡自兴 教授 中南大学硕士论文 摘要 i 摘 要 在输电线路发生故障时，如果能实 现准确的故障定位，可以大大减少查线的人力物力，减少停电时间及停电 所造成的巨大经济损失。本文提出了一种单端智能法，该方法基于 傅立叶变换和差分傅立叶算法提取故障基波分量，再用 经网络实现故障类型识别，最后用 经网络和 经网络综合实现故障定位。 本文首先设计了一个基于 高压输电线路数字仿真系统，研究了模型的原理和实现方法，介绍了它的结构和功能，并对仿真实验中出现的数值振荡问题做了分析 ，提出减小仿真步长的措施以消除振荡现象，从而实现准确的仿真。 然后研究了傅立叶算法的原理和差分傅 立叶算法减小衰减直流分量的原理，然后通过这两种算法对仿真的 故障信号进行预处理，提取其故障后的基波 (工频 )分量，为使用神经网络奠定了基础。 进行故障定位，识别故障类型是第一 步。本文提出了一种基于 绍了相应的神经 网络结构和学习算法。在线路中点进行仿真产生的故障信号经过预处理提取基波分量后，以相应的数据对 经网络进行训练，网络能较快地收敛。通过不同点的仿真故障数据进行测试后，结果表明 网络能准确地识别故障的类型。 最后， 本文提出了一种基于 经网络和 经网络的综合进行故障定位的方法。在设计了组合网络的 结构后，按不同类型的故障分别进行仿真并预处理形成包含故障位置信 息的学习数据作为输入，以相应的位置信息作为目标，然后对组合神经 网络模块加以训练。整个故障定位的流程是首先以采集的故 障信号经过不同的预处理，然后识别故障类型，再选用相应的 经网络的组合模块定位。在组合模块中定位过程中首先用 经网络进行定位， 然后再通过 经网络按位置分段进行校正。最后通过仿真测试 ，并与现行的阻抗法和类似神经网络法相比较，表明该定位方法具有较高的精度。 仿真实验表明，本文提出的基于傅立叶算 法和神经网络的单端智能法具有良好的性能，能较高精度地判定故 障位置，是一种有效的方法。 关键词 ： 输电线路，故障定位，故障仿真 ，傅立叶算法，神经网络 中南大学硕士论文 摘要 on if be be by be A is in in is a BP is to At a P BF is to In a of at It of of of in a is to by of of to of of of is to a to in of by a BP is by be At a to is on of P BF of to is as as is 南大学硕士论文 摘要 at a to In a BP is to a to is to of P is or in a be to on 南大学硕士论文 目录 录 第一章 绪 论 . 1 题背景 . 1 压输电线路故障定位研究的发展与现状 . 1 障分析法 . 2 波法 . 2 抗法 . 3 能法 . 4 位误差的影响因素 . 5 经网络的研究及其在电力系统中的应用 . 5 文的结构和内容 . 6 第二章 高压输电线路的故障仿真 . 7 力系统仿真理论 . 7 压输电线路的仿真原理 . 8 压输电线路仿真常用程序 . 8 的电力系统工具箱 . 9 真的实现 . 9 真模型的建立 . 9 真的实现 . 12 结 . 14 第三章 基于傅立叶变换的故障信号分析 . 15 立叶变换 . 15 力系统电压和电流的傅立叶分析 . 15 于连续信号傅立叶级数的分析 . 16 于 数的信号分析 . 16 分傅立叶变换 . 18 于傅立叶和差分傅立叶算法的故障工频信号提取 . 21 结 . 22 第四章 基于 经网络的故障类型识别 . 23 压输电线路故障类型识别 . 23 P 神经网络 . 