自動(dòng)重合閘的運(yùn)用及智能化改進(jìn)

童坤

摘 要：文章概述了自動(dòng)重合閘的產(chǎn)生背景、工作原理和運(yùn)用現(xiàn)狀，分析了其運(yùn)用中的兩大難題，即何時(shí)重合閘和重合閘的間隔，給出采用DSP實(shí)現(xiàn)智能化重合閘的思路，提供了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的專家系統(tǒng)的判別故障的方法，能夠有效解決這兩大難題。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)重合閘；重合閘的判別；重合閘的間隔；智能化 DSP；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

中圖分類號(hào)：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）23-0016-02

1 自動(dòng)重合閘裝置概述

1.1 自動(dòng)重合閘裝置的產(chǎn)生背景和實(shí)際運(yùn)用

在電力系統(tǒng)中，架空輸電線路的運(yùn)行往往是最不穩(wěn)定，事故多發(fā)。但其發(fā)生的大部分是瞬時(shí)性短路事故，并非是永久性故障。比如雷擊產(chǎn)生過電壓使得絕緣子閃絡(luò)短路而產(chǎn)生電弧，只要在雷擊過電壓之后切斷工頻電源即可滅弧，故障消除，再次回復(fù)架空線路的供電。自動(dòng)重合閘裝置能夠很好地應(yīng)對(duì)瞬時(shí)性故障，是針對(duì)架空線路常出現(xiàn)的問題設(shè)計(jì)的。一旦架空輸電線路有故障發(fā)生，繼電保護(hù)將使得斷路器跳閘，待電源被切斷后再次迅速合閘以回復(fù)供電。若為永久性故障，繼電保護(hù)裝置將再次將斷路器跳閘，不在自動(dòng)合閘。其工作流程如下：

繼電保護(hù)動(dòng)1→熄弧→故障消除→合斷路器→恢復(fù)供1

對(duì)于永久性故障，由于自動(dòng)重合閘裝置造成斷路器要在短時(shí)內(nèi)連續(xù)兩次切斷短路電流會(huì)使得電系統(tǒng)受到更強(qiáng)烈的故障沖擊，故在發(fā)生多發(fā)生永久性故障的線路上不能采用自動(dòng)重合閘裝置。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)線路故障自動(dòng)重合閘裝置成功運(yùn)作的比例約為90%，對(duì)于提高供電連續(xù)性和可靠性有著重要的意義。通過裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置到架空輸電線路的饋線保護(hù)斷路器，可以減少輸電線路上的事故。由于電纜上的輸電線路大多是永久性的故障，所以全部是電纜的輸電線路不裝設(shè)自動(dòng)重合裝置。目前，自動(dòng)重合閘裝置分為一次重合閘、二次重合閘和三次重合閘等方式，其中一次重合閘方式技術(shù)最為成熟，應(yīng)用得最為廣泛。

在實(shí)際運(yùn)行中，自動(dòng)重合閘裝置和無選擇性的簡(jiǎn)單快速繼電保護(hù)的配合使用，能夠相得益彰，使得繼電保護(hù)兼具快速性和選擇性。其配合方式主要有以下兩種：①重合閘前加速保護(hù)：當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)，先有靠近電源側(cè)的保護(hù)無選擇性瞬時(shí)跳閘，而后依靠重合閘對(duì)這種選擇性動(dòng)作進(jìn)行糾正。②重合閘后加速保護(hù)：?jiǎn)尉€路出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)重合閘在保護(hù)裝置按選擇性動(dòng)作跳閘后再重合，且解除或者縮短被加速保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限。

1.2 自動(dòng)重合閘裝置對(duì)于電力系統(tǒng)運(yùn)行的意義

①提高供電的連續(xù)性和可靠線，尤其是對(duì)于單側(cè)電源的單回線路效果顯著。②在高壓輸電線路上裝設(shè)重合閘裝置，使得電力系統(tǒng)的并列運(yùn)行穩(wěn)定性增加。③對(duì)于電網(wǎng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)，重合閘作用的加入可以暫緩雙回線路的架設(shè)降低成本。④可以糾正斷路器由于繼電保護(hù)誤動(dòng)作或者機(jī)構(gòu)不良而造成的誤跳閘。⑤減少因停電造成的經(jīng)濟(jì)損失，而由于安裝自動(dòng)重合閘的經(jīng)濟(jì)成本降低，所以提升了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 自動(dòng)重合閘實(shí)際應(yīng)用中的不足

