基于分层模糊推理的快速综合故障选相新算法.pdf

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基于分层模糊推理的快速综合故障选相新算法1 基于分层模糊推理的快速综合故障选相新算法2 基于分层模糊推理的快速综合故障选相新算法3 基于分层模糊推理的快速综合故障选相新算法4 基于分层模糊推理的快速综合故障选相新算法5 基于分层模糊推理的快速综合故障选相新算法6
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第38卷第5期2010年3月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControl、,01.38NO.5Mat.1,2010基于分层模糊推理的快速综合故障选相新算法叶朝辉,黄康乐,孔凡坊,潘剑虹,王金怡(温州市电力局,浙江温州325000)摘要:提取了用于故障选相的特征参数,从模糊模式识别的角度,制定了识别故障类型和故障相别的隶属函数及模糊规则,提出了基于分层模糊推理的快速综合故障选相元件新算法。ATP仿真表明,该算法能够正确完成故障选相,不受故障位置、类型、初始角、过渡电阻等因素的影响,无误判和漏判现象,具有很好的可靠性,适用于超高压电网行波保护或暂态量保护。关键词:故障选相;特征参数;模糊模式识别;超高压Newalgorithmofspeedycomprehensivefaultyphaseselectionbasedonstratifiedfuzzyreasoning——YEChao-hui,HUANGKangle.KONGFanfa—ng,PANJian-hong,WANGJinyi(WenzhouElectriCPowerBureau,Wenzhou325000,China)Abstract..Thefaultfeatureparametersareextracted,membershipfunctionsandfuzzyrulesforidentilyingpattemoffaultandselectingphaseoffaultaredevelopedfromperspectiveoffuzzypaRemrecognition,andnewalgorithmofspeedycomprehensivefaultyphaseselectionbasedonstratifiedfuzzyreasoningispresented.SimulationonATPprogramindicatesthatthenewapproachcanselectfaultphasecorrectly,anditsperformanceCanalsoenduretheinfluencesofvariousfactors,includingfaultdistances,types,—inceptionangles,faultpathresistance,andisreliableintravelingwaveprotectionortransient-basedprotection.Keywords:faultyphaseselection;featureparameters;fuzzypaRernrecognition;extrahighvoltage中图分类号:TM77文献标识码:A—文章编号:1674-3415(2010)050010-060引言目前,随着暂态量保护研究的显著进展【1J,研究新型的快速故障选相元件已势在必行,这对有选择性地跳开故障相和实现超高压输电线路单相或三相自动重合闸是至关重要的。基于行波的故障选相易受故障电弧、初始角、过渡电阻等不确定因素的影响[2-31;而基于暂态量的故障选相能够克服以上缺陷I4J。但是仅依靠故障暂态量进行选相需要对每一个特征参数的门槛进行整定,而门槛的整定很难给出一套完善的整定原则。为此,将模糊理论引入到基于暂态故障选相中不失为一种好的方法L6J。本文从模式识别的角度,提取了识别故障类型和判断故障相别的特征参数,并结合模糊理论,提出了基于分层模糊推理的快速综合故障选相新算法。ATP仿真表明该故障选相算法具有很好的选相性能。中的故障分量,如表1所示。表1不同故障类型下的电流故障分量Tab.1Currentfaultcomponentsincaseofdifferenttypefaults1故障特征分析1’利用Clark相模变换技术求解故障附加网络1故障类型特征≠a)零模量:单相或两相接地短路/of0,实叶朝辉,等基于分层模糊推理的快速综合故障选相新算法.1lI际上为接地电流,数值相对较大;而两相或三相短路时零模量,=0。