中壓配電線路故障在線監(jiān)測(cè)與識(shí)別

張碧慧 楊 帆 劉 堅(jiān) 郭謀發(fā)

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116；2. 國(guó)網(wǎng)福建南平市供電有限公司，福建 南平 353000）

中壓配電線路故障在線監(jiān)測(cè)與識(shí)別

張碧慧1楊 帆2劉 堅(jiān)2郭謀發(fā)1

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116；2. 國(guó)網(wǎng)福建南平市供電有限公司，福建 南平 353000）

本文針對(duì)中壓配電線路距離長(zhǎng)分布廣、故障不易排除等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套中壓配電線路故障在線監(jiān)測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)。系統(tǒng)由分層結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)裝置和上位機(jī)軟件組成，通信架構(gòu)基于RS-485、GPRS和以太網(wǎng)的混合通信方式。監(jiān)測(cè)裝置采集并上傳線路故障波形，上位機(jī)軟件調(diào)用基于奇異值分解和多級(jí)SVM的故障類型識(shí)別算法，顯示故障波形及識(shí)別結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能有效地監(jiān)測(cè)和識(shí)別線路故障，算法正確率達(dá)到94%以上。

中壓配電網(wǎng)；線路故障；在線監(jiān)測(cè)；故障類型識(shí)別

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，線路分支多且傳輸距離遠(yuǎn)，線路發(fā)生故障后，傳統(tǒng)的人工巡線查找法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易導(dǎo)致事故擴(kuò)大。隨著供電可靠性要求的提高，各配電公司迫切需要一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)線路運(yùn)行狀況的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為配電線路事故預(yù)防和故障排查提供有力保障[1]。

可將配電網(wǎng)饋線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)分為集中式和分布式。集中式系統(tǒng)的微處理器任務(wù)繁重，系統(tǒng)可靠性差，且不易擴(kuò)展[2-4]。分布式系統(tǒng)的軟硬件采用分層結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)逐級(jí)上傳，各層之間獨(dú)立開(kāi)發(fā)工作，有助于系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)[5-7]?，F(xiàn)有配電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)單相接地故障選線功能，對(duì)其他故障類型的診斷分析較少[8-9]。隨著配電網(wǎng)的規(guī)模擴(kuò)大，故障情況愈加復(fù)雜，故障分類作為故障選線、故障定位、保護(hù)動(dòng)作評(píng)價(jià)等工作的基礎(chǔ)[10]，在配電線路發(fā)生故障后準(zhǔn)確識(shí)別故障類型，有助于檢修人員分析故障原因，及時(shí)排除故障。

本文設(shè)計(jì)一套由線路監(jiān)測(cè)裝置和上位機(jī)軟件組成的中壓配電線路故障在線監(jiān)測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)裝置采集線路故障波形，結(jié)合多種通信技術(shù)上傳波形數(shù)據(jù)并通過(guò)人機(jī)交互界面顯示。上位機(jī)軟件調(diào)用基于奇異值分解（SVD）和多級(jí)支持向量機(jī)（SVM）的故障類型識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)線路故障監(jiān)測(cè)與單相接地、兩相接地、兩相短路和三相短路等4種故障類型的識(shí)別。利用物理仿真系統(tǒng)驗(yàn)證在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中壓配電線路故障在線監(jiān)測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”）是由監(jiān)測(cè)裝置和上位機(jī)軟件組成的分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測(cè)裝置分為電壓型和電流型，上位機(jī)軟件分為通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)和用戶應(yīng)用程序。電壓型監(jiān)測(cè)裝置采集母線電壓，并與電流型監(jiān)測(cè)裝置以及上位機(jī)軟件交互，通過(guò) RS-485總線匯集各個(gè)電流型監(jiān)測(cè)裝置所采集的變壓器低壓側(cè)電流和饋線電流，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳給通信服務(wù)器，通信服務(wù)器將解析后的有效數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶應(yīng)用程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中故障波形數(shù)據(jù)，調(diào)用Matlab軟件編寫(xiě)的故障類型識(shí)別算法，以電壓和電流波形為物理量，識(shí)別線路的運(yùn)行狀態(tài)和故障類型，顯示故障信息并發(fā)出告警信號(hào)。