23 中南大学硕士论文 目录 v 于 经网络的故障识别网络 . 27 障类型识别信号的仿真 . 27 习故障模式的仿真 . 27 取基波分量与单位化 . 27 别网络的学习与测试 . 29 P 故障识别神经网络的构造 . 29 P 故障识别神经网络的学习 . 30 P 故障识别神经网络的测试 . 31 结 . 31 第五章 基于 网络的故障定位 . 32 压输电线路故障定位研究的意义 . 32 压输电线路故障定位的原理 . 32 于 络综合的故障定位网络 . 35 障定位信号的仿真与预处理 . 36 障定位信号的仿真 . 36 障信号的预处理 . 36 于 经网络的单相接地定位网络 . 37 于 经网络的定位网络 . 37 障定位校正神经网络 . 40 相故障定位结果 . 44 障定位流程图 . 45 它类型的故障定位结果 . 46 结 . 49 第六章 总 结 . 50 文的主要工作 . 50 一步的研究 . 51 参考文献 . 52 致 谢 . 56 攻读硕士学位期间主要的研究成果 . 57 中南大学硕士论文 第一章 绪论 1第一章 绪 论 题背景 故障定位从电力系统组成结构 (发、输、配 )可分为两类：一是高压线路故障定位 (中性点直接接地系统或大电流接地系统 )；二是中、低压配电网中馈线的故障定位 (中性点非有效接地系统或小电流接地系统 )。它们都用作查找线路故障点位置的重要依据，准确的故障定位对故障的迅速恢复具有重要的实用价值。 随着国民经济的发展，电力系统的发展也愈来愈快，输电线路的电压等级不断提高，输送容量也越来越大，而由输电线路故障造成的停电损失也越来越大。因此，输电线路发生故障时，如果能实现精确的故障定位，则可以大大减少查线的人力物力，减少停电时间及停电所造成的巨大经济损失。对于瞬时故障，故障定位可以帮助人们分析故障原因，发现绝缘薄弱点，以便及早采取措施。所以，近二十几年来，国内外研究人员不断深人地研究这一课题，提出了许多的定位方法，这些方法取得了很大的效果，但仍然存在如定位精度不高，适应范围不广的缺点。 人工神经网络1称 为一门前沿学科，对众多学科的包容性、应用范围的广泛性，以及理论分析方法的多样性是前所未有，以其自身在模式识别、并行处理、鲁棒性、自学习、自组织等方面的突出优势，在信号处理、模式识别、智能控制等领域取得了巨大贡献。人工神经网络在电力系统中的潜力，也引起了众多研究者的广泛关注，人们将其尝试应用在许多棘手的问题上，并取得了不少成绩。在电力系统故障定位新方法的研究中，运用神经网络方法已经被证明是一种有效的途径，取得不少进展。 本文在分析相关理论的基础上， 提出一种运用 经网络来实现故障识别和 经网络综合来实现进行故障定位的新方法。该方法首先对故障信号进行变换，抽取其特征，然后使用 经网络进行识别，以区分不同的故障。然后再按不同故障选取相应的 经网络模块来实现故障的距离判定。 压输电线路故障定位研究的发展与现状 高压输电线路的多数故障的原因是相与地或相与相之间发生短路。由于发生短路时，线路中短路电流可以达到正常时的数倍到数十倍，这么大的电流对线路产生热效应和电动力效应，会对线路和整个电力系统造成巨大的破坏，甚至会使整个系中南大学硕士论文 第一章 绪论 2统瘫痪，后果是非常严重的。因此现在的短路保护是非常重要的，一般现在的输电系统都配备了先进的微机保护系统，可以在短路发生后快速切除故障线路，最大限度避免短路的危害。 电力系统短路分单相接地短路、两相相间短路、两相接地短路和三相短路。运行经验表明，在上述各种类型的短路中，最常见的是单相接地短路，约占短路总故障的 65% 70%，两相相间短路约占 10% 15%，两相接地短路约占 10% 20%，三相短路约占 5%。 