陳 雷 ,吳 浩 ,李 棟 ,楊玉萍
(1.四川輕化工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,自貢 643000;2.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,自貢 643000)
關(guān)鍵字:高壓直流輸電;雷擊干擾;小波包分解;鯨魚優(yōu)化算法;Adaboost.M2
高壓直流輸電HVDC(high voltage direct current)具有輸電距離遠(yuǎn)、輸送功率大等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但由于輸電線路較長(zhǎng)、輸電環(huán)境復(fù)雜等因素使得直流輸電線路易遭受雷擊,而雷擊使得輸電線路中存在大量暫態(tài)高頻分量以行波傳遞到線路兩端,易引起輸電線路保護(hù)誤動(dòng)作,干擾整個(gè)高壓直流系統(tǒng)穩(wěn)定性[3-5]。因此提高雷擊故障識(shí)別效率具有重要的意義。
文獻(xiàn)[6]利用小波變換提取零模電壓的模極大值,利用初始浪涌和第二個(gè)浪涌的模極大值比值不同識(shí)別反擊故障和繞擊故障,但該方法采樣頻率大同時(shí)兩端信號(hào)通道延時(shí)對(duì)保護(hù)速動(dòng)性有一定影響;文獻(xiàn)[7]利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解提取前四階模態(tài)分量的高頻分量,通過(guò)高頻分量瞬時(shí)幅值的方差貢獻(xiàn)率識(shí)別繞擊和反擊,但是該方法需進(jìn)一步識(shí)別雷擊故障和雷擊未故障;文獻(xiàn)[8]利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)得到故障電流信號(hào)的高頻譜能量和低頻譜能量的比值,結(jié)合不同尺度下電流首波頭的幅值最大值的比值識(shí)別雷擊故障,但是該方法對(duì)反擊故障的識(shí)別效果有待驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9]利用小波變換計(jì)算得到高頻分量占比,結(jié)合故障前后的小波奇異熵的比值識(shí)別雷擊故障;文獻(xiàn)[10]利用不同頻段能量熵比值識(shí)別雷擊故障;文獻(xiàn)[11]利用雙極電壓與軸線電壓的相關(guān)度結(jié)合高頻信號(hào)與低頻信號(hào)的能量比值識(shí)別雷擊故障;文獻(xiàn)[12]結(jié)合電壓相關(guān)度和電壓均值識(shí)別雷擊故障。但是上述方法針對(duì)雷擊雙極故障識(shí)別效果還有待驗(yàn)證。
本文利用小波包算法分解重構(gòu)得到暫態(tài)電壓突變量不同頻段的瞬時(shí)能量信號(hào),利用各頻段瞬時(shí)能量信號(hào)的波動(dòng)指數(shù)構(gòu)建雷擊故障特征樣本集。結(jié)合鯨魚優(yōu)化算法WOA(whale optimization algorithm)和集成學(xué)習(xí)Adaboost.M2建立WOA-Adaboost.M2模型,利用雷擊故障特征樣本集對(duì)WOA-Adaboost.M2模型進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試。仿真結(jié)果表明該方法能在不同故障距離和不同雷電流幅值下準(zhǔn)確識(shí)別雷擊干擾、雷擊正極故障、雷擊雙極故障和普通接地故障,受故障距離、過(guò)渡電阻和雷電流幅值等因素影響較小。
參考實(shí)際工程,在PSCAD/EMTDC中搭建如圖1所示500 kV的HVDC輸電系統(tǒng)模型[13]。圖1中,um、un分別為整流側(cè)正極、負(fù)極電壓。保護(hù)安裝在整流側(cè)邊界元件內(nèi)側(cè)。
