（电气工程专业论文）配电网线路故障实时监测技术研究.pdf

浙江人学硕，l 二专业学位论文 摘要 摘要 配电网的主要任务就是向用户提供安全可靠的供电，但是由于天气环境、人 为因素等的干扰，经常发生短路故障而造成供电中断，严重时造成大面积停电。 但故障发生后，由于故障电流微弱、电弧不稳定等原因，故障实时监测问题长期 以来没有得到很好地解决，至今许多变电站仍然使用人工拉路等方法查找故障线 路和目测寻找故障点。笔者对故障监测领域的关键技术，包括故障诊断、故障选 线、故障定位等开展了深入的研究，取得了一些创新性的研究成果。 首先，针对传统故障诊断方法的不足，提出了一种基于r b f 神经网络的配电 网故障诊断方法。该方法基于r b f 神经网络的基本理论，并结合简单配电网模型， 提出了基于r b f 神经网络的配电网故障诊断模型；并阐述了该诊断方法的详细实 现流程的，进而通过算例证明了该诊断方法的有效性。该方法具有一定的容错能 力，而且有利于应用于实时诊断，具有工程应用价值。 其次，在已有研究的基础上，采用信息融合模型进行配电网故障选线，通过 小波分析处理故障信号，采用基于改进的d s 证据理论对各个独立的证据体( 小 波信号表征) 进行融合，使得各个模糊不确定的结果经过融合后更能体现故障信 号本征，进而采用选线决策算法进行最后诊断决策，确定故障相。最后根据提出 的理论方法设计诊断模型的框架结构以便进行实际应用。 最后，针对配电网查找故障点位置困难这一现状，提出了一种新型配电网的 故障定位系统。首先阐述了配电网快速故障定位系统工作原理，并对系统实现的 各个实现模块进行详细的介绍，其中作为核心模块，提出了一种基于仿真匹配的 配网故障定位算法，首先根据对称分量法和线性叠加原理，建立故障后的附加正 序网络并定义了故障定位因子；进而应用波形匹配原理，对故障时的定位因子与 仿真波形进行匹配，以决定故障发生的位置通：算例仿真验证了其在电网运行中 的先进性、可靠性。 关键词：配电网、故障检测、故障诊断、故障选线、故障定位 a b s t r a c t t h em a i nt a s ko fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki st op r o v i d es a f ea n dr e l i a b l ep o w e rs u p p l y , h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ei n t e r f e r e n c e ss u c ha sw e a t h e r , e n v i r o n m e n t ，a n dh u m a n f a c t o r s p o w e r i n t e r r u p t i o n i s f r e q u e n t l yc a u s e db ys h o r t c i r c u i tf a u l t ，c a u s i n g e x t e n s i v ep o w e ro u t a g e si ns e v e r ec a s e s a f t e rt h ef a i l u r eo c c u r r e d ，a sf a u l tc u r r e n ti s w e a ka n dt h ea r ca r eu n s t a b l e ，o ro t h e rr e a s o n s ，t h er e a l t i m ef a u l tm o n i t o r i n gh a sn o t b e e nw e l lr e s o l v e dl o n g t e r m t ot h i sd a y , an u m b e ro fs u b s t a t i o n ss t i l lu s em a n u a l m e t h o d ss u c ha sp u l l - l uf a u l tl i n e sa n dv i s u a ls e a r c ht of i n dt h ef a u l tp o i n t t h ea u t h o r c a y r r yo u ti n - d e p t hs t u d yi nt h ek e ya r e ao fm o n i t o r i n gt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gf a u l t d i a g n o s i s ，f a u l td e t e c t i o n ，f a u l tl o c a t i o n ，e t c a n dh a v ean u m b e ro fi n n o v a t i v er e s e a r c h r e s u l t s ， f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lf a u l td i a g n o s i sm e t h o d ， m e t h o do fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kb a s e do nr b fn e u r a ln e t w o r ki sp r o p o s e d t h em e t h o d i sb a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fr b fn e u r a ln e t w o r k ，a n dc o m b i n e dw i t has i m p l e m o d e lo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，ad i s t r i b u t i o nn e t w o r kf a u l td i a g n o s i sm e t h o db a s e do n r b fn e u r a ln e t w o r km o d e li sp r o p o s e d t h ed e t a i l e di m p l e m e n t a t i o no ft h ed i a g n o s t i c p r o c e s si se x p l a i n e da n dt h u st h ee f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o di st e s t e db yn u m e r i c a l e x a m p l e s t h i sm e t h o dh a sc e r t a i nf a u l t t o l e r a n tc a p a b i l i t i e s ，b u ta l s oi sc o n d u c i v et o a p p l yt h er e a l t i m ed i a g n o s i si ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s e c o n d l y , o nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gs t u d y , t h ei n f o r m a t i o nf u s i o nm o d e li su s e d t od i s t r i b u t i o nn e t w o r kf a u l td e t e c t i o n t h ef a u l ts i g n a li s a n a l y z e db yw a v e l e t p r o c e s s i n g ，t h e n t h ee v i d e n c eo fv a r i o u s i n d e p e n d e n tb o d y ( w a v e l e ts i g n a l r e p r e s e n t a t i o n ) i sm e r g e du s i n gt h ei m p r o v e dd se v i d e n c et h e o r y , m a k i n gt h ef u s i o n o fe a c hf u z z yu n c e r t a i nr e s u l t st ob e t t e rr e f l e c tt h ei n t r i n s i cf a u l ts i g n a l t h e r e b y , t h e a l i g n m e n ta l g o r i t h mi su s e dt om a k et h ef i n a ld i a g n o s i st od e t e r m i n et h ef a u l tp h a s e f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ep r o p o s e dd i a g n o s t i ct h e o r y , t h em o d e lf r a m e w o r ki sd e s i g n e d f o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n f i n a l l y , a c c o r d i n gt o t h ed i f f i c u l t i e so ff i n d i n gt h ef a u l tp o i n ti nd i s t r i b u t i o n n e t w o r k ，an e wt y p eo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kf a u l tl o c a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d f i r s t l y , i i 浙江人学硕卜争业学位论文 a b s t r a c t t h et