基于自適應神經模糊網絡的高壓輸電線路絕緣配合方法

宋夢嬌

（國網電力空間技術有限公司，北京 102209）

0 引 言

在科技產業的發展過程中，新能源的應用隨之不斷革新。以近年來高壓線路的換代為例，線路中的絕緣配合技術也在不斷尋優。但是，目前高壓輸電線路的建設仍面臨著較多的問題。例如，對于交流電和直流電的使用問題，其中的設備換流以及設備開關等，都會影響高壓線路的運行。因此，設計高壓輸電線路絕緣配合方法，在目前的電子線路環節中具有十分重要的意義[1]。

1 高壓輸電線路絕緣配合方法

1.1 分析輸電線路的相角影響狀況

高壓輸電線路中的相角因素，能夠在一定限度上影響絕緣配合系數。因此，在高壓站的交流線路上安裝了合閘裝置，通過合適的相角控與線路實現線路的良好配合。該操作在一定程度上是對絕緣配合的二次防護。合閘裝置可根據所接收命令隨時控制斷路器的線圈，完成合閘動作或開始合閘動作，在一定程度上控制了合閘的暫態時段，盡量減小沖擊。

對交流電路中相角的分析流程如下：首先，通過監測測控裝置，在其發出相應的指令模式后，經由合閘裝置對其電壓數值進行參數尋優；其次，以零點為基準，設置相應的指令；再次，在合閘命令發送至線圈后，完成選相合閘流程；最后，三相電路中的其余兩相，對于相角的分析使用相同流程，并保持各自獨立延時。

1.2 建立線路內外絕緣仿真模型

經過合閘相角的初步控制后，建立高壓輸電線路內外的絕緣仿真模型以滿足配合設計。交流輸電線路負責投切線路的電壓，在模型的運作過程中，其功率和運行方式根據模型的不同產生不同的指令輸出，小組斷路器則需根據指令進行相應的投切，通過運行過程的變化，完成線路絕緣的配合要求。

交流輸電線路中一般選擇雙斷口瓷柱式斷路器。這種斷路器具有一定的防護性，且能夠接收交流電壓和直流電壓，即使是混合電流的沖擊，也能夠在一定限度上保護單斷口的絕緣裕度。但是，隨著使用時間的增加，該斷路器的表面會累積一定的污穢，不同物質的電流電壓會導致斷路器的使用壽命縮短，并且引起事故問題。搭建的斷路器線路如圖1所示[2]。

圖1 雙斷口斷路器等效電路圖

交流輸電線路中的斷路器，主要包括動靜觸頭等結構。斷路器在高壓線路中可能出現的主要問題就是絕緣線路的配合出現不均的情況。此外，在線路運行過程中，斷路器滅弧室出現電流故障，會導致電場強度過大，引起擊穿現象。文章為了尋求高壓輸電線路的絕緣配合最優解，選擇有限元法進行研究。

針對斷路器的主要結構，即動靜觸頭，加載電壓與設置規定值，求取其滅弧室的電場值，具體計算公式為

式中：φ為電路靜電場的場域參數。

通過求解斷路器的電場值，可以確定輸電線路的電場分布，奠定設計絕緣配合方法的基礎[3]。

1.3 校核高壓輸電線路絕緣水平

在交流高壓輸電線路中，絕緣配合方法需要進行一定的校核，從而完成對于過電壓的保護。交流輸電換流站設備的絕緣配合設計是文章的核心內容，在考慮所采用的過電壓保護措施后，采用慣用法校核交流輸電線路的絕緣水平。

交流輸電線路的絕緣水平，不僅取決于其自身所配置的避雷器，也與設備中設計的設備保護水平相關聯。因此，高壓輸電線路中的絕緣水平應該高于設備的保護水平。需注意，為了設備的運行需求，高壓輸電線路中的絕緣水平也不能太高。對于交流電內部電壓波的運行，分析其運行波前與波尾，獲得交流母線中單相接地可能出現的電壓沖擊。輸電線路會導致避雷器產生故障，因此需要根據實際工況分析設備中的保護及絕緣水平。設備設計制造參數如表1所示。

