（电力系统及其自动化专业论文）小电流单相接地选线算法有效性及多判据融合.pdf

华北电力大学 ( 北京 硕士学位论文 第一章绪论 11 问题的提出 电力系统中性点接地方式可划分为两大类:大电流接地方式和小电流接地方 式。在大电流接地方式中，主要有:中性点直接接地方式、中性点经低电阻、低电 抗或中电阻接地方式; 在小电流接地方式中， 主要有: 中性点经消弧线圈接地方式、 中性点不接地方式和中性点经高电阻接地方式等。电力系统中性点接地方式是一个 系统工程问题，选择哪一种接地方式，必须充分考虑地区特点、电网结构、供电可 靠性、继电保护技术要求、电气设备的绝缘水平、过电压水平、人身安全、对通讯 的影响以及运行经验、历史因素等，通过技术经济比较，加以确定 一 习 。 我国配电网中， 6 6 k v 和3 6 k v 电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式， 3 k v - 1 0 k v 电网则以中性点不接地方式为主， 个别地区如上海以及北京、 广州等的部分城 市电网采用小电阻接地方式。 小电流接地系统的故障绝大多数是单相对地短路故障。小电流接地系统在发生 单相对地短路故障时，由于大地与中性点之间没有直接电气连接或串接了电抗器， 因此短路电流很小， 保护装置不需要立刻动作跳闸， 从而提高了系统运行的可靠性。 尤其在瞬时故障条件下，短路点可以自 行灭弧恢复绝缘，不需要运行人员采取什么 措施，这对于减少用户短时停电次数具有积极意义但是随之而来的问题是:如果故 障是永久性的，系统仅仅允许在故障情况下继续运行1 -2个小时，此时运行人员 必须尽快查明短路线路和短路点， 以便采取相应对策解除故障， 恢复系统正常运行。 这就提出了小电流接地系统的单相接地故障选线问题。 在中性点直接接地系统中，一旦某条出线发生单相接地短路故障，就会产生很 大的零序故障电流，从而启动保护装置动作跳闸。小电流接地系统的优点是接地故 障零序电流小，然而在判断故障线路时，这恰恰成了一个非常不利的因素， 微弱的 零序电 流往往混杂在各式各样的千扰信号中间。长期以来，人们针对这个问 题做了 大量的研究，基于不同的原理，提出了许多解决方案，有的已经开发出选线装置并 在实际工作中取得了一定的应用。但是从现场使用情况来看，这些方法的选线效果 并不十分理想，普遍存在着误选、漏选的情况。其主要原因在于: ( 1 ) 小电流接地系 统零序阻抗大， 并受故障接地过渡阻抗的影响， 故障电流小， 故障线路与非故障线路 的区别不明显; ( 2 ) 受各种千扰因素的影响， 故障选线装置测量到的故障特征量( 如 零序电流、零序功率方向等) 具有很大的模糊性和不确定性。通常这些干扰的影响 程度与故障检测的手段有关， 同一干扰信号对不同的故障检测手段的影响相差较大 所以没有哪种单一选线方法能够保证对所有故障类型都有效。 因此，我们认为有必要对小电流接地系统单相接地故障选线的各种算法进行进 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 一步的分析研究，确定各种算法的有效区域， 利用各种算法的互补性， 扩大能够正确 选线的故障范围， 提高选线结果的可靠性。 这正是本课题选题的出发点和目的所在。 1 . 2 寻求解决方案 小电流接地系统单相接地故障后的信号中含有各种各样的故障信息，如稳态基 波分量， 高频暂态分量， 现在的各种算法就是利用了各种故障信息构成的故障判据。 然而对不同故障条件下的故障信息分析表明，随着故障条件的不同，故障信息也会 有变化，有些算法可能会失效，所以根据不同算法作出的判断结果的准确度也往往 不同。理论和实践都表明，没有一种选线方法能够保证对所有故障类型都有效，每 种选线判据都有一定的适用范围， 也都有各自 的局限性， 需要满足一定的适用条件。 所以，仅靠一种判据进行选线是不充分的。迄今为止还不存在万能型、无条件选线 判据，因为如果存在，选线问题就已经解决了。 在这种现实状况下， 一种可行的办法是使用多重选线判据来构成综合判据， 利 用各种判据选线性能上的互补性扩大正确选线的故障范围，提高选线结果的可靠 性。因为每一种选线判据的适用条件是不同的，针对某个故障样本，一种判据的适 用条件可能不满足， 但另一种判据的适用条件可能能够满足，几种判据覆盖的总的 有效故障区域必然大于单个判据的有效故障区域。 信息融合作为一门研究信息综合分析处理技术的新兴边缘学科， 强调在自 动控 制领域中利用多源信息进行综合分析推理以提高控制的精度和鲁棒性。近年来，用 于信息融合的计算智能方法主要包括:模糊理论、神经网络、粗糙集理论等fi j 。其 中模糊理论己在实践中证明是现代智能技术中最重要的技术之一，是处理复杂不确 定问题的方法。模糊理论是用数学方法研究和处理具有 “ 模糊”现象的一门科学。 这里所谓的 模糊性主要是指有关事物差异的中间过度的不分明性8 1 ， 这种属性也反 映在小电流故障选线中。 例如“ 某一故障特征的明显程度” 、“ 某一方法的有效性” 等等均没有精确的度量，存在一定的模糊性。