基于暂态分量遗传算法的小电流接地故障定位方法.pdf

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基于暂态分量遗传算法的小电流接地故障定位方法1 基于暂态分量遗传算法的小电流接地故障定位方法2 基于暂态分量遗传算法的小电流接地故障定位方法3 基于暂态分量遗传算法的小电流接地故障定位方法4 基于暂态分量遗传算法的小电流接地故障定位方法5 基于暂态分量遗传算法的小电流接地故障定位方法6
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第42卷第1期电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV.0I.42NO.1Jan.1.2014基于暂态分量遗传算法的小电流接地故障定位方法齐郑,乔丰,黄哲洙,李砚。,张惠汐,饶志(1.华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206;2.国网辽宁省电力有限公司沈阳供电公司,辽宁沈阳1100033.北京丹华昊博电力科技有限公司,北京100085)摘要:对于小电流接地系统单相接地故障定位问题,目前用于主站的定位方法较简单,不适用于结构复杂的配电网,且容错率较差。提出了一种基于暂态分量遗传算法的小电流接地故障定位方法,故障发生后,终端利用实时测量的暂态零序电流和零序电压的相位关系进行编码,主站收到编码后启动遗传算法搜寻故障区段并输出定位结果。该方法同样适用不接地系统和谐振接地系统,并且定位判据的获得比较简单,各终端之间不需要GPS对时,另外还具有一定的容错性。通过现场实际验证,证明了该定位方法的可行性。关键词:小电流接地系统;单相接地;暂态分量;遗传算法Geneticalgorithmfaultlocationbasedontransientcomponentforneutralpointnon-effectivegroundingsystemQIZheng,QIAOFeng,HUANGZhe.zhu2,LI'fan,ZHANGHui.xi,RAOZhi(1.SchoolofElectricandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China;2.StateGridShenyangElectricPowerCo.,Ltd,Shenyang110003,China;3.BeijingDanHuaHaoBoPowerScienceandTechnologyCo.,Ltd,Beijing100085,China)Abstract:Faultlocationmethodsfortheneutralpointnon・・effectivegroundingsystemsingle・-phasegroundingfaultathoststationarenotsuitableforcomplexnetwork,whichhaveweakfaulttolerance.Thispaperpresentsafaultlocationmethodbasedontransientcomponentgeneticalgorithm.Themethodencodestransientcomponentsusingthephaserelationshipbetweentransient‘zerosequencecurrentandbuszero-sequencevoltage.Hoststationreceivesthecode,searchesforfaultsectionbygeneticalgorithm—andoutputssearchresults.Themethodisalsoapplicabletoneutralnongroundingsystemandresonancegroundingsystem,theterminalsdonotneedGPStocomparetime,andthecriterionitneedsiseasytoobtain.Themethodalsohasfaulttolerance.The—onsiteexperimentshavebeencarriedouttoprovethefeasibilityofthemethod.Keywords:neutralpointnon・-effectivegroundingsystem;single--phase--to・-earthfault;transientcomponent;geneticalgorithm中图分类号:TM77文献标识码:A—文章编号:16743415(2014)01.0034.060引言小电流接地系统是电力系统中最靠近用户的环节,其运行可靠性直接影响用户电能质量高低,而小电流接地系统中发生最频繁的故障为单相接地故障,在故障后保持正常运行的时间里,易扩大为多点接地故障,对供电可靠性造成很大威胁,需要快速对其进行定位。