≠b)线模量:单相接地短路时,j10,i2=0;≠两相短路时f1=0,i20;而两相接地短路和三相短路时,两个线模量都不为零。1.2故障相别特征a)单相接地短路:三个故障分量中最大者对应故障相,与故障相无关的两个故障分量为零。b)两相接地短路:非故障相的故障分量为零,与故障相相关的两故障分量无明显特征。c)两相短路:非故障相的故障分量为零,两故障相的故障分量幅值相等,但极性相反。d)三相短路:三个故障分量之间无明显特征。2故障选相算法中的特征提取2.1区分故障类型的特征参数设三个电流模量(iof、itf、f2f)和三相电流量(fA、fB、fc)正交小波变换的某尺度归一化能∈量分别为(eo、q、e2)和(、;3、);将(、、)进行大小排序,记为(i、id、)。由上述故障特征分析,可以总结出:a)零模量≠当发生接地短路故障时,eo0,且数值较大‘当发生相间短路故障时,理想t ̄;STeo=0,即便是在不换位线路中零模分量也很小,近似为零。b)模域中rm=/单相接地短路时,=e2/el很小,基本为零;≠两相接地短路和三相短路时,rm0;两相短路时,rm=e2/el很大,理论值趋于oo。c)相域中1=emi/id单相接地短路时1=emi/id的值基本上为1;两相短路和两相接地短路时0;而三相短路时1无明显特征。d)相域中2=emid/单相接地短路时,=emid/基本为零;两相接地短路和相间短路时,无明显特征,但数值一般比较大,不会为零。e)i0f与fIf之间的曼哈坦距离(Manhattan)10定义序列()、(,z)的Manhattan距离为:=∑Ix(n)-y(n)I¨Manhattan距离反映两序列的接近程度。两相短路中/of=f1f=0,故二者之间的Manhattan距离10=0,而其他类型的故障无此特征。2.2区分故障相别的特征参数定义如下三个相关系数:’丽NAB,PBc丽RBC,cRAC∑‘’∑其中:=Cx(j,后)Cy(,)=c(,.i})。由故障相别特征可知,单相接地短路时,非故障相的故障电流相等且基本为零,为正相关,即P=1;两相短路时,故障相的两故障电流具有负相等的关系,即P=-1;两相接地短路时,三故障相之间无明显的相关性关系,故一l<PAB、PBc、PA<1。但可以通过非故障相的故障电流为最小来选出故障相别。3基于分层模糊推理的快速综合故障选相利用模糊逻辑理论,将多个特征进行模糊综合,制定反映故障类型和相别的隶属函数及模糊规则,进而建立两层模糊推理结构:模糊判别故障类型和模糊识别故障相别,如图1所示。故类型判别规则表蓁罐CGI地选相Il蝴I厂I型至H选}}_叵接地F二=I垂u[u ̄--堕-图1基于分层模糊推理的故障选相识别框架Fig.1IdentiFyingframeworkoffaultyphaseselectionbasedonstratifiedfuzzyreasoning3.1基于模糊推理的故障类型识别3.1.1特征参数的模糊化及其隶属函数的确定考虑本线路末端故障时零模量在传输中的衰减,将eo>0.001视为接地性故障,0.0005~0.001置为模糊区。的隶属函数如图2所示,输出为。单相接地短路时,0,其他故障类型时≠rm0,考虑到故障暂态的不确定性,将0.02~0.1置为模糊区,输出为;在单相接地短路时基本为1,两相短路和两相接地短路时0,三相蜃一羔电力系统保护与控制短路时,无明显特征,为此,将的模糊区置为0.2~0.8,输出为;2在单相接地短路时为0,两相接地短路和相间短路时,无明显特征,但数值比较大,不会为0,可置0.1~0.9为2的模糊区,输出为。三个特征参数的隶属函数如图3所示。图2e0的隶属函数Fig.2Membershipfunctionofeo图3rm、1、2的隶属函数Fig・3Membershipfunctionofrm,1andrp:3.1.2模糊判别故障类型的规则根据故障特征量eo、rr.、Ypl、Fp2的隶属函数,制定出故障类型模糊判据的规则如表2所示。表2故障类型模糊识别规则Tab.2Fuzzyruleofidentifyingfaulttype对以上四个模糊输出设定权值时,考虑到故障发生的随机性,可将模糊判别设置相等的权值系数。式(2)是第一层判别故障类型的模糊输出:。=0.25(+++)(2)其中:f代表每种故障类型。根据最大化隶属原则,得到:RouIl=max(&uIlj)(3)综合评判的最大输出所对应的故障类型即为模糊判别结果。需要说明的是:在两相接地短路时0模量较之于其的最大模量较小,尤其是在当0模量在0。初始角时,的值将很小,可能会落入其模糊区,甚至会进入到S区,从而将两相接地短路误判为相间短路类型。加以解决的方法是在第二层模糊选相根据选相矛盾进行上述误判的自动校正。