配电网单相接地故障特征分析软件设计

马玎, 牟龙华, 张鑫

(同济大学 电气工程系,上海 201804)

0 引 言

配电网的安全稳定运行是保障整个社会生产和生活的必要条件。我国配电网广泛采用小电流接地方式,其中80%以上的故障都为单相接地故障。单相接地故障电流较小,故障检测与选择性保护较困难[1-2]。及时找到故障线路并将其快速隔离,有利于维护配电网的安全稳定运行。

小电流单相接地故障的主要解决方法有稳态量分析法和暂态量分析法,由于故障条件的复杂性及现场数据采集的局限性,这些方法在实际应用中存在较大的局限性[3]。现有的接地故障分析处理方法多为仅有理论分析或基于仿真数据[4-5],这些研究与实际测量得到的数据分析结果有较大的出入,使得故障诊断判据在实际应用中不是很理想。本文将大数据技术应用于小电流接地系统进行接地故障检测。在利用小波分解提取新的故障特征的基础上,基于现场数据进行故障诊断分析。

电力系统运行过程中会产生大量运行数据,逐渐构成电力大数据。近年来,具有故障录波功能的故障指示器在配电网中得到广泛应用[6]。除实时故障录波数据外，还存在着大量的历史数据信息,使得电力系统中的信息量呈爆炸式增长。为了顺应电力系统大数据应用的潮流,除了需要完善的数据存储与数据分析系统外[7],还需要设计功能完备的人机交互界面，更好地对接地故障大数据进行系统管理。

目前已有的单相接地故障诊断软件存在较多不足之处,且尚未形成成型的完备系统,功能方面也有所欠缺，例如不能够满足波形显示、训练数据筛选以及馈线选择等多种人机交互功能的需求。部分接地故障分析软件存在封装不完备的情况,无法适用于各种操作系统下的PC机。

本文首先根据故障录波数据提取了三种故障特征(小波能量比、小波重构系数方差和小波功率方向),设计了用于单相接地故障特征信息提取的解析软件,在实现完备的波形显示、数据筛选与分析的人机交互界面的基础上,对设计完成的人机交互界面进行软件封装,生成了能够应用于各种操作系统的可执行文件,提高了单相接地故障特征分析软件的适用范围。

1 接地故障数据获取

配电系统中广泛采用的单相接地故障录波分析系统如图1所示。

图1 接地故障录波分析系统

接地故障录波分析系统主要由故障指示器、无线通信网络和系统主站等构成。故障指示器分别安装在每条线路的A、B、C三相上。电网发生单相接地故障时,故障点附近杆塔的故障指示器记录波形数据,通过无线通信网络上传到系统主站。系统主站处理每个故障指示器上传的录波数据,完成对配网线路故障录波数据的存储和分析。

进行电网大数据分析需要建设相应的特征提取与数据分析平台,而与之相配合的交互界面和软件封装也有很高的要求。本文着重讨论此分析平台中单相接地故障特征分析软件的交互界面的设计以及软件封装的思路。

2 单相接地故障特征分析软件体系结构

图2 故障特征分析软件基本架构

本文设计的单相接地故障特征分析软件由两个模块构成,分别是故障特征提取模块与数据分析模块。软件的基本结构如图2所示。

故障特征提取模块的工作主要有三个流程：首先对故障波形进行小波分解；然后对分解后的波形进行分析；最后选取合适的特征频带，从而完成对故障特征的提取。

数据分析模块的工作有三个流程：首先构建KNN算法模型；之后利用特征提取模块得到的三个故障特征对单相接地故障诊断模型进行训练；最后对得到的模型进行贝叶斯优化自适应调参，最终将训练结果和测试结果输出到界面。

本文共提取三个故障特征,分别是小波能量比、小波重构系数方差和小波功率幅值。

小波能量比是选线尺度高频能量与最大尺度分解后的低频能量比ρic：

ρic=Ei_hc/Ei_ls

(1)

式中:i为线路编号;c为选线尺度;Ei_hc为第i条线路对应选线尺度c的高频能量;Ei_ls为第i条线路在最大尺度s分解后的低频能量。

本文采用小波重构系数方差来表征单相接地故障后零序电流暂态突变过程。方差是衡量源数据和期望值相差的度量值。D(dc)为小波重构系数方差，反映选线尺度下小波重构系数的波动程度,可表示为：

(2)

本文采用基于小波系数的暂态功率方向法进行功率方向特征提取。暂态零序电压u0(t)与故障线路零序电流if0(t)间为感性约束关系,故du0(t)/dt与if0(t)方向呈反极性；相应的,暂态零序电压u0(t)与健全线路零序电流i0(t)呈容性约束关系,du0(t)/dt与i0(t)方向呈同极性。根据选取的选线尺度c,可得零序电流暂态分量在该尺度下的小波系数，记作dIc；对零序电压暂态分量在该尺度下的小波系数求导记作dVc。定义线路i在尺度c下零序电流暂态分量与零序电压暂态分量的暂态功率方向系数为：