h e o r yo ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kf a u l tl o c a t i o ns y s t e mi sd e s c r i b e d ，a n dt h e v a r i o u sm o d u l e so fs y s t e mi m p l e m e n t a t i o na r ep r e s e n t e di nd e t a i l n a sac o r em o d u l e ， af a u l tl o c a t g i o nm e t h o db a s e do ns i m u l a t i o nm a t c h i n gi sp r o p o s e d b a s i n go n s y m m e t r i c a lc o m p o n e n tm e t h o da n dl i n e a rs u p e r p o s i t i o np r i n c i p l e ，t h ea d d i t i o n a l p o s i t i v es e q u e n c en e t w o r ki se s t a b l i s h e d t h e nt h ef a u l tl o c a t i o nf a c t o ri sp r o p o s e da n d m a t c h i n gd u r i n g f a u l tr e c o r d e df a c t o r sw i t ht h ed u r i n g - f a u l ts i m u l a t e df a c t o r si su s e d t od e t e r m i n et h ef a u l tl o c a t i o n t h es e a r c hp r o c e s st of i n dt h eb e s tw a v e f o r mm a t c hi s a c t u a l l ya no p t i m i z a t i o np r o b l e m t h es i m u l a t i o n sc a r r i e do u ti np a p e rj u s t i f yt h e r e l i a b i l i t ya n da d v a n c e m e n to ft h em e t h o d k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，f a u l td e t e c t i v e ，f a u l td i a g n o s i s ，f a u l td e t e c t i o n ， f a u l ti o c a t i o n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿苤堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谓，意。 学位论文作者签名墨 学位论文版权使用授权书 其j 午日 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸鎏盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲名婶 签字p 姆j 沙 。每弓其 午日 导师签 签字日期少俺年弓月丫日 致谢 在我攻读硕士学位期间，以及课题研究和论文撰写过程中，得到许多老师、同学和朋 友的大力支持和真诚帮助，在此我表示衷心的感谢。 首先要感谢我的导师吴国忠教授。这两年来，无论在学 - 7 研究上，还是工作生活中， 吴老师都给予我多方位的指导和全力的帮助。吴老师以他渊博的知识、兢兢业业的工作态 度和学以致用的理念一直深深的影响着我。吴老师鼓励和指导我克服研究中的技术难题， 教授我积极有效的工作方式以及为人处世的道理，使我在学业和科研上不断提高和进步， 而且学到了不少人生哲理，这对我将来的学 - - j 和工作都有很大的帮助。 同时，我还要真心的感谢在课题研究中给予我指导帮助的杨成钢高工，他在我研究本 课题中对我提了很多宝贵意见，为我开拓了更多更广的实现思路；感谢莲都供电局的吴群 雄副局长、谢小伟主任及丽水电业局科信处的钱江主任，他们在学习和生活上的帮助，与 我探讨算法、编程方面的技术技巧，对我的课题研究有很大的帮助。 吴进伟 二零一零年一月 浙江人学硕卜号业学位论文 第1 章绪论 1 绪论 本章首先阐述了配电网络线路故障给电力系统安全稳定运行带来的巨大影 响，其次总结了现有的各类故障检测技术研究现状，包括故障诊断，故障选相、 故障定位等内容，并对其特点及应用效果作出评价，进而指出了该领域研究还需 要进一步研究和突破的地方，从而引出了本文的研究内容；最后对本文主体思路 及章节安排做了介绍。 1 1引言 电力系统是由发电、变电、输电、供电、配电、用电等设备和技术组成的一 个将一次能源转换为电能的统一系统。众所周知，电能是清洁能源之一。