单相接地故障稳态故障信号微弱,难以测量,暂态量的故障特征较稳态量明显的多,且不受消弧线圈影响,因此基于暂态量的定位方法_】]要优于基于稳态量的定位方法。目前的基于FTU测量信息的定位方法[6-7]不适用于装有大量FTU的复杂配电网;矩阵法[81对故障信息的准确度要求很高,限制了它的应用;而基于专家系统、神经网络算法、蚁群算法的定位方法【9IJ都未能真正用于实际系统;遗传算法是故障定位算法中比较有实用价值的一种方法,但是目前对于配网遗传算法定位的研究都针对短路故障[12-15],并没有针对单相接地故障的遗传算法定位方法。本文提出了一种基于暂态分量的遗传算法定位方法,具有如下优点:首先,将暂态量作为故障判据,使方法同样适用于中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统,并且不论对于金属性单相齐郑,等基于暂态分量遗传算法的小电流接地故障定位方法一35-接地故障还是非金属性单相接地故障都能准确定位;其次,充分利用现场有大量三相五柱式PT投运,能够实现零序电压、电流实时测量的这一情况,利用故障后各个终端处暂态零序电流和零序电压的突变方向的比较结果进行编码,与比较各终端零序电流进行定位的方法相比,各终端之间不需要GPS定时,降低了获得定位判据的门槛;最后,遗传算法本身的容错性使得该方法在故障信息缺失的情况下也可以输出有一定可信度的定位结果。1基于暂态零序电流的遗传算法设计遗传算法通过模拟生物种群进化的过程来寻找问题最优解,在配电网故障诊断问题中,遗传算法因其具有容错性、能够全局寻优的特点而具有很好的应用前景。本文提出的用于主站的基于暂态分量遗传算法的小电流接地故障定位方法,其基本定位步骤有:编码、初代种群生成、适应度检测、选择、交叉、变异、判断收敛、译码。1.1编码—因为遗传算法针对的对象是由01码构成的染色体数字串,所以用遗传算法解决故障定位问题,首先要实现从故障信息到0.1码数字串的转换,也就是编码过程:(1)终端状态编码终端的具体编码方法是用小波法寻找暂态零序电流和电压的突变方向061,对比两者,把突变方向相反的终端编码为1,突变方向相同的终端编码为0。(2)区段状态编码线路按终端安装位置划分成若干个区段,假设发生故障的区段编码为1,没有发生故障的区段编码为0。如图1,s3区段发生单相接地故障,这一区段状态用0.1码表示为0010。图1区段s3发生故障Fig.1Faultins3zone1.2初始种群生成Ⅳ初始种群是由个染色体数字串组成的群体,Ⅳ为种群规模,种群中每一个染色体的长度,z与区段的个数相同,染色体数字串的每一位代表相应区段的状态。如N=2的染色体种群A={0010,0110},每个染色体的长度n=4,代表有四个区段,其中染色体0010隐含的信息是区段3有故障,染色体0110隐含的信息是区段2、3都有故障。初始种群中的染色体数字串都是随机生成的,遗传算法以初始种群作为第一代种群开始迭代。1.3适应度检测适应度函数是遗传算法中衡量个体优劣的唯一标准,根据实际问题的不同具有不同的形式。本文采用的适应度函数如式(1)。∑∑E():M~(一()l+(一1))(1)式中:M的数值取为实际安装终端个数的2倍;为第,个终端的终端状态编码;,『,()为第,个终端的终端状态函数,,)的计算公式如式(2)。()=儿S(2),式(2)中:S是第i个区段的区段状态编码,兀是逻辑或的意思,意为若第,个终端下游(下游指的是从第,个终端到线路末端之间的线路,包括之间出现的所有分支线路)的各区段状态编码至少有一个为1时,那么第,个终端的终端状态函数值为1,否则为0。式(1)最右边的一项>.‘S一1有两个作用:其一可避免适应度函数一值多解的问题,例如发生图1所示单相接地故障时,终端状态编码为1110,假设式(1)中没有>S,一1这一项,那么当区段状态编码为0010、0110、1110时,适应度值E()都等于而加上>S一1一项之后,只有区段状态编码为0010时,适应度值E()才等于其他区段状态下适应度值都小于M。