目前自動(dòng)重合閘在實(shí)際應(yīng)用中有兩個(gè)局限，使得其自動(dòng)化程度受限。

①無法判斷實(shí)際故障點(diǎn)消除的時(shí)間，只是按照固定的經(jīng)驗(yàn)時(shí)間判斷何時(shí)應(yīng)當(dāng)合閘，大多數(shù)情況下造成不必要的等待時(shí)間；②無法判斷是否是瞬時(shí)性故障還是永久性故障，無法選擇是否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重合的功能。

3 智能化重合閘（IARC）的DSP實(shí)現(xiàn)

智能化重合閘能夠有效地解決上文所指出的不足，即是否重合閘和重合閘的間隔時(shí)間問題，對(duì)于消除自動(dòng)重合閘使得電力系統(tǒng)受到二次故障沖擊和惡化斷路器工作條件的兩大難題有著重要的意義。

我們考慮以現(xiàn)有的裝置和器件完成重合閘的智能化。

3.1 設(shè)計(jì)思想

IARC（智能化重合閘）的核心思想是數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）高速單片機(jī)在跳閘動(dòng)作和合閘動(dòng)作的前后不斷地對(duì)線路上的各種暫態(tài)參數(shù)進(jìn)行采樣，在快速分析這些參數(shù)，判別是否重合閘和進(jìn)行相關(guān)操作。

3.2 IARC動(dòng)作的要求及指標(biāo)

通過對(duì)IARC的功能分析，我們可以得出其具體實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的目標(biāo)：

①動(dòng)作時(shí)間。

對(duì)于ARC，t>tu+z，約為0.5～1.5s，對(duì)于IARC，t>ktu>ltz，其中tu為故障點(diǎn)去游離時(shí)間，t2表示的是斷路器的消弧室。

②重合動(dòng)作應(yīng)當(dāng)符合預(yù)先規(guī)定（1次或2次），不容許有任意多次。

③能連續(xù)完成任務(wù)：在動(dòng)作后能夠立即自動(dòng)復(fù)歸，為再次動(dòng)作做好準(zhǔn)備。

④只針對(duì)自動(dòng)跳閘動(dòng)作，對(duì)于手動(dòng)操作或者遙控操作控制的調(diào)制不應(yīng)當(dāng)自動(dòng)重合。

⑤永久性事故或其他需手動(dòng)合閘的事故IARC不動(dòng)作。

⑥帶無緣負(fù)載阻抗檢測(cè)，有較高的判別故障游離的準(zhǔn)確度。

⑦可改進(jìn)性，具備神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（可引入RBF）實(shí)現(xiàn)的專家系統(tǒng)，可以通過自學(xué)習(xí)和適應(yīng)性算法使合閘的成功率不斷提高。

3.3 IARC控制器硬件組成和選用

根據(jù)其功能實(shí)現(xiàn)的流程：數(shù)據(jù)采集（主要控制A/D轉(zhuǎn)換和FIFO）—模數(shù)轉(zhuǎn)換—數(shù)字信號(hào)處理-結(jié)果輸出，可搭建如下系統(tǒng)。

其中，DSP是TI公司生產(chǎn)TMS320VC5416，主頻為200 MHz，其執(zhí)行指令采用的是多總線的流水線結(jié)構(gòu)，1個(gè)指令周期完成1次乘加運(yùn)算；A/D轉(zhuǎn)化芯片是同TI公司生產(chǎn)的AD73360，電路連接采樣頻率為80 MHz，3.6 V，低功耗。

3.4 專家系統(tǒng)的判斷依據(jù)

