王尚文

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司，武漢 430000）

雙極短路故障是指電力系統(tǒng)中的2 個(gè)相間導(dǎo)體（通常是直流輸電線路）發(fā)生短路，此類故障通常發(fā)生在直流輸電線路上，會(huì)對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損壞和影響。雙極短路故障電流具有高頻分量，對(duì)電力系統(tǒng)的保護(hù)產(chǎn)生了挑戰(zhàn)。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷增加，對(duì)故障檢測(cè)速度也提出了更高地要求，所以研究全新的故障檢測(cè)方案[1-2]，快速檢測(cè)并消除高壓輸電線雙極短路故障具有十分重要的研究?jī)r(jià)值。

國(guó)內(nèi)相關(guān)專家給出了一些比較高的研究成果，例如文獻(xiàn)[3]優(yōu)先在時(shí)域內(nèi)提取故障特征，通過多重同步變換壓縮完成故障檢測(cè)；文獻(xiàn)[4]提出了基于方向自適應(yīng)檢測(cè)器的輸電線路設(shè)備檢測(cè)方法。通過IoU-L1 計(jì)算目標(biāo)檢測(cè)頭的損失函數(shù)，最終借助自適應(yīng)檢測(cè)器完成故障檢測(cè)；文獻(xiàn)[5]利用雙路殘差框架提取電力線目標(biāo)的主干和邊緣特征，將全部特征在不同尺度上展開深度整合，最終實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。由于上述幾種方法具有一定的局限性，提出一種基于深度學(xué)習(xí)的高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)方法。

1 方法

本文以電壓和相角為輸入，對(duì)雙極短路故障數(shù)據(jù)歸一化處理，獲取全新的時(shí)間序列，統(tǒng)一化高維時(shí)空樣本序列實(shí)現(xiàn)降維處理，降低故障檢測(cè)難度。基于此，采用改進(jìn)的ITD 對(duì)全部數(shù)據(jù)分解處理，在深度學(xué)習(xí)中的高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)技術(shù)框架，輸入分解后的故障數(shù)據(jù)，獲取最終的故障檢測(cè)結(jié)果。

1.1 雙極短路故障數(shù)據(jù)預(yù)處理

假設(shè)隨機(jī)變量I 服從正態(tài)逆高斯分布，則可以將其表示為

式中：α 為陡度參數(shù)；β 為樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的位置參數(shù)；ω 為規(guī)模參數(shù)；ψ 為對(duì)稱參數(shù)。

隨機(jī)變量對(duì)應(yīng)的密度函數(shù)Znig（I，α，β，ω，ψ）可以表示為

假設(shè)對(duì)單一母線展開電壓監(jiān)測(cè)，獲取的電壓波動(dòng)特征并不是十分明顯，并且繼電保護(hù)要求在最短的時(shí)間內(nèi)完成故障識(shí)別，這樣會(huì)出現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)和信息量不足的情況。所以，綜合考慮高壓輸電線數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，將母線的電壓幅值以及相角作為整體輸入，使得到的故障檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。以下對(duì)全部數(shù)據(jù)展開預(yù)處理，詳細(xì)的操作步驟如下所示：

在時(shí)間序列數(shù)據(jù)內(nèi)，由于電壓和相角兩者的取值范圍存在差異，假設(shè)直接對(duì)數(shù)據(jù)降維處理[6-7]，會(huì)出現(xiàn)樣本數(shù)據(jù)分布均勻的情況，進(jìn)而對(duì)分析結(jié)果準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。設(shè)定電壓為u（i），相角為p，通過公式（3）將電壓和相角轉(zhuǎn)換為電壓實(shí)部，使兩者量綱和取值范圍完全一致，在保留有效信息的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸一化處理：

通過上述操作可以有效降低由于各種干擾因素導(dǎo)致的樣本偏差，提高樣本分布的均衡性。

由于電力系統(tǒng)具有時(shí)空特性，需要組建高壓輸電線雙極短路故障樣本，設(shè)定t 時(shí)刻第n 根母線的電壓實(shí)部（t）和虛部（t），b 為最大時(shí)間采樣點(diǎn)，通過公式（5）將兩者整合，獲取全新的時(shí)間序列(un：

將全部母線的特征時(shí)間拓展為一個(gè)含有全部母線信息的高維時(shí)空樣本序列z，如公式（6）所示：

為了統(tǒng)一全部數(shù)據(jù)的格式，需要對(duì)公式（6）中的樣本序列展開降維處理，如公式（7）所示：

式中：z（xyk）為降維處理后的樣本序列。

1.2 雙極短路故障檢測(cè)

