配變終端的配電網(wǎng)單相接地故障檢測(cè)研究

錫林郭勒電業(yè)局錫林浩特供電分局 鄭世平

為了提高單相接地故障檢測(cè)精準(zhǔn)度和檢測(cè)時(shí)間滯后問(wèn)題，本文選取GPNMF算法作為研究工具，根據(jù)配電網(wǎng)作業(yè)原理，針對(duì)配變終端故障問(wèn)題展開(kāi)探究。通過(guò)構(gòu)建監(jiān)測(cè)模型，對(duì)配電網(wǎng)終端作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用GPNMF模型，完成單相接地故障檢測(cè)。仿真測(cè)試結(jié)果顯示，本檢測(cè)方案能夠有效改善以往檢測(cè)模型的精準(zhǔn)度和時(shí)間滯后問(wèn)題，可以推廣應(yīng)用。

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)與客戶建立交互連接，直接為客戶提供所需服務(wù)。所以，配電網(wǎng)的作業(yè)狀態(tài)在一定程度上決定了電力單位服務(wù)質(zhì)量。由于我國(guó)配電網(wǎng)技術(shù)水平不是很高，作業(yè)期間受多項(xiàng)因素影響會(huì)發(fā)生故障。單相接地故障是一種比較常見(jiàn)的配電網(wǎng)作業(yè)故障，檢測(cè)難度較大。目前大部分檢測(cè)方法的檢測(cè)誤差較大，檢測(cè)滯后問(wèn)題較為顯著。本文嘗試引入GPNMF算法，提出新的故障檢測(cè)方案研究。

1 基于GPNMF的配電網(wǎng)作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控模型

本研究在NMF算法基礎(chǔ)上，提出一種非負(fù)矩陣分解算法GPNMF（generalized projection non-negative matrix factorization）應(yīng)用研究，利用此算法構(gòu)建配電網(wǎng)作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控模型。根據(jù)配電網(wǎng)作業(yè)原理和結(jié)構(gòu)組成，構(gòu)建以下監(jiān)控模型：

本模型監(jiān)控統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算，采用PCA（principal component analysis）檢測(cè)方法分解空間。其中，統(tǒng)計(jì)量包括SPE、T2，前者指的是監(jiān)控模型與配電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀況的差距描述參數(shù)，后者指的是前a個(gè)主元變量發(fā)生的波動(dòng)情況。經(jīng)過(guò)歸一化處理后的統(tǒng)計(jì)量分別為T(mén)G2和SPEG，利用這些新的變量來(lái)統(tǒng)計(jì)空間變化情況，包括殘余子空間和特征子空間。以下為新的統(tǒng)計(jì)變量計(jì)算公式：

以上為監(jiān)控統(tǒng)計(jì)量的定義，利用定義公式計(jì)算數(shù)值。按照設(shè)定的限定范圍，有效控制故障檢測(cè)范圍，從而準(zhǔn)確判斷單相接地故障狀況。本研究采用核密度計(jì)算方法，分別計(jì)算和SPEG對(duì)應(yīng)的控制限。其中，置信區(qū)間為99%。

2 基于GPNMF的配電網(wǎng)單相接地故障檢測(cè)方法

2.1 離線檢測(cè)方法

（1）設(shè)置故障監(jiān)測(cè)變量，構(gòu)建GPNMF模型，利用該模型對(duì)數(shù)據(jù)采取訓(xùn)練處理，得到樣本矩陣X，經(jīng)過(guò)歸一化處理，得到故障檢測(cè)數(shù)據(jù)支撐。

（2）選取累計(jì)貢獻(xiàn)率計(jì)算方法，計(jì)算模型中各項(xiàng)系數(shù)數(shù)值。其中，系數(shù)k的數(shù)值需要根據(jù)實(shí)際情況確定。

（3）對(duì)GPNMF算法采取初始化處理，生成系數(shù)矩陣及初始值。

（4）采用樣本訓(xùn)練處理方法，通過(guò)運(yùn)行GPNMF算法，完成樣本訓(xùn)練。此操作過(guò)程矩陣X拆分為多個(gè)模塊，生成對(duì)應(yīng)的系數(shù)矩陣，記為H。

（5）運(yùn)用公式(3)，計(jì)算訓(xùn)練樣本數(shù)值TG2，運(yùn)用公式(4)，計(jì)算訓(xùn)練樣本數(shù)值SPEG。

