基于人工神經網絡電流保護模型的應用

張萍，任曉俠

西安供電局，陜西 西安 710032

0 引言

隨著電力工業的不斷發展，現代電力系統已成為一個高階非線性、高復雜的大系統，系統運行的可靠性也越來越受到人們的關注，對保證電網安全與穩定運行的繼電保護技術提出了更高的要求。一些傳統的繼電保護和故障診斷技術存在一些固有的缺陷，如整定復雜，不能全線速動，可靠性受通信線路和元件的限制等等，不能滿足電力系統不斷發展的要求。因此，基于人工智能技術的繼電保護系統越來越受到重視。

1 人工神經網絡

人工神經網絡[1]（Aartificial Neural Network，簡稱ANN）是模擬生物神經元的結構而提出的一種信息處理方法。它具有復雜的動力學特性，并行處理機制，學習、聯想和記憶功能，還具有高度的自組織、自適應能力。ANN網絡由大量的模擬人腦的神經元互聯組成，通過調整連接權值，由整體狀態來給出響應信息，它具有本質的非線性特征、并行處理能力、強魯棒性以及自組織自學習的能力。通過對反映輸入特征量的大量樣本學習，可以對任意復雜狀態或過程進行分類和識別。

由于神經網絡提供了比傳統計算機更接近人類感知與識別的途徑，因此，它能在模式識別、知識工程、自動控制等領域取得鼓舞人心的成果，在各行各業得到越來越廣泛的應用。對于電力系統這個存在著大量非線性的復雜大系統來講，ANN理論在電力系統中的應用具有很大的潛力，目前已涉及到如暫態、動穩分析、負荷預報、機組最優組合、警報處理與故障診斷、配電網線損計算、發電規劃、經濟運行及電力系統控制等方面[2]。

2 基于ANN電流保護模型的特點

傳統的輸電線路繼電保護主要有電流保護、距離保護和縱聯保護。電流保護是一種原理最簡單的保護方式，但它的保護范圍直接受到電網接線方式和系統運行方式的影響，一般只適合于35kV及以下電網中。縱聯保護能夠實現全線速動，但它需要專用的通信通道將輸電線路兩端的電氣量聯系起來，以便判斷故障發生的范圍，這樣將大大增加投資成本，而且還存在運行可靠性不高的問題。

有試驗表明，基于人工神經網絡的電流保護，在系統的各種運行方式下及各種故障中，不僅能夠自適應識別線路的故障類型、故障相別和故障點的位置，還可以準確地區分振蕩與故障兩種情況[4]。

神經網絡理論的保護裝置可直接取線路及其周邊的模擬量、數字量，經模式特征變換輸入給神經網絡，根據以前學習過的訓練材料，對數據進行推理、分析評價和輸出。專家系統對運行過程控制和訓練，按最優方式收集數據或由分析過程再收集控制，對輸出結果進行評估，判別其正確性和一致性，作出最終判決，經變換輸出，去執行機構。即使是新型保護，也會存在著某些功能模塊不正確動作的可能，這時可以過后人為干預擴展專家系統數據庫或由專家系統作出判別，作為樣本訓練ANN的這部分功能模塊，改變其某些網線的權值，以使下次相同情況下減少不正確動作的可能。

3 基于ANN電流保護模型的建立

在輸電路系統中，常見的短路故障類型有：三相短路、兩相短路、兩相短路接地和單相接地等多種。其中單相接地故障轉較為普遍。當電力系統發生故障時，輸電線路各相、各序電壓、電流也隨之發生變化，特別是故障后故障相的相電壓和相電流，以及接地系統在接地故障的零序電流的變化有明顯的代表性。因此，基于ANN電流保護模型的建立如下：

1）產生數據樣本集

包括原始電流電壓數據的收集、分析以及數據的預處理，只有經過這些步驟后，才能對神經網絡進行有效的學習和訓練。樣本集應盡可能包含輸電線路的各種故障模式，使得訓練后ANN在各種因素變化時，仍能夠實現故障點的精確定位。為了使ANN網絡更好地學習收斂，應減少原始數據的維數，并從中抽取簡明而有用的信息，從而提高訓練的速度和效率。可以采取時域范圍內的電壓電流波形的快速傅里葉變換或者采用在時域頻域更優越的小波變換的信號處理方法。

2）確定網絡的類型和結構

確定網絡類型，選擇網絡的結構和參數。例如可以選擇Uar、Uai、Ubr、Ubi、Ucr、Uci、Iar、Iai、Ibr、Ibi、Icr、Ici、Ior、Ioi(下標 r和 i分別代表實部與虛部14個數據量作為網絡的輸入。中間層和神經元的個數可由大量的實驗確定。一般兩層中間層就已有足夠的精度，當然，層數越多，網絡學習的自由度越大，解決問題的潛力就越大。但層數太多，會降低學習和診斷效率。輸出層則表示故障相別和類型。可以是A相、B相、C相、接地和正方向。各輸出值為1，代表選中；輸出值為0，代表沒選中。

3）訓練和測試

在訓練過程中對被保護線路的電流電壓樣本數據反復使用，找出蘊涵在樣本數據中的輸入和輸出之間的本質聯系，從而對于未經訓練的輸入也能給出合適的輸出，即具備泛化功能。該保護通過對被保護線路電壓、電流的特征值的學習，不僅能自適應地識別輸電線路在各種運行方式和故障條件下的故障方向及故障相別，而且在整個時域上都具有準確的識別能力，它避免了常規差動保護整定法的不靈活性和原理上的不足，有工程實用價值。

4 結論

近年來，人工神經網絡在電力系統繼電保護中的應用越來越多，可以用來解決一些常規保護難以解決的問題。但是其應用的可靠性問題是妨礙其在繼電保護領域獲得廣泛應用的最大障礙。通過國內外科研人員以及電力部門從業人員的研究和共同探討，神經網絡的應用勢必走向成熟，其在繼電保護中的應用也會更加廣泛。

[1]MartinT.Hagan.HowardB.Demuth.MaekH.Beale.神經網絡設計.機械工業出版社.

[2]吳捷.現代控制技術在電力系統控制中的應用.全國高校電力系統及其自動化專業年會，廣州，1997.

[3]賀家李.電力系統繼電保護原理[M].天津：天津大學，1991.

[4]李營，楊奇遜.分布式微機母線保護的探討[J].電力系統自動化，1999，23(1).