3.2基于常规判别和模糊推理的故障相识别3.2.1单相接地短路的模糊选相根据相关系数的隶属函数(如图4)和模糊选相的规则(如表3)进行单相接地短路下的模糊选相。p图4相关系数的隶属函数Fig.4MembershipfunctionofcorrelationcoefficientP表3单相接地短路的模糊选相规则—Tab.3Fuzzyruleofphaseselectionforsinglephaseground故障相别PABPBcc设AB、Pac、PAC的输出分别为,综合输出为:ul2=10/3・(+十)(4)其中:分别表示三种故障相别。2=max(&)(5)综合评判的最大输出所对应的故障相即为单相接地短路的模糊选相结果。3.2.2两相接地短路的常规选相利用如下方法完成两相接地短路时的故障相识别,即:ife:=故障methenBCGifemi=eBthenACG故障ife;=故障mthenABG3.2.3相间短路的模糊选相相问短路的故障选相不仅要在区分三相及两相短路的基础上选出故障相,同时还要对可能误判到此故障类型下的两相接地短路进行校正。选择相关系数和Manhattan距离l0作为两相短路模糊选相的特征参数。相关系数的隶属函数仍为图4。10的隶属函数如图5,系数a和b可以通过仿真确定,本文通过大量仿真确定口=50,b=90。两相短路故障时的模糊选相规则如表4。图51o的隶属函数Fig.5Membershipfunctionofl0MM盹MMMMGGGABC叶朝辉,等基于分层模糊推理的快速综合故障选相新算法.13.表4两相短路的模糊选相规则Tlab.4Fuzzyruleofphaseselectionfortwo-phaseshort-circuit综合输出仍为:3=0.25・(+++)(6)3=max(2out3f)(7)对m3设置一门槛值=o.8。如果Ro3。,表明该故障是两相短路,进而选出故障相别;如果Rout<足,则表明该故障不是两相短路,则可能是三相短路或两相接地短路。两相接地短路时f1f=一iof,有E1即≠reol=Eof/巨f1;三相短路时,iof=0,flf0,有。=/0。因此可利用此特征差异来识别和区分三相短路和两相接地短路。l的隶属函数如图6所示:模糊规则如表5所示。图6reo1的隶属函数Fig.6Membershipfunctionofre01表5相间短路故障类型下进一步判别三相短路和两相接地短路的模糊规则Tab.5Fuzzyruleforfurtheridentifyingthefaulttypebetweenthree--phaseandtwo--phaseshor—t-circuit垫堕耋型三相短路(ABC)两相接地短路(DG)reoSB,.en的输出为,根据最大隶属度原则,有:“Ro=max(&f)(8)通过以上方法就可以完成相间短路故障类型下,两相短路的模糊选相和三相短路的识别以及两相接地短路误判到此类型下的二次校正。4故障选相算法的ATP仿真图7为500kV超高压输电系统,线路采用J.Marti频率相关模型,结构参数取自平武线。考察基于分层模糊推理的故障选相元件算法随故障位置、初始角、过渡电阻变化时的选相性能。仿真中采样频率为400kHz,采用DB4小波对各特征量进行三尺度分解,得到第三尺度空间的小波变换系数。取故障后第三尺度1ms内的数据进行分析。兰NQlJIIsi01上c士上上c0.上j_图7500kV超高压输电系统Fig.7500kVEHVtransmissionsystem4.1不同位置故障时选相元件的仿真测试故障初始角为3O。,过渡电阻为100Q,考察在被保护线路内部距保护1km、50km、100km、174km处故障时的选相结果。4.1.1故障类型的模糊识别图8给出了每种类型的故障下判为四种不同类型故障时的隶属度,其中最大隶属度所对应的故障“”类型即为模糊判别结果,用o表示。由图8可以看出:不同位置故障时,四种不同类型的故障均能够被正确地分类到相应的模式空间中,判别非常明确,且不受故障位置的影响。050100150050100150Dislance ̄km图8不同位置故障时故障类型的判别结果Fig.8Identifyingresultsoffaulttypeincaseofdifferentlocations4.1.2故障相别的综合评判综合评判故障相别的部分仿真结果如表6~9所示。由表可以看出:故障选相元件的第二层均能够在识别故障类型的基础上通过综合评判,正确选出故障相别,且选相性能不受故障位置的影响。