童坤

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

關鍵詞：自動重合閘；重合閘的判別；重合閘的間隔；智能化 DSP；神經(jīng)網(wǎng)絡算法

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）23-0016-02

1 自動重合閘裝置概述

1.1 自動重合閘裝置的產(chǎn)生背景和實際運用

在電力系統(tǒng)中，架空輸電線路的運行往往是最不穩(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，再次回復架空線路的供電。自動重合閘裝置能夠很好地應對瞬時性故障，是針對架空線路常出現(xiàn)的問題設計的。一旦架空輸電線路有故障發(fā)生，繼電保護將使得斷路器跳閘，待電源被切斷后再次迅速合閘以回復供電。若為永久性故障，繼電保護裝置將再次將斷路器跳閘，不在自動合閘。其工作流程如下：

繼電保護動1→熄弧→故障消除→合斷路器→恢復供1

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

據(jù)統(tǒng)計，我國線路故障自動重合閘裝置成功運作的比例約為90%，對于提高供電連續(xù)性和可靠性有著重要的意義。通過裝設自動重合閘裝置到架空輸電線路的饋線保護斷路器，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自動重合裝置。目前，自動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最為成熟，應用得最為廣泛。

在實際運行中，自動重合閘裝置和無選擇性的簡單快速繼電保護的配合使用，能夠相得益彰，使得繼電保護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：當線路出現(xiàn)故障時，先有靠近電源側的保護無選擇性瞬時跳閘，而后依靠重合閘對這種選擇性動作進行糾正。②重合閘后加速保護：單線路出現(xiàn)故障時，自動重合閘在保護裝置按選擇性動作跳閘后再重合，且解除或者縮短被加速保護的動作時限。

1.2 自動重合閘裝置對于電力系統(tǒng)運行的意義

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

2 自動重合閘實際應用中的不足

目前自動重合閘在實際應用中有兩個局限，使得其自動化程度受限。

①無法判斷實際故障點消除的時間，只是按照固定的經(jīng)驗時間判斷何時應當合閘，大多數(shù)情況下造成不必要的等待時間；②無法判斷是否是瞬時性故障還是永久性故障，無法選擇是否實現(xiàn)自動重合的功能。

3 智能化重合閘（IARC）的DSP實現(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間問題，對于消除自動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 設計思想

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

3.2 IARC動作的要求及指標

通過對IARC的功能分析，我們可以得出其具體實現(xiàn)所要達到的目標：

①動作時間。

對于ARC，t>tu+z，約為0.5～1.5s，對于IARC，t>ktu>ltz，其中tu為故障點去游離時間，t2表示的是斷路器的消弧室。

②重合動作應當符合預先規(guī)定（1次或2次），不容許有任意多次。

③能連續(xù)完成任務：在動作后能夠立即自動復歸，為再次動作做好準備。

④只針對自動跳閘動作，對于手動操作或者遙控操作控制的調制不應當自動重合。

⑤永久性事故或其他需手動合閘的事故IARC不動作。

⑥帶無緣負載阻抗檢測，有較高的判別故障游離的準確度。

⑦可改進性，具備神經(jīng)網(wǎng)絡算法（可引入RBF）實現(xiàn)的專家系統(tǒng)，可以通過自學習和適應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)其功能實現(xiàn)的流程：數(shù)據(jù)采集（主要控制A/D轉換和FIFO）—模數(shù)轉換—數(shù)字信號處理-結果輸出，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構，1個指令周期完成1次乘加運算；A/D轉化芯片是同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)

運用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡算法的核心思想是將采集到的運行正確的被控對象的輸入狀態(tài)向量、輸出狀態(tài)向量、權系數(shù)向量作為訓練樣本來訓練神經(jīng)網(wǎng)絡，然后以系統(tǒng)實際輸出與神經(jīng)網(wǎng)絡輸出之間的差值來檢測和辨識機床所發(fā)生的故障。

其一般設計方法如下：

對于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。假設狀態(tài)和輸出的測量噪聲W（K）和U（K）為獨立的高斯白噪聲向量，具備以下統(tǒng)計特性：

其中，V是對稱的非負定陣，W是對稱的正定陣。

對于隱含層的設計，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個接點的輸出。？i是第i個節(jié)點的歸一化參數(shù)，K是隱含層單元的個數(shù)。

依據(jù)診斷線路故障的要求，采用檢測系統(tǒng)故障和系統(tǒng)正常運行時的輸出信號的策略。系統(tǒng)正常運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)方差陣是時變的，那么隨著K的變化其統(tǒng)計特性不同。為此，定義另一隨機變量：

可近似為一均值為0的高斯白噪聲隨機變量。為計算方便，再引入一隨機變量：

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

N為數(shù)據(jù)窗長度。

由此我們可用d（K）的值來判斷是否發(fā)生故障?？捎眉僭O檢驗的方法。設S0為正常運行，S1為故障運行，a為設定的某一閥值（此閾值可根據(jù)實際要求選擇），則其假設檢驗的拒絕域如下：

或 。

根據(jù)確定的檢驗公式設計相應的算法，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡的學習和反復試驗后，就可以對進行檢錯糾錯等工作了。在實際運用中，要反復檢驗其可靠性和實用性。由于神經(jīng)網(wǎng)絡的學習精度是隨著有效數(shù)據(jù)量的增大而增大的，而實際數(shù)據(jù)在運行中由于設備的性能發(fā)生變化，技術水平提高，規(guī)范標準要求的變化等而變化，故在實際運行過程中要定期檢查和更新相關數(shù)據(jù)，保證神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習效果。從而確保智能化裝置發(fā)揮良好的效用。

4 結 語

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

本文所提供的設計思路主要是硬件部分依靠DSP的強大信號處理功能，軟件部分依靠神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性映射、容錯能力、抗干擾能力和自學習能力強的特點，符合自動重合閘的改進需求，能夠有效地解決判斷是否合閘和合閘時間間隔的問題，經(jīng)實驗可以滿足實際要求。

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