当前， 全球现代化的各行各业和社会经济、人民日常生活，已经将电能供应视为不可或 缺的一个重要条件【l 】。 配电系统是电力系统的重要组成部分，电力系统通过配电网络直接向用户供 电。从广义上讲，1 1 0 k v 及以下电压的线路和设备构成的电力网络均可称为配电 网络。按照电压等级来分，低于l k v 的电压称为低压，在我国则具体指3 8 0 v ( 三 相) 、2 2 0 v ( 单相) ；3 5 k v 及以下称中压，具体指电压为3 5 k v 、2 0 k v 、l o k v 电 压级；3 5 1 1 0 k v 则称为高压。按供电区的功能来分，可分为城市配电网、农村 配电网和工厂配电网等【2 1 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，用户对电力和供 电质量的要求愈来愈高。特别是随着社会信息化和电气化的高度发展，对供电可 靠性的要求也越来越高，甚至连发生电源的瞬时中断也不允许。我国配电系统原 有的技术和管理手段，已经无法适应新形势的要求【3 1 。与此同时，信息技术尤其 是计算机技术的飞速发展，为配电网络的运行、维护，控制和管理实现自动化提 供了先进的工具与技术基础。因此，加快配电网的改造工作，切实提高我国配电 系统的安全经济运行水平，使我国配电系统的自动化水平得到长足的发展，就成 l 浙江人学颂1 二专业学位论文 第1 章绪论 为摆在我国电力工作者面前的一项紧迫而现实的重要任务【4 1 这是由配电网络自身的特点决定的配电网络- 9 输电网络相比有以下三大特 点： ( 1 ) 供电半径小。较短的线路使得在输电网故障定位中应用广泛的经典阻抗法 在配电网络中误差明显加大。 ( 2 ) 末端随机负荷多。这一特点使得阻抗法在配电网中无法精确定位。 ( 3 ) 线路分支多。从结构上来说，分支多本身给精确某个分支带来了困难；从 算法上来说，分支多所带来的信息就多，其中包含的真伪信息都多，混杂在一起， 难于理清。 配电网直接面向电力企业最终客户，并直接服务于广大用户。它覆盖着社 会的每个角落，并通过低压配电网延伸到千家万户，承担着向城市中小用电客 户的供电功能。随着电力系统自动化的进一步发展，如何实现配电网系统的自动 化，是保证电网安全可靠运行的关键【5 1 。 广义上来讲【纠】，配电自动化是指利用现代先进的电子技术、计算机网络和 通信技术，实现对配电网正常运行时的控制、检测和故障时的快速处理( 故障 检测，故障定位、隔离和非故障区的恢复供电) ，以及配电的生产管理、设备 管理的自动化，即s c a d a d m s 系统。而狭义的配电自动化是指配电网故障的 自动化处理，即包括故障诊断、故障定位、故障选线、故障隔离和非故障区的 供电恢复几个过程，也称馈线自动化( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ，f t u ) 。配电馈线自 动化，它可以大大提高配电网供电可靠性，提高供电质量，降低劳动强度和充 分利用现有设备的资源，能为用户带来可观的效益。 因此，配电自动化的核心是发生故障后的故障诊断、故障隔离以及恢复非故 障区域的供电，其中故障诊断，定位和故障选线是最基础、最基本的单元。国家 电网公司明确提出了供电可靠性要达到9 9 9 6 的目标，而配网自动化是实现这一 目标的重要保证，尤其是，明确如何利用故障时配电网电气量和开关量等故障信 息实现快速、精确的故障诊断技术，便成为了现代化配电网发展的必要组成要素 【8 9 1 。 浙江人学硕k - 专业学位论文第l 章绪论 1 2 配网故障检测技术综述 1 2 1故障诊断技术研究现状 配电网故障处理的基本原理是将配电线路通过分段开关分割成各个供电 区域。当某区域发生故障时，及时将分割该区域的开关跳开隔离故障，然后对 非故障停电区域迅速恢复供电。从而避免了因线路出现故障而导致整条线路连 续失电，减少了停电范围，提高了供电可靠性。配电网故障诊断是指在故障发 生后，主站根据装设在配电网中的数据采集监控装置( 例如s c a d a 或f t u ) 提 供的故障信息，结合配电网的实际运行情况，经过相应诊断方法的处理和分析， 最终准确判断故障元件随着通信技术和计算机技术的发展，配电网自动化技 术日益智能化、集成化，现在先进的馈线终端设备f t u 集成了遥测、遥信、遥 控、故障监视等多项功能，不仅能够采集断路器、继电保护等状态开关量信息， 同时也可以获得电流、电压等电气量信息；因此本文的故障诊断方法主要基于 f t u 作为故障信息源实现故障诊断。 在配电网发生故障时，往往会产生大量的警报信号，从而给调度人员靠人工识 别快速准确地故障信号造成一定的困难，因此研究如何对这些信号进行快速、准确 地分析判断并采取相应有效的措施成为一项极具现实意义和经济价值的工作。为 了提高故障诊断的准确性和快速性，国内外有关学者提出了专家系统( e s ) 【1 0 - 1 1 、人 工神经网络( a n n ) t 1 2 - 1 3 、遗传算法( g a ) 【1 4 - 1 5 和p e t d 网络等方法，以下对目前配 电网故障诊断领域的研究现状作简要介绍。 1 ) 基于专家系统的配电网故障诊断方法 专家系统法( e s ，e x p e r ts y s t e m ) 是利用计算机模型来描述人工逻辑的系统，结 合专家的经验知识，利用专家推理方法，模拟专家决策过程，实现故障诊断。