運(yùn)用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的核心思想是將采集到的運(yùn)行正確的被控對(duì)象的輸入狀態(tài)向量、輸出狀態(tài)向量、權(quán)系數(shù)向量作為訓(xùn)練樣本來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后以系統(tǒng)實(shí)際輸出與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出之間的差值來檢測(cè)和辨識(shí)機(jī)床所發(fā)生的故障。

其一般設(shè)計(jì)方法如下：

對(duì)于IARC離散系統(tǒng)有：

其中、X（K）是狀態(tài)變量，Y（K）是輸出變量，U（K）是控制變量，其維數(shù)分別為：R（X（K））=n， R（Y（K））=m， R（U（K））=1。假設(shè)狀態(tài)和輸出的測(cè)量噪聲W（K）和U（K）為獨(dú)立的高斯白噪聲向量，具備以下統(tǒng)計(jì)特性：

其中，V是對(duì)稱的非負(fù)定陣，W是對(duì)稱的正定陣。

對(duì)于隱含層的設(shè)計(jì)，可采用徑向基函數(shù)：

神經(jīng)元函數(shù)為，

其中、Zi表示的是隱含層第i個(gè)接點(diǎn)的輸出。？i是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的歸一化參數(shù)，K是隱含層單元的個(gè)數(shù)。

依據(jù)診斷線路故障的要求，采用檢測(cè)系統(tǒng)故障和系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的輸出信號(hào)的策略。系統(tǒng)正常運(yùn)行的殘差序列近似為高斯白噪聲序列，平均值約等于0，其協(xié)方差陣如下：

其中、r（K）為系統(tǒng)的殘差序列。

若此協(xié)方差陣是時(shí)變的，那么隨著K的變化其統(tǒng)計(jì)特性不同。為此，定義另一隨機(jī)變量：

可近似為一均值為0的高斯白噪聲隨機(jī)變量。為計(jì)算方便，再引入一隨機(jī)變量：

其中，近似地服從（m-1）的卡方分布，故，可得如下檢測(cè)方法，利用殘差加權(quán)平方和。

N為數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度。

由此我們可用d（K）的值來判斷是否發(fā)生故障。可用假設(shè)檢驗(yàn)的方法。設(shè)S0為正常運(yùn)行，S1為故障運(yùn)行，a為設(shè)定的某一閥值（此閾值可根據(jù)實(shí)際要求選擇），則其假設(shè)檢驗(yàn)的拒絕域如下：

或 。

根據(jù)確定的檢驗(yàn)公式設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和反復(fù)試驗(yàn)后，就可以對(duì)進(jìn)行檢錯(cuò)糾錯(cuò)等工作了。在實(shí)際運(yùn)用中，要反復(fù)檢驗(yàn)其可靠性和實(shí)用性。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)精度是隨著有效數(shù)據(jù)量的增大而增大的，而實(shí)際數(shù)據(jù)在運(yùn)行中由于設(shè)備的性能發(fā)生變化，技術(shù)水平提高，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的變化等而變化，故在實(shí)際運(yùn)行過程中要定期檢查和更新相關(guān)數(shù)據(jù)，保證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)效果。從而確保智能化裝置發(fā)揮良好的效用。

4 結(jié) 語

自動(dòng)重合閘系統(tǒng)是電力系統(tǒng)自動(dòng)化的重要一環(huán)，而智能化自動(dòng)重合閘在傳統(tǒng)的自動(dòng)重合閘的基礎(chǔ)上前進(jìn)了一大步，可以說是加深了自動(dòng)化重合閘裝置的自動(dòng)化程度，使之能夠更好地為電力系統(tǒng)服務(wù)。

本文所提供的設(shè)計(jì)思路主要是硬件部分依靠DSP的強(qiáng)大信號(hào)處理功能，軟件部分依靠神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射、容錯(cuò)能力、抗干擾能力和自學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，符合自動(dòng)重合閘的改進(jìn)需求，能夠有效地解決判斷是否合閘和合閘時(shí)間間隔的問題，經(jīng)實(shí)驗(yàn)可以滿足實(shí)際要求。

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