模糊理论能通过建立相应的隶属函数 有效地处理这种模糊性，将不分明性转换为确切的数值描述 卜 幻 。 所以，本文考虑利用模糊理论解决算法有效性以及多判据融合问题，这是小电 流接地系统故障选线智能化发展的一个方向。 3 论文工作的主要内容 本论文共分三个部分。 第一部分( 第二章) 在论述电力系统接地方式选择的基础上，着重分析了中性点 不接地和经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的情况，并分析现有的各种算线 方法，指出各自的优缺点。 第二部分( 第三章) 主要讨论信息融合技术以及模糊理论的特点及其为什么适 华北电力大学 ( 北京)硕上学位论文 用于我们所要解决的问题。模糊理论是个数学工具，有着严密的理论体系。但由于 我们的着眼点是它的工程应用，就略去一些繁琐的证明和推论，而从应用所关心的 的各个角度去理解它，以期给出一个清晰的概念。 第三部分( 第四、五章) 是全文的核心，论述我们如何把模糊理论应用于小电流 接地系统的选线问题。并给出了仿真结果以及现场应用实例，验证了算法的有效性 和必要性! 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章小电流接地系统及其故障选线算法 为了对小电流接地系统的特点以及发生单相接地故障后的情况有个清楚的概 念，本章将详细分析了单相接地故障后的运行情况，指出影响算法的一些因素，并 对主要算法的优缺点作一分析。 2 , 1小电流接地系统单相接地故障分析 本节将对小电流接地系统单相接地故障的原理进行分析，认识小电 流接地故障 选线的原理和了解选线问题的相关r素，为小电流选线技术的研究和讨论做准备。 在小电流接地系统中发生单相接地故障的情况下，单相短路接地故障将不会形 成大电流的回路， 故障电流主要由线路对地电容提供。 这个电流在数值上是很小的。 对于1 o k v架空线路来说，每3 ( 公里线路产生大约1 安培的零序电流。电缆线路产生 的零序电流稍大一些。这样微弱的故障信号混杂在上百安培的负荷电流中，使得传 统的基于过流、方向、距离等原理的继电保护装置根本不可能正确反应故障情况。 下面，我们将仔细分析一下在小电流接地系统中发生单相接地故障之后的情形。 为了方便论述， 先从直观的电容电流的分布考虑，继而描述零序网络电流的流动， 最后给出严格的理论分析。由于分析的目 的在于为这个问题给出一个清晰的说明， 所用的模型将做一定的简化。 不论是架空线路还是地下电缆，各相导线之间以 及每相导线与大地之间都存在 着分布电容，如图2 . 1。一般来说，线路零序电容的大小与线路的长度、导线的半 径、几何均距以及线路与地面的距离等因素有关。在考虑线路充分换位的情况下. 相间电容是相等的，即c a b = c b c = c a c ，并且，三相的对地电容也是对称的，即 c a = c b = c c a 因为系统的中性点对地阻抗很大， 因此系统中任一点的零序阻抗都很大。 对零序电流而言，线路或者其他元件的串 联阻抗，比以线路对地导纳表示的并联阻 抗小得多。因此在小电流接地选线问题的研究中，忽略这些串联阻抗，主要分析各 相对地的电容组成的回路。对子系统中一相发生接地故障的情况如图2 . 2( 以中性 点不接地系统)所示。 a 一 爹cac 图2 . 1线路导线与大地的分布电容 华北电力大学 日匕 京)硕士学位论文 非故障线路 anc 高压/ 中压 a b 故障线路 c 图2 . 2 不接地系统的单相接地故障 在故障前，系统正常运行，三相对地有相同的电容 ，变压器中性点电压可以 认为等于0。此时各相线路对地电压为相电压，并产生超前于相电压9 0。的三相 对称的电容电流，其和为零，相量图如图2 . 3所示 ( 以a 相金属性接地为例)。 a正常运行 b a 相接地 图2 . 3正常和故障情况下三相电压和电容向量图 即a 相电位将与大地相位相同，健全相电压则升高到线电压，变压器中性点电 压u n 升高到相电压。 此时 a相线路对地电 容电 流将消失， 而b、 c两相线路对地电 容电流将有所增加。三相电容电流的和就不再等于0 ，每条线路上都出现了零序电 流。 其中， 故障线路零序容性电流由线路流向母线， 非故障线路则由母线流向线路口 当a 相经过阻抗接地时，变压器中性点电压u n 升高，但是不能达到相电压;健全相 电压升高，但也不能达到线电压。电容电流的分布与不经电阻接地时是一样的，只 是幅值随着接地电阻的增加而减小。 经过消弧线圈接地系统单相接地故障如图2 . 4所示。其中不同之处是当中性点 经过消弧线圈接地时，单相接地时的电流分布并不会有很大变化，在接地点又增加 了一个电感分量的电流工 l， 从故障点经故障线路流向消弧线圈。由于这个电流的补 一 s- 华北电力 大学 ( 北京) 硕士学位论文 偿作用，接地点的故障电流小得多了。 非故障线路 故障线路 图25中性点不接地系统单相接地零序网络 用对称分量法分析小电流接地系统的单相接地故障。