当输电线路发生故障时，如果能实现精确的故障定位，则可以大大减少查线的人力物力，减少停电时间及停电所造成的巨大经济损失。因此国内外研究人员对这一课题已经做了很多研究，提出了许多的故障定位方法6目前已有的定位方法大致可分以下几种：故障分析法、行波法、阻抗法、智能法。以下分别简单的讨论一下其发展与现状。 障分析法 利用故障时记录的各种电气量，由技术人员综合分析，找出故障距离。从原理意义上说，阻抗法也是利用故障时记录电气量来分析的，但是由于大量的研究和实践，一般单独归为一类，因此故障分析法在这里仅指不利用阻抗原理的分析方法。 文献8利用单端测量电流相量之间的关系推导出故障距离的一次方程， 突破了常规阻抗法中利用电压、电流计算测量阻抗，进而推算出故障距离，从而成功的解决了真伪根问题。文献8利用故障电流和零序电流之间的关系来实现定位。为避免零序参数难于精确测定的问题，文献9利用了故障正序电流和负序电流之间的关系来实现定位，但对故障类型全模式有局限性。 文献10入了一个函数 )(应用高压输电线路的微观参数模型，通过迭代求出此函数的沿线分布，利用函数最小点即为故障点的关系来实现故障定位。文献10引入函数为故障相电压，文献11引入函数为电压绝对值的积分。此类方法，对于引入函数是否在各种故障模式下，其最小点就是故障点缺乏严格的数学证明，而且对于线路的微观模型准确建立尚需研究。 波法 行波法起源于 50 年代，到了 60 年代随着人们对多传输线行波规律有了较深入的认识，加上电子技术的发展，人们开始使用行波来进行故障定位12 中南大学硕士论文 第一章 绪论 3行波法是利用电流、电压行波在故障输电线路上传输所花费的时间来进行故障定位的，可分为早期行波法和现代行波法14。 早期行波法可分为 A, B, C 三种型式。 A 型定位仪利用故障扰动引起的行波进行定位，应用简单，但可靠性差。 B 型定位仪是使用故障产生的第一个行波，借用于通信通道定位，其特点是简单可靠，但需两侧有通讯通道，行波的耦合效果对其可靠性影响很大。 C 型定位仪按雷达原理制成，根据脉冲由发送端达到故障点的往返时间进行定位。 现代行波法是早期的 A 型定位仪的发展，其特点是利用故障产生的行波信号，借助于计算机，利用各种算法，计算出故障距离。 行波法利用电流、电压行波的传送性质进行故障定位，较好地反映了故障发生时的输电线路的实际情况，其原理无疑是正确的。但由于行波速度非常快，因此对计算机的硬件要求较高。特别是对于近处故障的测定就更为困难。其次，由于实际故障情况千差万别，要准确地确定故障波头的到达时间不是一件很容易的事情，而在这方面的任何误差，都将影响定位精度。从所利用的信息来说，行波法又称之为暂态法。所要解决的问题主要是故障行波信号的不确定性、信号的高速采集等。 抗法 故障阻抗定位方法，是利用故障距离与输电线路参数成比例而实现的。从所利用的信息进行分类，故障阻抗定位方法可以分为利用单端数据的定位方法和利用双端或多端数据的故障定位方法。 利用单端数据的故障定位方法原理简单，易于实现，费用较低 , 又不受系统通讯技术的限制，多年来一直是人们关注的热点15其主要优点是不需要通道，费用较低。纵观现有的单端定位算法，主要还存在以下问题： 1)故障过渡电阻或对端系统阻抗变化对定位精度的影响； 2)输电线路及双端系统阻抗的不对称性对定位的影响； 3)定位方程的伪根问题。 造成定位误差的根本原因是存在故障过渡电阻。要减小其影响，就要引入对端系统的阻抗，那必然要受到对端系统阻抗变化的影响，这是单端定位算法长期没有解决的难题。 随着电网自动化水平的提高，以及通信技术的发展，人们相继提出了利用两端或多端数据的定位方法17。 