表6不同位置AG故障时故障相别的模糊评判结果Tab.6FuzzyidentifyingresultsofphaseselectionfordifferentlocationswhenAGfault电力系统保护与控制表7不同位置BeG故障时故障相别的常规评判结果Tab.7IdentifyingresultsofphaseselectionfordifferentlocationsincaseofBCGfault表8不同位置Bc故障时故障相别的模糊评判结果Tab.8FuzzyidentilyingresultsofphaseselectionfordifferentlocationsincaseofBCfault表9不同位置三相短路时的模糊评判结果Tab.9Fuzzyidentifyingresultsofphaseselectionfordifferent—locationsincaseofthreephasefault4.2不同初始角故障时选相元件的仿真测试在距保护安装100km处,过渡电阻100Q,考察在0.024~0.034S(初始角为-24 ̄_157。)内故障时的选相性能。仿真中每隔0.0002S设置~次故障。4.2.1故障类型的模糊识别——lSGf一-一DG‘…【一母P002400260.02800300320034002400260.0280.03003200340.0240.0260.028O030.0320.0340.0240.02600280.030.0320.034l/s图9不同初始角故障时故障类型的 ̄lJglJ结果Fig.9Identifyingresultsoffaulttypeincaseofdifferentfaultinceptionangles由图9可以看出:两相接地短路和三相短路受初始角的影响较大,但三相短路仍能够可靠正确地判别为相问短路(即P类型)故障;两相接地短路在少数情况下会被误判为相间短路故障。之所以会出现上述的误判,其原因是此类故障发生在0模电流过零点附近,图10给出了O。0254S发生两相接地短路时的各模量波形,由图1O可知,该时刻故障时0模量相对于其他两个模量基本为零,不具有接地性短路的基本特征,经第一层模糊识别将其误判为相间短路。如图9右上子图中所标出的三个误判情况,针对此问题,将用本文前面提出的二次校正解决之。002400250026002700280029t/s图l00.0254S发生两相接地短路时的模电流行波Fig.10Modalcurrenttraveling-waveincaseoftwo-phasegroundfaultat0.0254S4.2.2故障相别的综合评判在识别故障类型的基础上,进行第二层故障相别的综合评判,评判结果如表l0和表11所示。表1O两相接地短路误判为相间故障时的校正及选相结果—Tab.10Correctionandphaseselectionresultsincaseoftwo・-phasegroundfaultmisjusticeasphase・-fault表11三相短路在不同故障初始角时的模糊评判结果Tab.1lFuzzyidentifyingresultsofphaseselectionfordifferent—faultinceptionanglesincaseofthreephasefault故障时Rot3reo1/判别故障时Rou13reo1/判别刻/S结果刻/S结果0.02420.3l0O18/1ABC0.02580.250,0l2/1ABC0.02440.740.027/1ABC0.0260.250.010/1ABC0.02460.750,044/1ABC0.0270.250.006/lABC0.02480.750.047/1ABC0.0280_380.005/1ABC0.0250.680.032/1ABC0.0290.270.003/1ABC由表11可以看出:当两相接地短路误判到相间短路类型中时,通过第二层的再次模糊判别,能够正确识别为两相接地短路,从而完成了两相接地短路误判为相间短路时的自动校正,通过校正,均能够正确识别出该故障类型和故障相别。叶朝辉,等基于分层模糊推理的快速综合故障选相新算法.15.文中还对不同过渡电阻故障时对该故障选相元件进行了仿真(限于篇幅这里就不再列出)。仿真结果也表明,该故障选相元件同样不受过渡电阻的影响,具有很好的选相性能。5结论本文提出的基于分层模糊推理的快速综合故障选相元件具有以下特点:1)能够准确识别出故障的类型和综合评判出故障的相别。由于各特征参数均采用了归一化能量,因此选相性能不受故障位置和过渡电阻的影响,受故障初始角的影响较小。2)在少数情况下,两相接地短路会误判为相间短路,但经过校正,仍能可靠识别且选出故障相别。3)在计算各特征参数时,选取故障分量在1ms内的小波变换低频尺度能量,计算量小,满足快速故障选相的要求,具有实用性。