由网络分析的原理，在单 相接地情况下，系统的正序、负序和零序电流分量相等。由于电网中许多因素都可 能产生较大的负序电流、正序电流，因此现在小电流选线普遍采用零序分量。现从 零序网络出发，分析小电流接地故障。先考虑中性点不接地的情况，此时的零序网 图如2 . 5 0 容易看出，故障线路与其它健全线路的零序电流存在如下关系: i , = i ,+ 几 ;( 2 - i ) 其 中1 0 2是 故 障 线路出口 零 序电 流，10 f 是 从 母 线 流 入 变 压器 侧的 零 序电 流，10 1 代 表各条非故障线路出口零序电流之和。也就是说，从大小来看，故障线路的零序电 流最大，是其它各线路电流 ( 包括变压器侧)之和 障线路电流流向相反 在图2 . 5中箭头指向不同) :从方向来看，故障线路与非故 。显然，这两个区别可以作为选 华北电力大学 日匕 京) 硕十学位论文 线的依据。注意图中的电流方向为某时刻瞬时实际方向。 同理， 分析中性点经过消弧线圈接地系统单相接地故障， 零序网络如图2 . 6 所示。 非故障线路 故障线路 图26中性点经过消弧线圈接地系统单相接地零序网络 同中性点不接地系统相比，非故障线路的零序电流并没有什么变化，而故障线 路的零序电流要包含因消弧线圈产生的电流，即 1 0 2 = i x 一 ( i o f 十 几 1 ) ( 2 - 2 ) 式中i , 表示消弧线圈的补 偿电 流。 这样， 故障线路零序电流的大小要发生变化， 方向 也可能发生变化， 变化的 程度取 决于消弧线圈的补偿度。当系统发生单相经过电阻接地时，系统的等效电路图如下; 4 图2 . 7小电流接地系统单相接地故障等效电路 由电 路分析计算p 0 ， 然后再根据戴维南等效电 路计算y r 得到单相经过电阻接地等效 电路。 ( 瓦 + 幼p / 石i m, c + ( t a 十 幼- j u rc 十 ( p c 十 幼. j u rc = ” ( 2 一 3 ) 二 _ 一 k 1 + j - 3 a r r c ( 2 - 4 ) 华北电力大学 ( 北京)硕士学 位论文 = 一竺 互 一 r 2 - j r一 i 3 w f c 等效电路为 图2 . 8小电流接地系统单相接地故障等值电路 2 .2影响小电流接地系统选线的因素分析 小电流接地系统的接地故障零序电流小，微弱的零序电流往往又混杂在各式各 样的干扰中间，使得选线问题变得很复杂，必须综合考虑各种因素的影响。 1 跟中性点的接地方式有关。由前面的分析可以看到，中性点不接地、经过 消弧线圈接地或者高阻接地，系统中单相接地故障的特征是不同的，因此选线问 题 有显著的不同。 ( 2 跟线路的长短与结构有关。 小电流接地系统单相接地故障电流是由线路的对 地电容产生的，线路的对地电容与线路的长短和结构关系密切。一般来说，电缆线 路的对地电容比架空线路的零序电流大。线路的对地电容与线路的长度成正比。 3 跟系统的故障方式有关。由等值电路可以看到，小电流接地系统单相接地 故障后的电流与等效接地阻抗有关，系统中的故障方式很多，包括直接接地，电阻 接地，电弧接地，瞬间接地，间歇性接地，电阻电弧接地等，这些接地情沉的等效 接地电阻是不同的，要保证解决小电流接地选线问 题，必须保证对各种故障情祝都 能选线准确。 ( 的 跟电流互感器有关。在小电流接地选线中，一般采用测量用电流互感器获 得零序电流或者负序电流进行选线。因为零序电流通过三个单相电流互感器组成的 相序滤过器获得， 每一相互感器的铁芯不可能完全相同， 因此有一个零序电流误差。 另外，电流互感器的变比比较大，铁芯具有非线形，这些都对选线有影响。 5 跟电压互感器有关。小电流接地选线往往采用零序电压作为启动条件，选 线过程中也要用到电压量。这些都通过并联在母线上的电压互感器得到。电压互感 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 器的电气特性跟选线关系密切，如电压互感器的铁磁谐振现象，会对选线造成大干 扰。 ( 6 )跟二次回路有关。小电流接地选线采用电压互感器和电流互感器二次信号 进行选线，经过实验发现，这两种互感器二次回路的阻抗，对选线也有影响。 ( )跟弧光过电压或者操作过电压有关。 ( 8 )跟系统中的波形畸变等干扰有关。 2 .3国内外现有主要选线方法及评价 目前可以采集利用的电气量有:零序稳态基波分量、零序稳态谐波分量、零序 暂态分量、负序分量和注入信号。 根据采集的电气量的不同， 可以采用不同的方法， 而根据电气量的不同特性， 也可以看出各种方法在不同故障条件下的优劣。目前可以采用的方法有:比幅比相 方法、无功功率方法，小波方法、暂态能量方法、能量方法，注入方法等。 ( i )零序电流比幅算法 这种方法基于早期的继电保护原理，适用于中性点不接地系统。当中性点不接 地系统发生单相接地故障时，流过故障元件的零序电流在数值上等于所有非故障元 件对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只要通过零序电流幅值 大小比较就可以找出故障线路。