（6）探究樣本TG2和SPEG分布情況。該環(huán)節(jié)使用的方法為KDE法，以置信區(qū)間99%作為分布條件，分別計(jì)算兩種樣本的控制限，記為和SPEGθ。

2.2 在線檢測(cè)方法

（1）采取歸一化處理方法，對(duì)樣本矩陣進(jìn)行檢測(cè)，將處理后的樣本數(shù)據(jù)帶入公式（2）中，計(jì)算得到新的矩陣。

3 仿真測(cè)試分析

3.1 仿真測(cè)試環(huán)境

為了對(duì)本文提出的單相接地故障檢測(cè)方法可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，本研究通過(guò)搭建仿真測(cè)試環(huán)境，在此環(huán)境內(nèi)對(duì)T2和SPE數(shù)值進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比歸一化處理前后數(shù)值變化情況。其中，仿真環(huán)境的搭建在MATLAB軟件中完成，按照配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)搭建仿真系統(tǒng)模型。

3.2 測(cè)試內(nèi)容與數(shù)據(jù)樣本

本次測(cè)試中，根據(jù)監(jiān)測(cè)模型變量設(shè)置情況，選擇故障線路零序電流、每一條輸電線路的三相電流、次級(jí)測(cè)三相電流與電壓等作為測(cè)試變量。本次仿真測(cè)試耗時(shí)1s，設(shè)置單相接地故障發(fā)生時(shí)間為0.8s，利用50μs采集樣本數(shù)據(jù)。

關(guān)于測(cè)試數(shù)據(jù)樣本，在仿真期間收集數(shù)據(jù)樣本為20000個(gè)，假設(shè)故障數(shù)據(jù)4000個(gè)，其余數(shù)據(jù)均顯示配電網(wǎng)作業(yè)正常。按照時(shí)間段不同，將樣本數(shù)據(jù)拆分為兩部分。其中，0～0.25s時(shí)間間隔數(shù)據(jù)為一組，建立訓(xùn)練集，0.75～1s時(shí)間間隔數(shù)據(jù)為一組，建立測(cè)試集，每組樣本數(shù)據(jù)均為5000個(gè)，從第1001個(gè)樣本數(shù)據(jù)開(kāi)始出現(xiàn)單相接地故障。將兩組集合中的樣本數(shù)據(jù)輸入GPNMF模型中進(jìn)行檢測(cè)。

3.3 仿真測(cè)試結(jié)果分析

按照本文提出的仿真測(cè)試方案，分別對(duì)數(shù)值T2和SPE進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 監(jiān)控統(tǒng)計(jì)量T 2仿真測(cè)試結(jié)果

圖2 監(jiān)控統(tǒng)計(jì)計(jì)量SPE仿真測(cè)試結(jié)果

圖1中T2數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，故障檢測(cè)存在滯后情況，完全檢測(cè)到故障樣本數(shù)據(jù)滯后時(shí)間為0.025s。由于滯后時(shí)間非常短，可以忽略不計(jì)。所以，本檢測(cè)方案能夠有效檢測(cè)出單相接地故障，符合配電網(wǎng)作業(yè)狀態(tài)檢測(cè)需求。

圖2中SPE檢測(cè)結(jié)果顯示，單相故障檢測(cè)時(shí)間不存在滯后現(xiàn)象，并且數(shù)據(jù)分布狀況存在較為明顯的規(guī)律，自1500個(gè)樣本后，SPE檢測(cè)結(jié)果變化規(guī)律逐漸趨于穩(wěn)定，與限定閾值相差較大，能夠?yàn)橛脩粽故据^為清晰的接地故障檢測(cè)結(jié)果。

總結(jié)：本文圍繞配電網(wǎng)故障檢測(cè)問(wèn)題展開(kāi)探究，選取比較常見(jiàn)的單相接地故障問(wèn)題作為主要研究?jī)?nèi)容，引入GPNMF算法，構(gòu)建配電網(wǎng)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型，利用該模型檢測(cè)故障。本檢測(cè)方法的應(yīng)用仿真測(cè)試結(jié)果顯示，T2統(tǒng)計(jì)量檢測(cè)結(jié)果雖然產(chǎn)生了0.025s滯后時(shí)間，但是在允許范圍之內(nèi)，SPE統(tǒng)計(jì)量檢測(cè)精準(zhǔn)度較高，并且不存在滯后問(wèn)題。