探讨人工智能下继电保护系统的故障追踪

陈洁韬 郑 喆

（1.国网上海市电力公司崇明供电公司 2.国网上海市电力公司嘉定供电公司）

0 引言

在电力系统运行过程中存在较多的干扰因素，会影响电力系统运行的稳定性，进而引发设备故障，甚至导致突然停电。通过利用人工智能技术可以提高电力系统防护水平，避免电力系统超负荷运行，降低突发事故的发生率，即使发生故障，也可以及时切除故障。因此相关技术人员需要加强分析人工智能下继电保护系统的故障追踪，为电力行业可持续发展奠定坚实的基础。

1 继电保护的概念

为了保证电网的稳定运转，必须配备继电保护装置。在电力系统运行中，由于外部因素（如雷击、鸟害），内部因素（如绝缘老化，损坏），以及操作方式等，都会导致各种故障及不正常运行的状况，主要有：单相接地、三相接地、两相接地、相间短路等。电网的异常现象主要表现为：超载、超压、不全相、振荡、次同步共振等。在电网中，继电器是一种对数据进行收集、处理、控制的装置。在电网出现故障或异常运行时，继电保护及安全自动装置可以迅速地将其切断，是排除异常状态的重要自动化技术及设备。在电网出现严重威胁电网安全的情况下，可以通过报警或者下达脱扣指令来结束电网的运行［1］。对继电器的主要要求如下：

（1）具有一定的选择能力，即在电网出现故障时，能够有一定的选择断开功能；为了使其他未发生故障的部件能够连续工作，首先使靠近发生故障的部件能够保持良好的动作。

（2）灵敏度，通常用灵敏度指数来表示保护器的灵敏度。在继电器的保护区域中，无论短路的位置和类型如何，都不能发生拒动；但是当保护范围之外的设备出现故障时，也不能造成误动。

（3）快速动作，即保护设备应该尽快断开短路。通过减少短路电流对电力装置的损伤，加速电网电压的恢复，为实现电力装置的自动起动和提升电力装置的平顺性提供了良好的条件。

（4）可靠度，如果不符合可靠度的需求，则可能会导致事故的进一步发展或者导致失效。为了保证继电器工作的可靠，首先要保证继电器的设计原则、设置计算和安装调试的正确性；与此同时，对构成该保护设备的每个部件都要具有良好的品质和可靠的操作和保养，从而使该保护设备的可靠性得到改善［2］。

2 电力系统继电保护的应用现状

科学技术的不断发展，推动了电力系统的健康发展。不断发展的人工智能技术，在电力系统领域中开始广泛利用专家系统和人工神经网络等技术，尤其是逐渐完善的微机继电保护技术，这项技术具有强大的数字计算能力和逻辑处理能力等优势，因此在电气设备和继电保护中广泛利用。近些年我国不断加大力度研究微机保护设备，不断优化其技术和性能，可以逐步取代进口设备。但是分析整体发展情况，在电力系统中应用人工智能技术还处于发展阶段，随着科学技术的不断发展，将会在电力系统中推广利用人工智能技术［3］。

3 人工智能技术在电力系统继电保护中的应用

3.1 专家系统的应用

在电力系统继电保护中利用专家系统，主要是应用于对时间要求较低的工作中。专家系统推动了人工智能的实践应用，有利于进一步提高继电保护的工作效率。在继电保护中利用专家系统，首先需要统一整理分析有关专辑的相关知识和经验，结合整理的内容设置计算机程序，通过计算机程序将专家思维传达出来，可以提高问题分析和判断的精确性，并且可以制定科学的处理措施。利用专家系统排除机电保护系统的故障，并且向计算机中输入采集的数据，通过专家系统分析和判断故障发生的原因，便于维修人员及时解除故障，保障系统的正常运行。此外利用专家系统还可以全方位的分析继电保护设计中的问题，减少电力保护设计的矛盾。在继电保护系统中利用专家系统，通过制定整定原则和鉴别规则，可以智能化调整电力设备，落实智能化维护工作。

3.2 暂态保护的应用

在继电保护中不断深入利用人工智能技术，可以判断故障，有效识别单一工频信号。暂态保护技术发挥着重要的作用，可以快速诊断故障，暂态保护技术主要是利用电力设备和线路运行过程中的信号，确定发生的为哪一种故障，并且可以精准定位故障发生的位置，同时可以分析故障的持续时间，而且无需投入较多的人力资源，进一步提高了工作效率［4］。

3.3 人工神经网络的应用

利用人工神经网络，可以模拟人类的思维模式，在问题解决过程中进行利用，当前在电力系统继电保护阶段广泛利用人工神经网络，可以确定发生的是具体哪一种故障，并且可以确定故障发生的具体问题，有利于工作人员及时发现故障，从而提高问题解决效率。例如在处理非线性过渡电阻短路问题的过程中利用普通措施，不利于判断故障发生的位置，还会产生错误动作。而利用人工神经网络可以准确判断故障，因为在神经网络中包含了各种故障类型和原因等。同时也可以在继电保护中利用人工神经网络（例如在实际工作中利用BP模型）判断故障元件。

3.4 模糊理论的应用

由于电网故障和其先兆之间存在着一种模糊性的联系，且二者之间存在着一种不确定因素，从而增加诊断结果的模糊。将模糊数学引入到电网中，可以使得电网的模糊控制更加完善和高效。相对于常规的无工频压计算，常规的无工频压计算方法都是基于单一的目标方法，在调整约束的控制力方面没有得到足够的重视，因此模糊理论具有更加明显的效果［5］。