专 家系统是电力系统故障诊断中最早使用的一种人工智能方法。应用于配电网故障 诊断领域时，其故障诊断专家系统依据调度人员的运行经验和配电网中保护和断 浙江人学硕士专业学位论文第1 章绪论 路器的状态信息，把继电保护和开关的动作逻辑提取出来，形成故障诊断“规则”， 集合所有的“规则”形成专家系统知识库，进而依据报警信息通过启发式规则或者 正反推理策略，同时，结合对应调度运行人员分析处理故障的诊断经验，形成故 障诊断“规则”，集合所有的“规则形成专家系统知识库，进而依据报警信息通过 启发式规则或者正反推理策略，按照方式匹配和一定的搜寻机理，寻找可能的故 障位置。基于规则推理方式的故障诊断专家系统为配电网故障处理提供了一个有 力的手段。 基于专家系统的故障诊断方法主要分为两类：一是基于启发式规则推理的系 纠1 0 - 1 1 1 ；二是结合正反推理的系统 7 q 8 】。前者是将故障信息( 保护和开关量信息) 作为数据驱动输入，然后遍历搜索专家知识库，寻找到对应的“规则”，按照推理 规则得出诊断结果；后者采用混合推理的方法，从正向推理和反向假设两个维度 确定诊断结果，有效地缩小可能故障的范围。配电网故障诊断专家系统在实际中 已经得到了一定的应用，其具有如下优点：擅长解决难以通过建立数学模型来求 解的非结构化问题，这一点与电网故障时开关量的动作逻辑特性相吻合；能够给 出人类语言习惯的结论并具有相应的解释能力；具有较强的逻辑推理能力，允许 在知识库中增加，删除或修改一些规则，具有一定适应性；等等。同时，在实际 应用中也暴露出了其固有的不足：首先，一个专家系统的建立需要大量的规则来 精确得描述配电网保护和断路器等动作逻辑；其次，知识的获取和知识库的修改 需要花费大多时间和精力，知识库的维护需要特别训练的专家才能够信任。因此， 一个专家系统要想从新的经验中直接地改进故障诊断的性能是非常困难的；最 后，专家系统故障诊断需要大量的推理和搜索，所以诊断时间较差，实时性不高。 因此，该诊断方法难以应用于实时性要求较高或大规模电网的故障诊断，一般应 用于中小型电力系统和变电站的故障诊断，主要用于离线分析。 2 ) 基于人工神经网络的配电网故障诊断方法 人工神经网络( a n n ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 主要应用于解决输入与输出 之1 q 存在不确定对应关系的问题，其实质就是通过训练样本，在输入和输出之间 4 浙江人学硕士专业学位论文 第1 章绪论 透明的高维空间内寻找一种函数关系，建立起输入与输出元素之间的不确定性对 应关系【2 _ 5 1 。关键概念是：“训练样本集”和“最优解”。目前，a n n 被认为是很有 潜力的故障诊断方法，其应用于配电网故障诊断领域就是将保护和开关位置状态 等开关量信息作为输入量，将发生故障可能性的诊断结果作为输出量。首先对神 经网络进行训练学习，也就是将各种故障模式作为样本，建立较为完备的样本库； 然后利用所有的样本对神经网络进行训练，样本库的知识以网络的形式存储在神 经网络的连接权中，最后，通过神经网络的输入量的计算实现故障诊断。在故障 诊断领域应用最为广泛的人工神经网络模型是基于b p 算法的前向多层神经网络 和基于径向基函数r b f 的神经网络，同时有关学者论证了基于r b f 神经网络的 故障诊断方法性能优于b p 神经网络诊断方法。 任何故障诊断方法的直接目的都是为了提高故障诊断的准确率，降低误报率 和漏报率。基于人工神经网络的配电网故障诊断方法在容错性能和自推断能力方 面具有明显的优势；同时，数据处理速度快，能够满足实时性要求。其不足主要 体现在：其性能在很大程度上取决于训练样本的完备性；训练时的收敛速度在较 大程度上取决于经验值，同时应当避免局部最优解问题。鉴于以上特点，基于人 工神经网络的配电网故障诊断多数应用于中小型配电网。 3 ) 其他配电网故障定位算法 配电网故障诊断的统一矩阵算法：该方法依据配电网结构构造一个网络结构 矩阵d ，在发生故障时，根据安放在各个分段开关处的f t u 上报的过电流信息生 成一个故障信息矩阵g ，通过网络结构矩阵d 和故障信息矩阵g 的运算得到一个 故障诊断矩阵p ，根据诊断矩阵p 就可以判断发生的故障区段。该方法对于实时 信息准确的情况下，能够很好的完成对故障区间的识别，但是在实时信息发生畸 变的情况下，该算法会造成误判。 基于遗传算法的配电网故障诊断方法：该方法的思想是建立配电网的故障诊 断数学模型，把分段开关作为线路状态的函数，建立配电网评价函数( 或称目标 函数) 模型，将线路的元件状态( 通常为0 或1 ) 直接用于染色体编码，通过模 浙江大学硕l ：专业学位论文第l 章绪论 拟生物进化的繁殖、交叉和变异等操作，得到线路元件状态的全局最优解。当实 时信息中出现畸变信息的时候，理论上能够自动纠错和实现故障诊断，并具有一 定的容错性能。该方法的不足在于评价函数的构造相对困难，而且直接影响到诊 断结果的精确度；好的评价函数模型具有较高的容错性能；相反，不合适的评价 函数则有可能引起误判和漏判。 基于p e t r i 网的故障诊断方法：p e t r i 主要用于解决离散事件动态系统建模和 分析。