其二是为了在母线至离母线最近终端之问区段发生故障的情况下形成收敛条件,例如图2中,母线与终端1之间发生单相接地故障,各终端零序电流流向如图所示,终端状态编码为0000,当区段状态编码为0000时,由式f1)计算所得的适应度值E()为最大值+_1,可据此判断故障区段在母线与终端1之间。图2母线与终端1之间发生故障Fig.2Faultbetweenbusandfirstterminal1.4选择、交叉和变异选择过程采用最优保持和轮盘赌的混合选择机制,这~机制确保种群中适应度高的个体被选中一36一电力系统保护与控制的概率高于那些适应度低的个体,同时保持每一代种群中的最优个体不会被淘汰。交叉过程和变异过程通过交叉概率和变异概率P来控制,本文将交叉概率选为0.6,变异概率选为0.01。1.5收敛条件判断本文设计遗传算法收敛条件有2个:一是种群中出现适应度值等于或等于1的个体;二是算法达到最大迭代次数。两者满足其一算法就会停I上=迭代,输出最优个体(最优个体是指适应度值最大的,且区段状态编码各位数字相加之和最小的个体),转而进入下一步译码过程。1.6译码译码是段状态编码的逆过程,算法结束后,对最优个体的区段状态编码进行译码,编码中数字1的位置所代表的区段即为故障区段。1.7遗传定位方法的容错性实际中单相接地故障发生后,经常会发生FTU上传故障信息不及时,甚至根本不上传的情况,影响定位的准确性。而遗传算法具有高容错性,在故障信息缺失情况一1.-,定位效果优于其他方法,这是遗传算法在配网故障诊断中的最大优势。F面将举例说明本文设计的遗传算法定位方法在故障信息缺失情况下所具有的容错性。如图3所示的系统,根据6台终端安装位置将线路划分为s1~s6六个区段,单相接地故障设置为在s5区段发生,图中箭头表示了各终端测得暂态零序电流流向。图3系统线路图Fig.3Circuitdiagram根据1.1节中的编码原则可得终端状态编码如表l所示。表1终端状态编码Table1FTUstatUScodes基于表1的终端状态编码,按照式(1)计算适应度值(MI ̄J值取为12),可得出当区段状态编码为000010时,适应度值有最大值12,算法最终输出最优个体为000010,译码可知故障区段为s5。现假设故障发生时终端T2没有上传信息,主站默认故障信息缺失终端T2的终端状态编码为1,主站实际的终端状态编码如表2所示。表2终端状态编码(故障信息缺失)Table2FTUstatuscodes(faultinformationmissing)基于表2的终端状态编码,按照式(1)计算适应度值,可得出当区段状态编码为000010和010010时,均有最大适应度值11,而根据1.6节对于最优个体的定义可知,000010应该为最优个体,因此算法最终输出最优个体为000010,译码可知故障区段为s5。这说明,在终端T2故障信息缺失的情况下,算法所具有的容错性能够确保定位结果的准确性。类似的情况在T4、T5故障信息缺失的情况下也都有所体现。2基于暂态零序电流的遗传算法实现过程根据上述方案设计而成的用于小电流接地系统单相接地故障定位的遗传算法,其具体实现流程如图4所示。种群编号加1终端检测到零序电压越限终端将暂态零序电流与电压进行对比并编码,将编码结果传给主站主站收到编码结果后启动算法生成初代种群,根据终端编码结果计算种群中每个个体的适应度值E(s)趸吾满足收敛条、>壁‘选择,交义,变异,形成新代种群计算新种群个体适应度值目译码,得出故障位置图4遗传算法流程图Fig.4Geneticalgorithmprocess齐郑,等基于暂态分量遗传算法的小电流接地故障定位方法一37一终端实时检测安装位置处三相五柱式PT和CT的合成零序电流、电压,一旦有终端检测到零序电压幅值超过预设的启动值后,所有终端立刻捕捉到零序电压超过启动值前2个周期和超过启动值后2个周期的暂态零序电流和电压信号,然后用小波法寻找突变方向,经对比后进行终端状态编码,并将编码结果上传给主站;主站收到编码结果后,首先启动遗传算法,生成初始种群;然后根据各个终端传来的终端状态编码,计算种群个体的适应度值,判断收敛与否,若满足收敛条件则直接进入最终的译码环节,若不满足收敛条件则进入选择、交叉、变异过程,生成新一代种群,对新一代种群再次进行适应度计算,判断收敛与否,若满足收敛条件则直接进入最终的译码环节,若不满足收敛条件则将种群编码加1,再进行新一论的选择、交叉、变异过程,如此往复循环,直至满足收敛条件或者达到最大迭代次数为止。