在具体实现上，通常采用 “ 绝对整定值”原理。即 利用零序电流 工 。 与一整定值 工 : 做比较， 整定值 工 : 一般大于系统内任何一条出线的电 容电流值， 如果工 。 小于整定值几 ， 极化继电器不动作; 如果f 。 大于整定值i , 则极化 继电器动作，显示器显示该回路的编号，选线完成。 这种方法在理论上就是不完备的， 因为系统中可能存在某条线路的电容电流大 于其它线路电容电流之和的情况。在这种情况下，当这条线路发生接地故障时，就 会出现拒动的情况。这种方式为单一判据方式，不能排除电流互感器 ( ct ) 不平 衡的影响，它受系统运行方式、线路长短、过渡电阻大小等许多情况的影响，从而 导致误选、多选、漏选。从整定方式上看， 这种整定方式可能导致死区 ， 不能满足 系统运行多变的情况。 ( 2 )群体比幅比相算法 这种方法突破了原有的传统的保护原理，充分利用了故障信息之间的联系，将 孤立的故障信息融合比较，大大提高了选线正确性。群体比幅比相算法适用于中性 点不接地系统。 这种方法的基本原理是先进行工 。 比 较，选出几个幅值较大的作为候 选， 这样在一定程度上就避免了不平衡带来的影响， 然后在此基础上进行相位比较， 选出零序电流方向与其它零序电流方向不同的，即为故障线路。该方法还引入零序 电压作为参考正方向。实践和理论分析证明，零序电压幅值大，波形稳定，因而以 其作为参考正方向，保证了参考正方向的稳定性。 华北电力大学 ( 北京硕士学位论文 群体比幅比相算法利用故障信息之间的相对关系，克服了采用 “ 绝对整定值外 时原理上的缺陷，并且通过选取幅值较大的线路作为候选线路的方法，在一定程度 上克服了c t 等不平衡带来的影响。 但是当系统的中性点经消弧线圈接地时，由于消弧线圈对故障线路电流的补偿 作用， 此时群体比幅比相算法就不适用了， 这使群体比幅比相算法的使用受到限制。 ( 3 )无功功率方法 这也是比较传统的方法，在欧洲应用的较为广泛。这种方法是通过计算各条 线路的容性无功功率来判断是哪条线路发生了故障。这种方法也是利用了容性电 流 的幅值与方向，所以从本质上讲，无功功率法和比幅比相方法同出一辙，两者的优 缺点是一致的。 ( 4 ) 五次谐波分量算法 五次谐波分量算法的提出在一定程度上解决了中性点经消弧线圈接地系统单 相接地故障的选线问题。 这种方法的基本原理为:中性点经消弧线圈接地系统中的 消弧线圈参数是按照基波整定的，即有。 l -1 l (o c 和 5 w l ;1 /5 w c ，可忽略消 弧线圈对五次谐波产生的补偿效果，因此零序电流五次谐波分量在中性点经消弧线 圈接地系统中有着与中性点不接地系统中零序电流基波无功分量相同的特点，再利 用前述原理 ( 如群体比幅比相算法等)，即可解决中性点经消弧线圈接地系统的选 线问题。 但是五次谐波所的含量占 基波的比 例很小， 且负荷中的五次谐波源、c t不 平衡电流和过渡电阻的大小，都会一定程度上影响选线结果。 c 5 )小波算法 针对稳态时故障信息比 较微弱的问 题， 人们提出了利用有较大突变的 暂态信息 作为故障信号的算法。这其中主要采用的是小波分析，故称为小波算法。小波分析 是一门 现代信号处理理论与方法，它能有效地分析变化规律不确定和不稳定的随机 信号，能够从信号中提取到局部化的有用成分。 小波算法利用单相接地故障产生的暂态电流和暂态电压作为选线判断的依据。 由于小电流接地电网单相接地故障等值电路是一个容性通路，故障的突然作用在电 路中产生的暂态电流通常很大:特别是发生弧光接地故障或间歇性接地故障情况 下，暂态电流含量更丰富，持续时间更长。暂态电流满足在故障线路上的数值等于 在非故障线路上数值之和且方向相反的关系，可以用来选线。 小波选线方法的优点是，第一、该方法对中性点不接地和中性点经消弧线圈接 地的电网都适用;第二、该方法特别适应于故障状况复杂、故障波形杂乱的情况， 这与稳态量选线方法形成优势互补。 出于小波算法采用的暂态信号受过渡电阻，故障时刻等多种因素的影响，暂态 信号呈随机性、局部性和非平稳性特点，有可能出 现暂态过程不明显的情况， 在这 种情况下小波算法就要和其它方法联合使用。 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 ( 6 ) 有功分量法 有功分量算法的基本原理是:当中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障 时，提取各条线路的零序有功分量，非故障线路的零序有功分量方向由母线流向线 路，大小等于线路本身的有功损耗电流值;故障线路的零序有功分量方向由线路流 向母线，大小等于非故障线路的零序有功分量和消弧线圈的零序有功分量之和。当 母线故障时，所有线路的零序有功分量都等于线路本身的有功损耗电流值，方向由 母线流向线路。利用各线路零序有功分量的相对大小和相位关系就可以确定故障线 路或者母线故障。 从原理上可见，有功分量方法有效的克服了消弧线圈补偿带来的影响;并且， 在消弧线圈存在的情况下，故障线路的零序有功分量的大小比中性点不接地时更 大，故障特征更明显，更利于选线。 