基于DSP的自適應(yīng)單相自動重合閘的研究
2013-06-04 07:09:12馮毅吳必瑞
馮毅 吳必瑞
【摘 要】介紹了采用數(shù)字信號處理器（DSP）實現(xiàn)自適應(yīng)自動重合閘， 根據(jù)電力線路工作和故障跳閘時采集的暫態(tài)量參數(shù)變化， 利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的專家系統(tǒng)進行運算， 從而確定是否重合閘， 有效地解決了目前自動重合閘中合于永久性故障對電力系統(tǒng)造成的危害。通過仿真試驗結(jié)果分析，證明設(shè)計方案可滿足實際要求。
【關(guān)鍵詞】DSP；自適應(yīng)重合閘；斷路器；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
0.引言
自動重合閘是保證電力系統(tǒng)安全供電和穩(wěn)定運行的重要手段。對于特高壓輸電線路發(fā)生單相接地故障的概率比較大，而接地故障主要有瞬時性故障和永久性故障，自動重合閘是針對瞬時性故障提高供電可靠性的一種有效措施。當(dāng)線路出現(xiàn)瞬時性故障時， 繼電保護使斷路器跳閘， 經(jīng)過一定時間間隔后， 自動重合閘裝置ARC（Auto-Reclosing Controller） 使斷路器重新合上，以保證系統(tǒng)的安全供電。瞬時性故障時，斷路器跳閘后線路的絕緣性能（ 絕緣子和空氣間隙） 能得到恢復(fù)， 重合閘能成功。由于ARC 無法判斷故障是瞬時性還是永久性的， 所以若重合于永久性故障時， 將會使電力系統(tǒng)又一次受到故障電流的沖擊， 其危害超過正常狀態(tài)下短路對系統(tǒng)的危害，因此判斷故障類型是否正確決定了重合閘裝置動作是否成功。國內(nèi)外學(xué)著做了大量的研究工作，出現(xiàn)了一些新的方法，如文獻(xiàn)[1]利用相位判據(jù)，文獻(xiàn)[2]利用暫態(tài)過程判據(jù)，還有其他的一些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。本文采用高速DSP作為數(shù)據(jù)處理核心，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法用于其中，提出了基于DSP的自適應(yīng)單相自動重合閘。建立特高壓電網(wǎng)模型，通過大量的仿真試驗表明了該方法的有效性和準(zhǔn)確性。
1.自適應(yīng)自動重合閘的基本思路
提出了一種自適應(yīng)自動重合閘， 能有效的分辨故障類型從而提高合閘成功率。其技術(shù)思路是在斷路器跳閘和合閘前后用數(shù)字信號處理器（DSP）不斷采樣線路上各種暫態(tài)參數(shù)， 再根據(jù)這些參數(shù)進行快速分析， 然后確定重合閘是否重合[1]。其工作流程如圖1 所示。
圖1 自適應(yīng)自動重合閘工作流程
2.自適應(yīng)自動重合閘控制器硬件
其硬件控制電路是一個以DSP 為核心的高速單片機應(yīng)用電路， 如圖2 所示為DSP應(yīng)用系統(tǒng)。
圖2 DSP應(yīng)用系統(tǒng)
DSP采用TI公司的TMS320VC5502，主頻高達(dá)300 MHz，實現(xiàn)高速（600MMACS）運算和大容量存儲。A/D轉(zhuǎn)換芯片使用TI 公司的AD73360。采集頻率高達(dá)80MHz， 采用3.6V低電壓設(shè)計， 功耗低。數(shù)據(jù)采集部分主要控制A/D采樣和FIFO器件。
3.故障類型的判別算法
為防止重合于永久性故障，一般通過分析一相斷開后線路兩端電壓的特征來實現(xiàn)判斷故障類型。由于線路存在電磁耦合，在故障點電弧通道存在潛供電流，在瞬時性故障和永久性故障兩種情況下，電弧變化不同，在發(fā)生瞬時性故障時，電弧變化反復(fù)，變化過程復(fù)雜，而在永久性故障時，電弧會較快熄滅。對于重負(fù)荷長距離的高壓輸電線路，為了能正確區(qū)分故障類型，可采用補償電壓判據(jù)。其算法為
k= （1）
判據(jù)的動作條件是：
K≥1時判定為瞬時故障，允許重合；K<1 時判定為永久性故障，閉鎖重合。
4.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法
由于電網(wǎng)參數(shù)、電壓電流測量會存在一定誤差，因此會存在誤判。借鑒BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)自適應(yīng)單相自動重合閘。BP算法是一種有監(jiān)督式的學(xué)習(xí)算法，其主要思想是：輸入學(xué)習(xí)樣本，使用反向傳播算法對網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和偏差進行反復(fù)的調(diào)整訓(xùn)練，使輸出的向量與期望向量盡可能地接近，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的誤差平方和小于指定的誤差時訓(xùn)練完成，保存網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和偏差。