圖1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)通信方式

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信架構(gòu)由RS-485、GPRS和以太網(wǎng)組成，根據(jù)安裝環(huán)境，設(shè)計(jì)模塊之間的通信方式。電壓型監(jiān)測(cè)裝置被安裝于變電站內(nèi)的母線PT柜，電流型監(jiān)測(cè)裝置被安裝于饋線柜，通信傳輸時(shí)外界干擾較小，且通信距離短，易于鋪設(shè)通信線路，因此電壓型監(jiān)測(cè)裝置和電流型監(jiān)測(cè)裝置之間采用一對(duì)多的RS-485主從式通信方式和串口型Modbus規(guī)約。安裝于變電站或調(diào)度中心的上位機(jī)軟件在現(xiàn)有的光纖局域網(wǎng)基礎(chǔ)上，采用傳輸速率高、可靠性強(qiáng)的以太網(wǎng)通信方式和TCP/IP型Modbus規(guī)約，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件與電壓型監(jiān)測(cè)裝置之間以及上位機(jī)軟件各模塊之間的信息交互，保障通信的實(shí)時(shí)性。監(jiān)測(cè)裝置與上位機(jī)軟件安裝環(huán)境不一，通信距離較遠(yuǎn)，因此電壓型監(jiān)測(cè)裝置采用 GPRS通信方式上傳數(shù)據(jù)，避免重新鋪設(shè)通信線路，提高監(jiān)測(cè)裝置的適應(yīng)能力。

1.3 通信規(guī)約

Modbus規(guī)約的2種幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，ADU為應(yīng)用數(shù)據(jù)單元，由 PDU和附加域組成。PDU為簡(jiǎn)單規(guī)約數(shù)據(jù)單元，包含所需傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)操作指令。串口型Modbus規(guī)約的ADU附加地址域和差錯(cuò)校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)傳輸對(duì)象識(shí)別和報(bào)文校驗(yàn)，可提高RS-485的傳輸可靠性。以太網(wǎng)通信方式自帶校驗(yàn)功能，因此TCP/IP型Modbus規(guī)約無(wú)需差錯(cuò)校驗(yàn)，只需附加MBAP報(bào)文頭，用于識(shí)別傳輸對(duì)象和報(bào)文邊界。

圖2 Modbus規(guī)約的幀結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)裝置采用拔插式模塊與總線式設(shè)計(jì)，通過(guò)模塊替換實(shí)現(xiàn)同一機(jī)箱的不同功能轉(zhuǎn)換，提高裝置的可擴(kuò)展性，降低系統(tǒng)成本。電壓型監(jiān)測(cè)裝置主要由電壓采集模塊、采集CPU模塊、通信CPU模塊、GPRS模塊和總線模塊組成，電流型監(jiān)測(cè)裝置由電流采集模塊、采集CPU模塊和總線模塊組成，模塊連接如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)裝置模塊連接圖

電流采集模塊經(jīng)線路 CT獲取變壓器低壓側(cè)出口處的三相電流信號(hào)以及各條饋線的三相電流信號(hào)和零序電流信號(hào)。電流信號(hào)經(jīng)電流轉(zhuǎn)換器和AD芯片轉(zhuǎn)換送入采集CPU，通過(guò)CPU整合后上發(fā)給電壓型監(jiān)測(cè)裝置。電壓采集模塊從母線 PT處采集母線的三相電壓信號(hào)和零序電壓信號(hào)，將轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)送入采集CPU，匯集完各路電壓電流波形后，通過(guò)通信CPU上傳給上位機(jī)。電壓型監(jiān)測(cè)裝置既作為電壓采集裝置，又起數(shù)據(jù)匯流傳輸?shù)淖饔?，相?duì)于以往的監(jiān)測(cè)裝置，可節(jié)省一臺(tái)專門(mén)用于數(shù)據(jù)通信管理的集中器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，易于現(xiàn)場(chǎng)安裝。同時(shí)采集和通信的CPU分立工作，提升監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)時(shí)性能和系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2.2 監(jiān)測(cè)裝置軟件功能