但是，由于线路的有功损耗相对较小，因此有功分量算法的故障信息同样是不 够突出。受 c t不平衡、线路长短、过渡电阻大小的影响也较大。并且，由于三相 电容不平衡引起的 “ 虚假有功电流分量” 对有功分量算法的影响也较大。 t 7 )能量函数法 ，。 图2 . 9 所示为经消弧线圈接地系统的零序故障分量网， 故障发生在线路 1 ， 由于 故障分量系统是一单激励网络， 故障前系统中各元件的电压和电流初始值都为零， 并为无源网络. 故障即等效于在 t = 0时刻在其零序网络突然加上一个假想电源- u f , 此时故障分量系统中各元件上所消耗和吸收的能量都由此假想电源提供。 图2 . 9 零序故障分量等效系统 定义线路的零序电压与零序电流乘积的积分为零序能量函数: t ai ( t ) - 工 u o ( r ) ioj ( r ) d r j = 1 , 2 一n ( 2 - 6 ) 对于消弧线圈， 有 若 所有线路( 包括消弧线圈) 的能量函数均大于零， 即s o , ( t ) 0 , j = 1 , 2 , , n , l 即判定为 母线故障. 方法二: 大小判别 为了能够判别母线故障， 再构成一个能量函数 s qbus ( t ) 一 f ( _- ( t ) da= ( t ) + 二 + 呱 ( ) + 瓜 ( t ) ) , ( t) d t=aa ( t ) + 1a, 显然， 在母线接地时， s o n s ( t ) 等于所有线路( 包括消弧线圈) 能量函数的总和 线路故障时s . - ( t ) 为0 。对式( 2 - 6 ) 一( 2 - 8 ) 进行积分， 得 ( 2 - 8 ) 、 而在 。 ，(t) 一 lif s0j (t)dti j= 1, 2 . n, l , bu s ( 2 - 9 ) 大小判别的方法为比较所有 m , ( t ) 的大小， 最大值相应的线路为故障线路( 包括 母线) . 与方向判别方法相比较， 大小判别方法的优点为在实际线路零序c t 极性接反 时仍能正确选线; 缺点为由于 s . . ( t ) 是所有线路能量函数的累加， 噪声的影响变大， 影响接地选线的灵敏度。 ( 8 )信号注入法 注入方法是通过向系统注入某种信号，根据注入信号仅在接地线路中流通，非 接地线路中没有信号，来检测信号，有注入信号的线路为故障线路。信号注入法不 利用故障自 身提供的故障信息进行被动式选线，而是主动地注入一个选线信号，思 路上是先进的。信号注入法的缺点是:第一、 注入信号的功率不够大，变换到高压 侧的注入信号非常微弱，很难准确测量;第二、非故障线路中也会有注入频率的对 地充电电流， 在故障电阻较大情况下， 故障线路与非故障线路上的信号差异不明显; 第三、需要附加信号装置，实现困难，可靠性差。 2 . 4 本文提出的两种新算法 2 . 4 . 1基于l m s 自 适应滤波器的小波算法 本文综合应用小波变换理论和最小均方误差( l m s ) 自 适应滤波器技术，提出了 一种小电流接地系统单相接地故障选线的新方法。该方法对故障发生后的零序电流 信号进行小波变换，通过l m s 自适应滤波器对小波系数进行滤波去除噪声，并利用 去噪后的信息进行选线。该方法能够有效地从被噪声干扰的信号中得到有用信息， 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 克服了故障信号信噪比低的缺点，并能够充分利用故障信息连续判断。 2 . 4 . 2相突变电流识别法 小电流接地电网发生单相接地故障时，可根据叠加原理将系统分为正常分量和 故障分量。各相电流的变化量实际上就是故障分量。本文提出利用这些信息构造一 个新型的选线方法一一相突变电流识别法。将小电流单相接地故障选相和选线结合 为一体，广泛适用于不接地或经消弧线圈接地系统。 这两种方法将在第四章中详细介绍。 2 . 5小结 本章详细分析了小电流接地系统故障时的现象和特征，并指出影响小电流故障 选线的一些因素。此基础上，逐一探讨了当前小电流接地系统单相接地故障选线的 一些方法，对其优劣性进行了简单评价。并简要介绍了本文提出的两种新方法。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第三章 信息融合技术及模糊理论 信息融合( i n f o r m a t i o n f u s i o n ) 也称多传感器信息融合，或数据融合( d a t a f u s i o n ) 。 这一概念是在二十世纪七十年代出于军事应用而提出 来的， 最初主要应用 于军事领域。随着工业系统的复杂化，人们越来越认识到数据融合的重要性，使数 据融合技术的研究与应用成为多源信息处理的非常活跃和广泛应用的方向。应用范 围也不再局限于军事领域，在工农业诸领域如模式识别、图象处理、医疗诊断、遥 感、工业过程控制、城市规划、气象等许多方面都得到了不同程度的应用，应用潜 力非常巨大。