基于ID3決策樹的諧振接地系統(tǒng)單相接地故障區(qū)段定位分析

【關(guān)鍵詞】ID3決策樹；諧振接地系統(tǒng)；單相接地；故障區(qū)段；定位

引言

諧振接地系統(tǒng)是一種特殊的中性點(diǎn)消弧線圈接地電力系統(tǒng)，能進(jìn)行容性效應(yīng)補(bǔ)償，提高供配電安全性，降低故障點(diǎn)殘流[1]。受諧振接地系統(tǒng)復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行負(fù)載變化影響，容易出現(xiàn)線路非正常電氣連接問題，引發(fā)單相接地故障，造成設(shè)備損壞，甚至引發(fā)安全事故。諧振接地系統(tǒng)單相接地故障特點(diǎn)主要包括三種[2]：其一，由零序電壓諧波及線路容抗引發(fā)的故障電流與電壓波形畸變特征；其二，由外界環(huán)境及短間隙放電電弧變化引發(fā)的多形態(tài)特征[3]；其三，由接地位置引發(fā)的定位困難特征。進(jìn)行單相接地故障區(qū)段定位不僅能提高供配電的可靠性，還能降低巡線負(fù)擔(dān)、快速恢復(fù)區(qū)域供電。因此，對諧振接地系統(tǒng)單相接地故障區(qū)段定位方法進(jìn)行研究很有必要。

事實(shí)上，受消弧線圈補(bǔ)償作用影響，諧振接地系統(tǒng)單相接地故障電流相對微弱，故障特征不明顯，定位難度較高，需要借助先進(jìn)的量測技術(shù)[4]，實(shí)時(shí)獲取故障信息。譚衛(wèi)斌等[5]通過線路容流暫態(tài)信號進(jìn)行離散采樣濾波處理，但定位偏差較高。為了滿足供配電安全要求，本研究基于ID3決策樹設(shè)計(jì)了一種有效的諧振接地系統(tǒng)單相接地故障區(qū)段定位方法。

一、接地系統(tǒng)ID3決策樹單相接地故障區(qū)段定位方法設(shè)計(jì)

（一）基于ID3決策樹分析接地系統(tǒng)單相接地故障特性

ID3決策樹屬于高性能決策樹算法，可以根據(jù)信息增益關(guān)系進(jìn)行屬性分類，提高決策的魯棒性。因此，本研究基于ID3決策樹算法分析了諧振接地系統(tǒng)單相接地故障特性。

第一步，選取足夠的決策樣本空間，在諧振接地系統(tǒng)不同的位置分配定位點(diǎn)，采集各個(gè)點(diǎn)位獲取的信息，作為初始決策樣本集；將對應(yīng)的故障定位屬性劃分為兩個(gè)不同的分支；對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘整理，確定諧振接地系統(tǒng)的故障平衡條件。當(dāng)諧振接地系統(tǒng)處于完全補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部條件滿足串聯(lián)諧振要求，電流幅值與容性電流滿足某閾值范圍，此時(shí)可以考慮欠補(bǔ)償狀態(tài)。當(dāng)諧振接地系統(tǒng)處于電磁暫態(tài)過程時(shí)，其消弧線圈的補(bǔ)償作用低下，存在等值回路噪聲，可以利用小波閾值進(jìn)行降噪處理。降噪處理后，所得到的區(qū)段定位閾值參量滿足區(qū)段定位分解原則，可以根據(jù)單向序列差值完成故障區(qū)段特征提取[6]。基于此提取的故障區(qū)段特征排除了單向不對稱影響，提高了區(qū)段定位的有效性。

（二）設(shè)計(jì)諧振接地系統(tǒng)單相接地故障區(qū)段定位算法

在不同的時(shí)間序列下，單向接地故障模態(tài)特征存在顯著差異，主要反映了原始故障信號的振蕩狀態(tài)。因此，本文設(shè)計(jì)的方法從自適應(yīng)全局模型（Adaptive Global Model，AGM）出發(fā)，假設(shè)故障區(qū)段定位采樣點(diǎn)數(shù)量，進(jìn)行多模態(tài)處理，設(shè)計(jì)了單相接地故障區(qū)段定位算法，可以生成故障數(shù)據(jù)自適應(yīng)AGM曲線Ri，如式（1）所示：

iipiRym=?Σ （1）

式（1）中，yi代表原始信號故障采樣點(diǎn)，i表示故障數(shù)據(jù)，mpi代表分解的故障模態(tài)元素。確定不同類型故障相對于上述曲線的偏離狀態(tài)，可以通過故障區(qū)段定位序列的全局均線方差，計(jì)算此時(shí)的故障區(qū)段定位期望值F（m），如式（2）所示。

（）（）（）mmFmstxtW=++ （2）

式（2）中，W代表傅里葉變換常數(shù)，sm（t）代表暫態(tài)故障信號增量，m表示故障模態(tài)元素，xm（t）代表未出現(xiàn)故障情況下的單相接地信號。實(shí)際的故障區(qū)段定位過程，需要根據(jù)全部數(shù)據(jù)的變化規(guī)律進(jìn)行均線升級與篩選，重新定義故障區(qū)段的方差比率，實(shí)現(xiàn)定位優(yōu)化。

