馬玎, 牟龍華, 張?chǎng)?/p>

(同濟(jì)大學(xué) 電氣工程系,上海 201804)

0 引 言

配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是保障整個(gè)社會(huì)生產(chǎn)和生活的必要條件。我國(guó)配電網(wǎng)廣泛采用小電流接地方式,其中80%以上的故障都為單相接地故障。單相接地故障電流較小,故障檢測(cè)與選擇性保護(hù)較困難[1-2]。及時(shí)找到故障線路并將其快速隔離,有利于維護(hù)配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

小電流單相接地故障的主要解決方法有穩(wěn)態(tài)量分析法和暫態(tài)量分析法,由于故障條件的復(fù)雜性及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的局限性,這些方法在實(shí)際應(yīng)用中存在較大的局限性[3]?，F(xiàn)有的接地故障分析處理方法多為僅有理論分析或基于仿真數(shù)據(jù)[4-5],這些研究與實(shí)際測(cè)量得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果有較大的出入,使得故障診斷判據(jù)在實(shí)際應(yīng)用中不是很理想。本文將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于小電流接地系統(tǒng)進(jìn)行接地故障檢測(cè)。在利用小波分解提取新的故障特征的基礎(chǔ)上,基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷分析。

電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量運(yùn)行數(shù)據(jù),逐漸構(gòu)成電力大數(shù)據(jù)。近年來(lái),具有故障錄波功能的故障指示器在配電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用[6]。除實(shí)時(shí)故障錄波數(shù)據(jù)外，還存在著大量的歷史數(shù)據(jù)信息,使得電力系統(tǒng)中的信息量呈爆炸式增長(zhǎng)。為了順應(yīng)電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的潮流,除了需要完善的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)外[7],還需要設(shè)計(jì)功能完備的人機(jī)交互界面，更好地對(duì)接地故障大數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)管理。

目前已有的單相接地故障診斷軟件存在較多不足之處,且尚未形成成型的完備系統(tǒng),功能方面也有所欠缺，例如不能夠滿足波形顯示、訓(xùn)練數(shù)據(jù)篩選以及饋線選擇等多種人機(jī)交互功能的需求。部分接地故障分析軟件存在封裝不完備的情況,無(wú)法適用于各種操作系統(tǒng)下的PC機(jī)。

本文首先根據(jù)故障錄波數(shù)據(jù)提取了三種故障特征(小波能量比、小波重構(gòu)系數(shù)方差和小波功率方向),設(shè)計(jì)了用于單相接地故障特征信息提取的解析軟件,在實(shí)現(xiàn)完備的波形顯示、數(shù)據(jù)篩選與分析的人機(jī)交互界面的基礎(chǔ)上,對(duì)設(shè)計(jì)完成的人機(jī)交互界面進(jìn)行軟件封裝,生成了能夠應(yīng)用于各種操作系統(tǒng)的可執(zhí)行文件,提高了單相接地故障特征分析軟件的適用范圍。

1 接地故障數(shù)據(jù)獲取

配電系統(tǒng)中廣泛采用的單相接地故障錄波分析系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 接地故障錄波分析系統(tǒng)

接地故障錄波分析系統(tǒng)主要由故障指示器、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)主站等構(gòu)成。故障指示器分別安裝在每條線路的A、B、C三相上。電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí),故障點(diǎn)附近桿塔的故障指示器記錄波形數(shù)據(jù),通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)上傳到系統(tǒng)主站。系統(tǒng)主站處理每個(gè)故障指示器上傳的錄波數(shù)據(jù),完成對(duì)配網(wǎng)線路故障錄波數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析。

進(jìn)行電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析需要建設(shè)相應(yīng)的特征提取與數(shù)據(jù)分析平臺(tái),而與之相配合的交互界面和軟件封裝也有很高的要求。本文著重討論此分析平臺(tái)中單相接地故障特征分析軟件的交互界面的設(shè)計(jì)以及軟件封裝的思路。

2 單相接地故障特征分析軟件體系結(jié)構(gòu)

圖2 故障特征分析軟件基本架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的單相接地故障特征分析軟件由兩個(gè)模塊構(gòu)成,分別是故障特征提取模塊與數(shù)據(jù)分析模塊。軟件的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

故障特征提取模塊的工作主要有三個(gè)流程：首先對(duì)故障波形進(jìn)行小波分解；然后對(duì)分解后的波形進(jìn)行分析；最后選取合適的特征頻帶，從而完成對(duì)故障特征的提取。

