配電網(wǎng)單相接地故障特征分析軟件設(shè)計

馬玎, 牟龍華, 張鑫

(同濟(jì)大學(xué) 電氣工程系,上海 201804)

0 引 言

配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行是保障整個社會生產(chǎn)和生活的必要條件。我國配電網(wǎng)廣泛采用小電流接地方式,其中80%以上的故障都為單相接地故障。單相接地故障電流較小,故障檢測與選擇性保護(hù)較困難[1-2]。及時找到故障線路并將其快速隔離,有利于維護(hù)配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

小電流單相接地故障的主要解決方法有穩(wěn)態(tài)量分析法和暫態(tài)量分析法,由于故障條件的復(fù)雜性及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的局限性,這些方法在實際應(yīng)用中存在較大的局限性[3]?，F(xiàn)有的接地故障分析處理方法多為僅有理論分析或基于仿真數(shù)據(jù)[4-5],這些研究與實際測量得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果有較大的出入,使得故障診斷判據(jù)在實際應(yīng)用中不是很理想。本文將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于小電流接地系統(tǒng)進(jìn)行接地故障檢測。在利用小波分解提取新的故障特征的基礎(chǔ)上,基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷分析。

電力系統(tǒng)運行過程中會產(chǎn)生大量運行數(shù)據(jù),逐漸構(gòu)成電力大數(shù)據(jù)。近年來,具有故障錄波功能的故障指示器在配電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用[6]。除實時故障錄波數(shù)據(jù)外，還存在著大量的歷史數(shù)據(jù)信息,使得電力系統(tǒng)中的信息量呈爆炸式增長。為了順應(yīng)電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的潮流,除了需要完善的數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)外[7],還需要設(shè)計功能完備的人機(jī)交互界面，更好地對接地故障大數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)管理。

目前已有的單相接地故障診斷軟件存在較多不足之處,且尚未形成成型的完備系統(tǒng),功能方面也有所欠缺，例如不能夠滿足波形顯示、訓(xùn)練數(shù)據(jù)篩選以及饋線選擇等多種人機(jī)交互功能的需求。部分接地故障分析軟件存在封裝不完備的情況,無法適用于各種操作系統(tǒng)下的PC機(jī)。

本文首先根據(jù)故障錄波數(shù)據(jù)提取了三種故障特征(小波能量比、小波重構(gòu)系數(shù)方差和小波功率方向),設(shè)計了用于單相接地故障特征信息提取的解析軟件,在實現(xiàn)完備的波形顯示、數(shù)據(jù)篩選與分析的人機(jī)交互界面的基礎(chǔ)上,對設(shè)計完成的人機(jī)交互界面進(jìn)行軟件封裝,生成了能夠應(yīng)用于各種操作系統(tǒng)的可執(zhí)行文件,提高了單相接地故障特征分析軟件的適用范圍。

1 接地故障數(shù)據(jù)獲取

配電系統(tǒng)中廣泛采用的單相接地故障錄波分析系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 接地故障錄波分析系統(tǒng)

接地故障錄波分析系統(tǒng)主要由故障指示器、無線通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)主站等構(gòu)成。故障指示器分別安裝在每條線路的A、B、C三相上。電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時,故障點附近桿塔的故障指示器記錄波形數(shù)據(jù),通過無線通信網(wǎng)絡(luò)上傳到系統(tǒng)主站。系統(tǒng)主站處理每個故障指示器上傳的錄波數(shù)據(jù),完成對配網(wǎng)線路故障錄波數(shù)據(jù)的存儲和分析。

進(jìn)行電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析需要建設(shè)相應(yīng)的特征提取與數(shù)據(jù)分析平臺,而與之相配合的交互界面和軟件封裝也有很高的要求。本文著重討論此分析平臺中單相接地故障特征分析軟件的交互界面的設(shè)計以及軟件封裝的思路。

2 單相接地故障特征分析軟件體系結(jié)構(gòu)

圖2 故障特征分析軟件基本架構(gòu)

本文設(shè)計的單相接地故障特征分析軟件由兩個模塊構(gòu)成,分別是故障特征提取模塊與數(shù)據(jù)分析模塊。軟件的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