参考文献—[1]JiangJoeAir,Chenching・shan,LiuChi-wen.ANewProtectionSchemeforFaultDetection,DirectionDiscrimination,ClassificationandLocationinTransmissionLines[J].IEEETransonPowerDelivery,2003,18(1):34.42.[2]DUANJian-dong,ZHANGBao・hui.HAHeng-XU.ANovelApproachtoFaulted・phaseSelectionUsingCurrentTravelingWavesandWaveletAnalysis[A].in:—IEEEPowerCon[C].Kunming(China):2002.11461150.[3]段建东,张保会,周艺.利用电流行波进行超高压输电线路故障类型识别的研究[J】.中国电机工程学报,[4][5][6][7]2005,25(7):58・62.—DUANJian-dong,ZHANGBaohui,ZHOUYi.StudyofFault-・typeIdentificationUsingCurrentTraveling--waves—inExreahigh-voltageTransmissionLines[J].ProceedingsoftheCSEE,2005,25(7):58-62.OmarAS.NewAlgorithmtoPhaseSelectionBasedonWaveletTransform[J].IEEETransonPowerDelivery,2002,17(4):908.914.段建东,张保会,周艺,等.基于暂态量的超高压输电线路故障选相[J】.中国电机工程学报,2006,26(3):1.6.—DUANJiandong,ZH—ANGBaohui,ZHOUYi,eta1.Transient-basedFaultyPhaseSelectioninEHVTransmissionlines[J].ProceedingsoftheCSEE,2006,26(3):1.6.姜惠兰,梁昭君,杨维,等.基于模糊逻辑的高压输电线路故障类型识别新方法[J].电工电能新技术,2004,23(1):60.63.JIANGHui・lan,LIANGZhao-jun,YANGWei,eta1.FuzzyLogicBasedHighVoltageTransmissionLineFaultTypeRecognition[J].AdvancedTechnologyof—ElectricalEngineeringandEnergy,2004,23(1):6063.葛耀中.新型继电保护与故障测距原理与技术f第二版)[M].西安:西安交通大学出版社,2007.——收稿日期:20090318;——修回日期:20090626作者简介:叶朝辉(1970-),男,本科,工程师,从事电力系统及自动化方面的技术管理工作;孔凡坊(1984-),男,硕士,从事继电保护及电力系统—自动化方面的工作。Email:kongfanfang2002@126.com(上接第9页continuedfrompage9)GUOYong ̄i.TheReliabilityAnalysisofPowerSystems[M].BeUing:TsinghuaUniversityPress,2003.[8]李丽,华栋.配电网拓扑节点编号方案及其潮流计算[J].华东电力,2005,33(4):17.20.LILi,HUADong.NodeNumberingPlanforDistributionNetworkTopologyanditsFlowCalculation[J].EastChinaElectricPower,2005,33(4):17.20.[9]齐德昱.数据结构与算法【M】.北京:清华大学出版社,2003.QIDe-yu.DataStructureandAlgorithm[M].Beijing:TsinghuaUniversityPress,2003.[10]BillintonR,JonavithulaS.ATestSystemforTeachingOverallPowerSystemReliabilityAssessment[J].IEEETransonPowerSystems,1996,11(4):1670-1676.收稿日期:2009-03-01;——修回日期:20090901作者简介:王辉(1983-)女,硕士研究生,主要研究电力系统分析与控制;黄丽华(1963-),女,硕士,教授,硕士生导师,主要从事配电网络及其自动化及信息处理方面的教学与科研工作。E.mail:bdhlh@yahoo.com.cn
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