对于两端或多端数据的定位方法，影响其故障定位精度的因素有： 中南大学硕士论文 第一章 绪论 41)线路分布电容对定位精度的影响； 2)两端或多端数据的测量坐标之间，不同步相差对定位精度的影响； 3)线路参数不对称的影响； 4)电流互感器和电压器暂态对定位精度的影响。 双端定位算法可以分为基于集中参数模型的定位算法和基于分布参数模型的定位算法。 基于集中参数模型的算法又可以分为考虑分布电容和不考虑分布电容两种。从原理上来讲，采用分布参数模型要比采用集中参数模型更加精确，特别是对于高压长线路。带来的问题是方 程的求解比较复杂，计算量大， 对于某些迭代式的算法而言，还存在求解双曲函数的问题，计算结果极有可能发散，从而导致定位失败。采用集中参数的算法当中，考虑分布电容显然要比不考虑分布电容精确，对于短线路，可以忽略分布电容的影响，但对于中长线路，不考虑分布电容会带来较大的误差。 阻抗法还可以分为故障电流相位修正法、故障电流修正法、零序电流分量相位修正法、零序电流修正法、解微分方程法以及解方程法等几种方法。从计算方法来看这些方法可以归纳为迭代法和解二次方程法。 阻抗法的最大缺点是定位精度受过渡电阻影响很大， 而过渡电阻不能精确测量。其次要解决的是电流互感器的非线性、故障信息中的非周期分量、线路参数的不平衡等对故障定位精度的影响。 能法 近年来，随着计算机科学的发展，许多研究者提出了许多新颖的定位方法，如优化方法、神经网络、小波分析、卡尔曼滤波技术、模式识别技术、概率和统计决策、专家系统、模糊理论以 及光纤定位等，取得了一定成绩，但在原理和方法上尚存在许多不足和局限，还有很大的改进空间。从原理上来讲，智能型故障定位仍然主要基于阻抗原理或行波原理，但是由于新方法的采用，可以有效地克服传统方法的不足，实现更好的定位性能。 文献18构造了一种前置模糊化层的反向传播 (络。该通过训练，建立起输入电气量和输出故障距离的对应关系，可以有效克服对端运行情况及过渡电阻等因素的影响。文献19提出了一种利用时域波形数据输入人工神经网络进行故障测距的方法，采用两层神经网络，第一层进行故障的类型识别，第二层为分布式的测距网络模型 , 由 5 个相互独立的子网络分别完成不同故障类型的定位，最后输出故障距离。 中南大学硕士论文 第一章 绪论 5文献20开发的采用组合架空地线的光纤定位技术是较新颖的一种智能化定位方法，该方法采用复合光纤中的感应电流为识别信息，由于该信息沿线分布的模糊性，采用模糊理论处理故障信息得出故障区段。 文献21发表较早的在线识别智能化定位方法，其基本思想但在于对不可知动态参数进行估计，由已建立的系统物理模型上求出数字响应，通过与实际采样值的比较来不断地调整各包含故障距离在内的系统参数，此类方法适应性较强，鉴于系统故障模式变化空间维数的庞大，建模及搜索最优参数组合过程需进一步研究，且求解时间长。 位误差的影响因素 影响故障定位精度的主要因素有： (1)测量装置本身的误差。定位的依据是测量装置采集的信号，在线路发生故障时，数据测量装置所测量到的电压和电流值急剧变化，如果电压和电流变换器精度不高就会出现误差。比如故障电流过大的情况下电流互感器出现饱和，就会使得采集到的数据波形出现严重畸变，较大地影响定位精度。 (2)故障点的过渡电阻。故障点的过渡电阻会给某些定位方法带来较大的误差，尤其是在利用单端电气量实现定位的方法中。消除过渡电阻对定位精度的影响一直是人们关注的问题。 (3)线路两端的系统阻抗。一些故障定位的算法要用到线路两端系统的综合阻抗。但是电力系统的实际运行方式在不断变化，所给定的系统综合阻抗很难与故障时的实际情况相一致，因此也会给此类故障定位方法带来误差。 (4)线路的不对称。