（电力系统及其自动化专业论文）基于人工神经网络的自适应距离保护应用研究.pdf

l i i il lii ii i lli i i i i iiil y 17 4 5 7 0 7 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e t h e a p p l i c a t i o na n ds t u d yo fa d a p t i v e d i s t a n c ep r o t e c t i o nb a s e do na n n m a s t e rc a n d i d a t e l if e n g g u a n g s u p e r v i s o r ：p r o f c h e ns h a o h u a j u n e2 0 1 0 f a c u l t yo f a u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，510 0 0 6 桶劈 摘要 随着电力系统的发展和对安全运行要求的提高，常规的继电保护原理和故 障诊断技术已经渐渐不能适应不断发展的系统要求，因此自适应继电保护越来 越受到重视，并已有广泛的研究。自适应距离保护的定值随系统运行方式和短 路类型的实际情况而改变，使保护装置能更灵敏并且更快地切除故障，性能也 得到显著提高。自适应距离保护系统在选择性、快速性和灵敏性方面明显优于 传统型距离保护系统，使现有电力网络能传送更多的功率，而且还改善电力系 统运行的灵活性和稳定性。但是自适应距离保护根本上还是以保护基本整定公 式为基础，只是使某个参数进行自适应处理，这样的代价就是算法复杂化，从 根本上摆脱不了整定计算的复杂过程。 神经网络具有极高的运算速度，它可以实时实现用数字计算机技术较难实 现的高精度最优算法。神经网络具有分布式存储知识的结构，它不仅可以存储 大量信息，而且连接权与连接结构都可以通过学习的训练得到。与普通计算机 保护相比，基于神经网络的继电保护具有更高的可靠性，具有更强的自适应性 和正确动作的能力。 本文首先介绍研究背景及人工神经网络在国内外的应用发展情况入手，对 自适应继电保护和人工神经网络应用知识进行介绍，分析人工神经网络的优势 及其在自适应继电保护的应用。 分析传统距离保护在双侧电源线路发生过渡电阻短路时存在的缺陷，运用 人工神经网络所具有的自适应能力、学习能力和模式识别能力，基于b p 神经网 络模型对自适应距离保护进行了分析和研究。使距离保护能够根据过渡电阻类 型的变化给出实时在线的判断。为了验证该模型的可行性，本文利用广东韶关 电网的南水电厂到泉水电厂双端电源供电系统为实例对其进行了仿真计算分 析，均得出正确的结果，从而验证所提方法的可行性和优越性。 关键词：自适应；距离保护；人工神经网络；b p 算法； a b s tr a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n dt h ea d v a n c e m e n to f s a f e t yr u n n m gr e q u i r e m e n t ，g e n e r a lr e l a yp r i n c i p l ea n dt h et e c h n o l o g yo ff a u i t s d l a g n o s t i cc a nn o tb es e a s o n e dw i t ht h ed e v e l o p i n gs y s t e mr e q u i r e m e n t s om a n v p e o p l eb e g i nt oa t t a c hi m p o r t a n c et ot h es e l f - a d a p t i v ep r o t e c t i o nm o r ea n dm o r ea n d s t u d yi tw i d e l y t h es e l f - a d a p t i v ep r o t e c t i o nf i x e dv a l u e c h a n g e sw i t hc i r c u l a t i o n m o d ea n dt h et y p e so fs h o r tc i r c u i ta n dm a k e sp r o t