數(shù)據(jù)分析模塊的工作有三個(gè)流程：首先構(gòu)建KNN算法模型；之后利用特征提取模塊得到的三個(gè)故障特征對(duì)單相接地故障診斷模型進(jìn)行訓(xùn)練；最后對(duì)得到的模型進(jìn)行貝葉斯優(yōu)化自適應(yīng)調(diào)參，最終將訓(xùn)練結(jié)果和測(cè)試結(jié)果輸出到界面。

本文共提取三個(gè)故障特征,分別是小波能量比、小波重構(gòu)系數(shù)方差和小波功率幅值。

小波能量比是選線尺度高頻能量與最大尺度分解后的低頻能量比ρic：

ρic=Ei_hc/Ei_ls

(1)

式中:i為線路編號(hào);c為選線尺度;Ei_hc為第i條線路對(duì)應(yīng)選線尺度c的高頻能量;Ei_ls為第i條線路在最大尺度s分解后的低頻能量。

本文采用小波重構(gòu)系數(shù)方差來(lái)表征單相接地故障后零序電流暫態(tài)突變過(guò)程。方差是衡量源數(shù)據(jù)和期望值相差的度量值。D(dc)為小波重構(gòu)系數(shù)方差，反映選線尺度下小波重構(gòu)系數(shù)的波動(dòng)程度,可表示為：

(2)

本文采用基于小波系數(shù)的暫態(tài)功率方向法進(jìn)行功率方向特征提取。暫態(tài)零序電壓u0(t)與故障線路零序電流if0(t)間為感性約束關(guān)系,故du0(t)/dt與if0(t)方向呈反極性；相應(yīng)的,暫態(tài)零序電壓u0(t)與健全線路零序電流i0(t)呈容性約束關(guān)系,du0(t)/dt與i0(t)方向呈同極性。根據(jù)選取的選線尺度c,可得零序電流暫態(tài)分量在該尺度下的小波系數(shù)，記作dIc；對(duì)零序電壓暫態(tài)分量在該尺度下的小波系數(shù)求導(dǎo)記作dVc。定義線路i在尺度c下零序電流暫態(tài)分量與零序電壓暫態(tài)分量的暫態(tài)功率方向系數(shù)為：

(3)

數(shù)據(jù)分析模塊首先構(gòu)建基礎(chǔ)的KNN算法模型,之后利用特征提取模塊得到的三個(gè)故障特征對(duì)單相接地故障診斷模型進(jìn)行訓(xùn)練,最后將訓(xùn)練結(jié)果和測(cè)試結(jié)果輸出到界面。

3 解析軟件主要模塊功能實(shí)現(xiàn)

3.1 故障特征提取頁(yè)面設(shè)計(jì)

在特征提取頁(yè)面中，需要選擇希望進(jìn)行分析的文件，即需要一個(gè)文件選擇功能以及一個(gè)將CFG文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并且繪制波形的執(zhí)行按鍵，在繪制波形按鍵下方需要顯示繪制完成的波形。

在特征提取界面完成CFG文件選擇以及波形繪制的工作后，需要對(duì)要提取特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解。小波分解功能需要人機(jī)交互功能有饋線選擇、小波函數(shù)選擇以及分解層數(shù)選擇三種功能，這三處人機(jī)交互功能均選用下拉菜單選擇方式實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)完成后的特征提取交互頁(yè)面如圖3所示。

圖3 特征提取頁(yè)面(未執(zhí)行程序)

在圖3界面下，點(diǎn)擊“選擇文件”按鍵即可對(duì)需要進(jìn)行分析的文件進(jìn)行輸入。選擇文件完成后，文件路徑及名稱會(huì)顯示于底部狀態(tài)欄。點(diǎn)擊繪制波形按鍵即可對(duì)波形進(jìn)行繪制并顯示。波形繪制的效果如圖4左側(cè)所示。

完成對(duì)波形的繪制后，即可選擇需要進(jìn)行小波分解的饋線名稱、使用的小波函數(shù)以及分解層數(shù)。選擇完成后點(diǎn)擊執(zhí)行按鍵，即可得到小波分解結(jié)果。效果如圖4右側(cè)所示。

