專利名稱：一種牽引變電所接地網腐蝕故障診斷方法
技術領域：
本發明涉及一種腐蝕故障診斷方法，具體地說，涉及一種牽引變電所接地網腐蝕故障診斷方法。
背景技術：
隨著我國西部鐵路的快速發展，電氣化牽引負荷隨之增大很多，威脅到人身和設備安全，以及供電系統的可靠運行。牽引變電所的接地網是維護其安全可靠運行，保障運行人員和電氣設備安全的重要設施。由于接地網埋設于地下，經過多年的運行后，構成接地網的導體常因土壤環境中的電化學腐蝕以及電網設備等運行中的泄流造成的腐蝕而嚴重受損，影響正常的安全供電，危及電氣設備和人身的安全。 目前，工程上一般在發現接地電阻不合格、接地網引發事故或運行10 15年以上時，通過大面積開挖來查找接地網腐蝕及斷裂點的位置，但這種方法存在盲目性、工作量大、工期長等缺陷，還會影響牽引供電系統的正常運行。因此，近些年出現了一些新的診斷方法，可以在不停電和不對接地網大面積開挖情況下實現接地網腐蝕和斷點情況的檢測，主要包括兩大類基于電磁場分析法的診斷方法和基于電路基本原理的診斷方法。基于電磁場分析法的診斷方法主要是通過測量探測地面磁場和電勢差的數據，根據特征參數變化來判斷接地網斷裂支路的位置。基于電路基本原理的診斷方法一般忽略支路導體的電感和電容將整個接地網看成一個純電阻網絡，主要有以下幾種方法(I)參數識別法以接地網中每段導體電阻增量為故障參量建立診斷方程，然后利用相應的優化算法求解得到能量損耗最低時的解。(2)節點電壓法通過分析節點電壓得到反映支路電阻變化對可及節點電壓影響的微靈敏度矩陣，使用MATLAB中的最優化方法求解該靈敏度矩陣診斷方程。(3)特勒根定理根據似功率守恒即接地網腐蝕前后總能量相同程，互換原接地網與腐蝕后接地網的支路電壓和支路電流，并通過測量若干可及節點間的電阻建立方程，然后采用線性最小二乘法求解。(4)網絡撕裂法把一個大型網絡撕裂成若干個較小的子網絡，對每一個子網絡單獨分析和求解而不必考慮其他部分的存在；然后把各個子網絡的解相互聯接構成原網絡的整體解。(5)禁忌搜索法以可及節點間測量電壓與估計電壓偏差的平方和最小為適配值函數，以各個支路電阻的原始設計值為初始解，以支路電阻為禁忌對象，對各支路分別以某個確定步長增加和減少支路電阻的策略進行鄰域搜索，并運用全局形式的藐視準則即禁忌算法分析判斷接地網的腐蝕情況。(6)遺傳算法施加多次激勵并改變位置多次測量得到方程組之后轉化為求解非線性最小二乘優化問題，在此引入遺傳算法改進概率搜索步驟直到收斂。神經網絡法采用神經網絡反向傳播算法，第一層為輸入層來接受故障信息，其節點數等于接地網中的可及測試點數；最后一層為輸出層并與故障支路相對應，其節點數等于接地網中的支路數。當網絡中第j條支路故障則輸出向量中第j個元素為1，其余均為O，以此類推最終可以得到神經網絡的輸出期望值，并由此診斷出接地網發生故障的位置。基于電磁場分析法的診斷方法主要根據探測得到的數據拐點來診斷接地網存在缺陷的區域，但難以精確診斷出已經發生了腐蝕但尚未斷裂的支路導體。基于電路基本原理的診斷方法中，參數識別法及節點電壓法由于實際接地網的可及節點數目有限，所以建立的診斷方程病態程度高，影響了診斷結果的精度；由于接地網支路導體本身的電阻值實際很小，因此接地引下線自身的電阻值不可忽略，對于端口電阻的測量精度要求則高，所以基于特勒根定理建立診斷方程的方法會存在測量誤差從而影響診斷結果；網絡撕裂法由于禁忌搜索法由于需要設置初值，該初值與診斷結果相關性很大，所以會影響診斷結果的精度；遺傳算法首先需要將改進種群個體的元件參數代入網絡，求解節點電壓得到適應度，并在改進種群中選擇一定的個體作為父體，其中個體被選中的幾率跟個體適應度的大小相關，然后通過交叉和變異得到新一代種群并重復這一過程直到收 斂，所以會影響診斷效率和精度；神經網絡法由于其最后一層輸出層的節點數等于接地網中的支路數，所以對于規模較大支路較多的接地網診斷結果仍有誤差且工作量較大。