本研究設(shè)計(jì)的單相接地故障區(qū)段定位算法進(jìn)行了自適應(yīng)均線尋優(yōu)處理，設(shè)置了有效的模態(tài)篩選系數(shù)，重復(fù)多次分解過程，直至生成的區(qū)段定位變化曲線滿足最優(yōu)分解要求。除此之外，針對滑動窗口的權(quán)重系數(shù)問題，進(jìn)行數(shù)據(jù)自適應(yīng)優(yōu)選，判斷電流波形的顯著差異，從而確保函數(shù)趨勢最佳。基于此生成的單相接地故障區(qū)段定位算法步驟如下。

第一步：獲取數(shù)據(jù)的極值點(diǎn)，依次完成故障數(shù)據(jù)標(biāo)記。

第二步：將滿足單相接地故障對應(yīng)極值點(diǎn)的線段有效連接，按照要求進(jìn)行標(biāo)記。

第三步：利用線性插值法添加故障區(qū)段定位邊界點(diǎn)，補(bǔ)充左右臨界值，直至其滿足邊界重點(diǎn)要求。

第四步：構(gòu)造故障區(qū)段定位差值曲線，計(jì)算定位均值。

第五步：重復(fù)上述篩選步驟，按照預(yù)先設(shè)定的容許關(guān)系進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，直至獲取有效的故障區(qū)段定位極值點(diǎn)。

第六步：調(diào)整最大篩選系數(shù)，重復(fù)上述步驟，計(jì)算不同狀態(tài)下的故障區(qū)段定位方差比率，得到隨機(jī)篩選變化圖，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差。

第七步：獲取最佳故障區(qū)段定位篩選次數(shù)，進(jìn)行字型分解，查找原始數(shù)據(jù)余量，生成最佳自適應(yīng)全局均線，輸出有效的單相接地故障區(qū)段定位結(jié)果。

使用上述算法可以最大程度上降低原始信號加權(quán)周期變化對故障區(qū)段定位結(jié)果造成的影響，保證定位的準(zhǔn)確性。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本研究中基于ID3決策樹的諧振接地系統(tǒng)單相接地故障區(qū)段定位方法的定位效果，本文構(gòu)建了有效的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將其與譚衛(wèi)斌等[5]、劉天宇等[6]設(shè)計(jì)的兩種常規(guī)的單相接地故障區(qū)段定位方法對比，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)。

（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

結(jié)合諧振接地系統(tǒng)單相接地故障區(qū)段定位實(shí)驗(yàn)要求，本文選取MATLAB中的Simulink作為實(shí)驗(yàn)平臺，結(jié)合電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Power Systems Computer Aided Design，PSCAD）暫態(tài)仿真軟件構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D1所示。

該仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念~定容量為40，000 kVA，電容電流為52 A，為了降低過補(bǔ)償問題對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，需要進(jìn)行消弧線圈調(diào)節(jié)處理。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途€路阻抗負(fù)載為1 MW，測點(diǎn)位置符合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

上述構(gòu)建的模型通過SOP仿真實(shí)驗(yàn)端口進(jìn)行工頻調(diào)節(jié)，與實(shí)驗(yàn)電路拓?fù)湎噙B，所設(shè)置的SOP仿真實(shí)驗(yàn)端口參數(shù)如表1所示。

由表1可知，上述仿真實(shí)驗(yàn)端口參數(shù)符合實(shí)驗(yàn)接地要求，可以根據(jù)各個(gè)區(qū)段的暫態(tài)能量關(guān)系調(diào)整故障區(qū)段空載，有效地濾除故障噪聲，提高故障區(qū)段定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，研究以某10 kV混合諧振接地線路系統(tǒng)作為研究對象，隨機(jī)選取故障位置，設(shè)置過渡電阻阻值、信噪比、故障初相角，分別使用本文設(shè)計(jì)的基于ID3決策樹的諧振接地系統(tǒng)單相接地故障區(qū)段定位方法，譚衛(wèi)斌等[5]的考慮線路容流暫態(tài)信號的諧振接地系統(tǒng)單相接地故障區(qū)段定位方法，以及劉天宇等[6]的基于互補(bǔ)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition，CEEMD）的諧振接地系統(tǒng)單相接地故障區(qū)段定位方法進(jìn)行定位。三種方法在不同故障位置下得到的故障區(qū)段定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表2所示。

由表2可知，在不同的過渡電阻阻值、信噪比、故障初相角參數(shù)下，本文設(shè)計(jì)的基于ID3決策樹的定位方法均能正確完成故障區(qū)段定位，不受故障位置限制。譚衛(wèi)斌等[5]的考慮線路容流暫態(tài)信號的定位方法，以及劉天宇等[6]的基于CEEMD模糊熵的定位方法在部分狀態(tài)參數(shù)下的定位結(jié)果錯(cuò)誤，整體定位局限性較高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的區(qū)段定位方法的定位效果較好，能顯著降低定位干擾，滿足故障定位準(zhǔn)確性要求。

結(jié)語

在工業(yè)生產(chǎn)雙重發(fā)展格局下，我國的電力需求激增。諧振接地系統(tǒng)作為一種利用中心點(diǎn)進(jìn)行消弧補(bǔ)償?shù)奶厥庀到y(tǒng)，對配電網(wǎng)的供配電質(zhì)量有重要影響。本文基于ID3決策樹設(shè)計(jì)了一種有效的故障區(qū)段定位方法并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的區(qū)段定位方法未出現(xiàn)定位錯(cuò)誤問題，定位效果較好，具有可靠性，具備實(shí)用價(jià)值，為提高配電網(wǎng)的綜合自動化安全水平做出了一定的貢獻(xiàn)。