e c t i o nd e v i c eb em o r es e n s i t i v e b u ts e l f - a d a p t i v ep r o t e c t i o nb a s e so ne s s e n t i a ls e t t i n gf o r m u l a a b s tr a c t p o w e rs y s t e m k e yw o r d s ：s e l f - a d a p t i v er e l a y ；d i s t a n c ep r o t e c t i o n ；a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k ； b pa 1g o r i t h m s i i i 广东_ y - 业大学工学硕上学f i i 它- 丈 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 。2 继电保护技术的发展2 1 2 1 继电保护微机化3 1 2 2 继电保护的自适应_ 一4 1 2 3 人工神经网络的优越性6 1 3 基于人工神经网络在自适应继电保护的应用7 1 4 本文的研究目的及主要内容8 第二章人工神经网络基本理论及参数模型9 2 1 引言9 2 2 人工神经网络概述9 2 2 1 人工神经元模型9 2 2 2 人工神经网络的特点1 0 2 3b p 神经网络11 2 3 1b p 神经元模型1 2 2 3 2b p 网络模型1 3 2 3 3b p 网络的学习规则1 5 2 4 本章小结19 第三章自适应距离保护的比较分析一2 0 3 1 传统型距离保护2 0 3 1 。1 传统型距离保护的整定计算2 0 3 1 2 传统型距离保护的优缺点2 2 3 2 自适应距离保护2 4 3 2 1 四边型阻抗继电器2 4 3 2 2 接地短路阻抗继电器的接线方式2 6 3 2 3 自适应距离保护的原理分析2 8 3 2 4 自适应距离保护的优缺点3 4 3 3 本章小结3 4 第四章a n n 在自适应距离保护中的应用研究3 5 4 1 自适应距离保护的a n n 方法的提出3 5 4 2 自适应距离保护的a n n 方法的解决方案3 6 4 3 自适应距离保护的a n n 模型参数和结构3 6 4 3 1 输入、输出层神经元数目确定3 6 4 3 2 确定隐含层数目3 7 4 3 3 确定隐含层神经元数3 7 4 3 4 样本归一化3 8 4 3 5 初始权值的选择3 9 4 3 6 模型的确定3 9 4 4 应用举例4 0 4 3 1 模型的建立和仿真4 0 4 3 2 故障特征网络的训练4 6 4 5 本章小结5 0 第五章a n n 构成的自适应距离保护系统硬件设计探讨5 l 5 1a n n 在接地距离保护应用中的原理结构5 l 5 2 数据采集单元设计5 1 5 2 1 模型模拟量输入设计5 2 5 2 2 模拟低通滤波器( a l f ) 5 2 5 2 3 采样保持( s h ) 电路5 3 5 2 4 模拟量多路转换器5 3 5 2 5 数模转换器( a d ) 5 3 5 3 基于人工神经网络的自适应距离保护的硬件结构5 4 5 4 神经网络技术应用到实际线路保护的优势5 5 5 5 本章小结5 5 v 凸扛七 心三口5 6 参考文献5 8 攻读学位期间发表的论文6 2 独创性声明6 3 致谢6 4 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c h a p t e rii n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2t h ed e v e l o p m e n to fr e l a yp r o t e c t i n o n 2 1 2 1 c o m p u t e rc o n t r o l i n go fr e l a yp r o t e c t i o n 3 1 2 2t h es e l f - a d a p t a b i l i t yo fr e l a yp r o t e c t i o n 4 1 2 3t h ea d v a n t a g eo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 6 