圖1 雙極HVDC輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of bipolar HVDC transmission system
利用輸電線路頻率相關(guān)模型中的Phase模型在數(shù)值上能準(zhǔn)確模擬頻率范圍變化較大線路的優(yōu)點(diǎn)[14]。本文選擇頻率相關(guān)模型中的Phase模型,線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示,圖中C1、C2為導(dǎo)線,G1、G2為避雷線。
圖2 架空輸電線路結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.2 Structural parameters of overhead transmission lines
本文采用多波阻抗模型對(duì)桿塔進(jìn)行建模分析[15],將高壓直流輸電線路桿塔分為3段。多波阻抗模型如圖3所示,參考工程上的G1桿塔建模分析,各部分電阻由經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值如表1所示[16]。
圖3 桿塔模型Fig.3 Tower model
表1 桿塔多波阻抗模型各部分波阻抗Tab.1 Wave impedance of each part in the tower multi wave impedance model
結(jié)合伏秒特性判據(jù)和u50%判據(jù),構(gòu)建絕緣子閃絡(luò)模型[17]。絕緣子串的伏秒特性關(guān)系[18]為
式中:us-t為伏秒特性曲線;L為絕緣子串長(zhǎng)度;t為雷擊到閃絡(luò)的間隔時(shí)間。
絕緣子串的50%放電電壓u50%的表達(dá)式為
本文雷電流模型采用2.5/50 μs雙指數(shù)模型,雷電通道波阻抗為300 Ω[19-20]。雙指數(shù)模型數(shù)學(xué)公式為
式中:A、α、β為常數(shù),由雷電流波形決定;i為雷電流的瞬時(shí)值,kA;Im為雷電流幅值,kA。2.5/50 μs雙指數(shù)函數(shù)模型的雷電流波形如圖4所示。
圖4 雷電流雙指數(shù)模型Fig.4 Double exponential model of lightning current
利用小波包變換能可同時(shí)得到原信號(hào)的高頻分量和低頻分量的優(yōu)點(diǎn)[21],將信號(hào)分解為不同頻帶分量,以反映不同故障信號(hào)下的內(nèi)部特征。小波包計(jì)算方法[22]為
小波包重構(gòu)計(jì)算公式為
波動(dòng)指數(shù)是數(shù)學(xué)上用來(lái)定義相鄰信號(hào)間差值總和的平均值,用于衡量信號(hào)變化強(qiáng)度,本文利用波動(dòng)指數(shù)來(lái)反映不同頻段瞬時(shí)能量信號(hào)的變化強(qiáng)度。具體方法為:選用db8小波基對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行4層小波分解,計(jì)算得到16個(gè)不同頻段的信號(hào)分量;利用這16個(gè)頻段的信號(hào)分量瞬時(shí)能量的波動(dòng)指數(shù)構(gòu)建雷擊故障識(shí)別特征向量。波動(dòng)指數(shù)定義為
式中:M為采樣數(shù)據(jù)窗內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù);El(a)為第l個(gè)頻段能量分量的第a個(gè)采樣點(diǎn)。
利用整流側(cè)兩極故障電壓突變量的16個(gè)頻帶瞬時(shí)能量波動(dòng)指數(shù),構(gòu)建雷擊故障的識(shí)別特征向量F=(Fm1Fm2···Fm16Fn1Fn2···Fn16)1×32,其中,m 表示整流側(cè)正極,n表示整流側(cè)負(fù)極。