信息融合到目前还没有一个公认的定义，概括地说，信息融合就是对 不同知识源或传感器采集的数据按既定的规则进行结合，以实现对处理对象获得更 全面、更可靠的信息，达到更好的理解。信息融合技术按融合信息的层次结构可以 有三种基本融合类型，即数据层融合、特征层融合和决策层融合，见图3 . 1 0 数据层融合首先将全部数据源的观测数据进行融合，然后从融合的数据中提取 特征向量， 并进行判断识别。 这就要求测量 传感器是同 质的( 传感器观测的是同一 个 物理量) 。 否则， 数据只能在 特征层或决策层进行融合。 特征层融合在比 数据层融合 更抽象的数据层次上进行。首先从传感器的观测数据中提取有代表性的特征向量， 再对特征向量进行融和，形成单一特征向量，并对融合特征向量进行识别。决策层 数据融合是每个数据源通道对目 标做出识别后，将多个数据源的识别结果进行融 合，做出综合决策。 ( b ) 特征层融合 图3 . 1信息融合的3 种层次结构 信息融合技术是一门开放的综合性技术学科，涉及到智能科学、计算机科学和 信息科学等多个学科。近年来，用于多传感器融合的计算智能方法主要包括:模糊 集理论、神经网络、粗集理论、小波分析理论和支持向量机等。图3 .2 给出一个复 杂工业过程智能控制系统中多传感器信息融合应用范例。首先由时间序列分析、频 率分析、小波分析等从观测数据中提取系统的特征数据;特征数据输入神经网络模 式识别器，来识别系统特征数据，进行特征级数据融合;识别结果输入到模糊专家 系统进行决策级融合;专家系统从知识库和数据库中取出领域知识规则和参数，并 与特征数据进行匹配融合，决策出系统运行状态、设备工作状况和故障状况等川。 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文 图3 . 2 复杂系统的多传感器信息融合应用范例 本文主要运用模糊数学来处理算法有效性和多判据融合问题。模糊数学的出 现是数学的一个新发展，也是一个新补充。因为实际生活中许多现象在人们头脑 中的反映是模糊的。人们收到的代表现象的信息，大体上是不精确、不完全的， 并夹杂着许多干扰信息。因此，用精确的数学来代表这些模糊信息，描述人们所 认识的现象，总是难于满足人们的要求。人们处理模糊信息的能力是很强的，而 现在的计算机还望尘莫及。母亲在一群婴儿哭声中能辨认出哪一个是她的孩子的 哭声， 调度员在垂暮时觉察到气象的变化， 可以 估计出 爬峰( 负荷急速上升) 时将增 多少万千瓦负荷，而这些若用精确计算也许费很大劲仍难满足要求。代表电力系 统现象的信息也是如此。规划年负荷的预测，可假定为 “ 争4 保 3 ，四争取增 长率为4 %，确保 3 %.这本身已是一个模糊概念。3 %和4 %也不可能很推确，而 这却是一个很重要的规划条件，不论用那一个精确数字来描述这一约束都是不适 当的。若用模糊集的方法来描述，就很接近实际的情况。 模糊理论已在实践中证明是现代智能技术中最重要的技术之一，是处理复杂不 确定问题的方法。 模糊理论是用数学方法研究和处理具有“ 模糊” 现象的一门科学。 这里所谓的模糊性主要是指有关事物差异的中间过度的不分明性，这种属性也反映 在小电流故障选线中。例如 “ 某一故障特征的明显程度”、“ 某一方法的有效性” 等等均没有精确的度量，存在一定的模糊性。 模糊理论能通过建立相应的隶属函数 有效地处理这种模糊性，将不分明性转换为确切的数值描述。模糊理论具有严密的 数学基础，本章只介绍其基本概念和在电力系统中的一些典型应用。 3 . 1普通集合 我们通常把讨论的全体对象叫做论域( d o m a i n ) ， 常用u , v , e , ， x , y 等 大写字母表示。把论域中的每个对象称为元素 ( e l e m e n t )，用相应的小写字母表 不 。 定义 3 . 1 . 1 给定论域x 和某一性质或属性p , x 中满足性质p 的所有元素所组成 的全体叫做集合 ( s e t )，简称集。 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文 3i . 1 集合的表示方法 如果一个集合所包含的元素为有限个，否则就叫做无限集。常用的集合表示方 法有如下三种形式:对于有限集，可以将所有的元素一一列出，并用大括号括起来 表示口 3 . 1 . 2 描述法 ( 定义法) 对于无限集， 由于元素数目 无限， 可通过元素的定义来描述集合， 如a = ( x p ( x ) , 其中p ( x ) 是指 “ x 具有性质p ”的缩写。 3 . 1 . 3特征函数法 用解析形式描述元素属于集合的程度。设a是论域 x 上的集合，记 p a ( x ) = ( 3 一 1 ) 当x e a 当x ea 为集合a的特征函数。 3 . 2 模糊集合 由上可知，在经典集合论中，论域x 中的某一个元素x 要么完全属于某个集合， 即p a ( x ) = 1 ， 要么完全不属于a ， 即p a ( z ) = 0 ， 元素间的 分类具 有截然分明的 边界。 