基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)的高壓輸電線路絕緣配合方法

宋夢嬌

（國網(wǎng)電力空間技術(shù)有限公司，北京 102209）

0 引 言

在科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，新能源的應(yīng)用隨之不斷革新。以近年來高壓線路的換代為例，線路中的絕緣配合技術(shù)也在不斷尋優(yōu)。但是，目前高壓輸電線路的建設(shè)仍面臨著較多的問題。例如，對(duì)于交流電和直流電的使用問題，其中的設(shè)備換流以及設(shè)備開關(guān)等，都會(huì)影響高壓線路的運(yùn)行。因此，設(shè)計(jì)高壓輸電線路絕緣配合方法，在目前的電子線路環(huán)節(jié)中具有十分重要的意義[1]。

1 高壓輸電線路絕緣配合方法

1.1 分析輸電線路的相角影響狀況

高壓輸電線路中的相角因素，能夠在一定限度上影響絕緣配合系數(shù)。因此，在高壓站的交流線路上安裝了合閘裝置，通過合適的相角控與線路實(shí)現(xiàn)線路的良好配合。該操作在一定程度上是對(duì)絕緣配合的二次防護(hù)。合閘裝置可根據(jù)所接收命令隨時(shí)控制斷路器的線圈，完成合閘動(dòng)作或開始合閘動(dòng)作，在一定程度上控制了合閘的暫態(tài)時(shí)段，盡量減小沖擊。

對(duì)交流電路中相角的分析流程如下：首先，通過監(jiān)測測控裝置，在其發(fā)出相應(yīng)的指令模式后，經(jīng)由合閘裝置對(duì)其電壓數(shù)值進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)；其次，以零點(diǎn)為基準(zhǔn)，設(shè)置相應(yīng)的指令；再次，在合閘命令發(fā)送至線圈后，完成選相合閘流程；最后，三相電路中的其余兩相，對(duì)于相角的分析使用相同流程，并保持各自獨(dú)立延時(shí)。

1.2 建立線路內(nèi)外絕緣仿真模型

經(jīng)過合閘相角的初步控制后，建立高壓輸電線路內(nèi)外的絕緣仿真模型以滿足配合設(shè)計(jì)。交流輸電線路負(fù)責(zé)投切線路的電壓，在模型的運(yùn)作過程中，其功率和運(yùn)行方式根據(jù)模型的不同產(chǎn)生不同的指令輸出，小組斷路器則需根據(jù)指令進(jìn)行相應(yīng)的投切，通過運(yùn)行過程的變化，完成線路絕緣的配合要求。

交流輸電線路中一般選擇雙斷口瓷柱式斷路器。這種斷路器具有一定的防護(hù)性，且能夠接收交流電壓和直流電壓，即使是混合電流的沖擊，也能夠在一定限度上保護(hù)單斷口的絕緣裕度。但是，隨著使用時(shí)間的增加，該斷路器的表面會(huì)累積一定的污穢，不同物質(zhì)的電流電壓會(huì)導(dǎo)致斷路器的使用壽命縮短，并且引起事故問題。搭建的斷路器線路如圖1所示[2]。

圖1 雙斷口斷路器等效電路圖

交流輸電線路中的斷路器，主要包括動(dòng)靜觸頭等結(jié)構(gòu)。斷路器在高壓線路中可能出現(xiàn)的主要問題就是絕緣線路的配合出現(xiàn)不均的情況。此外，在線路運(yùn)行過程中，斷路器滅弧室出現(xiàn)電流故障，會(huì)導(dǎo)致電場強(qiáng)度過大，引起擊穿現(xiàn)象。文章為了尋求高壓輸電線路的絕緣配合最優(yōu)解，選擇有限元法進(jìn)行研究。

針對(duì)斷路器的主要結(jié)構(gòu)，即動(dòng)靜觸頭，加載電壓與設(shè)置規(guī)定值，求取其滅弧室的電場值，具體計(jì)算公式為

式中：φ為電路靜電場的場域參數(shù)。

通過求解斷路器的電場值，可以確定輸電線路的電場分布，奠定設(shè)計(jì)絕緣配合方法的基礎(chǔ)[3]。

1.3 校核高壓輸電線路絕緣水平

在交流高壓輸電線路中，絕緣配合方法需要進(jìn)行一定的校核，從而完成對(duì)于過電壓的保護(hù)。交流輸電換流站設(shè)備的絕緣配合設(shè)計(jì)是文章的核心內(nèi)容，在考慮所采用的過電壓保護(hù)措施后，采用慣用法校核交流輸電線路的絕緣水平。

交流輸電線路的絕緣水平，不僅取決于其自身所配置的避雷器，也與設(shè)備中設(shè)計(jì)的設(shè)備保護(hù)水平相關(guān)聯(lián)。因此，高壓輸電線路中的絕緣水平應(yīng)該高于設(shè)備的保護(hù)水平。需注意，為了設(shè)備的運(yùn)行需求，高壓輸電線路中的絕緣水平也不能太高。對(duì)于交流電內(nèi)部電壓波的運(yùn)行，分析其運(yùn)行波前與波尾，獲得交流母線中單相接地可能出現(xiàn)的電壓沖擊。輸電線路會(huì)導(dǎo)致避雷器產(chǎn)生故障，因此需要根據(jù)實(shí)際工況分析設(shè)備中的保護(hù)及絕緣水平。設(shè)備設(shè)計(jì)制造參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備設(shè)計(jì)制造參數(shù)