電壓型監(jiān)測(cè)裝置的軟件功能主要分成通信傳輸、故障錄波起動(dòng)和故障電壓波形存儲(chǔ)等部分，通信傳輸功能又分為與上位機(jī)之間的報(bào)文收發(fā)以及與電流型監(jiān)測(cè)裝置的交互，程序流程如圖4所示。采集CPU實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓信號(hào)是否異常，若滿足故障錄波起動(dòng)判據(jù)，則開(kāi)始錄制電壓波形并由通信CPU下發(fā)錄波指令給電流型監(jiān)測(cè)裝置，波形匯總后將波形數(shù)據(jù)按規(guī)約格式打包上傳給上位機(jī)軟件。電流型監(jiān)測(cè)裝置的軟件功能較為簡(jiǎn)單，主要利用采集CPU實(shí)現(xiàn)故障電流波形存儲(chǔ)以及與電壓型監(jiān)測(cè)裝置的通信傳輸。

圖4 電壓型監(jiān)測(cè)裝置的程序流程圖

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)通信服務(wù)器和用戶應(yīng)用程序采用圖形化編程軟件LabVIEW開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)由SQL Server系統(tǒng)搭建，各模塊獨(dú)立開(kāi)發(fā)，相互之間通過(guò)TCP/IP或ADO遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接。各模塊可分別被安裝于變電站或調(diào)度中心的不同主機(jī)上，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的模塊化和組件化，以利于軟件維護(hù)與升級(jí)。

3.1 通信服務(wù)器

通信服務(wù)器采用異步非阻塞通信方式和多線程模式，使服務(wù)器一直保持在偵聽(tīng)狀態(tài)，以防客戶端因網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定而斷連，在偵聽(tīng)的同時(shí)還可通過(guò)TCP/IP socket實(shí)現(xiàn)一對(duì)多結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸以及其他操作。定時(shí)管理功能主要實(shí)現(xiàn)與電壓型監(jiān)測(cè)裝置之間的鏈路測(cè)試、對(duì)時(shí)和報(bào)文重發(fā)機(jī)制。數(shù)據(jù)解析和打包功能根據(jù)TCP/IP型Modbus規(guī)約解析已接收數(shù)據(jù)以及打包待發(fā)送數(shù)據(jù)，并將有用信息存儲(chǔ)于全局變量。數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能負(fù)責(zé)連接數(shù)據(jù)庫(kù)、查詢參數(shù)，以及存儲(chǔ)裝置狀態(tài)信息、電壓電流數(shù)據(jù)、錄波指示等信息，以供用戶應(yīng)用程序讀取。用戶應(yīng)用程序?qū)ρb置的遙控操作，如下發(fā)錄波起動(dòng)命令，設(shè)置起動(dòng)閾值、修改監(jiān)測(cè)裝置參數(shù)等，先向通信服務(wù)器發(fā)起操作請(qǐng)求，通信服務(wù)器作為中轉(zhuǎn)站再轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的電壓型監(jiān)測(cè)裝置。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高，僅使用通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)是不夠的，需利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)保證數(shù)據(jù)采集與處理的響應(yīng)速度[11]，因此將數(shù)據(jù)庫(kù)分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分。數(shù)據(jù)庫(kù)表單如圖5所示，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的臨時(shí)數(shù)據(jù)或經(jīng)常變化的信息，如定時(shí)更新的裝置狀態(tài)信息和線路電壓電流波形數(shù)據(jù)等。為方便系統(tǒng)維護(hù)并保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行效率，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)定期將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的相應(yīng)表單中并清空。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)除了存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)裝置上傳的歷史波形數(shù)據(jù)之外，還包括設(shè)備參數(shù)信息、故障診斷信息和用戶操作信息。

數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)方式采用ADO訪問(wèn)技術(shù)，其繼承了OLE DB的高速性，可以高速訪問(wèn)本地或遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)源。LabVIEW軟件遠(yuǎn)程訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的步驟如下：①調(diào)用 ADO控件；②連接數(shù)據(jù)源；③生成并執(zhí)行SQL命令；④關(guān)閉數(shù)據(jù)源連接。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)表單