發明內容
為了解決上述技術問題，克服現有技術中存在的缺陷，本發明提供一種牽引變電所接地網腐蝕故障診斷方法，主要根據節點撕裂法的基本思想以及電力網絡理論中的節點分析法建立待診斷接地網的分塊多目標優化數學模型，以降低優化求解的計算量，提高診斷效率，并采用混沌粒子群優化算法進行求解以實現全局尋優，進一步提高求解精度。其技術方案如下一種牽引變電所接地網腐蝕故障診斷方法，包括接地網腐蝕診斷的分塊多目標優化模型建立和混沌粒子群優化算法求解，具體步驟為I)按照節點撕裂法的基本思想，基于自動撕裂算法將待診斷接地網進行撕裂分塊；2)根據待診斷接地網的拓撲結構圖，利用MATLAB的SMULINK軟件包搭建仿真電路模型；3)選取多組節點施加直流激勵，測試選定的可及節點電壓；4)根據節點分析法建立接地網的分塊故障診斷方程，并根據優化理論建立多目標優化模型；5)在MATLAB中調用混沌粒子群優化算法程序求解診斷模型，算法中的參數尋優范圍根據不等式約束條件式s.t.% >R#，j = 1,2,…，bk來確定，bk為子網絡所包含的支路個數ApRil分別表示第j條支路導體的參數值和標稱值，將參數取值下限設置為接地網支路的標稱值，參數的取值上限設置為45倍的標稱值；6)計算診斷結果相對支路標稱值的倍數，判斷發生腐蝕故障支路的位置。本發明的有益效果(I)本發明根據接地網的拓撲結構圖將其撕裂分成多個子網絡和自由支路，便于建立診斷方程，并可增加方程個數，降低了診斷方程的病態程度以及全網絡求解的計算量。
(2)本發明采用混沌粒子群優化算法這一智能算法求解診斷方程，可避免粒子在迭代過程中出現停滯而導致的算法早熟問題，既能夠實現全局尋優，又可提高計算效率和精度。


圖I為混沌粒子群算法流程圖；圖2為接地網拓撲結構圖；圖3為子網絡1、2和自由支路集合；圖4為本發明的診斷結果與接地網的實際狀態比較。
具體實施方式
下面結合附圖具體實施方式
對本發明的方法作進一步詳細地說明。本方法分為接地網腐蝕診斷的分塊多目標優化模型建立部分和混沌粒子群優化算法求解部分。技術實現方案建立接地網腐蝕故障診斷的分塊多目標優化模型對接地網進行分塊診斷主要是為了提高接地網腐蝕診斷的速度，可有效降低整個接地網優化求解的計算量。為此，本發明先在已有的接地網腐蝕故障診斷的分塊多目標優化模型的基礎利用混沌粒子群算法進行優化求解。具體步驟如下基本原理對于一個具有N個節點，b條支路的接地網，在接地網的任意兩節點間施加工頻或直流電流時，相對于導體本身的電阻來說其電感很小。另外，接地網的導體段對地電容及泄漏電導也比導體段本身的電阻大得多。因此，可忽略支路導體的電感和電容將整個接地網看成一個純電阻網絡。根據電力網絡理論的節點分析法，Rb表示支路b的電阻值(b = 1,2,3,…)，A為關聯矩陣，yb為支路導納矩陣，Y為節點導納矩陣，I為節點電流源列向量，U為節點電壓列向量，支路導納矩陣
Λ,1 OO '
O R) ■■■/I \
. . ⑴ j 0 凡1 L」節點導納矩陣Y = AybAT (2)節點網絡方程Y = UI (3)假設原網絡以節點撕裂成Ns個子網絡和一組兩端點均為撕裂點的自由支路，每個子網絡的圖都是連通圖，且相互之間沒有受控耦合。再設子網絡土有Hlk個外節點(即撕裂點)、Pk個不可及的內部節點、Qk個未撕裂的可及節點，并將子網絡的節點編號按照不可及的內部節點、未撕裂的可及節點、撕裂點的順序重新排列，對應的電壓源向量、電流源向量及撕裂點處的等效注入電流向量分別為UpU2、U3、Is2, Is3、It。如Sk無接地點，則虛設一節點為參考節點。對于子網絡Sk，式(3)可以表示為X y,2 ^ Γ^, Γ O F21 y22 K23 U2 = I12(4)