因雷擊故障中雷電流多為負(fù)極性,根據(jù)電磁異性相吸原理,因此雷擊故障多為雷擊正極輸電線路,又分為繞擊和反擊兩種故障形式[23],雷擊線路如圖5所示。反擊是雷電流擊中避雷線或者桿塔,如圖5(a)所示;繞擊是雷電流繞過(guò)避雷線擊中正極輸電線路如圖5(b)所示。
圖5 雷擊線路示意Fig.5 Schematic of lines under lightning strike
2.3.1 繞擊
0.5 s時(shí)刻,在距離整流側(cè)500 km處雷電流擊中正極輸電線,當(dāng)雷電流幅值Im為10 kA、發(fā)生繞擊未故障時(shí),正負(fù)極絕緣子串都未發(fā)生閃絡(luò),整流側(cè)保護(hù)安裝處兩極電壓波形如圖6(a)和圖6(b)所示。從圖6(a)和圖6(b)中可以看出,當(dāng)發(fā)生繞擊未故障時(shí),整流側(cè)兩極電壓都疊加了大量上下波動(dòng)的逐漸衰減至電壓軸線的暫態(tài)信號(hào)。
當(dāng)雷電流幅值為40 kA發(fā)生繞擊正極故障時(shí),正極絕緣子串發(fā)生閃絡(luò),負(fù)極絕緣子串未發(fā)生閃絡(luò)。整流側(cè)正極電壓驟降并最終遠(yuǎn)離電壓軸線如圖6(c)所示;整流側(cè)負(fù)極電壓疊加大量上下波動(dòng)并逐漸衰減至電壓軸線的暫態(tài)信號(hào)如圖6(d)所示。
雷電流幅值為120 kA發(fā)生繞擊雙極故障,正負(fù)極絕緣子串皆閃絡(luò),整流側(cè)正極電壓驟降并最終遠(yuǎn)離電壓軸線如圖6(e)所示;整流側(cè)負(fù)極電壓驟升并最終遠(yuǎn)離電壓軸線如圖6(f)所示。
圖6 繞擊兩極電壓波形Fig.6 Voltage waveforms of two poles when shielding failure occurs
距離整流側(cè)500 km,雷電流幅值10 kA的繞擊未故障、雷電流幅值40 kA繞擊正極故障和雷電流幅值120 kA繞擊雙極故障的波動(dòng)指數(shù)特征向量如圖7所示。從圖7可以看出,繞擊雙極故障的波動(dòng)指數(shù)幅值遠(yuǎn)大于繞擊正極故障的,繞擊正極故障的波動(dòng)指數(shù)幅值遠(yuǎn)大于繞擊未故障的。
圖7 繞擊波動(dòng)指數(shù)Fig.7 Volatility Index when shielding failure occurs
2.3.2 反擊
0.5 s時(shí)刻,在距離整流側(cè)500 km處發(fā)生雷擊桿塔,當(dāng)雷電流幅值Im為50 kA發(fā)生反擊未故障時(shí),正負(fù)極絕緣子串都未發(fā)生閃絡(luò),整流側(cè)保護(hù)安裝處兩極電壓波形如圖8(a)和圖8(b)所示。從圖8(a)和圖8(b)中可以看出,整流側(cè)兩極電壓都疊加了大量上下波動(dòng)的并逐漸衰減至電壓軸線的暫態(tài)信號(hào)。
圖8 反擊兩極電壓波形Fig.8 Voltage waveforms of two poles when back striking occurs
雷電流幅值為90 kA發(fā)生反擊正極故障時(shí),正極絕緣子串發(fā)生閃絡(luò),而負(fù)極絕緣子串未發(fā)生閃絡(luò)。整流側(cè)正極電壓驟降并最終遠(yuǎn)離電壓軸線如圖8(c)所示;整流側(cè)負(fù)極電壓疊加大量上下波動(dòng)并逐漸衰減至電壓軸線的暫態(tài)信號(hào)如圖8(d)所示。
雷電流幅值為120 kA發(fā)生反擊雙極故障,正負(fù)極絕緣子串皆發(fā)生閃絡(luò),整流側(cè)正極電壓驟降并最終遠(yuǎn)離電壓軸線如圖8(e)所示;整流側(cè)負(fù)極電壓驟升并最終遠(yuǎn)離電壓軸線如圖8(f)所示。
距離整流側(cè)500 km,雷電流幅值50 kA的雷擊桿塔反擊未故障、雷電流幅值90 kA反擊正極故障和雷電流幅值120 kA反擊雙極故障的波動(dòng)指數(shù)特征向量如圖9所示。從圖9可以看出,反擊雙極故障的波動(dòng)指數(shù)幅值遠(yuǎn)大于反擊正極故障的,反擊正極故障的波動(dòng)指數(shù)幅值遠(yuǎn)大于反擊未故障的。
