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人工神经网络应用于继电保护的探讨

人工神经网络应用于继电保护的探讨 2011年12月09日 来源： 人工神经网络(Aartificial Neural Network，下简称ANN)是模拟生物神经元的结构而提出的一种信息处理方法。早在1943年，已由心理学家Warren S.Mcculloch和数学家Walth H.Pitts提出神经元数学模型，后被冷落了一段时间，80年代又迅猛兴起［1］。ANN之所以受到人们的普遍关注，是由于它具有本质的非线形特征、并行处理能力、强鲁棒性以及自组织自学习的能力。其中研究得最为成熟的是误差的反传模型算法(BP算法，Back Propagation)，它的网络结构及算法直观、简单，在工业领域中应用较多。　　经训练的ANN适用于利用分析振动数据对机器进行监控和故障检测，预测某些部件的疲劳寿命［2］。非线形神经网络补偿和鲁棒控制综合方法的应用(其鲁棒控制利用了变结构控制或滑动模控制)，在实时工业控制执行程序中较为有效［3］。人工神经网络(ANN)和模糊逻辑(Fuzzy Logic)的综合，实现了电动机故障检测的启发式推理。对非线形问题，可通过ANN的BP算法学习正常运行例子调整内部权值来准确求解［4］。　　因此，对于电力系统这个存在着大量非线性的复杂大系统来讲，ANN理论在电力系统中的应用具有很大的潜力，目前已涉及到如暂态，动稳分析，负荷预报，机组最优组合，警报处理与故障诊断，配电网线损计算，发电规划，经济运行及电力系统控制等方面［5］。　　本文介绍了一种基于人工神经网络(ANN)理论的保护原理。1　人工神经网络理论概述　　BP算法是一种监控学习技巧，它通过比较输出单元的真实输出和希望值之间的差别，调整网络路径的权值，以使下一次在相同的输入下，网络的输出接近于希望值。图1是人工神经Ui的结构模型，图中Ui为神经元内部状态，Qi为门槛值，Yi为输出信号，Xi(i=1,2,…，n)为神经元接收信号。该模型可表示为：式中　　Wji——连接权值。　　BP算法的神经网络图形如图2所示，设网络的输入模块为p，令其作用下网络输出单元j的输出为Opj。如果输出的希望值是Tpj，则其误差为Dpj=Tpj－Opj。若输入模块的第i个单元输入为Ipi，则就输入模块p而言，输入接点I与输出接点j之间的权值变化量为：ΔWpji=zDpjIpi　　式中，z是某一个常数。当反复迭代该式时，便可使实际值收敛于目标值［6］。其中隐含层既有输入网线，又有输出网线，每一个箭头都有一定的权值。　　在神经网络投运前，就应用大量的数据，包括正常运行的、不正常运行的，作为其训练内容，以一定的输入和期望的输出通过BP算法去不断修改网络的权值。在投运后，还可根据现场的特定情况进行现场学习，以扩充ANN内存知识量。从算法原理看，并行处理能力和非线性功能是BP算法的一大优点。2　神经网络型继电保护　　神经网络理论的保护装置，可判别更复杂的模式，其因果关系是更复杂的、非线性的、模糊的、动态的和非平稳随机的。它是神经网络(ANN)与专家系统(ES)融为一体的神经网络专家系统，其中，ANN是数值的、联想的、自组织的、仿生的方式，ES是认知的和启发式的。　　如图3所示，装置可直接取线路及其周边的模拟量、数字量，经模式特征变换输入给神经网络，根据以前学习过的训练材料，对数据进行推理、分析评价、输出。专家系统对运行过程控制和训练，按最优方式收集数据或由分析过程再收集控制，对输出结果进行评估，判别其正确性、一致性，作出最终判决，经变换输出，去执行机构。即使是新型保护，也会存在着某些功能模块不正确动作的可能，这时可以过后人为干预扩展专家系统数据库或由专家系统作出判别，作为训练样本训练ANN的这部分功能模块，改变其某些网线的权值，以使下次相同情况下减少不正确动作的可能。　　下面是一个简单的ANN线路保护例子。当电力系统故障时，输电线路各相、各序电压、电流也随之发生变化，特别是故障后故障相的相电压和相电流，以及接地系统在接地故障的零序电流的变化有明显的代表性。比如选输入层神经元个数为14个，分别是Uar，Uai，Ubr，Ubi，UcrUci，Iai，Ibr，Ibi，Icr，Ici，Ior，Ioi(下标r和i分别代表实部与虚部)，选定输出层神经元个数为5个：YA(A相)，YB(B相)，YC(C相)，YO(接地)，YF(方向)，各输出值为1，代表选中；输出值为0，代表没选中(YF为0代表反向)。这5个输出完全满足线路方向保护的需求(没考虑正向超越)，隐含层神经元数目为2N+1(N为输入层神经元数目)。训练样本集包含14个输入变量和5个输出变量，而测试样本集中的样本则只有14个输入变量。选图4的双侧电源系统作研究对象，输电线路、系统的等值正、零序参数如图4所示。　　考虑的故障类型包括单相接地(K1)，两相短路(K2)，两相接地(K1—1)，三相短路(K3)。　　对图4所示的500 kV双侧电源系统的各种运行方式和故障情况建立训练样本。　　在正常状态下，令h∠δ=(EM)/(EN)，h=1，δ随负荷变化，取为－60°，－50°，－40°，－30°，－20°，－10°，0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，有13个样本。故障情况下，δ取值为－60°，－30°，0°，30

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