而电网发生故障时，继电保护装置和断路器的动作则具有这样的特性。p e t r i 网的具体原理及步骤参看文献 2 0 2 3 1 ，这里限于篇幅，不做赘述。因此，p e t r i 网 在电网故障诊断领域的应用得到了广泛关注，也出现了改进的p e t r i 网，如有色 p e t r i 网、推理p e t r i 网、模糊p e t r i 网等。电网故障时继电保护和开关切除的动态 过程可以通过p e t f i 网中“变迁”的触发来实现。基于p e t r i 网的配电网故障诊断方 法优点在于：能够反映比较复杂的系统动态行为；可以对同时发生、次序发生或 循环发生的故障演化过程进行定性和定量分析；同时不足体现在：容错能力有限； 存在组合爆炸问题。因此主要应用于变电站故障诊断。 1 2 2 故障选线技术研究现状 我国l o k v 配电网数目庞大、分布面广，主要采用中性点不接地和经消弧线 圈接地方式，少数采用经高电阻接地方式，均属于小电流接地系统。配电网电压 等级较低，配电网故障中绝大部分是单相接地故障。由于小电流接地系统中，单 相接地故障时三相线电压保持对称，电源发电机和电力用户对单相接地故障并无 反应，短时不影响系统正常运行，所以我国电力规程规定，小电流接地系统可带 单相接地故障继续运行1 2 小时。这样能够提高供电持续性和可靠性，符合我国 配电网备用容量低，不能达到多电源供电的基本国情。 据初步估计，单相接地故障约占系统故障的8 0 以上，若发生单相接地故障 后，电网长期运行，可能会造成的以下危害：由于非故障相对地电压升高( 最大值 可升至线电压) ，系统中的绝缘薄弱点可能击穿，造成短路故障，使事故扩大；故 障点产生的电弧，长时间存在会烧坏设备，破坏系统安全运行，并可能发展成相 6 浙江人学硕i 二专业学位论文 第i 章绪论 f q 短路故障：还可能使电压互感器铁芯严重饱和，导致严重过负荷而烧毁，等等。 基于上述原因，迅速进行单相接地故障选线、查找故障点、排除故障是十分重要 的。然而，实际中对于单相接地故障的处理并不十分令人满意。 8 0 年代以来人们开始探索应用微机选线，提出各种选线原理，并研制出基于 不同原理的多种自动选线装置。目前国内生产选线装置的厂家多达数十家，虽然 各个厂家都宣称自己的装置选线准确，但从用户方面反馈的意见却是选线效果普 遍不好，这说明当前的选线技术并不成熟。目前已提出有代表性的选线技术 2 4 - 3 0 1 有：零序电流比幅法、零序电流相对相位法、群体比幅比相法、五次谐波分量法、 首半波法、基于负序电流的选线保护方法、基于小波分析的故障选线保护方法、 拉线法以及注入变频信号法等等。 目前，小电流接地系统单相接地故障选线技术按照利用信息不同可分为两类： 利用故障参数法和利用外加诊断信号法利用故障参数法又有利用故障稳态信息 和暂态信息之分。如采用基波或谐波零序电流的大小和方向进行故障选线、采用 注入信号法故障选线等等。虽然选线方法多样，但是实际应用情况却并不理想。 二十世纪八十年代以来，随着微机技术的不断成熟，多种微机在线自动选线装置 被研制出来，国内生产选线装置的厂家达到三十余家，虽然各厂家都宣称自己的 装置选线准确，但从用户方面返回的意见却是选线效果普遍不好虽然多数变电 站安装了选线装置，但因选线效果不理想而退出运行的较多，说明选线技术的实 用化程度还不高。 某大型地区电网先后安装选线装置1 7 0 台，因选线效果不佳，先后退出1 4 6 台，退出率为8 6 ，在沈阳、天津、唐山、保定、石家庄、贵阳等地的市区电网 的调查结果也基本相似，调研的结果表明平均8 0 的选线装置退出了运行，现场 依旧普遍采用由运行人员手动点灭选线，小电流接地选线装置处于有名无实的状 态。小电流系统发生单相接地故障时选线特征分量的检测存在以下难点：( 1 ) 现场 实际故障状况复杂，可能是理想的金属接地或稳定电阻接地，也可能是没有规则 的非线性电阻接地故障或电弧故障，对过渡电阻的适应性差；( 2 ) 现场各种干扰使 检测出的故障成分信噪比非常低，当经消弧线圈补偿后有用信号较小时，有用信 7 浙江人学硕一l ：专业学位论文 第1 章绪论 号不能被有效提取出来；( 3 ) 很多装置在故障发生后只利用几个周波数据进行故障 选线，这将增大选线的难度；( 4 ) 以往的研究缺少实验的检验，由于国内没有有效 的实验设备，在变电站挂网试验又常受到限制，所以选线装置存在的很多问题不 能通过实验暴露、分析、解决。 1 2 3 故障定位技术研究现状 我国中低压配电网大多采用中性点非有效接地运行方式( 俗称为小电流接地 系统) 。配电线路故障，尤其是单相接地故障的快速、准确定位，不仅对修复线路 和保证可靠供电，而且对保证整个电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要 的作用。 对于线路的相间短路故障，由于伴随出现过流现象，一般比较容易检测。但 是配电网单相接地故障是发生几率最高的故障类型。虽然规程规定单相接地故障 发生后系统可继续运行2 h ，但由于单相接地故障可能会进一步发展为两点或多点 故障，从而引起跳闸停电事故，所以，配电网故障定位主要是解决单相接地故障 的准确定位难题。 目前对于小电流接地系统故障定位的研究也大多集中在单相接地故障定位 方面的研究。