圖4 特征提取程序運(yùn)行后界面

3.2 數(shù)據(jù)分析頁(yè)面設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析頁(yè)面模型訓(xùn)練模塊需要具備選擇導(dǎo)入訓(xùn)練數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)的人機(jī)交互功能，本文在選擇導(dǎo)入接口時(shí)選用了下拉菜單模式。在完成對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的選擇后，需要一個(gè)執(zhí)行訓(xùn)練與測(cè)試按鍵，在按鍵下方布置一個(gè)用于顯示在完成模型訓(xùn)練后測(cè)試時(shí)展示正確率的標(biāo)簽。

單相接地故障診斷模型訓(xùn)練模塊除了以上的人機(jī)交互部分以及執(zhí)行按鍵部分，還需對(duì)診斷模型訓(xùn)練結(jié)果以及對(duì)模型測(cè)試的效果圖進(jìn)行展示，故需要在以上內(nèi)容下方加入兩張畫布，用于顯示訓(xùn)練結(jié)果和測(cè)試結(jié)果。軟件還設(shè)計(jì)了未來(lái)用于用戶使用的用戶接口，在下方的大數(shù)據(jù)判別結(jié)構(gòu)會(huì)自動(dòng)顯示是否發(fā)生了單相接地故障。

設(shè)計(jì)完成后的數(shù)據(jù)分析交互頁(yè)面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)分析頁(yè)面(未執(zhí)行程序)

在數(shù)據(jù)分析頁(yè)面的導(dǎo)入數(shù)據(jù)下拉菜單中，內(nèi)容為all、bj和xh，其作用是供用戶選擇希望進(jìn)行診斷模型訓(xùn)練和測(cè)試的單相接地故障相關(guān)的數(shù)據(jù)。選擇bj后執(zhí)行訓(xùn)練與測(cè)試，即對(duì)不接地系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷模型訓(xùn)練與測(cè)試；選擇xh后執(zhí)行訓(xùn)練與測(cè)試，即對(duì)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷模型訓(xùn)練與測(cè)試；選擇all后執(zhí)行訓(xùn)練與測(cè)試，即對(duì)不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)一起進(jìn)行診斷模型訓(xùn)練與測(cè)試。

選擇將經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)與不接地系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一訓(xùn)練，效果如圖6所示。

圖6 混合數(shù)據(jù)訓(xùn)練所得結(jié)果

4 軟件的簡(jiǎn)化封裝

本文選用Pyinstaller對(duì)Python程序進(jìn)行打包操作。Pyinstaller是一個(gè)專用于對(duì)Python程序進(jìn)行打包的第三方庫(kù),可以實(shí)現(xiàn)程序在沒(méi)有安裝Python的系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行。

Python程序打包完成后運(yùn)行程序出現(xiàn)錯(cuò)誤。由于程序能夠在Python環(huán)境下正常運(yùn)行,故懷疑是打包過(guò)程有錯(cuò)誤。經(jīng)過(guò)traceback查錯(cuò)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行程序時(shí)提示錯(cuò)誤信息“ModuleNotFindError”,解決方案為首先使用Pyinstaller打包生成“.spec”文件,接著用文本編輯器打開(kāi)“.spec”文件,在hiddenimport=[]部分添加traceback提示缺少的模塊。處理后即可對(duì)軟件進(jìn)行正常封裝。

軟件經(jīng)過(guò)封裝打包后大小為88.3 MB,可以在未搭建Python環(huán)境的Windows系統(tǒng)下直接運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用小波分解與大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù),對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的故障信息進(jìn)行解析與處理,提出了單相接地故障特征分析軟件的基本架構(gòu)。首先提取出小波能量比、小波重構(gòu)系數(shù)方差和暫態(tài)功率方向三種故障特征,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析的研究,選定了數(shù)據(jù)處理算法,訓(xùn)練診斷模型。軟件界面搭建完成后,對(duì)源文件進(jìn)行打包,實(shí)現(xiàn)軟件在沒(méi)有安裝Python的環(huán)境中運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)的單相接地故障特征分析軟件能夠作為一個(gè)獨(dú)立文件自主運(yùn)行,便于用戶對(duì)軟件進(jìn)行安裝與應(yīng)用。

本文所設(shè)計(jì)的單相接地故障特征分析軟件還存在提升的空間,例如本文提取的三個(gè)單相接地故障特征均為暫態(tài)特征,在之后的完善過(guò)程中可以加入穩(wěn)態(tài)特征,如直流衰減和五次諧波等,以豐富大數(shù)據(jù)分析與處理部分的數(shù)據(jù)量,提高診斷正確率。