基于遺傳算法優(yōu)化的微弱暫態(tài)零序電流故障特征提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)配電網(wǎng)故障選線領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于遺傳算法優(yōu)化的 微弱暫態(tài)零序電流故障特征提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 配電網(wǎng)故障選線具有以下難點(diǎn)和問(wèn)題：1)信號(hào)的故障特征不明顯：?jiǎn)蜗嘟拥毓收?后，穩(wěn)態(tài)電流一般小于30A甚至只有幾 A，此外，配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致有時(shí)候故障特征不 明顯，雖然故障暫態(tài)零序電流信號(hào)比穩(wěn)態(tài)零序電流信號(hào)大，但是持續(xù)時(shí)間短，有時(shí)難以檢 測(cè)；2)我國(guó)配電網(wǎng)運(yùn)行方式多變，各配電線路的長(zhǎng)短不一、數(shù)量也會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化，其線路 的諧波電流和分布電容電流也隨之發(fā)生變。另外，外界噪聲的強(qiáng)度、負(fù)荷的影響、母線電壓 的波動(dòng)和故障點(diǎn)接地電阻的不確定等因素均會(huì)影響故障零序電流的變化。綜上所述，如何 在強(qiáng)隨機(jī)噪聲背景下提取微弱暫態(tài)零序電流（Transient Zero-Sequence Current，TZSC) 的故障特征是解決配電網(wǎng)故障選線的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 所謂隨機(jī)共振指一個(gè)非線性雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)僅在噪聲或僅在小周期信號(hào)作用下都 不足以使系統(tǒng)輸出在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間躍迀，而在噪聲和小周期信號(hào)的共同作用下，系統(tǒng)輸出 的功率譜中，在信號(hào)的頻率處出現(xiàn)一峰值，當(dāng)噪聲強(qiáng)度達(dá)到某一合適值時(shí)，輸出功率譜的峰 值達(dá)到最大。隨機(jī)共振利用噪聲增強(qiáng)微弱信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，使其與其他的微弱信號(hào)檢測(cè)方 法相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取勢(shì)函數(shù)參數(shù)，有可能導(dǎo)致隨機(jī)共 振提取的特征信號(hào)不夠準(zhǔn)確，大大影響了隨機(jī)共振的應(yīng)用效果。因此，如何選取合理的勢(shì)函 數(shù)參數(shù)，最有效地利用隨機(jī)共振來(lái)增強(qiáng)噪聲背景下微弱暫態(tài)零序電流信號(hào)的檢測(cè)，是配電 網(wǎng)故障診斷領(lǐng)域需要解決的問(wèn)題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于遺傳算法 優(yōu)化的微弱暫態(tài)零序電流故障特征提取方法，利用遺傳算法的全局最優(yōu)搜索性能以及參數(shù) 優(yōu)化的思想，在最優(yōu)化參數(shù)條件下的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中提取強(qiáng)噪聲背景下微弱暫態(tài)零序電流的 故障特征，精度更高，有利于提高配電網(wǎng)故障選線的準(zhǔn)確度。
[0005] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種基于遺傳算法優(yōu)化的微弱暫態(tài)零序電流故障特征提取方法包括：
[0007] 步驟Sl :設(shè)定雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中的勢(shì)函數(shù)參數(shù)a、b為優(yōu)化對(duì)象，其中，雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)X的 表達(dá)式為：
[0008] X = dx/dt = -dV(x)/dx+s(t) + r (t)
[0009] 式中也/(11:為雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的輸出信號(hào)，'\^)為勢(shì)函數(shù)，'\^)=-312/2+匕1 4/4;3和 b為勢(shì)函數(shù)參數(shù)；s (t)代表無(wú)噪聲的暫態(tài)零序電流，Γ (t)代表噪聲信號(hào)，t為時(shí)間，X為布 朗粒子運(yùn)動(dòng)的速度；
[0010] 步驟S2 :采用遺傳算法對(duì)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)X的表達(dá)式中勢(shì)函數(shù)參數(shù)a、b進(jìn)行優(yōu)化，輸 出最優(yōu)化參數(shù)ap bI;