3.3 用戶應(yīng)用程序

用戶應(yīng)用程序負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示、在線控制、故障告警等人機(jī)交互任務(wù)。軟件功能結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括系統(tǒng)管理、設(shè)備管理、通信管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史查詢、故障分析等8個(gè)部分。

圖6 用戶應(yīng)用程序功能結(jié)構(gòu)

操作人員可通過(guò)用戶應(yīng)用程序向各個(gè)監(jiān)測(cè)裝置下發(fā)命令，如查詢當(dāng)前母線電壓或饋線電流、修改電壓型監(jiān)測(cè)裝置起動(dòng)閾值等。用戶應(yīng)用程序定時(shí)讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的波形數(shù)據(jù)表，若出現(xiàn)新的故障波形，立即調(diào)用Matlab Script中的識(shí)別算法，以波形數(shù)據(jù)為輸入量，故障類型作為輸出量，調(diào)用結(jié)束后彈窗顯示診斷結(jié)果并發(fā)出告警信號(hào)。同時(shí)將歷史故障診斷數(shù)據(jù)及操作日志存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，以供后期查詢研究。

4 故障類型識(shí)別算法

一套完整而有效的配電線路故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)在于能否準(zhǔn)確區(qū)分故障類型，以便故障排查。配電網(wǎng)線路的故障類型較多，本系統(tǒng)主要研究單相接地、兩相接地、兩相短路、三相短路等4種故障類型的識(shí)別。

4.1 算法流程

工科新教師培訓(xùn)動(dòng)機(jī)缺失主要表現(xiàn)為：缺乏參加培訓(xùn)的積極性、主動(dòng)性、自覺(jué)性，缺乏投入培訓(xùn)的激情與熱情，缺少全過(guò)程高質(zhì)量完成培訓(xùn)的持久動(dòng)力。

故障類型識(shí)別算法的流程如圖7所示。首先提取母線三相電壓、母線零序電壓和主變低壓側(cè)三相電流等7個(gè)故障波形的故障前一周波和故障后兩周波作為輸入樣本，利用希爾伯特-黃變換（hilberthuang transform, HHT）與帶通濾波算法構(gòu)造故障波形的時(shí)頻矩陣，并對(duì)其進(jìn)行SVD以獲取特征量，輸入到多級(jí)SVM進(jìn)行訓(xùn)練和分類識(shí)別。

圖7 故障類型識(shí)別算法流程圖

4.2 基于HHT帶通濾波的時(shí)頻分解

HHT主要分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（empirical mode decomposition, EMD）和Hilbert變換兩部分[12]。首先采用 EMD將各個(gè)故障波形信號(hào)分解為若干個(gè)頻率成分單一的固有模態(tài)函數(shù)（intrinsic mode function,IMF）分量，接著對(duì)IMF分量進(jìn)行Hilbert變換，可得對(duì)應(yīng)的二維Hilbert能量譜。利用帶通濾波算法將能量譜圖等區(qū)域劃分為m個(gè)子頻帶并重構(gòu)，得到表征各個(gè)原始信號(hào)特征的時(shí)頻矩陣，即

式中，n為采樣點(diǎn)數(shù)，aij（ i = 1,2,… ,m; j = 1,2,… ,n ）為各個(gè)子頻帶波形的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

A的行表示故障波形經(jīng)HHT帶通濾波后各個(gè)子頻帶的重構(gòu)波形數(shù)據(jù)，列表示故障波形的采樣時(shí)刻。時(shí)頻矩陣A完整地表現(xiàn)了故障波形在各個(gè)子頻帶上的時(shí)頻特征，按頻帶分離信號(hào)，有利于特征量的提取，并且濾去高頻噪聲，增加信號(hào)可比性[13]。

4.3 特征量提取

根據(jù)SVD理論[14]，對(duì)式（1）的時(shí)頻矩陣A，必定存在2個(gè)正交矩陣U和V以及一個(gè)對(duì)角矩陣D滿足下式：

式中，λi（i = 1 ,2,… ,k ）為矩陣 AAT的特征值，λ1＞ λ2＞ … ＞ λk-1＞ λk＞ 0 ，k為奇異值階數(shù)，rank為求A的秩。