圖9 反擊波動(dòng)指數(shù)Fig.9 Volatility Index under back striking
2.3.3 普通接地故障
0.5 s時(shí)刻,在距離整流側(cè)保護(hù)安裝500 km處正極輸電線路發(fā)生金屬接地故障。當(dāng)接地電阻為300 Ω時(shí)兩極電壓波形如圖10所示,波動(dòng)指數(shù)特征向量如圖11所示。
圖10 普通接地故障兩極電壓波形Fig.10 Two-pole voltage waveforms under ordinary ground fault
圖11 普通接地故障波動(dòng)指數(shù)Fig.11 Volatility index under ordinary ground fault
從圖10可以看出,發(fā)生金屬接地故障時(shí)整流側(cè)正極電壓幅值驟降并最終遠(yuǎn)離電壓軸線;整流側(cè)負(fù)極電壓疊加的大量上下波動(dòng)并逐漸衰減至電壓軸線的暫態(tài)分量。普通接地故障與雷擊正極故障的暫態(tài)電壓信號(hào)類似,但因缺少高頻雷電流作用,暫態(tài)電壓信號(hào)中疊加的暫態(tài)分量含量和幅值都不及雷擊正極故障的。
從圖11可以看出,普通接地故障的波動(dòng)指數(shù)特征向量波形與雷擊正極故障相似,但是因缺少高頻雷電流作用,其中利用高頻信號(hào)的瞬時(shí)分量計(jì)算得到的波動(dòng)指數(shù)幅值小于雷擊正極故障的。
集成學(xué)習(xí)Adaboost.M2算法將訓(xùn)練得到的多個(gè)弱分類器,利用權(quán)值融合為一個(gè)強(qiáng)分類器,同時(shí)通過(guò)每一個(gè)樣本的權(quán)值實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的分類[24]。具體步驟如下。
步驟1 樣本初始化。
總數(shù)為N的數(shù)據(jù)集(x1,y1),(x2,y2),…,(xN,yN),其中xi表示樣本的特征向量,yi∈Y={1,2,…,K}表示樣本的標(biāo)簽類別,K為類別數(shù)。首次迭代樣本i的某個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)簽y∈Y-yi的初始權(quán)重為
步驟2 計(jì)算偽損失。
在第t次迭代中,根據(jù)樣本分布Dt選擇新樣本,訓(xùn)練決策樹,得到弱分類器ht(x,y),因此該樣本被錯(cuò)誤分類的概率為
ht在權(quán)重Dt分布下的偽損失為
步驟3 更新權(quán)重。
步驟4 組合生成強(qiáng)分類器。
經(jīng)過(guò)T次(T為基分類器個(gè)數(shù))迭代得到的最終組合分類器,即
將集成學(xué)習(xí)Adaboost.M2不同超參數(shù)組合為自變量x,利用鯨魚優(yōu)化算法WOA[25]進(jìn)行自變量x尋優(yōu),避免人工反復(fù)試錯(cuò)的過(guò)程,提高雷擊故障的識(shí)別準(zhǔn)確率。建立的WOA-Adaboost.M2模型如圖12所示。
圖12 WOA-Adaboost.M2模型Fig.12 WOA-Adaboost.M2 model
WOA優(yōu)化Adaboost.M2算法步驟如下。
步驟1 利用小波包算法分解重構(gòu)不同頻段的瞬時(shí)能量,計(jì)算各頻段瞬時(shí)能量的波動(dòng)指數(shù)構(gòu)建雷擊故障訓(xùn)練集。
步驟2 種群初始化。將集成學(xué)習(xí)Adaboost.M2的基分類器個(gè)數(shù)T和學(xué)習(xí)率組合為自變量x,利用WOA對(duì)進(jìn)行自變量x尋優(yōu)。設(shè)置WOA的控制迭代次數(shù)為100,種群數(shù)目為30,種群中的每一個(gè)體對(duì)應(yīng)Adaboost.M2算法的基分類器個(gè)數(shù)T和學(xué)習(xí)率參數(shù),其中基分類器個(gè)數(shù)T搜索區(qū)間設(shè)置為[1,300],學(xué)習(xí)率搜索區(qū)間設(shè)置[0.01,0.99]。