校核高壓輸電線路絕緣水平的流程為：首先，配置避雷器及其保護(hù)設(shè)施，通過其端間水平的確定，比對(duì)電壓和保護(hù)水平；其次，以避雷器的端間輸出與放電電流進(jìn)行比對(duì)；最后，將保護(hù)水平的參數(shù)值作為比對(duì)的參照值，得出現(xiàn)有的絕緣水平是否能夠滿足設(shè)計(jì)的計(jì)算要求。

此外，在線路接地的布置點(diǎn)中，雖然故障發(fā)生的概率較低，但是故障問題更加嚴(yán)重。因此，需要對(duì)輸電線路中的模型構(gòu)建環(huán)節(jié)中重點(diǎn)考慮這一問題。通過對(duì)換流站中輸電線路的投切，分析避雷器的配置方案，在減少人工運(yùn)作以及設(shè)備頻繁投切的前提下，合理優(yōu)化交流高壓電路中的絕緣方案[4]。

1.4 基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)絕緣配合

通過校核輸電線路的絕緣水平，基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化絕緣配合。作為基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)與模糊邏輯相融合的自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Adaptive-Network-based Fuzzy Inference Systems，ANFIS），其優(yōu)勢在于能夠自動(dòng)產(chǎn)生“if-then”規(guī)則。最常見的二維輸入輸出的ANFIS輸電線路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 典型ANFIS結(jié)構(gòu)

ANFIS自動(dòng)生成的“if-then”規(guī)則為

式中：A、B為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造中的約束；p、q、r為參與規(guī)則的各個(gè)線路。

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由5個(gè)前饋型層次構(gòu)成，第1層是輸入層；第2層是從屬關(guān)系層；第3層是規(guī)則推理層；第4層是規(guī)則模糊層；第5層是輸出層。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

第1步，在相對(duì)模糊的合集中，完成函數(shù)的運(yùn)算，計(jì)算公式為

式中：a1i、b1i、c1i、a2i、b2i、c2i為ANFIS的前件參數(shù)；μA1、μB1為隸屬度函數(shù)；Ai、Bi為模糊處理的結(jié)果集合；x1、x2為相應(yīng)的輸入變量。

第2步，模糊規(guī)則的激勵(lì)強(qiáng)度計(jì)算公式為

第3步，歸一化處理網(wǎng)絡(luò)總體的計(jì)算公式為

第4步，去模糊化，對(duì)歸一化的網(wǎng)絡(luò)總體模糊化處理，使輸出變?yōu)榫_的結(jié)果。具體計(jì)算公式為

式中：pi、qi、ri為決定隸屬度函數(shù)的條件參數(shù)。

第5步，輸出結(jié)果的表達(dá)式為

ANFIS能夠在多維特征輸入中，遵循自身的普遍思路，完成對(duì)于精確值的唯一輸出，因此具有較大的隨意性，可以優(yōu)化絕緣配合方法[5]。

2 實(shí)驗(yàn)論證

2.1 實(shí)驗(yàn)說明

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于ANFIS的高壓輸電線路絕緣配合方法的有效性，設(shè)置了以本文方法為實(shí)驗(yàn)組和基于電源電弧沖擊特性的高壓輸電線路絕緣配合方法為對(duì)照組的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)中，會(huì)話初始協(xié)議（Session initialization Protocol，SIPL）為電路中的沖擊保護(hù)水平，可以代表絕緣配合的效能。

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可靠性和普遍性，在常規(guī)的基礎(chǔ)數(shù)值上，增加5%的絕緣配合系數(shù)作為實(shí)驗(yàn)的參考數(shù)值，而輸電線路中的絕緣配合系數(shù)如表2所示。

表2 主要設(shè)備的絕緣配合系數(shù)

若模型中不配置避雷器，設(shè)備就可能存在過電壓情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的誤差影響。因此，不僅需要提高設(shè)備的絕緣水平，而且相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)提高其絕緣裕度。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定為30%。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2種方法對(duì)比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。輸電線路的關(guān)鍵位置會(huì)出現(xiàn)電壓較高的現(xiàn)象，這種情況下對(duì)應(yīng)的設(shè)備絕緣水平也較高，實(shí)驗(yàn)組方法下的絕緣配合指數(shù)為95.68%，而對(duì)照組的平均絕緣配合指數(shù)為76.34%，表明本文設(shè)計(jì)的配置方案能夠有效提高線路間的絕緣配合，為高壓輸電線路提供新路徑。

表3 不同方法下線路絕緣配合結(jié)果

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了輸電線路的絕緣配合方法，在高壓線路中對(duì)其進(jìn)行了分析說明，得到輸電線路中的相角影響因素，進(jìn)而校核線路中的絕緣水平，建立相應(yīng)的絕緣配合模型，然后基于ANFIS優(yōu)化配合方法，最后得到相對(duì)優(yōu)異的配合指數(shù)。