故障特征提取模塊的工作主要有三個流程：首先對故障波形進(jìn)行小波分解；然后對分解后的波形進(jìn)行分析；最后選取合適的特征頻帶，從而完成對故障特征的提取。

數(shù)據(jù)分析模塊的工作有三個流程：首先構(gòu)建KNN算法模型；之后利用特征提取模塊得到的三個故障特征對單相接地故障診斷模型進(jìn)行訓(xùn)練；最后對得到的模型進(jìn)行貝葉斯優(yōu)化自適應(yīng)調(diào)參，最終將訓(xùn)練結(jié)果和測試結(jié)果輸出到界面。

本文共提取三個故障特征,分別是小波能量比、小波重構(gòu)系數(shù)方差和小波功率幅值。

小波能量比是選線尺度高頻能量與最大尺度分解后的低頻能量比ρic：

ρic=Ei_hc/Ei_ls

(1)

式中:i為線路編號;c為選線尺度;Ei_hc為第i條線路對應(yīng)選線尺度c的高頻能量;Ei_ls為第i條線路在最大尺度s分解后的低頻能量。

本文采用小波重構(gòu)系數(shù)方差來表征單相接地故障后零序電流暫態(tài)突變過程。方差是衡量源數(shù)據(jù)和期望值相差的度量值。D(dc)為小波重構(gòu)系數(shù)方差，反映選線尺度下小波重構(gòu)系數(shù)的波動程度,可表示為：

(2)

本文采用基于小波系數(shù)的暫態(tài)功率方向法進(jìn)行功率方向特征提取。暫態(tài)零序電壓u0(t)與故障線路零序電流if0(t)間為感性約束關(guān)系,故du0(t)/dt與if0(t)方向呈反極性；相應(yīng)的,暫態(tài)零序電壓u0(t)與健全線路零序電流i0(t)呈容性約束關(guān)系,du0(t)/dt與i0(t)方向呈同極性。根據(jù)選取的選線尺度c,可得零序電流暫態(tài)分量在該尺度下的小波系數(shù)，記作dIc；對零序電壓暫態(tài)分量在該尺度下的小波系數(shù)求導(dǎo)記作dVc。定義線路i在尺度c下零序電流暫態(tài)分量與零序電壓暫態(tài)分量的暫態(tài)功率方向系數(shù)為：

(3)

數(shù)據(jù)分析模塊首先構(gòu)建基礎(chǔ)的KNN算法模型,之后利用特征提取模塊得到的三個故障特征對單相接地故障診斷模型進(jìn)行訓(xùn)練,最后將訓(xùn)練結(jié)果和測試結(jié)果輸出到界面。

3 解析軟件主要模塊功能實現(xiàn)

3.1 故障特征提取頁面設(shè)計

在特征提取頁面中，需要選擇希望進(jìn)行分析的文件，即需要一個文件選擇功能以及一個將CFG文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并且繪制波形的執(zhí)行按鍵，在繪制波形按鍵下方需要顯示繪制完成的波形。

在特征提取界面完成CFG文件選擇以及波形繪制的工作后，需要對要提取特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解。小波分解功能需要人機(jī)交互功能有饋線選擇、小波函數(shù)選擇以及分解層數(shù)選擇三種功能，這三處人機(jī)交互功能均選用下拉菜單選擇方式實現(xiàn)。

設(shè)計完成后的特征提取交互頁面如圖3所示。

圖3 特征提取頁面(未執(zhí)行程序)

在圖3界面下，點擊“選擇文件”按鍵即可對需要進(jìn)行分析的文件進(jìn)行輸入。選擇文件完成后，文件路徑及名稱會顯示于底部狀態(tài)欄。點擊繪制波形按鍵即可對波形進(jìn)行繪制并顯示。波形繪制的效果如圖4左側(cè)所示。

完成對波形的繪制后，即可選擇需要進(jìn)行小波分解的饋線名稱、使用的小波函數(shù)以及分解層數(shù)。選擇完成后點擊執(zhí)行按鍵，即可得到小波分解結(jié)果。效果如圖4右側(cè)所示。