步驟3 計(jì)算種群中個(gè)體的適應(yīng)度。將每個(gè)種群個(gè)體帶入Adaboost.M2中進(jìn)行訓(xùn)練并得到對(duì)應(yīng)的分類結(jié)果,采用五折交叉驗(yàn)證進(jìn)行評(píng)估,將交叉驗(yàn)證的平均分類精度作為適應(yīng)度函數(shù),計(jì)算得到種群中個(gè)體的適應(yīng)度。
步驟4 根據(jù)最優(yōu)適應(yīng)度值確定當(dāng)前最優(yōu)鯨魚個(gè)體,通過(guò)模擬鯨魚個(gè)體鏡像螺旋或包圍運(yùn)動(dòng)的捕食方式進(jìn)行算法迭代,更新鯨魚個(gè)體位置,直至滿足最大迭代次數(shù),最后輸出得到最優(yōu)個(gè)體。
智能故障識(shí)別算法如圖13所示,實(shí)現(xiàn)步驟如下。
步驟1 設(shè)置采樣頻率為10 kHz,采集整流側(cè)電壓信號(hào),本文采用的500 kV高壓直流輸電線路模型,得到整流側(cè)正、負(fù)極電壓突變量。
步驟2 利用小波包算法分解重構(gòu)得到正、負(fù)極電壓信號(hào)16個(gè)頻段分量,計(jì)算各個(gè)頻段的瞬時(shí)能量。
步驟3 計(jì)算各頻段的瞬時(shí)能量故障行波到達(dá)后5 ms時(shí)間窗下50個(gè)采樣點(diǎn)的波動(dòng)指數(shù),得到雷擊故障識(shí)別特征向量 F=(Fm1···Fm16Fn1···Fn16)1×32。
步驟4 為每個(gè)樣本向量貼上故障類型標(biāo)簽后作為WOA-Adaboost.M2模型的樣本數(shù)據(jù),將訓(xùn)練樣本集輸入WOA-Adaboost.M2進(jìn)行訓(xùn)練,得到WOAAdaboost.M2識(shí)別模型。將測(cè)試樣本集輸入訓(xùn)練好的WOA-Adaboost.M2智能故障識(shí)別模型,驗(yàn)證得到的WOA-Adaboost.M2性能。故障識(shí)別算法流程如圖13所示。圖中LG代表雷擊干擾,LZ代表雷擊致正極故障,LS代表雷擊致雙極故障,PZ代表普通正極故障。
圖13 故障識(shí)別算法模型Fig.13 Model based on fault identification algorithm
為了驗(yàn)證本文所提的雷擊故障識(shí)別方案的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建如圖1所示500 kV的HVDC輸電系統(tǒng)模型,對(duì)雷擊正極故障、雷擊雙極故障、雷擊干擾和普通正極接地故障進(jìn)行仿真分析。
利用小波包算法得到正、負(fù)極電壓突變量信號(hào)的16個(gè)頻段分量,計(jì)算行波到達(dá)后5 ms數(shù)據(jù)窗的各頻段分量瞬時(shí)能量的波動(dòng)指數(shù),得到雷擊故障識(shí)別特征向量 F=(Fm1···Fm16Fn1···Fn16)1×32。每個(gè)樣本的輸入維度為1×32,樣本數(shù)據(jù)集的維度為1×32×N,N表示樣本集中的樣本總數(shù)。由不同的雷擊干擾、雷擊故障和普通接地故障組成的訓(xùn)練集如表2所示。
表2 WOA-Adaboost.M2模型的訓(xùn)練集Tab.2 Training set of WOA-Adaboost.M2 model
將訓(xùn)練集作為測(cè)試集輸入到訓(xùn)練好的WOAAdaboost.M2模型得到的分類結(jié)果如圖14所示。由圖14可見(jiàn),本文選取的測(cè)試樣本在WOA-Adaboost.M2雷擊故障識(shí)別模型中均能正確識(shí)別分類。因此所建立的WOA-Adaboost.M2雷擊故障識(shí)別能準(zhǔn)確地識(shí)別雷擊干擾、雷擊正極故障、雷擊雙極故障和普通接地故障。