1 3t h e 印p l i c a t i o no fa n ni ns e l f - a d a p t a b i l i t yr e l a yp r o t e c t i o n 7 1 4t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i sa n dt h em a i n c o n t e n t 8 c h a p t e ri i t h eb a s a lt h e o r ya n dm o d e l i n go f a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 9 2 1i n t r o d u c t i o n 9 2 2s u m m a r i z ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 9 2 2 1t h em o d e lo fa r t i f i c i a ln e r v ec e l l 9 2 2 2t h ec h a r a c t e r i s t i co fn e u r a ln e t w o r k 1 0 2 3b pn e u r a ln e t w o r k 1 1 2 3 1t h es t r u c t u r eo f b pn e u r a ln e t w o r k 1 1 2 3 2t h em o d e lo fb pn e u r a ln e t w o r k 1 3 2 3 3t h em o d e lo fb pn e u r a ln e t w o r kl e a r n i n gr u l e 1 5 2 4s u m m a r ) ro ft h i sc h a p t e r 1 9 c h a p t e ri i it h ea n a l y s i so fs e l f - a d a p t i v ed i s t a n c ep r o t e c t i o n 2 0 3 1c o n v e n t i o n a ld i s t a n c ep r o t e c t i o n 2 0 3 1 1t h es e t t i n go f c o n v e n t i o n a ld i s t a n c ep r o t e c t i o n 2 0 3 1 2t h ev i r t u ea n ds h o r t c o m i n go fc o n v e n t i o n a ld i s t a n c ep r o t e c t i o n 2 2 3 2s e i f - a d a p t i v ed i s t a n c ep r o t e c t i o n 2 4 3 2 1q u a d r a n q l ei m p e d a n c er e l a y 2 4 v i i 3 2 2t h ec o n n e c t i o na n df a s h i o no f g r o u n d i n gi m p e d a n c er e l a y 2 6 3 2 3t h ea n a l y z i n go f s e l f - a d a p t i v ed i s t a n c ep r o t e c t i o n 2 8 3 2 4t h ev i r t u ea n ds h o r t c o m i n go f s e l f - a d a p t i v ed i s t a n c ep r o t e c t i o n 3 4 3 3s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 3 4 c h a p t e ri vt h es t u d yo f a n ni ns e l f - a d a p t i v ed i s t a n c ep r o t e c t i o n 3 5 4 1p u tf o r w a r da n n i ns e l f - a d a p t i v ed i s t a n c ep r o t e c t i o n 3 5 4 2t h eb