運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)建模，BP 網(wǎng)絡(luò)是一個由大量神經(jīng)元組成的多層前饋網(wǎng)，但理論分析表明，3層BP 網(wǎng)可以模擬任何非線性映射，其變換函數(shù)采用S型函數(shù)。由于BP網(wǎng)絡(luò)用于較復(fù)雜問題時，經(jīng)常出現(xiàn)收斂速度慢，可能收斂到局部極小，難以確定中間層節(jié)點個數(shù)等缺點，根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]為了加速收斂和防止振蕩，對其算法進行如下改進。
ω（t+1）=ω（t）+a（1-η）D（t）+ηD（t-1） （2）
其中：ω（t）表示連接權(quán)向量；D（t）=-為t時刻的負(fù)梯度；
a為沖量因子，a?1；η為學(xué)習(xí)效率，0≤η?1。
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征輸入量選擇故障相基波分量，直流分量以及高次諧波作為輸入量，當(dāng)發(fā)生瞬時性故障時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點為1；發(fā)生永久性故障時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點為0。
5.自適應(yīng)自動重合閘仿真試驗
為了驗證自適應(yīng)自動重合閘在高壓線路上應(yīng)用的可靠性， 采用重合閘裝置進行了以下仿真試驗。利用matlab6.5軟件，建立simulik模型如下500KV的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。輸電線路具體參數(shù)根據(jù)實際情況及經(jīng)驗取得，其中，電源參數(shù)用集中參數(shù)表示，線路參數(shù)用分布參數(shù)表示。
Z=0.0256+j0.2804ΩKm
Z=0.2780+j0.8817ΩKm
C=0.0132μFKm
C=0.0090μFKm
Z=j0.5373Ω
Z=j0.1690Ω
采用EMTP對系統(tǒng)的各種狀態(tài)進行仿真計算，所得的結(jié)果進行適當(dāng)?shù)那爸锰幚砗?，作為神?jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，作為樣本進行訓(xùn)練和檢驗。為了反映各種可能的因素對判別結(jié)果造成影響，仿真過程中樣本數(shù)據(jù)取自不同故障點和不同故障類型的直流分量、基波分量和三次諧波三種輸入的近似值，對BP網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練。
根據(jù)所得樣本訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，表1列出了部分樣本及結(jié)果。結(jié)果表明，實際結(jié)果與理論結(jié)果非常接近。當(dāng)線路的首端、末端以及中間段發(fā)生單相瞬時接地故障、單相永久接地故障時輸出值不同，因此將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于故障狀態(tài)的判定，效果很好，克服了傳統(tǒng)自適應(yīng)單相重合閘誤判的缺點。
表1 部分實驗樣本及結(jié)果
Tab.1 parts of samples and output
6.結(jié)束語
采用高速智能處理器DSP實現(xiàn)自適應(yīng)自動重合閘，是為了解決當(dāng)前自適應(yīng)自動重合閘實時性的要求。引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法用于高壓輸電線路故障類型判斷， 通過大量樣本訓(xùn)練，使系統(tǒng)判斷故障類型能力不斷提高， 這樣重合閘的準(zhǔn)確性將會提高， 解決了自動重合閘存在本身不能判斷故障是瞬時性還是永久性的， 使斷路器的工作條件不會出現(xiàn)惡化，提高了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。仿真結(jié)果表明，該方法能夠有效識別故障類型，證實了其在重合閘應(yīng)用中的可行性。
【參考文獻(xiàn)】
[1]趙慶明，李斌.基于電壓補償原理的單相自適應(yīng)重合閘新型相位判據(jù)[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，13（38）：50-54.
[2]胥杰，張永健.基于MATLAB的自適應(yīng)單相自動重合閘 [J].華東電網(wǎng)，2010，2（38）：227-230.
[3]陳璟華，陳少華，楊宜明.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)單相重合閘研究[J].高壓電器，2003（4）：43-45.
[4]張建生.用DSP實現(xiàn)智能化自動重合閘[J].電力自動化設(shè)備，2007（7）：106-108.
[5]錢武，李生明.電力系統(tǒng)自動裝置[M].北京：中國水利水電出版社，2004.
[6]聶宏展，董爽，段玉兵.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單相自適應(yīng)重合閘的研究[J].東北電力學(xué)院學(xué)報，2005，25（2）：37-40.