每個(gè)故障波形對(duì)應(yīng)的時(shí)頻矩陣A經(jīng)SVD后得到k個(gè)奇異值，其中非零奇異值的個(gè)數(shù)代表時(shí)頻矩陣A中包含不同特征模式的數(shù)量，其值的大小代表相應(yīng)特征模式在總模式中所占比重，表征故障波形的特性。

對(duì)大量故障波形SVD后發(fā)現(xiàn)，各個(gè)故障波形的奇異值在第 5階之后基本為 0。因此，統(tǒng)一選取各個(gè)故障波形的前5個(gè)奇異值作為配電網(wǎng)線路故障類型識(shí)別的特征量。奇異值作為穩(wěn)定的矩陣代數(shù)參量，兼具良好的魯棒性和泛化能力，對(duì)配電網(wǎng)線路多而雜的故障情況能夠表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性。

4.4 多級(jí)SVM分類算法

SVM 是在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種學(xué)習(xí)機(jī)器，根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化準(zhǔn)則，以最大化分類間隔構(gòu)造最優(yōu)分類超平面來(lái)提高其泛化能力，較好地解決了非線性、高維數(shù)、局部極小點(diǎn)等問(wèn)題[15]。

SVM 算法主要針對(duì)二元問(wèn)題，因此采用 3級(jí)SVM區(qū)分上述4種故障類型，實(shí)現(xiàn)自上而下的逐級(jí)識(shí)別[16]。多級(jí) SVM的二分樹(shù)結(jié)構(gòu)如圖 8所示，輸入樣本為從故障電壓電流波形提取出的特征量。SVM1可以區(qū)分兩類故障，根據(jù)故障時(shí)兩相及兩相以上是否出現(xiàn)大電流，將兩相接地、兩相短路和三相短路故歸為一類，單相接地視為另一類。SVM2根據(jù)是否接地這一特征，將兩相接地和不接地的相間短路故障區(qū)分開(kāi)。SVM3則依據(jù)兩相短路和三相短路時(shí)相電壓和相電流的對(duì)稱性區(qū)分這兩種故障。

圖8 多級(jí)SVM二分樹(shù)結(jié)構(gòu)

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

利用實(shí)驗(yàn)室搭建的 0.4kV配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性和故障類型識(shí)別效果。物理仿真系統(tǒng)依據(jù)相似性原理，將 10kV系統(tǒng)中的各個(gè)元件用縮小容量的物理模型元件替代，阻抗模擬比為 1，電壓模擬比和電流模擬比為 10∶0.38，所帶負(fù)荷均為純阻性負(fù)載，系統(tǒng)接地方式可選擇不接地或經(jīng)消弧線圈過(guò)補(bǔ)償接地[16]。物理仿真系統(tǒng)的主接線如圖9所示，其中，V1為電壓型監(jiān)測(cè)裝置，安裝在母線處，C1—C6為電流型監(jiān)測(cè)裝置，安裝在變壓器低壓側(cè)出口處和各饋線首端，編號(hào)F1—F6表示實(shí)驗(yàn)設(shè)置的故障點(diǎn)。

圖9 配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)主接線

5.2 波形分析

為驗(yàn)證在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性以及分析故障波形特征，采集F5故障點(diǎn)發(fā)生4種故障時(shí)的母線三相電壓、零序電壓和變壓器低壓側(cè)三相電流波形，波形樣本分別如圖10至圖13所示。每個(gè)波形信號(hào)長(zhǎng)度為故障前一周波和故障后兩周波，故障初相角為90°，故障過(guò)渡電阻為0，系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地。4種故障類型的相別分別為AG、BCG、BC和ABC。