许多学者对配电网的故障定位问题做了大量研究，主要可以概括为 三类：一类是以在线路端点处测量故障距离为目的的故障测距法；一类是故障发 生后通过向系统注入信号实现寻迹的信号注入法；还有一类是利用户外故障探测 器检测的故障点前后故障信息的不同确定故障区段的户外故障点探测法。下面将 对当前各种配电网故障定位方法的优缺点，阐述了目前故障定位存在的问题，并 由此提出了发展配电网络故障定位技术的研究思路。 1 ) 阻抗法 阻抗法的故障测距原理是假定线路为均匀线，在不同故障类型条件下计算出 的故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，从而通过计算故障时测 量点的阻抗或电抗值除以线路的单位阻抗或电抗值得到测量点到故障点的距离。 浙江人学硕一l ：专业学位论文 第1 苹纭论 该类方法通过对线路两端采集到的电压、电流数据进行滤波变换，将其分解 为各次谐波，得到工频分量；再根据分解原理( 对称分解、克拉克分解等) 建立线 路的正序或负序分布参数模型，按照线路故障特征( 故障点电压相等，过渡电阻 的纯阻特性等) 列写故障定位方程，求解其故障位置。该定位算法能适应系统运 行方式的变化，不受故障点过渡电阻、故障类型、故障距离等因素的影响，具有 很高的定位精度。 由于故障发生后的很短时间内，系统内电压、电流的频谱成分相当复杂，因 此对装置的滤波能力要求较高。文献 3 1 3 2 1 最先应用此原理得到故障定位公式， 并将s d f t 运用到滤波中，结果表明这一滤波方法可改善算法的定位精度，并可 增加算法的稳定性，使计算结果的精度受环境条件变化的影响更小。文献 3 3 1 通 过构建精确求解基频及整次谐波分量的非线性方程以及将其转化为线性方程进 行求解，并针对离散化积分引入的误差进行修正，将该滤波算法用于输电线路故障 定位方程后，取得了更高的精度。 故障定位方程一般是复杂的长线方程，因此方程的精确求解也是该方法的关 键。文献 3 4 】根据电压、电流的故障方程推导得故障位置的实数方程解，从而避 免对解实虚部的讨论，提高精度。文献 3 5 】引入遗传算法求解故障定位方程，采 用群体搜索和多父体重组策略，在一次搜索中算法可求得故障距离的多个解，有 利于伪根的判别，且计算速度快、精确度高。文献 3 6 3 7 】证明在上述利用长线方 程沿线推导故障点电压，电流方程的定位算法中，原理上存在伪根的可能性，在某 些情况下，会得到错误的定位结果；并对上述定位算法进行改进，提出了判别伪 根的原则，使其更具通用性。 阻抗法具有投资少的优点，但受路径阻抗、线路负荷和电源参数的影响较大， 对于带有多分支的配电线路，阻抗法无法排除伪故障点，它只适合于结构比较简 单的线路。 2 ) 行波法 行波法是目前在高压输电线路上应用较多的测距方法，主要利用三相行波幅 9 浙江人学硕卜专业学位论文第1 章绪论 值和相位的信息确定故障相，通过测量电压、电流行波在故障点及母线之间的传 播时间确定输电线路的故障距离。行波法一般采用电流行波，主要分为单端法和 双端法。 文献 3 8 提出通过识别来自故障点和不连续点的反射波来确定故障区段，从 而找出与故障点相关的两个反射波，并由这两个波的最大相关时间计算得到故障 点到检测端距离的单端行波测距方法。文献 3 9 1 将零模和线模分量相结合，用零 模分量对故障点反射波和对端反射波进行识别，用线模分量实现铁路自闭贯通线 路( 一种独特的配电线路) 的故障测距。上述两种方法从理论上可行，但由于配电 网结构复杂，混合线路接头处，线路分支处和负荷处均为波阻抗不连续点；行波 在波阻抗不连续点的折射和反射造成线路一端测得的行波波形将特别复杂，很难 正确识别出故障点的反射波，使测距实现困难文献【4 0 】提出利用双端行波法实 现故障测距，并解决了测距中波速度不连续的问题，有一定的实用性，但它只是 对双端行波故障测距做了简单仿真验证，对实际应用中面临的困难和关键技术问 题考虑不足，离实用化还有一定距离 利用行波实现故障测距的主要优点是构成简单、容易实现。但行波信号作为 高频暂态信号，易与噪声干扰相混淆，因此检测信号存在困难。行波测距的关键 是正确识别故障行波的波头及其对应时刻。小波分析作为一种时频分析方法可很 好地解决这个问题，小波变换的跨尺度分析可排除噪声干扰，因此采用小波变换 技术进行行波测距是目前比较成熟而且已经得到实际应用的测距方法。但是这种 采用小波变换技术的测距方法只在高压系统中应用较成熟。在架空线与电缆混合 的配电系统中，存在如下困难： ( 1 ) 因为电缆和架空线的波阻抗差异较大，所以行波在这种混合线路中的波 速不一致，不能简单地用1 个速度值v 来代替； ( 2 ) 由于配电网分支较多，行波在分支点会频繁发生折反射，其对应的小波 变换也能产生相应的模极大值，如何消除这些分支线路引起的小波变换模极大值 成为关键问题。 l o 浙江人学倾 ：专业学位论文第l 章绪论 3 ) s 注入法 s 注入法是利用故障时暂时闲置的电压互感器注入交流信号电流，通过检测 故障线路中注入信号的路径和特征来实现故障测距和定位 4 2 - 4 3 】。在发生接地故障 后，通过三相电压互感器的中性点向接地线路注入特定频率的电流信号，注入信号 会沿着故障线路经接地点注入大地，用信号寻迹原理即可实现故障选线并可确定 故障点。 