l u ep r i n to f a n ni ns e l f - a d a p t i v ed i s t a n c ep r o t e c t i o n 3 6 4 3t h em o d e la n dp a r a m e t e ro f a n ni ns e l f - a d a p t i v ed i s t a n c e p r o t e c t i o n 3 6 4 3 1i n p u ta n do u t p u tl a y e rn e u r o n s t od e t e r m i n e 3 6 4 3 2d e t e r m i n et h en u m b e ro f h i d d e n l a y e r 3 7 4 3 3d e t e r m i n et h en u m b e ro f n e u r o n si nt h eh i d d e nl a y e r 3 7 4 3 4s a m p l e sn o r m a l i z e d 3 8 4 3 5t h ec h o i c eo fi n i t i a lw e i g h t s 3 9 4 3 6m o d e lt od e t e r m i n e 3 9 4 4 i l l u s t r a t e 4 0 4 4 1 m o d e l i n g 4 0 4 4 2t h et r a i n i n go ff a u l ts u b n e t 4 6 4 5s u m m a r yo ft h i sc h a p t e 5 0 c h a p t e rva n nd i s t a n c ep r o t e c t i o ns y s t e mh a r d w a r ed e s i g 5 1 5 1a n n a p p l i c a t i o n si ng r o u n dd i s t a n c ep r o t e c t i o np r i n c i p l es t r u c t u r e 一5 1 5 2d a t aa c q u i s i t i o n u n i t 51 5 2 1a n a l o gi n p u t d e s i g n 5 2 5 2 2a n a l o gl o w - p a s sf i l t e r ( a l f ) 5 2 5 2 3s a m p l ea n d h o l d ( s h ) c i r c u i t 5 3 5 2 4a n a l o gm u l t i p l e x e r 5 3 5 2 5d i g i t a lt oa n a l o g ( a d ) 5 3 5 3a n nb a s e d a d a p t i v ed i s t a n c ep r o t e c t i o no ft h eh a r d w a r es t r u c t u r e 5 4 5 一a n nt e c h n o l o g yt ot h er e a la d v a n t a g e so fl i n ep r o t e c t i o n 5 5 5 5 s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 一5 5 v i i i c h a p t e rv is u m m a r y 5 6 r e f e r e n c e s 5 8 p u b l i s h e dp a p e r sd u r i n gs t u d i n gf o rm a s t e rd e g r e e 6 2 o r i g i n a ls t a t e m e n t 6 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 4 i x 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，随着我国国民经济的快速发展，电力建设的步伐也在不断加快。 装机容量从解放初期1 9 4 9 年的1 8 5 万k w 增长到2 0 0 9 年底的8 7 4 亿k w ，年均 装机容量增长率超过1 0 。