[0011] 步驟S3 :在最優(yōu)化參數(shù)條件下，利用變尺度方式下的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)對(duì)噪聲背景下的 暫態(tài)零序電流進(jìn)行特征提取，得到變尺度方式下的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的輸出信號(hào)L(t)，ijt)即 為微弱暫態(tài)零序電流故障特征提取的特征電流。
[0012] 所述步驟S2包括以下步驟：
[0013] 201 :設(shè)定遺傳算法的參數(shù)，所述遺傳算法的參數(shù)包括種群規(guī)模N、交叉概率P;、變 異概率Pb、優(yōu)化對(duì)象a的搜索范圍、優(yōu)化對(duì)象b的搜索范圍和最大進(jìn)化次數(shù)G niax，同時(shí)設(shè)定理 想暫態(tài)零序電流1(0，1(〇中加入強(qiáng)噪聲得到帶有強(qiáng)噪聲的暫態(tài)零序電流^〇;
[0014] 202 :初始化種群，隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)個(gè)體，其中，每個(gè)個(gè)體j對(duì)應(yīng)一組勢(shì)函數(shù)參數(shù) [a_j, bj]，每組勢(shì)函數(shù)參數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)Xj;
[0015] 203 :將izg(t)替換每個(gè)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)Xj的表達(dá)式中的s(t) + r⑴，按個(gè)體編號(hào)順 序，依次對(duì)所有的X,進(jìn)行四階龍格-庫(kù)塔算法求解，求解得到每個(gè)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)X ,的輸出信 號(hào)is_j (t)，is_j (t)作為初始電流；
[0016] 204 :獲取isj(t)與iz(t)之間的互相關(guān)系數(shù)P sj，并將P sj的值作為個(gè)體適應(yīng)度；
[0017] 205 :根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度、交叉概率匕和變異概率P B依次對(duì)N個(gè)個(gè)體進(jìn)行選擇操作、 交叉操作和變異操作，完成一次的進(jìn)化；
[0018] 206:判斷進(jìn)化次數(shù)是否達(dá)到設(shè)定的最大進(jìn)化次數(shù)，若是，則進(jìn)化停止，執(zhí)行步驟 207,若否，則返回步驟205 ;
[0019] 207 :將P sj數(shù)值最大的個(gè)體作為最優(yōu)化個(gè)體J，J所對(duì)應(yīng)的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)為最優(yōu)化 雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)Xp提取Xj的勢(shì)函數(shù)參數(shù)a p bj，ap bjg卩為最優(yōu)化參數(shù)。
[0020] 所述步驟S2還包括步驟207之后執(zhí)行的步驟208,所述步驟208為：根據(jù)a;、bj， 利用變尺度方式下的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)對(duì)izg(t)進(jìn)行特征提取，得到變尺度方式下的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng) 的輸出信號(hào)廣z(t)，獲取i' 之間的互相關(guān)系數(shù)Pz, z，判斷Pz, z是否大于 設(shè)定閾值，若是，則執(zhí)行步驟S3,若否，則跳轉(zhuǎn)步驟201。
[0021] 所述設(shè)定閾值為0.9。
[0022] 所述優(yōu)化對(duì)象a的搜索范圍為[-10, 10]，所述優(yōu)化對(duì)象b的搜索范圍為[0, 10]。
[0023] 所述最大進(jìn)化次數(shù)Gniax的取值范圍為90~110次。
[0024] 所述步驟201中的強(qiáng)噪聲的噪聲強(qiáng)度取值為30db~500db。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0026] 1)基于遺傳算法優(yōu)化的變尺度下雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)能夠根據(jù)信號(hào)和噪聲的特點(diǎn)自適應(yīng) 地選取合適的勢(shì)函數(shù)參數(shù)，利用最優(yōu)化參數(shù)條件下的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)提取強(qiáng)噪聲背景下微弱暫 態(tài)零序電流的故障特征，獲得的特征電流曲線可以很好的反應(yīng)微弱暫態(tài)零序電流的狀況， 相比采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的勢(shì)函數(shù)，本發(fā)明方法利用遺傳算法的全局最優(yōu)搜索性能和參數(shù)優(yōu)化思 想，增強(qiáng)變尺度下雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)提取弱暫態(tài)零序電流故障特征的能力，更精準(zhǔn)的特征電流有 利于提高配電網(wǎng)故障選線的準(zhǔn)確度。
