配变终端的配电网单相接地故障检测研究

锡林郭勒电业局锡林浩特供电分局 郑世平

为了提高单相接地故障检测精准度和检测时间滞后问题，本文选取GPNMF算法作为研究工具，根据配电网作业原理，针对配变终端故障问题展开探究。通过构建监测模型，对配电网终端作业状态进行实时监测，利用GPNMF模型，完成单相接地故障检测。仿真测试结果显示，本检测方案能够有效改善以往检测模型的精准度和时间滞后问题，可以推广应用。

配电网作为电力系统的核心结构，负责与客户建立交互连接，直接为客户提供所需服务。所以，配电网的作业状态在一定程度上决定了电力单位服务质量。由于我国配电网技术水平不是很高，作业期间受多项因素影响会发生故障。单相接地故障是一种比较常见的配电网作业故障，检测难度较大。目前大部分检测方法的检测误差较大，检测滞后问题较为显著。本文尝试引入GPNMF算法，提出新的故障检测方案研究。

1 基于GPNMF的配电网作业实时监控模型

本研究在NMF算法基础上，提出一种非负矩阵分解算法GPNMF（generalized projection non-negative matrix factorization）应用研究，利用此算法构建配电网作业实时监控模型。根据配电网作业原理和结构组成，构建以下监控模型：

本模型监控统计量的计算，采用PCA（principal component analysis）检测方法分解空间。其中，统计量包括SPE、T2，前者指的是监控模型与配电网系统当前运行状况的差距描述参数，后者指的是前a个主元变量发生的波动情况。经过归一化处理后的统计量分别为TG2和SPEG，利用这些新的变量来统计空间变化情况，包括残余子空间和特征子空间。以下为新的统计变量计算公式：

以上为监控统计量的定义，利用定义公式计算数值。按照设定的限定范围，有效控制故障检测范围，从而准确判断单相接地故障状况。本研究采用核密度计算方法，分别计算和SPEG对应的控制限。其中，置信区间为99%。

2 基于GPNMF的配电网单相接地故障检测方法

2.1 离线检测方法

（1）设置故障监测变量，构建GPNMF模型，利用该模型对数据采取训练处理，得到样本矩阵X，经过归一化处理，得到故障检测数据支撑。

（2）选取累计贡献率计算方法，计算模型中各项系数数值。其中，系数k的数值需要根据实际情况确定。

（3）对GPNMF算法采取初始化处理，生成系数矩阵及初始值。

（4）采用样本训练处理方法，通过运行GPNMF算法，完成样本训练。此操作过程矩阵X拆分为多个模块，生成对应的系数矩阵，记为H。

（5）运用公式(3)，计算训练样本数值TG2，运用公式(4)，计算训练样本数值SPEG。

（6）探究样本TG2和SPEG分布情况。该环节使用的方法为KDE法，以置信区间99%作为分布条件，分别计算两种样本的控制限，记为和SPEGθ。

2.2 在线检测方法

（1）采取归一化处理方法，对样本矩阵进行检测，将处理后的样本数据带入公式（2）中，计算得到新的矩阵。

3 仿真测试分析

3.1 仿真测试环境

为了对本文提出的单相接地故障检测方法可靠性进行验证，本研究通过搭建仿真测试环境，在此环境内对T2和SPE数值进行测试，对比归一化处理前后数值变化情况。其中，仿真环境的搭建在MATLAB软件中完成，按照配电网结构搭建仿真系统模型。

3.2 测试内容与数据样本

本次测试中，根据监测模型变量设置情况，选择故障线路零序电流、每一条输电线路的三相电流、次级测三相电流与电压等作为测试变量。本次仿真测试耗时1s，设置单相接地故障发生时间为0.8s，利用50μs采集样本数据。

关于测试数据样本，在仿真期间收集数据样本为20000个，假设故障数据4000个，其余数据均显示配电网作业正常。按照时间段不同，将样本数据拆分为两部分。其中，0～0.25s时间间隔数据为一组，建立训练集，0.75～1s时间间隔数据为一组，建立测试集，每组样本数据均为5000个，从第1001个样本数据开始出现单相接地故障。将两组集合中的样本数据输入GPNMF模型中进行检测。

3.3 仿真测试结果分析

按照本文提出的仿真测试方案，分别对数值T2和SPE进行统计，结果如图1和图2所示。

图1 监控统计量T 2仿真测试结果

图2 监控统计计量SPE仿真测试结果

图1中T2数值统计结果显示，故障检测存在滞后情况，完全检测到故障样本数据滞后时间为0.025s。由于滞后时间非常短，可以忽略不计。所以，本检测方案能够有效检测出单相接地故障，符合配电网作业状态检测需求。

图2中SPE检测结果显示，单相故障检测时间不存在滞后现象，并且数据分布状况存在较为明显的规律，自1500个样本后，SPE检测结果变化规律逐渐趋于稳定，与限定阈值相差较大，能够为用户展示较为清晰的接地故障检测结果。

总结：本文围绕配电网故障检测问题展开探究，选取比较常见的单相接地故障问题作为主要研究内容，引入GPNMF算法，构建配电网作业状态监测模型，利用该模型检测故障。本检测方法的应用仿真测试结果显示，T2统计量检测结果虽然产生了0.025s滞后时间，但是在允许范围之内，SPE统计量检测精准度较高，并且不存在滞后问题。