降維處理后的故障數(shù)據(jù)樣本序列能夠有效簡(jiǎn)化故障檢測(cè)算法，使得研究方法適用于較大數(shù)據(jù)量。因此在完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后[8-9]，采用改進(jìn)的ITD 對(duì)全部數(shù)據(jù)分解處理，詳細(xì)的操作步驟如下所示：

（1）確定高壓輸電線數(shù)據(jù)s（t）內(nèi)的全部極值點(diǎn)H（t）和對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，通過定義算子提取分段線性基線L（x），如公式（8）所示：

式中：［βk，βk+1］為連續(xù)極值點(diǎn)間隔區(qū)間。

（2）提取不同區(qū)域高壓輸電線的控制點(diǎn)，通過鏡像對(duì)稱延拓展法分別向左右2 個(gè)端點(diǎn)擴(kuò)展時(shí)間序列，進(jìn)而得到如公式（9）所示的左右端極值點(diǎn)zx和zy：

（3）采用三次埃爾米特插值擬合全部極值點(diǎn)，將基線信號(hào)在原始信號(hào)中分離出來，進(jìn)而獲取lx（t）：

重復(fù)上述操作，直至lx（t）迭代形成一個(gè)PRC 分量，將PRC 在原始數(shù)據(jù)中劃分處理，即可得到一個(gè)全新的數(shù)據(jù)ly（t），最終通過改進(jìn)的ITD 分解完成特征值提取。

在深度學(xué)習(xí)中的高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)技術(shù)框架可以劃分為2 類，分別為兩階段檢測(cè)器和單階段檢測(cè)器。為了獲取更加精準(zhǔn)的高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)結(jié)果，引入深度學(xué)習(xí)算法中的CenterNet 展開檢測(cè)，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of network architecture

輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過DLA-SE 特征提取網(wǎng)絡(luò)獲取特向量[10-11]，同時(shí)對(duì)不同目標(biāo)中心點(diǎn)展開訓(xùn)練，獲取目標(biāo)邊界框。根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)簽將其輸入到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)，輸出與之對(duì)應(yīng)的特征向量。

在關(guān)鍵點(diǎn)預(yù)測(cè)分支中，優(yōu)先計(jì)算低分辨率的等價(jià)值Y（x，y，z），如公式（11）所示：

式中：?p為關(guān)鍵點(diǎn)總數(shù)。

提取不同類型高壓輸電線雙極短路故障特征的峰值點(diǎn)，進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)的邊界框，假設(shè)峰值點(diǎn)大于設(shè)定的鄰域點(diǎn)數(shù)量，則保留該峰值點(diǎn)。邊界框由模型預(yù)測(cè)獲取的關(guān)鍵點(diǎn)、偏離量和尺寸全部是在指定位置形成的，后續(xù)不需要展開NMS 處理，即可直接通過關(guān)鍵點(diǎn)獲取目標(biāo)邊界框的方法，有效提升深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的綜合性能。利用公式（12）給出目標(biāo)邊界框ψ 表達(dá)式：

根據(jù)DLANet，可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)加入全新的注意力機(jī)制，在網(wǎng)絡(luò)指定階段完成上采樣和可變性卷積操作，有效提取高壓輸電線雙極短路故障特征[12]，同時(shí)建立特征網(wǎng)絡(luò)DLA-SE。SE 模塊在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)十分重要的地位，使其可以持續(xù)關(guān)注信息量最大的特征通道，并且將無利用價(jià)值的特征通道直接刪除。詳細(xì)的組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 SE 模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of SE module

分析深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)，進(jìn)而融合不同層次的全部特征信息。通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以層劃分為多個(gè)不同的塊，將數(shù)值相同的塊整合形成一個(gè)階段。結(jié)合上述分析，給出深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的詳細(xì)操作步驟：

（1）將網(wǎng)絡(luò)權(quán)值展開初始化處理Ithd，對(duì)應(yīng)的計(jì)算式為

（2）全部輸入經(jīng)過不同層的向前傳播，進(jìn)而獲取網(wǎng)絡(luò)的輸出值ω（x，y），如公式（14）所示：

式中：f 為全部元素值；m 和n 均為常數(shù)；ψm，n為輸入元素值；（b）為樣本標(biāo)記空間。

（3）通過公式（15）計(jì)算得到網(wǎng)絡(luò)輸出和目標(biāo)輸出之間的誤差Cr：

（4）假設(shè)經(jīng)過計(jì)算獲取的誤差值高于設(shè)定的期望值，則直接將誤差值返回至網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，得到不同層之間的誤差。根據(jù)新的誤差完成網(wǎng)絡(luò)權(quán)值ω 更新，如公式（16）所示：