表1 設備設計制造參數

校核高壓輸電線路絕緣水平的流程為：首先，配置避雷器及其保護設施，通過其端間水平的確定，比對電壓和保護水平；其次，以避雷器的端間輸出與放電電流進行比對；最后，將保護水平的參數值作為比對的參照值，得出現有的絕緣水平是否能夠滿足設計的計算要求。

此外，在線路接地的布置點中，雖然故障發生的概率較低，但是故障問題更加嚴重。因此，需要對輸電線路中的模型構建環節中重點考慮這一問題。通過對換流站中輸電線路的投切，分析避雷器的配置方案，在減少人工運作以及設備頻繁投切的前提下，合理優化交流高壓電路中的絕緣方案[4]。

1.4 基于自適應神經模糊網絡實現絕緣配合

通過校核輸電線路的絕緣水平，基于自適應神經模糊網絡優化絕緣配合。作為基于神經元網絡與模糊邏輯相融合的自適應模糊神經網絡（Adaptive-Network-based Fuzzy Inference Systems，ANFIS），其優勢在于能夠自動產生“if-then”規則。最常見的二維輸入輸出的ANFIS輸電線路結構如圖2所示。

圖2 典型ANFIS結構

ANFIS自動生成的“if-then”規則為

式中：A、B為網絡構造中的約束；p、q、r為參與規則的各個線路。

模糊神經網絡由5個前饋型層次構成，第1層是輸入層；第2層是從屬關系層；第3層是規則推理層；第4層是規則模糊層；第5層是輸出層。模糊神經網絡的結構如圖3所示。

圖3 模糊神經網絡的結構

第1步，在相對模糊的合集中，完成函數的運算，計算公式為

式中：a1i、b1i、c1i、a2i、b2i、c2i為ANFIS的前件參數；μA1、μB1為隸屬度函數；Ai、Bi為模糊處理的結果集合；x1、x2為相應的輸入變量。

第2步，模糊規則的激勵強度計算公式為

第3步，歸一化處理網絡總體的計算公式為

第4步，去模糊化，對歸一化的網絡總體模糊化處理，使輸出變為精確的結果。具體計算公式為

式中：pi、qi、ri為決定隸屬度函數的條件參數。

第5步，輸出結果的表達式為

ANFIS能夠在多維特征輸入中，遵循自身的普遍思路，完成對于精確值的唯一輸出，因此具有較大的隨意性，可以優化絕緣配合方法[5]。

2 實驗論證

2.1 實驗說明

為了驗證設計的基于ANFIS的高壓輸電線路絕緣配合方法的有效性，設置了以本文方法為實驗組和基于電源電弧沖擊特性的高壓輸電線路絕緣配合方法為對照組的對比實驗。實驗參數中，會話初始協議（Session initialization Protocol，SIPL）為電路中的沖擊保護水平，可以代表絕緣配合的效能。

2.2 實驗準備

為了使實驗數據具有可靠性和普遍性，在常規的基礎數值上，增加5%的絕緣配合系數作為實驗的參考數值，而輸電線路中的絕緣配合系數如表2所示。

表2 主要設備的絕緣配合系數

若模型中不配置避雷器，設備就可能存在過電壓情況，對實驗結果造成一定的誤差影響。因此，不僅需要提高設備的絕緣水平，而且相應的實驗設備應提高其絕緣裕度。本次實驗設定為30%。

2.3 實驗結果

2種方法對比的實驗結果如表3所示。輸電線路的關鍵位置會出現電壓較高的現象，這種情況下對應的設備絕緣水平也較高，實驗組方法下的絕緣配合指數為95.68%，而對照組的平均絕緣配合指數為76.34%，表明本文設計的配置方案能夠有效提高線路間的絕緣配合，為高壓輸電線路提供新路徑。

表3 不同方法下線路絕緣配合結果

3 結 論

設計了輸電線路的絕緣配合方法，在高壓線路中對其進行了分析說明，得到輸電線路中的相角影響因素，進而校核線路中的絕緣水平，建立相應的絕緣配合模型，然后基于ANFIS優化配合方法，最后得到相對優異的配合指數。