不少电力部门要求在系统出现单相接地时选出接地线路后立即停电，在停电 状况下进行接地点定位。针对此种情况，文献 4 4 】在基于注入信号电流定位法的基 础上，提出了“直流开路，交流寻踪”的离线故障定位新方法。考虑到线路停电后 绝缘可能恢复，该方法首先通过外加直流高压使接地点处于保持击穿状态，然后 注入交流检测信号，通过寻踪注入的交流信号找出故障的准确位置。 s 注入法最大的优点在于其适合于线路上只安装2 相电流互感器的系统。其 缺点在于：注入信号的强度受p t 容量限制；接地电阻较大时线路上分布电容会对 注入的信号分流，给选线和定点带来干扰；如果接地点存在问歇性电弧现象，注 入的信号在线路中将不连续，给检测带来困难。该方法寻找故障点花费时间较长， 有可能在此期间引发系统的第2 点接地，造成线路自动跳闸。 1 3 本文的研究思路与主要工作 对于配电网的实时检测技术研究，上述的一些关键问题仍没有得到很好的 解决，本文的研究工作正是围绕这些问题展开。其主要内容和安排如下： ( 1 ) 针对传统故障诊断方法的不足，提出了一种基于r b f 神经网络的配电网 故障诊断方法。该方法基于r b f 神经网络的基本理论，并结合简单配电网模型， 提出了基于r b f 神经网络的配电网故障诊断模型；并阐述了本诊断方法的详细实 现流程的，进而通过算例证明了该诊断方法的有效性。该方法具有一定的容错能 力，而且有利于应用于实时诊断，具有工程应用价值。 ( 2 ) 在已有研究的基础上，采用信息融合模型进行配电网故障选线，通过小 波分析处理故障信号，采用基于改进的d s 证据理论对各个独立的证据体( 小波 1 l 浙江人学硕l - 专业学位论文 第1 苹绪论 信号表征) 进行融合，使得各个模糊不确定的结果经过融合后更能体现故障信号 本征，进而采用选线决策算法进行最后诊断决策，确定故障相。最后根据提出的 理论方法设计诊断模型的框架结构以便进行实际应用。 ( 3 ) 针对配电网查找故障点位置困难这一现状，提出了一种新型配电网的故 障定位系统。首先阐述了本章所提出的配电网快速故障定位系统工作原理，并对 系统实现的各个实现模块进行详细的介绍，其中作为核心模块，提出了一种基于 仿真匹配的配网故障定位算法，首先根据对称分量法和线性叠加原理，建立故障 后的附加正序网络并定义了故障定位因子；进而应用波形匹配原理，对故障时的 定位因子与仿真波形进行匹配，以决定故障发生的位置通；算例仿真验证了其在 电网运行中的先进性、可靠性 浙江人学硕士专业学位论文 第2 章基于r b f 神经网络的配电网故障诊断 2 基于r b f 神经网络的配电网故障诊断 本章提出了一种基于r b f 神经网络的配电网故障方法。首先综述了目前配电 网故障诊断的主流方法，其次，介绍了r b f 神经网络的基本理论，并结合简单配 电网模型，提出了基于r b f 神经网络的配电网故障诊断模型。最后，在阐述本文 诊断方法流程的基础上，通过算例证明了该诊断方法的有效性。该方法具有一定 的容错能力，而且有利于应用于实时诊断，具有工程应用价值。 2 1 理论基础 人工神经网络是采用物理系统来模仿人脑神经细胞的结构和功能的系统，他 的信息主要储存在处理单元之间的联结权上。同时，a n n 也成为了一门重要的交 叉学科，其主要用于研究复杂的多维非线性大系统中的信息分布、信息处理的理 论和方法，以及应用于实践工程问题。 目前，我们所建立的人工神经网络数学模型及其设计构造的人工神经网络是 对生物神经元结构和功能进行简化后的抽象与模拟。简化后的神经与结构如下图 2 1 所示： x o 图2 - 1 人工神经元模型 浙江人学顾t 专业学位论文第2 章基于r b f 神经网络的配电网故障诊断 它是一个多输入单输出的非线性元件，其输入输出关系可以表示为下式2 1 ： h = o - o , 1 = 1 j y i = 八i 、 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中，_ ( j - - 1 ，2 ，力) 是从其他细胞传来的输入信号，2 是神经元的阎值，屹 表示从细胞i 到细胞的联结权值( 对于激发状态取正值，对于抑制状态取负值) ， 挖为输入信号数目弘为神经元输出，f 为在传递函数，也称作激励函数，通常 包括阀值型函数和s 型函数，分别如下： ( 1 ) 阀值型函数：当咒取0 或1 时，s ( x ) 为阶跃函数，如下式2 - 3 所示： ( x ) = 三三三 ( 2 3 ) ( 2 ) s 型函数：通常是在( 0 ，1 ) 或( 1 ，1 ) 内连续取之的单调可微分函数， 常用指数或正切等一类s 状曲线来表示，如下式2 4 所示： 他) 。丽1 ( 力 。) ( 2 4 ) 或者s ( x ) = t a n h ( x ) ( 2 - 5 ) 当x 趋于无穷时，s 状曲线趋近于阶跃函数，通常情况下五取值为1 。 人工神经网络有很多模型，应用于不同的领域。目前应用最为广泛的是多层 前馈神经网络b p 网络和基于径向基函数r b f 的人工神经网络。以下对b p 网络 作简要介绍，由于本文采用r b f 神经网络，所以将在2 2 1 中对其原理作具体介 绍和分析。 b p 神经网络和r b f 神经网络在结构上类似，均为三层前馈网络，包括输入 层，中间层( 或称隐含层) 和输出层，如图2 2 所示。但