输电线路的参数由其结构决定，各相的自感、互感和导纳都不相同。对于完全换位的线路，在定位中可以应用对称分量法。对于不换位线路则会出现误差，应该采取措施进行补偿。 经网络的研究及其在电力系统中的应用 人工神经网络在电力系统中应用的研究，最早可以源自于 1975 年 人发表的一篇利用自适应模式识别和自组织技术进行短期负荷预测的文章23。其实，真正在世界范围内探索人工神经网络在电力系统中的应用热潮实在八十年代后期，特别是 1986 年 表了一篇利用模式识别和联想记忆的方法进行电力系统安全估计的文章之后24，有关人工神经网络在电力系统中的应用研究逐渐活跃起来，中南大学硕士论文 第一章 绪论 6并于 1991年 7月在美国召开了第一届人工神经网络在电力系统中应用的国际学术会议。 故障定位包含在故障诊断中， 实际上是一个模式识别的问题。 9会议上最早提出了用 型进行警报处理，它是将电网故障时的报警信息作为人工神经网络的输入量，通过人工神经网络识别后给出故障位置，证明了人工神经网络在故障定位中的可行性。 H 等人提出用人工神经网络进行电力系统的故障诊断25，他研究了一个包括 6 条母线， 2 条线路和 2 台变压器的变电站，它用保护信息作为输入，通过人工神经网络识别后输出故障位置，原理简单，但不实用。文献26用 处理含噪声的警报信息，再用 络完成故障位置和类型的识别。 到目前为止，利用神经网络技术解决故障定位的研究已经取得很大的进展，但也存在一些问题。如所建的模型通用性不强，学习训练的收敛速度慢等等，还有待于进一步的研究。 文的结构和内容 本文在分析相关理论的基础上，提出一种运用 经网络来实现故障识别和 经网络结合来实现测定故障距离的新方法。 本文的主要内容安排如下： 第一章简单介绍了本文的选题背景，介绍了高压输电线路故障定位研究的发展与现状以及人工神经网络在其中的应用现状。 第二章分析了高压输电线路故障仿真的原理与方法，设计了本文所应用的基于电力系统仿真模块的仿真模型。 第三章分析了傅立叶变换的基本原理与方法，然后着重研究了带差分的傅立叶算法在提取基波方面克服衰减直流的原理，以提高从故障波形中提取基波的精度。 第四章研究了采用 经网络的输电线路故障类型识别方法与仿真结果。 第五章研究了采用 经网络与 经网络在第四章的故障类型识别基础上的故障位置的准确判定，从而实现完整的故障定位研究。 第六章是总结与展望。 中南大学硕士论文 第二章 高压输电线的故障仿真系统 7第二章 高压输电线路的故障仿真 力系统仿真理论 现代电力系统是一个超高压、大容量、跨区域的巨大联合动力系统，它由许多复杂的电力设备构成，如发电机、变压器、传输线、断路器、隔离开关、各种负荷等等组成。在这种现实情况下，要进行各种电力的科研实验和人员培训，由于受到实际条件和安全运行的限制以及经济性等考虑，采用电力系统仿真技术来进行科研实验和人员培训成了基本的手段。 电力系统的仿真按照仿真模型的不同可分为物理仿真和数字仿真两种： 物理仿真是采用按相似性理论建立的缩小的物理模型来模拟实际电力系统。从早期的交直流实验台到现在仍在发挥重要作用的动态模拟实验室都属于物理仿真。动态模拟试验可以观测和发现人们还没有认识到的一些新的物理现象，并进行理论研究，这对新装置的建模很有意义。 数字仿真是采用数学模型和数值算法对系统进行模拟，通常仿真机的主体为计算机。由于计算机软硬件技术的飞速发展，数字仿真技术取得了许多突破性进展，成为近年来研究和应用的热点之一。与物理仿真 (如动模试验 )相比，数字仿真具有安全、经济、方便的优点，其应用以覆盖了电力系统的各种研究领域，以及规划、设计、运行和测试的全过程。本文采用数字仿真。 