1引言
110kV輸電線路雙電源供電，對于提高供電可靠性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，都有很大的好處。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所有的線路故障中，70%～80%都是單相接地故障。當(dāng)被保護(hù)線路兩端均有電源時(shí)，此時(shí)過渡電阻的影響會對測量阻抗產(chǎn)生一個呈現(xiàn)容性阻抗或感性阻抗的偏移分量，造成保護(hù)范圍的擴(kuò)大或縮小。該偏移分量除與線路的固有特征參數(shù)有關(guān)外，還與線路兩端等效電源的電勢夾角有關(guān)［1，2，3］。
利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成阻抗繼電器，使距離保護(hù)能自適應(yīng)于系統(tǒng)和故障條件的變化而可靠地動作，是一個值得探索的方面［4，5］。
本文用故障后三相電壓、電流的基波幅值以及它們的相位差來構(gòu)成繼電器故障選相子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，實(shí)現(xiàn)對單相接地故障相別的判定。再根據(jù)故障相別判定的結(jié)果，以故障相的電壓、電流基波幅值及它們的相位差和零序電壓、零序電流，線路兩端系統(tǒng)電源的電勢夾角作為繼電器故障定位及測距子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，實(shí)現(xiàn)對故障的準(zhǔn)確定位和測距。用EMTP對一給定的電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行暫態(tài)仿真，結(jié)果證實(shí)本文提出的設(shè)想具有一定的可行性。
2基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單相接地阻抗繼電器
2.1基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單相接地阻抗繼電器的構(gòu)成
本文提出的設(shè)想并不進(jìn)行測量阻抗的計(jì)算，只是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從系統(tǒng)各種參數(shù)的組合模式來識別故障狀態(tài)。考慮到本文提出的設(shè)想選用故障時(shí)的電壓和電流以及它們之間的相位差作為輸入，而且能輸出故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處的距離，因此仍沿用常規(guī)距離保護(hù)中阻抗繼電器的說法。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單相接地阻抗繼電器由故障選相子網(wǎng)絡(luò)（NN1）和故障定位與故障測距子網(wǎng)絡(luò)（NN2）兩部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
●故障選相子網(wǎng)絡(luò)（NN1） 本文所采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為多層前向神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，采用變學(xué)習(xí)率和加動量項(xiàng)法的改進(jìn)BP法。網(wǎng)絡(luò)中每一層的傳遞函數(shù)選用對數(shù)sigmoid函數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層數(shù)目和每一隱含層神經(jīng)元數(shù)目的選擇對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的成功訓(xùn)練和推廣性能是至關(guān)重要的。通過大量的試驗(yàn)，確定故障選相子網(wǎng)絡(luò)第一、第二隱含層神經(jīng)元數(shù)目均為42，故障定位、測距子網(wǎng)絡(luò)第一、第二隱含層神經(jīng)元數(shù)目均為36，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，選擇兩個隱含層使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練易于進(jìn)行，其推廣性也非常好。
2.2基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單相接地阻抗繼電器的理想輸出特性
故障選相的理想輸出特性為：t1（t2、t3）為故障相時(shí)輸出1，非故障相時(shí)輸出0。當(dāng)0≤t1（t2、t3）＜0.5時(shí)，為非故障相；當(dāng)0.5≤t1（t2、t3）≤1時(shí)，為故障相。
故障定位，其整定范圍設(shè)計(jì)為保護(hù)線路全長的90%。當(dāng)0≤a1＜0.5時(shí)，為區(qū)外或反方向故障，當(dāng)0.5≤a1≤1時(shí)，為區(qū)內(nèi)故障。
故障測距，當(dāng)0≤a2＜0.09時(shí)，為反方向故障；當(dāng)0.09≤a2≤0.79時(shí)，故障距離為lBC·a2－0.09）/0.70km；當(dāng) 0.79≤a2≤1.00時(shí)，故障距離為lBC＋lCD·a2－0.79）/0.70km。故障定位和故障測距的理想輸出特性如圖2所示。
注：故障點(diǎn)位置x，指故障點(diǎn)F至保護(hù)安裝處B之間的距離占線路全長的百分?jǐn)?shù)。當(dāng)－30≤x＜0時(shí)線路全長指AB線路；當(dāng)0≤x≤100時(shí)線路全長指BC線路；當(dāng)100＜x≤130時(shí)線路全長指CD線路。
3基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單相接地阻抗繼電器的訓(xùn)練與檢驗(yàn)
本文故障樣本來自圖3所示系統(tǒng)單相接地故障EMTP仿真，采樣頻率為1kHz，用全波傅氏算法計(jì)算故障特征量。共作出訓(xùn)練樣本1440個，測試樣本兩組（第一組840個，第二組360個）。