3现场测试情况由上述的设计方案形成了内置遗传算法定位软件的主站和暂态量测量终端,并在现场线路上进行了安装测试。现场的线路图如图5所示,矩形表示出线断路器(实心矩形表示出线断路器闭合,空心矩形表示出线断路器断开),方块表示分段断路器(实心方块表示分段断路器闭合,空心方块表示分段断路器断开),实心圆圈表示终端。“”终端具有二遥功能,可以将编码结果通过GPRS上传给主站。主站为一台工业用计算机,安装有遗传算法定位软件。设置了两种不同运行方式下的单相接地故障,算法诊断故障的情况如下。图5现场线路图—Fig.5Onsitecircuitdiagram3.1第一种运行方式下模拟故障如图6所示,第一种运行方式为所有分段开关全部断开,根据终端安装位置将线路划分为sl~s5五个区段。故障类型设置为在图中s2区段发生A相接地故障。图6第一种运行方式Fig.6Thefirstoperationmode在这一运行方式和故障类型下,终端T1~T4能够检测到零序电压超过预设的启动值,之后这些终端立刻捕捉到零序电压超过启动值前2个周期和超过启动值后2个周期的暂态零序电流和电压信号,然后用小波法寻找突变方向,经对比后进行终端状态编码,并将编码结果上传给主站,终端状态编码如表3所示,各终端暂态零序电流和零序电压波形如图7所示。表3第一种运行方式下的终端状态编码Table3FTUstatuscodesonthefirstoperationmodeTI\nl1\/\/、l\/\\¨/一-图7第--gO运行方式下的暂态零序电流和零序电压—Fig.7Transientzerosequencecurrentandtransient—zerosequencevoltageonthefirstoperationmode3.2第二种运行方式下模拟故障如图8所示,第-t0运行方式为分段开关K4闭合,变电站C的出线断路器KB5断开,其他分如"O|1.~fl一38一电力系统保护与控制段开关均断开,根据终端安装位置将线路划分为sl-s5五个区段。故障类型设置为在图中s5区段发生A相接地故障。图8第二种运行方式Fig.8Thesecondoperationmode在这一运行方式和故障类型下,终端T1~T5检测到零序电压超过预设的启动值,之后终端将测得的暂态量进行编码,上传终端状态编码给主站,终端状态编码如表4所示,各终端暂态零序电流和零序电压波形如图9所示。表4第二种运行方式下的终端状态编码Table4FTUstatuscodesonthesecondoperationmode150《75‘^>075l50T』\()l()2O3O40t/ms图9第二种运行方式下的暂态零序电流和零序电压—Fig.9Transientzerosequencecurrentandtransientzero・sequencevoltageonthesecondopermionmode主站得到终端状态编码,启动遗传算法搜寻故障区段,最终输出的结果为s5区段发生单相接地故障,准确定位出了故障区段。4结论本文提出了基于暂态量的遗传算法单相接地定位方法,设计了基于暂态零序电流和暂态零序电压突变方向比较的编码原则以及遗传算法定位过程,举例说明了方法的容错性。另外根据该定位方法编写了用于主站的遗传算法定位软件,通过现场测试,证明该方法在多种运行方式下都可以准确地定位出单相接地故障区段。参考文献[1]孙波,张承慧,孙同景,等.基于暂态相电流的小电流接地故障定位研究【JJ.电力系统保护与控制,2012,—40(181:6974.—SUNBo,ZHANGChenghui,SUNTongUing,eta1.Earthfaultlocationbasedontransientphasecurrentin—nonsolidlyearthednetwork[J].PowerSystemProtectionandControl,2012,40(18):69-74.[2]马士聪,徐丙垠,高厚磊,等.检测暂态零模电流相关性的小电流接地故障定位方法[J】_电力系统自动化,—2008,32(7):4851.—MAShi-cong,XUBingyin,GAOHou-lei,eta1.Anearthfaultlocatingmethodinfeederautomationsystembyexaminingco 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