圖4 特征提取程序運行后界面

3.2 數(shù)據(jù)分析頁面設(shè)計

數(shù)據(jù)分析頁面模型訓(xùn)練模塊需要具備選擇導(dǎo)入訓(xùn)練數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)的人機(jī)交互功能，本文在選擇導(dǎo)入接口時選用了下拉菜單模式。在完成對訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)的選擇后，需要一個執(zhí)行訓(xùn)練與測試按鍵，在按鍵下方布置一個用于顯示在完成模型訓(xùn)練后測試時展示正確率的標(biāo)簽。

單相接地故障診斷模型訓(xùn)練模塊除了以上的人機(jī)交互部分以及執(zhí)行按鍵部分，還需對診斷模型訓(xùn)練結(jié)果以及對模型測試的效果圖進(jìn)行展示，故需要在以上內(nèi)容下方加入兩張畫布，用于顯示訓(xùn)練結(jié)果和測試結(jié)果。軟件還設(shè)計了未來用于用戶使用的用戶接口，在下方的大數(shù)據(jù)判別結(jié)構(gòu)會自動顯示是否發(fā)生了單相接地故障。

設(shè)計完成后的數(shù)據(jù)分析交互頁面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)分析頁面(未執(zhí)行程序)

在數(shù)據(jù)分析頁面的導(dǎo)入數(shù)據(jù)下拉菜單中，內(nèi)容為all、bj和xh，其作用是供用戶選擇希望進(jìn)行診斷模型訓(xùn)練和測試的單相接地故障相關(guān)的數(shù)據(jù)。選擇bj后執(zhí)行訓(xùn)練與測試，即對不接地系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷模型訓(xùn)練與測試；選擇xh后執(zhí)行訓(xùn)練與測試，即對經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷模型訓(xùn)練與測試；選擇all后執(zhí)行訓(xùn)練與測試，即對不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)一起進(jìn)行診斷模型訓(xùn)練與測試。

選擇將經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)與不接地系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一訓(xùn)練，效果如圖6所示。

圖6 混合數(shù)據(jù)訓(xùn)練所得結(jié)果

4 軟件的簡化封裝

本文選用Pyinstaller對Python程序進(jìn)行打包操作。Pyinstaller是一個專用于對Python程序進(jìn)行打包的第三方庫,可以實現(xiàn)程序在沒有安裝Python的系統(tǒng)環(huán)境下運行。

Python程序打包完成后運行程序出現(xiàn)錯誤。由于程序能夠在Python環(huán)境下正常運行,故懷疑是打包過程有錯誤。經(jīng)過traceback查錯發(fā)現(xiàn)運行程序時提示錯誤信息“ModuleNotFindError”,解決方案為首先使用Pyinstaller打包生成“.spec”文件,接著用文本編輯器打開“.spec”文件,在hiddenimport=[]部分添加traceback提示缺少的模塊。處理后即可對軟件進(jìn)行正常封裝。

軟件經(jīng)過封裝打包后大小為88.3 MB,可以在未搭建Python環(huán)境的Windows系統(tǒng)下直接運行。

5 結(jié)束語

本文利用小波分解與大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù),對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的故障信息進(jìn)行解析與處理,提出了單相接地故障特征分析軟件的基本架構(gòu)。首先提取出小波能量比、小波重構(gòu)系數(shù)方差和暫態(tài)功率方向三種故障特征,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析的研究,選定了數(shù)據(jù)處理算法,訓(xùn)練診斷模型。軟件界面搭建完成后,對源文件進(jìn)行打包,實現(xiàn)軟件在沒有安裝Python的環(huán)境中運行。本文設(shè)計的單相接地故障特征分析軟件能夠作為一個獨立文件自主運行,便于用戶對軟件進(jìn)行安裝與應(yīng)用。

本文所設(shè)計的單相接地故障特征分析軟件還存在提升的空間,例如本文提取的三個單相接地故障特征均為暫態(tài)特征,在之后的完善過程中可以加入穩(wěn)態(tài)特征,如直流衰減和五次諧波等,以豐富大數(shù)據(jù)分析與處理部分的數(shù)據(jù)量,提高診斷正確率。