在完成訓(xùn)練后，通過改進(jìn)的ITD 分解提取特征值，將重構(gòu)獲取的電流信號(hào)分解為PRC 分量，將全部PRC 分量按照從小到大的順序排列，選取取值比較大的PRC 分量篩選出對(duì)應(yīng)的特征，將篩選獲取的特征和原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)融合處理P，獲取融合特征矩陣，如公式（17）所示：

將融合特征矩陣內(nèi)的全部特征輸入到深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提基于深度學(xué)習(xí)的高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)方法的有效性，構(gòu)建了500 kV 高壓輸電線路的仿真模型，線路總長(zhǎng)100 m。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置在測(cè)量點(diǎn)處進(jìn)行正短路或負(fù)短路實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際線路中，通過控制開關(guān)或刀閘進(jìn)行不同位置短路實(shí)驗(yàn)。在不同測(cè)試條件下，優(yōu)先分析所提方法的測(cè)試結(jié)果，如表1 所示。

表1 不同測(cè)試環(huán)境下所提方法的高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)性能分析Tab.1 Performance analysis of bipolar short circuit fault detection of high-voltage transmission lines using the proposed method under different test environments

通過表1 可以看出，在不同工作環(huán)境下，采用所提方法可以準(zhǔn)確掌握電流幅值和檢測(cè)量峰值的變化情況，充分證明所提方法具有良好的檢測(cè)性能。

在整定值不同的情況下，分析各個(gè)方法的高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)時(shí)間變化情況，對(duì)比方法為文獻(xiàn)[3]提出的基于多重同步壓縮變換的短路故障檢測(cè)方法和文獻(xiàn)[4]提出的基于方向自適應(yīng)檢測(cè)器的短路故障檢測(cè)方法。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同方法的高壓輸電線雙極短路故障平均檢測(cè)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of test results of average detection time of bipolar short circuit fault of high-voltage transmission lines with different methods

通過圖3 能夠看出，在整定值不斷增加的情況下，各個(gè)方法對(duì)應(yīng)的高壓輸電線雙極短路故障平均檢測(cè)時(shí)間均呈直線下降趨勢(shì)。相比另外2 種檢測(cè)方法，所提方法所花費(fèi)的平均檢測(cè)時(shí)間明顯更低，說明所提方法可以以更快的速率完成高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)。

為了進(jìn)一步測(cè)試不同方法的有效性，需要采用不同方法展開高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同方法的高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of detection results of bipolar short circuit fault of high-voltage transmission lines by different methods

通過分析圖4 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，采用所提方法可以準(zhǔn)確檢測(cè)出高壓輸電線雙極短路故障；而另外兩種方法在檢測(cè)過程中由于受到各方面因素干擾，導(dǎo)致高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)結(jié)果并不準(zhǔn)確，還需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的檢測(cè)性能，將漏檢率作為測(cè)試指標(biāo)，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同檢測(cè)方法的高壓輸電線雙極短路故障漏檢率實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of test results of leakage rate of bipolar short circuit fault of high-voltage transmission lines with different detection methods

綜合分析圖5 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，采用所提方法對(duì)高壓輸電線雙極短路故障過程中出現(xiàn)漏檢的概率明顯更低一些，說明所提方法可以獲取準(zhǔn)確度更高的高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)結(jié)果。

3 結(jié)語

由于高壓輸電線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若出現(xiàn)故障十分不利于電子元器件的工作環(huán)境，因此提出可靠的高壓輸電線保護(hù)策略具有十分重要的研究意義。為此，提出一種基于深度學(xué)習(xí)的高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)方法。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，采用所提方法可以有效提升高壓輸電線雙極短路故障檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，降低漏檢率，提升檢測(cè)效率，有效確保高壓輸電線的平穩(wěn)運(yùn)行。由于受到多方面因素影響，所提方法仍然存在一定的缺陷和不足，后續(xù)將對(duì)其展開更加深入的研究，進(jìn)一步擴(kuò)大研究范圍，使其可以被應(yīng)用于多個(gè)不同的研究領(lǐng)域。