在用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練前，先對樣本的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，以便于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。參照文獻(xiàn)［4］，取保護(hù)安裝處出現(xiàn)最嚴(yán)重的故障電流值為電流的基準(zhǔn)值，取額定電壓作為電壓的基準(zhǔn)值，相位差φ除以圓周率π。
電勢夾角Δδ為－5度時(shí)取為0，為5度時(shí)取為1，介于－5度和＋5度之間時(shí)線性對應(yīng)取值，如Δδ為－2.5度時(shí)取為0.25，Δδ為＋3.5度時(shí)取為0.85。
3.1故障選相子網(wǎng)絡(luò)（NN1）的訓(xùn)練與測試
故障選相子網(wǎng)絡(luò)對于訓(xùn)練樣本實(shí)際輸出與理想輸出之間的誤差特性如圖4（a）所示，對于第一組測試樣本實(shí)際輸出與理想輸出之間的誤差特性如圖4（b）所示，對于第二組測試樣本的實(shí)際輸出與理想輸出之間的誤差特性如圖4（c）所示。
從圖4中可以看出，由于故障相與非故障相的電壓、電流幅值和相位差之間存在明顯的差異，對于1440個訓(xùn)練樣本和1200個測試樣本，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)繼電器故障選相的正確動作率100%，且動作性能良好。
3.2故障定位與故障測距子網(wǎng)絡(luò)（NN2）的訓(xùn)練與測試
3.2.1故障定位與故障測距子網(wǎng)絡(luò)對于訓(xùn)練樣本的輸出特性
對已經(jīng)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，作出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在3種系統(tǒng)工況（電勢夾角Δδ分別為5、0、－5度）和8種過渡電阻下構(gòu)成的1440個訓(xùn)練樣本的動作特性圖5（a）、（b）、（c），來反映神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效果。
從圖5（a）、（b）、（c）中可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)繼電器對于訓(xùn)練樣本的故障定位和故障測距輸出特性非常接近理想的動作特性，說明該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過對樣本的學(xué)習(xí)，已正確區(qū)分了訓(xùn)練樣本，獲得了理想輸出特性。從訓(xùn)練樣本的動作特性圖中還可以看出，在各種系統(tǒng)工況和過渡電阻情況下，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)繼電器對于反向故障及區(qū)外故障均能可靠不動作，對于本線故障其保護(hù)范圍可達(dá)本線全長的90%，即可獲得設(shè)計(jì)保護(hù)范圍又能滿足選擇性要求。
3.2.2故障定位和故障測距子網(wǎng)絡(luò)對第一組測試樣本的檢驗(yàn)結(jié)果
依據(jù)不同于訓(xùn)練樣本的2種系統(tǒng)工況（電勢夾角Δδ分別為2.5、－2.5度）和7種過渡電阻（Rg分別為2.5、7.5、15、27.5、42.5、 60、85Ω）在和訓(xùn)練樣本相同故障點(diǎn)位置（見圖2）作出第二組測試樣本共840個，來測試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推廣性能。圖6（a）、（b）為故障定位和測距子網(wǎng)絡(luò)的對于第一組測試樣本的測試結(jié)果。
圖6故障定位與測距子網(wǎng)絡(luò)對于第一組測試樣本的輸出特從圖6（a）、（b）中可以看出，在和訓(xùn)練樣本相同的故障點(diǎn)位置排列上，盡管測試樣本是在不同于訓(xùn)練樣本的系統(tǒng)工況和過渡電阻情況下作出的，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)繼電器對于測試樣本的故障定位和故障測距輸出特性仍然接近理想的動作特性，說明該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的推廣性能。從測試樣本的動作特性圖中可以看出，在各種不同于訓(xùn)練樣本的系統(tǒng)工況和過渡電阻情況下，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)繼電器對于反向故障及區(qū)外故障均能可靠不動作，對于本線故障其保護(hù)范圍可達(dá)本線全長的90%左右，具有良好的選擇性與方向性。
3.2.3故障定位和故障測距子網(wǎng)絡(luò)對第二組測試樣本的檢驗(yàn)結(jié)果
依據(jù)不同于訓(xùn)練樣本和第一組測試樣本的4種系統(tǒng)工況（電勢夾角Δδ分別為3.5、1.5、－1.5、－3.5度）、5種過渡電阻Rg分別為0.5、 25、45、65、90Ω）和故障點(diǎn)位置作出的第二組測試樣本共360個。其中，1～60#樣本為反方向故障， 61～300#樣本為區(qū)內(nèi)故障，301～360#樣本為區(qū)外故障。圖7為故障定位和測距子網(wǎng)絡(luò)對于第二組測試樣本的測試結(jié)果。
從圖7中可以看出，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)式繼電器能自適應(yīng)于系統(tǒng)工況和過渡電阻的變化，具有良好的方向性和動作性能，對反方向故障（－03處）、保護(hù)裝置近處故障（03處）、保護(hù)范圍末端故障（85、88處）、區(qū)外故障（101處）等各種故障的定位準(zhǔn)確率為100%，其保護(hù)范圍可達(dá)本線路全長的88%。測距輸出的誤差在±0.1之間，亦即線路全長的15%以內(nèi)。
4分析及結(jié)論
訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)阻抗繼電器不僅能自適應(yīng)于0～100Ω過渡電阻的變化，而且也自適應(yīng)于系統(tǒng)工況的變化（兩端系統(tǒng)電勢夾角Δδ在－5度到＋5度之間變化）。其中，故障選相的準(zhǔn)確率為100%，故障定位的保護(hù)范圍能達(dá)線路全長的88%，且方向性和選擇性良好。此外，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)式阻抗繼電器還具有一定的故障測距功能。