3.5 遗传算法

遗传算法是一种新型计算方法，其目的是为了模仿自然界的遗传学机理和生物的优胜劣汰原理，对一个问题的备选方案进行了代码处理，并根据代码处理结果对整个问题进行了求解，最终得到一个最优的解决方案。电力系统中，在图像处理、无功优化、输电系统电容的优化分配和控制等方面广泛利用遗传算法，而且可以有效诊断发生的故障，辅助工作人员制定科学的解决措施。但是利用这种方法的时候，缺乏对输电网故障诊断的系统性和科学性，而当该问题被求解后，可以利用遗传算法高效的求解。遗传算法具体步骤如下：

（1）初始化种群：首先需要随机生成一组个体，作为初始的种群。每个个体都是一个问题的解，其表达方式可以是一个向量、一个字符串或者一个图形等多种形式。

（2）选择：在遗传算法中，选择是一个重要的操作，主要是通过适应度函数来评估每个个体的优良程度，并根据适应度函数的结果选择出优秀的个体。常用的选择方法有轮盘赌选择、锦标赛选择等。

（3）交叉：交叉是指将两个个体的某些基因进行交换，形成新的个体。交叉操作可以增加种群的多样性，使种群更容易收敛到最优解。

（4）变异：变异是指在个体基因中随机地改变一些基因，以增加种群的多样性，从而避免种群陷入局部最优解。

（5）迭代：在遗传算法中，需要进行多次迭代，每次迭代都包括选择、交叉和变异等步骤。经过多次迭代，种群中的个体逐渐趋向最优解。

（6）终止条件：遗传算法的终止条件可以是达到一定的迭代次数、达到一定的适应度值或者达到一定的时间限制等。遗传算法具有并行性强、全局搜索能力强、易于编程等优点，被广泛应用于多种优化问题的求解中，如工程设计优化、机器学习、数据挖掘等［6］。

4 继电保护系统的故障追踪方法

4.1 故障追踪安全解析模型

由于继电保护系统中包含较多的电器元件，而且各元件之间的联系非常复杂，为了深入分析继电保护系统，可以通过解析模型将信息间的关系精准性的描绘出来，而且通过这一模型可以确定继电保护系统故障追踪逻辑关系，从而确定针对性的目标函数，在目标函数求解过程中利用改进二进制粒子群遗传算法，从而完成故障追踪工作。

4.2 基于IBPSOG模型求解

（1）二进制粒子群算法。

令粒子j的速度和位置为vjτ、xjτ，BPSO的表达公式如下：

式中，vjτ、xjτ的分量维度为τ；学习因子为γ1和γ2；区间［0，1］内彼此无关的常数为rand1、rand2；时间是t；局部和全局最佳位置为xjτpbest（t）、xjτgbest（t）。更新xjτ的过程中，映射vjτp为概率p′，按照p′更新xjτ，见公式（2）。

在上述公式中，rand属于一个随机数。利用惯性权重ω更新vjz，公式如下：

在上式中，ω具有线性递减特征，当前最大迭代次数为T和Tmax。

（2）改进遗传算法。

改进遗传算法的选择、交叉和变异，具体的改进步骤如下：

1）对遗传算法的选择操作实施改进，在父代种群计算过程中可以利用BPSO算法，这样有利于快速的搜索信息，确定可以获得的下一代种群，为用户提供丰富的信息［7］。

2）改进交叉操作，通过精准提取基因部位，汇总交叉染色体，由于不同部位的实际情况是不同的，因此可以增加染色体的选取数量。

3）改进变异操作，分析不同变异概率的时候，可以发挥出基因系数的作用，并且结合变异概率落实变异性操作，在变异性操作过程中结合基因位的基因，合理选择变异方式，不能利用单一变异操作，可以全面囊括多个种群。

4.3 模型求解流程

利用IBPSOG求解继电保护系统故障追踪的安全解析模型的步骤如下：

（1）初始化处理γ1、γ2、ωmax、ωmin、交叉概率P′α、P′m、m、种群大小P′size、Tmax。

（2）初始化P′，二进制编码K、H、U、Z、B、f、g，获取种群和各粒子。

（3）利用BPSO处理遗传算法的父代种群，确定个体极值和种群极值，再通过ω更新vjτ，映射vjτ为概率P′，根据P′更新xjτ，完成BPSO成熟。

（4）交叉处理，交叉次数为P′size，任意选择基因位，如果P′1l＞P′Ol，这时基因位为0，或者P′1l＞P′Ol，这时基因位为1，那么无需实施变异，繁殖需要开展变异处理。

（5）求出一个适应性函数，也就是E（m），寻找群体的极限P″，如果P″在N个周期内不发生变化，则结束该循环，并将该结果作为一个结果。通过将得到的最优解与U′的实际信号进行比较，找出P中各个分段的保护在起动、复位等过程中有无错误（拒绝），否则进入步骤（3）［8］。

5 结束语

电网运行的稳定性和安全性直接关系到人们日常生活和工作，如果在电网运行过程中产生故障问题，将会干扰社会稳定运行。因此相关技术人员需要加强分析电网故障，确定发生故障之后，技术人员可以通过继电保护系统断开电网系统的断路器，随后再有序排除问题，利用这种方式可以减少停电的面积。如果在电网运行中继电保护系统出现问题，而且工作人员无法将断路器及时断开，可能会出现保护误动的情况，将会引发大面积的停电事故。本文用人工智能技术完善继电保护系统，可以高效追踪故障问题，精准、快速的定位故障发生的位置，并且可以顺利断开断路器，避免加大问题的负面影响。因此相关工作人员在实际工作中需要加强研究人工智能下继电保护系统的故障追踪技术，在实际工作中充分发挥作用，保障电网运行的稳定性和安全性。