全国总发电量也迅速提高，2 0 0 9 年全国发电量达到 3 6 5 万亿k w h ，其中火电2 9 8 万亿k w h 、水电5 5 4 5 亿k w h 、核电6 9 2 亿k w h 。 从1 9 9 6 年起，中国电网总装机容量和总发电量均居世界第二。 电网规模逐步扩大，为了满足大容量长距离的送电需求，系统运行电压等 级也在不断提高。1 9 7 2 年建成第一回3 3 0 k v 线路，1 9 8 1 年建成第一回5 0 0 k v 交流线路，19 8 9 年建成第一回5 0 0 k v 直流线路，2 0 0 5 年底在西北电网建成了 第一条7 5 0 k v 交流线路，2 0 0 9 年世界上第一个特高压直流输电工程南方电网 8 0 0 k v 特高压直流系统正式投入运行。随着电网电压等级的提高，网络规模也 在不断扩大，我国己经形成了6 个跨省的大型区域电网，既东北电网、华北电 网、华中电网、华东电网、西北电网和南方电网，并且网络之间也出现了互联 ( 如华中、华东之间5 0 0 k v 直流输电线路) ，以后全国所有的电力网络将互联 成一个大系统，输电线路的电压等级还将提高到1 0 0 0 k v 。因此对继电保护的要 求越来越严格。 面对日趋复杂的网络结构，电网运行安全问题日益突出，对继电保护性能 提出新的更高要求。与此同时，线路保护新原理研究的不断深入，运行经验的 不断积累及计算机技术的快速发展，使得研制开发功能更加完善、智能化水平 更高的新型微机高压线路保护成为可能。因此，利用线路保护原理研究的新成 果，以高性能硬件平台为基础，研究和开发性能更好的高压线路微机保护是当 前一项具有重要理论和现实意义的研究课题【1 1 。 本论文受广东省教育厅基金项目资助，项目编号z 0 2 0 3 3 广东工业大学工学硕士学位论丈 1 2 继电保护技术的发展 继电保护技术是随着电力系统的发展而发展起来的。电力系统的飞速发展 又对继电保护不断提出新的要求。同时，电子技术、计算机技术与通信技术的 飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力。 电力系统中的短路故障是不可避免的，短路必然伴随着电流的增大，因而 为了保护电力设备免受短路电流和破坏，首先出现了反应电流超过预定值的过 电流保护。熔断器就是最早的、最简单的过电流保护。1 9 世纪9 0 年代出现了装 于断路器上并直接作用于断路器的一次式( 直接反应于一次短路电流) 电磁型 过电流继电器。 1 9 0 1 年出现了感应型过电流继电器，1 9 0 8 年提出了比较被保护元件两端电 流的电流差动保护原理，19 10 年方向性电流保护开始得到应用。2 0 世纪2 0 年 代初出现了距离保护装置，随着电力线载波通信的发展，在1 9 2 7 年出现了利用 输电线本身传送和比较输电线两端功率方向和电流相位的高频保护装置。2 0 世 纪5 0 年代出现了利用微波传送和比较输电线两端故障电气量的微波保护。现在， 随着光纤通信在电力系统中的广泛采用，利用光纤传送和比较输电线两端幅值 和相位的光纤保护成了电力系统中主要的纵联保护方式。 与此同时，构成继电保护装置的元件、保护装置的结构形式也发生了巨大 的变革。2 0 世纪5 0 年代以前的继电保护装置都是由电磁型、感应型或电动型继 电器组成的，这些继电器都具有机械转动部件，统称为机电式继电器，由这些 继电器组成的继电保护装置称为机电式保护装置。自5 0 年代末，由于半导体晶 体管的发展，开始出现了晶体管式继电保护装置，6 0 年代中期到8 0 年代中期是 晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。这种保护装置体积小，功率消耗 小，动作速度快，无机械转动部分，称为电子式静态保护装置。从7 0 年代中期， 基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究，到8 0 年代末集成电路保护已 形成完整系列，逐渐取代晶体管保护，到9 0 年代初集成电路保护的研制、生产、 应用仍处于主导地位，这是集成电路保护时代。在6 0 年代末，有人提出用小型 计算机实现继电保护的设想，在7 0 年代后半期，出现了比较完善的微机保护样 机，并投入到电力系统中试运行，8 0 年代微机保护在硬件结构和软件技术方面 已趋成熟，并已在一些国家推广应用。 2 一一一 第一章绪论 总的看来，继电保护技术的发展可以概括为三个阶段、两次飞跃。