圖10 單相接地故障的電壓和電流波形

圖11 兩相接地故障的電壓和電流波形

圖12 兩相短路故障的電壓和電流波形

圖13 三相短路故障的電壓和電流波形

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，單相接地故障與多相故障的區(qū)別在于多相故障時(shí)的故障相電流明顯增大，而單相接地時(shí)線電壓仍接近對(duì)稱，故障電流變化趨勢(shì)不明顯。接地故障與相間短路故障之間最大的區(qū)別是零序電壓的大小，其原因在于接地故障的接地相電壓跌落，與非接地相電壓幅值差異明顯，零序電壓隨之升高。而發(fā)生相間短路故障時(shí)，故障點(diǎn)不接地，零序沒(méi)有通路，因此零序電壓為零。兩相短路與三相短路的零序電壓皆為 0，兩種故障之間的區(qū)別主要體現(xiàn)在故障后的三相電壓和三相電流對(duì)稱與否。三相短路屬于對(duì)稱故障，故障后的三相電壓和三相電流基本對(duì)稱。而兩相短路為不對(duì)稱故障，故障相電壓跌落、非故障相電壓基本不變，線電壓呈不對(duì)稱現(xiàn)象，影響負(fù)荷供電，以致三相電流不對(duì)稱。

線路發(fā)生故障時(shí)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)起動(dòng)錄波并且采樣同步。4種故障波形樣本的特征明顯，與實(shí)際配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)所表征的特性基本相同，說(shuō)明本系統(tǒng)的采樣精度滿足故障類型識(shí)別算法的分類要求?？蓪⒐收锨昂蟮娜嚯娏鞣底兓?、零序電壓幅值大小、三相電壓和三相電流是否對(duì)稱作為4種故障類型的分類特征。

5.3 識(shí)別效果

綜合考慮故障位置、故障電阻、故障初相角、故障相別等諸多因素的影響，對(duì)物理仿真系統(tǒng)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取4種故障類型的波形樣本。將所得樣本按故障點(diǎn)位置分成訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本，兩類樣本選取不同的故障位置，來(lái)驗(yàn)證算法識(shí)別的正確率和適應(yīng)能力。

訓(xùn)練樣本選自物理仿真系統(tǒng)中 F1、F2、F6三個(gè)故障點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)的波形數(shù)據(jù)，樣本分布情況見(jiàn)表1。

表1 訓(xùn)練樣本分布情況

表2為算法的測(cè)試樣本和測(cè)試結(jié)果，樣本選自F3、F4、F5故障點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)的波形數(shù)據(jù)。由表可知，多級(jí)SVM的平均識(shí)別率為94.51%，總體保持在85%以上，其中三相短路故障的識(shí)別正確率較低，其原因是物理仿真系統(tǒng)線路較少，三相短路的訓(xùn)練樣本不足，可通過(guò)增加樣本數(shù)量提高對(duì)該故障的識(shí)別正確率。

表2 測(cè)試樣本和測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

中壓配電線路故障在線監(jiān)測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合監(jiān)測(cè)裝置、通信傳輸技術(shù)、上位機(jī)軟件和故障類型識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)線路故障監(jiān)測(cè)與故障類型識(shí)別。經(jīng)配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)測(cè)試，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，線路發(fā)生故障時(shí)能夠正確錄波并識(shí)別故障類型。本系統(tǒng)具備完善的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與界面顯示功能，算法識(shí)別效果較好，適應(yīng)能力強(qiáng)，在各種故障條件下皆能實(shí)現(xiàn)對(duì)4種故障類型的快速準(zhǔn)確識(shí)別，為開(kāi)展單相接地故障選線、故障定位和故障排查的工作奠定了基礎(chǔ)。

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Online Monitoring and Identification of MV Distribution Line Fault

Zhang Bihui1Yang Fan2Liu Jian2Guo Moufa1
(1. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116;2. State Grid Fujian Nanping County Electric Power Supply Co., Ltd, Nanping, Fujian 353000)

An online monitoring and identification system for medium voltage (MV) distribution line fault is developed to avoid the difficulty to exclude fault caused by long distance and wide distribution of MV distribution line. The system consists of hierarchical monitoring devices and PC software. The communication architecture is based on a communication method composed of RS-485,GPRS and Ethernet. Monitoring devices acquire and upload the fault waveform of line. PC software displays fault waveform and recognition result obtained by calling the fault type identification algorithm based on singular value decomposition (SVD) and multilevel support vector machine (SVM). The experimental results show that the system is stable and effective to monitor and identify line faults. In addition, the accuracy rate of proposed algorithm can reach 94%.

MV distribution network；line fault；online monitoring；fault type identification

福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目（JA15086）

張碧慧（1993-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)及其自動(dòng)化技術(shù)。