圖14 訓(xùn)練集測(cè)試分類結(jié)果Fig.14 Classification results of training set test
為了驗(yàn)證WOA-Adaboost.M2雷擊故障識(shí)別模型在不同情況下識(shí)別能力,分別將不同雷電流幅值、不同故障距離的故障特征輸入到訓(xùn)練好的WOA-Adaboost.M2模型中進(jìn)行故障識(shí)別,并對(duì)分類結(jié)果加以分析。
4.3.1 在不同雷電流幅值下算法性能測(cè)試
為了驗(yàn)證在不同雷電流幅值下WOA-Adaboost.M2雷擊故障識(shí)別模型的性能,選取不同雷電流幅值的雷擊未故障、雷擊正極故障和雷擊雙極故障以及不同過(guò)渡電阻下的普通接地故障四種故障類型進(jìn)行仿真。不同雷電流幅值下測(cè)試集如表3所示,故障識(shí)別結(jié)果如圖15所示。由圖15可見(jiàn),在不同雷電流幅值下,WOA-Adaboost.M2雷擊故障識(shí)別模型準(zhǔn)確識(shí)別并正確分類,因此本文所提算法受雷電流幅值影響較小。
表3 不同雷電流幅值下測(cè)試集Tab.3 Test set under different amplitudes of lightning current
圖15 不同雷電流幅值下測(cè)試分類結(jié)果Fig.15 Test classification results under different amplitudes of lightning current
4.3.2 在不同故障距離下算法性能測(cè)試
為了驗(yàn)證在不同故障距離下WOA-Adaboost.M2雷擊故障識(shí)別模型的性能,選取距離整流側(cè)保護(hù)安裝處300 km和700 km處發(fā)生的雷擊未故障、雷擊正極故障、雷擊雙極故障和普通接地故障進(jìn)行仿真。不同故障距離下測(cè)試集如表4所示,故障識(shí)別結(jié)果如圖16所示。由圖16可見(jiàn),在不同故障距離和不同雷電流幅值下,WOA-Adaboost.M2雷擊故障識(shí)別模型準(zhǔn)確識(shí)別并正確分類,因此本文所提算法受故障距離影響小。
表4 不同故障距離下測(cè)試集Tab.4 Test set under different fault distances
圖16 不同故障距離下測(cè)試分類結(jié)果Fig.16 Test classification results under different fault distances
為了驗(yàn)證本文提出的算法的性能,選取原始GRNN(general regression neural network)和 Adaboost.M2與本文提出的算法進(jìn)行對(duì)比,訓(xùn)練樣本集如表2所示,測(cè)試集1為不同雷電流幅值下的測(cè)試集如表3所示,測(cè)試集2為不同故障距離下的測(cè)試集如表4所示。在實(shí)驗(yàn)室條件下基于上述仿真數(shù)據(jù),從表5可知,GRNN和Adaboost.M2無(wú)法正確識(shí)別出所有故障類型,而本文提出的WOA-Adaboost.M2均能夠正確識(shí)別。因此本文提出的算法具有較好的性能。
表5 智能算法性能對(duì)比Tab.5 Comparison of performance among different intelligent algorithms
本文分析雷擊干擾、雷擊正極故障、雷擊雙極故障和普通接地故障的暫態(tài)信號(hào),利用小波包算法分解重構(gòu)得到不同頻段的瞬時(shí)能量,計(jì)算各頻段瞬時(shí)能量的波動(dòng)指數(shù),構(gòu)成雷擊故障識(shí)別特征向量。結(jié)合WOA-Adaboost.M2模型識(shí)別出雷擊干擾、雷擊正極故障、雷擊雙極故障和普通接地故障。仿真結(jié)果表明,本方案受故障位置和雷電流幅值影響較小。
電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)2022年5期