三个阶 段是机电式、半导体式、微机式。第一次飞跃是由机电式到半导体式，主要体 现在无触点化、小型化、低功耗。第二次飞跃是由半导体式到微机式，主要在 数字化和智能化。第二次飞跃有着尤为重要的意义，它为继电保护技术的发展 开辟了前所未有的广阔前景。因此应该立足于充分发挥微机保护的智能作用， 根据电力系统发展的需要，利用相关技术的新成就，把继电保护技术提高到一 个更高的水平。 1 2 1 继电保护微机化 数字式电子计算机技术的发展和应用，广泛而深入地影响着科学技术、生 产和生活的各个领域。它给各部门的面貌带来了巨大的并且往往是质的变化。 计算机技术同样也影响到继电保护技术的发展。 在继电保护技术领域，除了离线应用计算机作故障分析和继电保护装置的 整定计算、动作行为分析外，2 0 世纪6 0 年代就有人倡议用计算机构成保护装置， 至7 0 年代初，计算机保护的研究主要是做理论探索工作，着重于算法研究、数 据适配、数字滤波及实验室做样机实验等。由于当时技术和经济条件的限制， 还不具备商业性地生产这类保护装置的条件，这一阶段只有个别单位对计算机 保护作了一些现场试验，未进入实用，但大量研究成果却为计算机保护的进一 步发展奠定了必要的理论基础。在7 0 年代中期，计算机技术出现了重大突破， 大规模集成电路技术的飞速发展及应用，使得微型处理器和微型计算机进入了 实用阶段，表现在体积减小、价格大幅度降低，可靠性及运算速度大大提高等 优点，从而带来了微型机继电保护研究的热潮【2 ， 。 由于微机式保护比模拟式保护具有许多无可比拟的优点，因此，它的出现 很快便得到电力系统继电保护运行单位的接受和欢迎，使微机保护逐渐趋于实 用。到7 0 年代中后期，国外便已有少数的样机在电力系统中试运行。迄今为止， 日、美、英、澳等西方国家己制造出多种不同功能的微机保护，广泛地应用于 电力系统继电保护及自动控制装置等领域。我国的计算机保护研究起步较晚， 直到七十年代末期方开始从事这方面的研究及探索，但在我国继电保护工作者 的辛勤工作下，进入实用阶段并不比国外先进国家晚。从1 9 8 4 年第一台微机线 广东工业大学工学硕士学位论之 路保护装置投入现场试运行至今二十多年的时间内，在输电线路保护、元件保 护、变电站综合自动化、故障录波及测距等方面均取得了引人注目的成果。 尽管目前微机保护已取得了如此迅猛地发展，大有全面取代传统保护的趋 势，然而仍应冷静地看到，在微机保护装置中，计算机潜在的智能作用还有待 进一步发挥。虽然计算机保护具有高速运算和逻辑判断能力、强大的记忆能力 以及其固有的可编程特点，可是如何更充分地在继电保护技术中发挥其智能作 用，仍然是当前一个有待深入研究的重要领域，而自适应继电保护是其中一个 充满希望的研究方向。 随着计算机保护的发展，自适应保护的研究已开展多年，取得了令人注目 的丰硕成果，但是用于实际生产的自适应保护装置还是很少，因此大力开展自 适应继电保护的研究有着重要的理论和现实意义。 研究自适应继电保护的首要任务是解决现在的继电保护中存在的问题，而 其最终目标则是使继电保护更趋于完美。从1 9 8 4 年原华北电力学院推出第一套 微机距离保护装置以来，国内各高校、科研、生产单位已陆续研制和生产出适 用于线路和元件的各种微机保护装置，它们已完全有能力取代传统的模拟式保 护装置，从而使我国的微机进入当前国际先进行列，但不能忽视目前微机保护 存在的问题。 不少微机保护装置的原理和性能基本上与传统保护一样，只是实现手段不 同而己，传统保护中存在的问题，在微机保护依然存在，并未得到更好的改进 或解决。出现这种情况，其原因之一是对微机的智能作用认识不足或没有找到 有效的方法进一步发挥其智能作用；其次是受长期形成的模拟式保护思维方式 的束缚。为了使我国的微机保护进一步提高智能化的水平，取得突破性的进展， 自适应保护是一条正确有效的途径。 1 2 2 继电保护的自适应 自适应继电保护是在上个世纪8 0 年代末提出的一个较新的研究课题 e 】。由 于电力系统状态的复杂，自适应保护的研究范围相当广泛，涉及到输电线路、 变压器、发电机、重合闸、负荷、频率、故障继电器等。目前，被广泛接受的 对自适应继电保护的定义是能根据电力系统的运行工况或故障状态而实时改变 4 第一幸绪论 保护的性能、特性或定值的保护。 自适应保护的基本思想是使继电保护算法能尽可能地适应电力系统的各种 变化，进一步改善继电保护装置的性能。