假设 教室 里有五 个学生， 分 别以 : i i s i e s s , s ; 和 : ， 来 表示， 其中ss z , s 3 为男 生， ss ， 为女 生 如果我 们用a ， 表示男 学生的 集 合， 以a f 表示女 学 生的 集 合， 利 用 特 征 函 数 表 示 法， 可以 将a 。 和a f 表 示 为 a ., = 1 1 s , + 1 1 s z + 1 1 s 3 + o l s , + o i s i a f 一 0 ( s , + o i s z + o i s 3 + 1 1 s , + 1 1 s $ ( 3 - 2 ) 显 然a 。 和杏的 分 界是 截然 分明的 但是，当我们试图在这五个学生中构成表示 “ 高个子学生” 和 “ 矮个子学生” 的集合时，会感到传统的集合概念是难以应用的。学生的的身高虽然有高低之分， 但是，对于 “ 高个子学生”和 “ 矮个子学生”这样的集合，我们不能指明哪些学生 一定属于 “ 高个子学生”和 “ 矮个子学生” 这样的集合。实际上，人们在处理这样 的问题时，也不需要完全确定谁是或者谁完全不是这些集合的成员，只需要对每个 元素 确定一个数， 用这个数表示该元素 对所言集合的隶属程度。 若学生s ， 对于“ 高 个子学生” 集合的 隶属函 数高 于学生s 2 ， 我们就说 学生s , 比 学生s : 相对地更属于“ 高 个子学生” 这个集合， 而学生， : 比 学生s , 相对 地更属于“ 矮个子学生” 这个 集合。 正是考虑到现实世界中很多事物的分类边界是不分明的，而这种不分明的划分 华北电力火学 ( 北京) 硕士学位论文 在人们的识别、判断和认知过程中起着重要的作用，为了用数学的方法来处理这种 问题，扎德 ( l . a . z a d e h )于1 9 6 5 年提出了模糊集合的概念。他用隶属函数 ( m e m b e r s h i p f u n c t i o n ) 来划分 处于中 介过 渡的 事物对 差异双方所具 有的 倾向 性。 可以认为隶属函数是普通集合中特征函数的推广。当我们将特征函数的值域又 0 , 1 二值扩展到 o l 区间时，就描述了一个模糊集合。 定义3 . 2 . 1 模糊集:论域x 上的模糊集合a ，由 隶属函数,u - ( x ) 来表征， 其 a 中,u - ( x ) 在实轴的闭区间 0 , 1 上取值， a 属程度。 模糊集合完全由隶属函数所刻划。 f j - ( x ) 的值反映了x 中的元素x 对于a 的隶 ,u - ( x ) 的值接近1 ，表示x 隶属于a 的程度很 高 ，气 (x ) 的 值 接 近 于 。 ， 表 示 隶 属 于 a 的 程 度 很 低 ， 当 气 (x ) 的 值 域 为 a l l, 二 值 间 时 ， 演 化 为 普 通 集 合 的 特 征 函 数 气 (x ) , a 便 演 化 成 一 个 普 通 集 合 a d ( 声) 我们知道，a 的补集.4 “ 定 义 为 井 ( x , ) = 卜井( x ; ) q a 如果x( x ) 0 ,5 ， 离 1 和 a 4 ( x , ) 离 0 h 样 远 根 据 这 一 对 称 性 ， 我 们 归 纳 出 模 糊 测 度 的 性 质 4 ; d ( u a ) 性质4 说明， 一 d ( p ) a 和 a 具 有同 等的 模 糊 性。 ( 3 - 1 1 ) 在实际应用中，隶属函数的确定可采用多种方法，甚至在需要时，可先根据专 家判断决定某种隶属函数， 再到实践中加以检验，从而再做适当的修正，以 保证隶 属函 数确定的比较合理，比 较符合实 际情况i 一 们 。 3 . 4小结 本章介绍了信息融合的一些基本方法和模糊理论理论的基本概念，并与传统的 “ 二元” 集合做了对比。为了突出重点，本章避免了大量的公式推导和理论说明， 而从应用的角度说明信息融合以及模糊理论的优势和一些应用场合。 - 2 0- 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第四章多判掇融合及算法有效性的职究 回顾小电流接地系统单相接地故障自动选线技术的发腿历程，本文认为，自动 选线技术已经经历了三个阶段。第个阶段是孤立选线方式阶段，典型方法是零序 电滚：j 妻浚曝护积零彦燹功方彝保护。孤立选线方式翦特点楚，娄发生擎壤接建薅， 各条线潞只依据本线路的故障信号独立判断本线路是否发生故障，线路之问没有信 号联络。孤立选线方式配置简单，常规继电器即可实现，不需要专门的选线装置。 但孤立选线方式对故障信息的剥用率太低，无法适应复杂的小电漉单援接地故障。 第二个除毅莛群体选线方式阶段，典墼方法蔻瓣俸院疆跑襁法。群落选线方式实魂 了被识别对象中多源信息的沟通。选线装置综含利用电网中备线路的测凝数据做出 选线识别，使选线性能大幅度提高。但由于现肖的群体选线方法利用的敞障信息形 式蕈一，秘寒戆矮好魏器决选线| 曩蘧。 从倍息融合的观点看，群体选线方式可以瑷解为具备了低级的融合禽义。群体 选线方式的信号处理岛选线识别过程可以表示为图4 1 。 