电力系统的仿真按照仿真时效的不同又可分为实时仿真和离线仿真两种： 实时仿真是指实时模拟电力系统各类过程，并能接入实际物理装置进行试验的电力系统仿真方式。实时仿真主要应用于大电力系统主干网络和局部系统的暂态和动态过程的详细研究，以及物理装置的实验研究和实时测试，为验证新的控制和保护等装置的性能，在装置安装、投运之前需要进行实时测试，以确定其是否满足设计要求。因此，实时仿真是电力系统生产、运行和研究中不可缺少的环节。 电力系统离线仿真是在数字计算机上为电力系统的物理过程建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真的过程，其仿真速度与实际系统的动态过程不同步。但是它的规模不受限制，能够较完整的模拟大规模的电力系统，适用于研究大电力系统复杂的暂态和动态过程。由于本文的研究对实时性要求不高，因此采用离线仿真。 仿真是研究大型电力系统性能的重要手段和工具。仿真在电力系统各领域已得到了极其广泛的应用 , 例如用于系统规划、运行优化、故障分析等 , 并且可帮助有关人员做出合理的决策以避免或减少系统运行中可能出现问题。一个综合的电力中南大学硕士论文 第二章 高压输电线的故障仿真系统 8统的仿真软件 , 应具有分析电力系统的电磁暂态过程和机电暂态过程以及系统的稳态行为的能力 , 而且还应能计算系统的特征值以及进行系统的频域分析。 压输电线路的仿真原理 输电线路是电力系统的重要组成之一，对其暂态特性的研究具有重要的意义。早期人们采用动态网络分析仪 (拟，随着计算机应用技术的高速发展，电力系统的动态数字实时计算机仿真系统由于其精度高、改变参数方便、重复性好等优点，逐步成为研究输电线路暂态过程的方便而又精确的方法，已经开始逐渐取代传统的物理仿真系统。通过数字仿真的方法分析输电线路故障进行仿真分析，得到短路电流及谐波分量等故障信息，用于输电线路故障定位的研究，已成为普遍应用的方法27- 31。 压输电线路仿真常用程序 电磁暂态分析程序，最初是由加拿大大不列颠哥伦比亚大学 ( 授创立的，而后又经很多专家共同努力而日臻完善。 该程序主要用于计算机模拟电力系统电磁暂态过程，程序可以求解包括集中参数的线性和非线性电阻、电感、电容电路 , 多相 型电路 , 多相分布参数电路，各种类型的开关、变压器、电源以及控制系统等组成的大型电力系统的稳态或暂态过程。 序具有规模大、功能强、模拟真实等优点，目前在我国高等学校、科研、设计和制造等部门得到了广泛的应用。但程序是在 境下，界面不大友好，且建模格式要求严格，出现错误很难查找纠正。 司在二十世纪八十年代推向市场的一种数值型计算软件，它具有编程效率高、程序设计灵活、图形功能强大等优点。尤其是 具箱能对动态系统进行建模、仿真和分析。其中的电力系统工具箱 (称 境下使用，它为电气工作者提供了一个现代化的设计工具，不但能够快速建立电路模型，而且能进行相关的机械、热力、控制系统及其他设备的分析。 电力系统工具箱为电气工作者进行电力系统暂态稳定性仿真分析开辟了一条新的途径，其仿真分析的有效性已被加拿大魁北克电站的运行数据、试验数据以及仿真实验室提供的数据所证实32，国内也有人做过专题研究33。 中南大学硕士论文 第二章 高压输电线的故障仿真系统 9故本文采用基于 电力系统工具箱的仿真系统。 的电力系统工具箱 的电力系统工具箱涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，它由以下 6 个子模块库组成： (1)电源模块库：包括交、直流电压源，交流电流可控、电流源等。 (2)基本元件模块库：包括串 (并 ) 联 载 /支路、线性变压器、饱和变压器/互感器、 断路器、 N 相分布参数线路、 单相 形集中参数传输