电力系统由为数众多的电源设备、送 变电设备、线路和各种用户组成，其运行状态( 其中包括用户负荷的变化，设备 的投切，发电机的出力变化等) 处于频繁的变化之中，除上述正常运行情况外， 电力系统中还可能发生各种类型的故障，故障可能是瞬时性的或永久性的，可 能是金属性短路，也可能是经过渡电阻短路等。因此要适应电力系统的变化， 的确是一项十分困难的任务。 事实上，传统的继电保护在某种程度上亦是具有一定自适应性的，例如电 流速断保护的整定值，是按系统最大运行方式下，线路末端发生三相短路考虑， 过电流保护是按线路的最大负荷电流考虑及在距离保护中考虑了防止系统振荡 误动的方法等。由此可见，自适应保护并不是一个新提出的概念，它早己存在 于传统继电保护之中。 自适应保护的应用场合在继电保护的实现同系统的运行方式密切相关时采 用，如果在继电保护系统设计时，使继电保护系统的功能及特性能根据系统的 运行状态改变而改变，并使其整定值具有一定的自适应性，那么这样的继电保 护系统方可称为具有自适应性的继电保护。因而，使继电保护能完全适应系统 条件或保护对象的变化是自适应保护思想的基本出发点。微机保护的出现及 d s p 技术在微机保护中的应用，使自适应思想的应用得到了进一步体现，亦给 自适应保护的实现提供了强有力的手段。 电力系统继电保护实质上属于电力系统自动控制的范畴，它的主要作用是 切除发生故障的设备以保证电力系统的正常运行，同时也包括自动重合闸。当 我们考虑自适应保护时，就必须进一步计及电力系统运行状态和故障过程的变 化。从这一观点来看，自适应保护实质上是一个具有反馈的控制系统。在自适 应继电保护中系统运行状态和故障过程变化的信息，可以就地获得或利用各种 通信方式从调度或相邻变电站得到。电力系统调度自动化和变电站的综合自动 化以及微机的智能作用，为获得更多的有用信息并加以实时处理提供了有利条 件。就地获取信息简单易行，应首先予以考虑。利用通信方式由远端获取信息 比较复杂，对快速传送数据信息的要求也较高，但如能显著改善保护性能且通 道能满足要求，用这种方式实现自适应保护也是合理的。 广东工业大学工学硕士学位论丈 1 2 3 人工神经网络的优越性 在计算机保护中，计算机运算能力与实现最优算法所应实时完成的运算量 之间存在着矛盾。神经网络的应用为解决这一矛盾提供了极好的条件。计算机 保护的算法对保护的动作特性、精度等起着决定性的作用。为了保证保护正确、 灵敏地动作，一般应优先采用高精度最优算法，这时常需要完成较大的运算量。 如最小二乘算法精度虽高，但实际运算量很大，在普通计算机保护中的应用受 到了限制。神经网络具有极高的运算速度，在继电保护中若应用神经网络技术， 可以实时实现用数字计算机技术较难实现的高精度最优算法。 神经网络具有分布式存储知识的结构，它不仅可以存储大量信息，而且连 接权与连接结构都可以通过学习和训练得到【7 】。因此，不管电力系统发生多大的 变化，如果系统可以仿真，那么只要事先利用仿真结果( 或运行经验数据) 对 神经网络进行训练，使其产生所要求的响应。在运行中，若加入神经网络的信 号是训练过的，那么一定会产生正确的输出；若加入信号未经过训练，那么神 经网络也能在已存储的知识中找到与输入信号匹配最好的知识为其解，据此将 输入信号归并分类为已存知识中的某一类，产生相应输出，正确地推断出系统 的状态。由于在对输入信号分类的过程中依据大量的知识( 存储在权中的知识) ， 所以正确区分故障与正常的能力很强，可靠性很高。 神经网络系统是一个高度复杂的非线性动力学系统。如果说神经元的结构 和功能还算简单的话，由大量神经元构成的网络系统的行为却是绚丽多姿和复 杂异常的。在人工神经网络中如何把简单的人工神经元连接成复杂的、功能强 大的系统，又如何去分析复杂系统的行为，是我们需要着重注意的问题。 与普通计算机保护相比，基于神经网络的继电保护具有更高的可靠性。普 通计算机保护采用自检、自诊断技术以及冗余措施可以提高其可靠性。但这必 须是建立在计算机状态完好和正确的故障诊断基础上。由于设计、制造或技术 等多方面的原因，在普通计算机保护中，往往存在着一些部件计算机无法对其 进行故障检测和诊断，这些部件的损坏有可能波及其它部件，引起装置的误动 作；存在着计算机无法检测和诊断的故障，这些故障有可能影响装置的正常工 作。计算机保护的可靠性很大程度上取决于其核心部件计算机。传统的数字计 算机是将数据存储的特定的存储单元中，对数据的运算也是由特定的运算单元 6 一 第一幸绪论 来完成，因此某一单元的损坏计算机就不能正常工作，从而导致整个保护装置 的瘫痪。