[0027] 2)基于遺傳算法的變尺度下雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)能有效地檢測(cè)出強(qiáng)噪聲背景下的微弱暫 態(tài)零序電流，并設(shè)定相應(yīng)的設(shè)定閾值，使得最優(yōu)化參數(shù)條件下的互相關(guān)系數(shù)都維持在0.9 以上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到的與無(wú)噪聲背景下的暫態(tài)零序電流之間的互相關(guān)系數(shù)高達(dá)〇. 96,說(shuō)明 本發(fā)明方法特征提取的特征電流具有良好的抗噪性能。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為單相接地零序暫態(tài)等值電路的示意圖；
[0029] 圖2為隨機(jī)共振現(xiàn)象的示意圖；
[0030] 圖3為遺傳算法交叉操作示意圖；
[0031] 圖4為遺傳算法變異操作示意圖；
[0032] 圖5為本發(fā)明基于遺傳算法優(yōu)化的微弱暫態(tài)零序電流故障特征提取方法流程圖；
[0033] 圖6為無(wú)噪聲的暫態(tài)零序電流不意圖；
[0034] 圖7為強(qiáng)噪聲背景下的暫態(tài)零序電流不意圖；
[0035] 圖8為在經(jīng)驗(yàn)參數(shù)下經(jīng)變尺度下雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)所提取的特征電流示意圖；
[0036] 圖9為遺傳算法適應(yīng)度曲線示意圖；
[0037] 圖10為在最優(yōu)化參數(shù)下經(jīng)變尺度下雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)所提取的特征電流示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0039] 本發(fā)明從暫態(tài)零序電流的基本原理出發(fā)，涉及以下幾個(gè)方面：雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的基本 原理、龍格-庫(kù)塔方法的基本原理、變尺度下雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的基本原理及評(píng)價(jià)指標(biāo)選取和遺 傳算法的基本原理。
[0040] 1)暫態(tài)零序電流
[0041] 基于暫態(tài)量選線法所依據(jù)的暫態(tài)特征比穩(wěn)態(tài)值大幾倍甚至幾十倍，且不受消弧線 圈的影響，無(wú)需添加額外設(shè)備，因此具有更高的可靠性及應(yīng)用價(jià)值。因此，利用單相接地零 序暫態(tài)等值電路進(jìn)行暫態(tài)零序電流分析，如圖1所示。圖中：C。為線路零序電容；L。為線路 零序等值電感；R g為接地點(diǎn)的過(guò)渡電阻；RP和Lp分別為消弧線圈的等效電阻和電感；e(t) 為零序電壓。
[0042] 在補(bǔ)償電網(wǎng)發(fā)生故障的瞬間，由圖1可得流過(guò)故障點(diǎn)的暫態(tài)零序電流iz(t)為：
[0044] 式中：i^t為暫態(tài)零序電流中的電感電流分量；i 為暫態(tài)零序電流的電容電流 分量；Iu11和I α分別為電感電流和電容電流的初值（I~=Uphni?C。，Ibn= Uphni/c〇L。）；Uphni為 相電壓的幅值；ω為工頻角頻率；ω#Ρ δ分別為暫態(tài)零序電流容性分量的振蕩角頻率和 衰減系數(shù)；^為電感電流的衰減時(shí)間常數(shù)；浐為接地時(shí)故障線路相電壓的初始相位。
[0045] 由式（1)可知，當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，暫態(tài)電容電流具有周期 性的衰減振蕩特性。此外，一般架空線路的自由振蕩頻率為300~1500Hz，電纜線路的電感 遠(yuǎn)小于架空線路，而對(duì)地電容卻較后者大許多倍，故電容電流暫態(tài)過(guò)程的振蕩頻率很高，持 續(xù)時(shí)間很短，其自由振蕩頻率一般為1500Hz~3000Hz。
[0046] 2)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)
[0047] 用于研究隨機(jī)共振的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)：
[0048] dx/dt = -dU (x)/dx+s (t) + Γ (t) (2)
[0049] 式中：1^)=-312/2+匕14/4;8(1:)代表輸入信號(hào)，本發(fā)明中8(1:)代表不含噪聲的 暫態(tài)零序電流i z(t) ; Γ (t)代表噪聲，x為布朗粒子運(yùn)動(dòng)的速度。