(3)

数据分析模块首先构建基础的KNN算法模型,之后利用特征提取模块得到的三个故障特征对单相接地故障诊断模型进行训练,最后将训练结果和测试结果输出到界面。

3 解析软件主要模块功能实现

3.1 故障特征提取页面设计

在特征提取页面中，需要选择希望进行分析的文件，即需要一个文件选择功能以及一个将CFG文件中的数据进行提取并且绘制波形的执行按键，在绘制波形按键下方需要显示绘制完成的波形。

在特征提取界面完成CFG文件选择以及波形绘制的工作后，需要对要提取特征的数据进行小波分解。小波分解功能需要人机交互功能有馈线选择、小波函数选择以及分解层数选择三种功能，这三处人机交互功能均选用下拉菜单选择方式实现。

设计完成后的特征提取交互页面如图3所示。

图3 特征提取页面(未执行程序)

在图3界面下，点击“选择文件”按键即可对需要进行分析的文件进行输入。选择文件完成后，文件路径及名称会显示于底部状态栏。点击绘制波形按键即可对波形进行绘制并显示。波形绘制的效果如图4左侧所示。

完成对波形的绘制后，即可选择需要进行小波分解的馈线名称、使用的小波函数以及分解层数。选择完成后点击执行按键，即可得到小波分解结果。效果如图4右侧所示。

图4 特征提取程序运行后界面

3.2 数据分析页面设计

数据分析页面模型训练模块需要具备选择导入训练数据与测试数据的人机交互功能，本文在选择导入接口时选用了下拉菜单模式。在完成对训练数据和测试数据的选择后，需要一个执行训练与测试按键，在按键下方布置一个用于显示在完成模型训练后测试时展示正确率的标签。

单相接地故障诊断模型训练模块除了以上的人机交互部分以及执行按键部分，还需对诊断模型训练结果以及对模型测试的效果图进行展示，故需要在以上内容下方加入两张画布，用于显示训练结果和测试结果。软件还设计了未来用于用户使用的用户接口，在下方的大数据判别结构会自动显示是否发生了单相接地故障。

设计完成后的数据分析交互页面如图5所示。

图5 数据分析页面(未执行程序)

在数据分析页面的导入数据下拉菜单中，内容为all、bj和xh，其作用是供用户选择希望进行诊断模型训练和测试的单相接地故障相关的数据。选择bj后执行训练与测试，即对不接地系统中的数据进行诊断模型训练与测试；选择xh后执行训练与测试，即对经消弧线圈接地系统中的数据进行诊断模型训练与测试；选择all后执行训练与测试，即对不接地系统和经消弧线圈接地系统中所有的数据一起进行诊断模型训练与测试。

选择将经消弧线圈接地系统所得数据与不接地系统的数据进行统一训练，效果如图6所示。

图6 混合数据训练所得结果

4 软件的简化封装

本文选用Pyinstaller对Python程序进行打包操作。Pyinstaller是一个专用于对Python程序进行打包的第三方库,可以实现程序在没有安装Python的系统环境下运行。

Python程序打包完成后运行程序出现错误。由于程序能够在Python环境下正常运行,故怀疑是打包过程有错误。经过traceback查错发现运行程序时提示错误信息“ModuleNotFindError”,解决方案为首先使用Pyinstaller打包生成“.spec”文件,接着用文本编辑器打开“.spec”文件,在hiddenimport=[]部分添加traceback提示缺少的模块。处理后即可对软件进行正常封装。

软件经过封装打包后大小为88.3 MB,可以在未搭建Python环境的Windows系统下直接运行。

5 结束语

本文利用小波分解与大数据分析处理技术,对小电流接地系统单相接地故障的故障信息进行解析与处理,提出了单相接地故障特征分析软件的基本架构。首先提取出小波能量比、小波重构系数方差和暂态功率方向三种故障特征,在此基础上进行大数据分析的研究,选定了数据处理算法,训练诊断模型。软件界面搭建完成后,对源文件进行打包,实现软件在没有安装Python的环境中运行。本文设计的单相接地故障特征分析软件能够作为一个独立文件自主运行,便于用户对软件进行安装与应用。

本文所设计的单相接地故障特征分析软件还存在提升的空间,例如本文提取的三个单相接地故障特征均为暂态特征,在之后的完善过程中可以加入稳态特征,如直流衰减和五次谐波等,以丰富大数据分析与处理部分的数据量,提高诊断正确率。