神经网络是由大量单元广泛互连而成的网络，它将知识与信息分布存 储在各个神经元之间的权中，其运算过程是由许多并行的处理单元( 神经元) 来完成，局部或部分的神经元损坏不影响全局的活动。所以神经网络比一般计 算机承受硬件损坏的能力强得多，以神经网络为核心的继电保护系统( 简称基 于神经网络的继电保护) 硬件的可靠性更高。 1 3 基于人工神经网络在自适应继电保护的应用 人工神经网络所具有的并行运算能力、极强的自适应性、高度的鲁棒性和 容错能力，对于非线性系统的求解比传统计算方法有着无与伦比的优势，它弥 补了传统方法的单纯依靠数学求解的不足，解决了某些传统计算方法难于求解 或不能求解的问题，很适合于处理电力系统这样复杂的非线性大规模动态系统 s - i o 。近十几年来，a n n 在故障诊断、智能控制、继电保护、优化运算、负荷预 测等方面有相当多的应用研究成果出现。利用a n n 的高度并行运算能力，可以 实时实现难以用常规保护实现的最优算法；利用a n n 的高度并行处理和近似推 理，可以实现对电力系统运行方式和故障类型的准确诊断和识别；利用a n n 的 高度容错能力，可使继电保护具有更高的可靠性；利用a n n 的自适应和自学习 能力，能使继电保护和故障诊断具有更强的自适应能力等。a n n 在电力系统继 电保护中的应用已经取得了一些成果，为电力系统的运行和建设产生积极作用。 人工神经网络在继电保护方面的研究工作基本上是依据人工神经网络的分 类能力进行的，利用能反映故障特征的样本数据来对a n n 进行学习训练，再用 学习训练后的a n n 对电力系统的故障进行识别和判断。这种依据a n n 的分类 能力实现的保护方法需要大量能反映故障特征的样本数据进行学习训练，只有 经过大量能反映故障特征的样本数据学习训练之后，这种保护方法的性能才趋 于优良，反映故障特征的样本数据愈完整，该种保护方法性能愈优良。a n n 在 继电保护中虽然完成了不少出色的工作，但也存在一些问题，如自适应优化算 法如何利用a n n 实现比常规优化算法获得更快的运算速度和更好的性能；保护 定值及动作特性的自适应调整如何运用a n n 的自学习能力，根据系统不同的运 行状况自动调整保护的定值和动作特性等问题都需要研究人员对a n n 理论作更 7 广东x - 业大学工学硕士学位论丈 深入的理解，从不同的角度去研究、探讨。同时算法的研究、特征样本变量的 选取研究对于加快运算速度、提高判断的可靠性以及对于保证网络的分类能力、 网络推广能力、网络的容错能力等方面还有许多工作要做。 1 4 本文的研究目的及主要内容 本文基于人工神经网络对自适应继电保护进行研究，并讨论人工神经网络在 自适应距离保护中的应用。根据电力系统故障的特点，分析距离保护的保护范围 与阻抗继电器工作原理的关系及其在系统短路时存在过渡电阻不能正确反应的缺 点。利用人工神经网络方法，通过大量故障样本的训练，集中充分考虑了样本各 种情况，则能在发生任何故障时做出正确判别的这个优点。把人工神经网络引入 到自适应距离保护中，由站计算机采集所需的数据，经过处理，将这些相关的数 据输入已训练好的人工神经网络中。由a n n 估算倾斜角a 供给距离保护作为动作的 判据，以达到在自适应距离保护中为解决计算倾斜角a 的复杂的非线性问题。 全文共分五章； 第一章论述人工神经网络的优势及其在自适应继电保护的应用，介绍该领域 的研究背景、现状及发展。 第二章介绍人工神经网络的基本算法和参数模型。 第三章对传统型距离保护和自适应距离保护进行了比较分析，指出了它们的 不足之处。 第四章介绍如何采用b p 神经网络来实现距离保护的自适应，并利用广东韶关 电网的南水电厂到泉水电厂双端电源供电系统为具体实例进行求解，得出了和实 际相符的正确数据，从而证明所提方法的可行性和优越性。 第五章对a n n 构成的自适应距离保护系统硬件设计探讨。 最后部分总结全文的主要特色和本人所做的工作，并指出存在的问题，并阐 述对未来研究工作的展望。 8 第二章人工神经网络基本理论及参数模型 第二章人工神经网络基本理论及参数模型 2 1 引言 神经网络是人们在模仿人脑处理问题的过程中发展起来的一种新型智能信 息处理理论，它通过大量神经元的简单处理单元构成非线性动力学系统，对人 脑的形象思维、联想记忆等进行模拟和抽象，实现与人脑相似的学习、识别、 记忆等信息处理能力。神经网络在经历了几十年的曲折发展之后，在信息科学 领域等许多应用方面已显示出了巨大潜力和广阔的应用