圈4 。1 瓣髂选线方式箍邂毫识剐过摇 群体选线方式可以认为是一种特征级的融含。在这种选线方式中，熬个电网各 条线路的测量数据汇集在一起，欺同参与了选线，使得选线决策能够从被识别对象 全局竣凝爨发，瑟不蹩象孤立选线整襻，双援攥一个溺煮鹣数据皴窭剿蘩。簌这令 意义上说，群体选线方式具有优懿的性质。 第三阶段是将多种选线方法简单融合，采用“举手表决”机制a 本论文继承帮发糖了上述选绫方式蛇优点，研究如何遴褥多判据的镲息智能融 合。 多判据智能融合希望每个判搿能够输出袭征一条线路表现出故障特征程度的 数值属性描述，融合朦需要对各个判据的数值属性进行智熊融合，这也需要对每种 方法豹蠢效健终塞一令数蓬撵述，最器褥窭令综合遥线绦粟t 本牵采用模糊理论来实现多判据选线信息融合，电两一次故障数据经p t 、c t 变换，将故障特征送入不同的选线判据，根据模糊变换得劁母线及各条线路的故障 一 兰篓曼查点篓! 韭塞：璧主整壁鲨塞 溅度戳发备耱鬟据翡蔽系鼗，最嚣浚孬融舍凌策，并赣凄矮终决策缩装。 一 囊垂i j ! 方接1 1 ，1 “1r 呻 测度 故 模 融 障 糊 卫 特 - _ i 建线方法2 强 i 交 投系数 决 征 换策 - i 选线方法nl ， 瑟4 ，2 多判器倍熙黻赍逸线模受结梅 模糨选线是运用壤糊理论蜜现多翔据选线傣怠融合，裰据刿据栽鲻建立器选线 方法瓣故淹嚣度隶疆爨数( 表强条线鼹表骥掇馥障特往程度静数德瘸糕搂述) 秘 各选线方法豹鬏系鼗寨霾蘧数表程一耱方法戆霹莹囊) 。多释透绒方法愆鹱霄多 静静选绫结果，西兔宅稻遗线静姣溺是不同靛敬薄特薤，藏薅特薤在不阂静放障条 件下的表现程度是不样的。鼹然慕一选线方法所依据的特征相对鞠藤时，我们应 给予这犟孛判握更多抟熬筏。这样，方法融合辩的授系数裁不能设为定德，褥癍根据 赛际情滋褥交纯。袋藤对备令剿攒鹣数德满瞧避雩亍融合，褥出一个综禽逡缆结果。 如何将选线算法转化为构造合理的模糊隶属函数成为了本文的关键所在，下面将介 绍这一工作。 本文中是擐据专家经验嚣蜜黢襁缝合戆淼瓣寒礁定隶耩霜数豹；豢淄函数最表 了一个燮化可能性酌规律，凭专骞经验可以鼹认为合适酌馁何函数寐代袭，谣在实 甄应瘸孛，一般选取羧为篱擎瓣辑线。本文也瀵疆了这一灏瓣。 限予麓棰，本文哭着重群髂魄螓撼糯葵法 ；乏及奉文提窭戆嚣耱耩舞法。 4 1 群髂魄辗毙辐霎法 群体托幅比相选线方法从全体线路电流数攒中筛选出寄价值的几缀数攥，通过 粼甄靛剿豹逻辑载凝，选窭放辫线游。毽虫子滋禳院檩选线粼据炙毙提缨铃号属性 的输出，不能适合多选线判据酌融合。嚣诧，必须熏新构潦暴有数值满缎输疆的剡 据形式。构造一个数假属性输出的j i i 线划据，核心工作之一是如何合理地定义和计 爨各线路的故障测度。 救簿僖号熬稳态薰实际上闻辩掇供了两方褥熬售惠：襁蕊蓓惑霸糕像擦爨。获 瞧瀛籀谯来说，若以电压相位为参考，则奄流鞠位越接近滞厢9 0 。，该线路越可能 是赦障线鼹；电流提稼越按邋戆兹9 e 。，该线鼹蘧不可熊燕藏藩线鼹t 觚瞧滚壤镬 来谎，在遣浚漳委意愿鼹 i 荸穗下，墩流禳篷越大，该绞鼹整鼙髓是馥簿线黠；在惫 流超翦邀嚣熬蘩凌下，电流箍簸越大，该线路嬷不霉麓蓬赦漳线黯。瓢遮耱定缝关 系出发，构造故障溯壤模糊隶_ | | 鼙硒数算法如下； 华熊魄力太学( 毙衷) 蠖士学稼论文 黉蓉统共n 象线嬉，线踺k 藏漳遣滚镬蘩蠖餐瓣麓8 9 囊褒冢，m a g ( k ) 羚，一) 。 戳簿凌零窍惫蘧巍参考援羹，鼗凝轻数簿逛滚籀螽辩a n g ( k ) 豪暴，是受镬热莲秘露 a n g ( k ) g 【* 1 8 0 。，1 8 0 。) 。令 m a g s ( k ) 。m a g ( k ) r s 糖n ( a n g ( k ) ) ( 4 一1 ) 蕊审薯摇群移魏鞭符号嚣数。警魄溅黼瓣惫嚣霹，m a g s 鸯正，强邀溅滞鼹魄蕊辩， m a g s 必蹩。褥令 盥 m a g s ( o ) = 一匹m a g s ( k ) ) ( 4 - 2 ) 漱* 黔a g s 0 罐 瘁3 ) 式串，m a g s ( 装黎注入纛滚燃蹿鼗鹃差额魄滚，鬻母缀霹缝毫流 液娥潞接逢 馕援下，液入彝滚整鹣魄滚近经耀簿，m a g s ( 0 ) 譬整夸，在母绫接邋稳熬下，m a g s ( 0 ) 譬予簿壤靛港蕊毫流，簿弩必受；s u m 褒示备线藏邀蠹赣蘧熬蒸燕辩，瓣羧等予2 蘩装漳邀滤。在不霉惑添羡襄苄魏并蕊臻系缝霄费矮蓑嚣潘黼下，鼗辫残爨魄滚滚 藤毫压的。，簿敌鼙绫黯毫滚怒莉魄篷粥。，熊蜜黼上交予予蕊帮溺爨瓣濑，角度 潮幄俊都露焱误差。程惫慈不大予翎。的情况下，这些关黎忒只受蠛德淤熬影噙。 是义稔惫繁疆氆教辕涎度 掣毒) 橼一兰黝 一圭鼢姆 主洳 = 吾i ( # ) d ( f ( 4 - 5 ) 知壮) = f f t ( i ) 秘8 ) 矿。委壹挚 ( 4 - ? ) t “r 、 囊= t ，2 ，3 表示电流最大魏兰浆线路 梅造懿下椒系数的隶麟函数： foy 0 5 聋= v - o ，5 彝。5 蔓矿 ( 4