α ι ^JkJ Lu為了化簡網絡，先將式⑷應用行初等變換，有'Y'u y'n 匕]「叫「0 IO T12 F23 U1 = Is2(5) ο 匕2 F-JLiZ3J Lk式中Y, η為上三角陣。將式(5)中的不可及節點電壓列向量U1消去，得到下式卜*^]門=[^ I(6) \y'n n」Lr,」LvJ式(6)即子網絡Sk等效模型的節點電壓方程，系數矩陣則為Sk的等效的不定節點導納陣。將該式展開有V 22U2+Y/ 23U3-Is2 = O (7)Y' 32U2+Y/ 33U3_Is3 = It (8)式(7)表征了等效的不定節點導納陣與可及節點電壓之間的非線性關系，式(8)的右端即撕裂點處等效注入電流的代數和。根據上述分析，由于接地網發生腐蝕或斷裂之后，支路導體的電阻值均增大，所以求解子網絡參數的多目標優化模型為
mkmin ￡/ .(9)
I=Imin I Y' 22U2+Y/ 23U3-Is2(10)s. t. Rj ^ Rjo, j = 1,2, ···, bk (11)式中，Iti為第i個撕裂點處的等效注入電流；bk為子網絡所包含的支路個數洱、Rjo分別表示第j條支路導體的參數值和標稱值。記F = Y' 22U2+Y/ 23U3_Is2，算法中粒子的適應值函數式為/(JCpX2,...,^ ) = (F,F) + (ΣΑ-)2(12)
i=l式中，x = ，…，\]T代表未知電阻Rb，(，)表示內積。混沌粒子群優化算法求解為了提高接地網腐蝕診斷的求解精度，在基本粒子群算法的基礎上加入混沌搜索作為一種優化機制，利用混沌粒子群優化算法求解接地網腐蝕故障診斷的分塊多目標優化模型，并用Matlab進行仿真計算，具體方法如下在一個D維的目標搜索空間中，將每個粒子看成空間內的一個點，設粒子總數即群體規模為m, Xi = (xn, . . . xiD)T為粒子i的位置，Vi = (vn, . . . , viD)T為粒子i的飛行速度，所有的粒子都有一個由被優化的函數決定的適應值，根據該函數計算Xi當前的適應值即可衡量粒子位置的優劣。基本粒子群算法首先初始化一群隨機粒子，然后通過迭代找到最優解。在每一次迭代中，粒子通過跟蹤兩個極值來更新自己。一個是粒子本身所找到的最優解，稱為“個體極值pbest”，另一個是整個種群目前找到的最優解，稱為“全局極值gbest”。找到上述兩個極值后，根據下面兩個公式更新粒子的速度與位置
權利要求
1.一種牽引變電所接地網腐蝕故障診斷方法，其特征在于，包括接地網腐蝕診斷的分塊多目標優化模型建立和混沌粒子群優化算法求解，具體步驟為 1)按照節點撕裂法的基本思想，基于自動撕裂算法將待診斷接地網進行撕裂分塊； 2)根據待診斷接地網的拓撲結構圖，利用MATLAB的SMULINK軟件包搭建仿真電路模型； 3)選取多組節點施加直流激勵，測試選定的可及節點電壓； 4)根據節點分析法建立接地網的分塊故障診斷方程，并根據優化理論建立多目標優化模型； 5)在MATLAB中調用混沌粒子群優化算法程序求解診斷模型，算法中的參數尋優范圍根據不等式約束條件式s. t. Rj≥Rjo, j = 1,2,…，bk來確定，bk為子網絡所包含的支路個數；RpRm分別表示第j條支路導體的參數值和標稱值，將參數取值下限設置為接地網支路的標稱值，參數的取值上限設置為45倍的標稱值； 6)計算診斷結果相對支路標稱值的倍數，判斷發生腐蝕故障支路的位置。
全文摘要
本發明公開了一種牽引變電所接地網腐蝕故障診斷方法，包括接地網腐蝕診斷的分塊多目標優化模型建立和混沌粒子群優化算法求解，本發明根據接地網的拓撲結構圖將其撕裂分成多個子網絡和自由支路，便于建立診斷方程，并可增加方程個數，降低了診斷方程的病態程度以及全網絡求解的計算量。本發明采用混沌粒子群優化算法這一智能算法求解診斷方程，可避免粒子在迭代過程中出現停滯而導致的算法早熟問題，既能夠實現全局尋優，又可提高計算效率和精度。
文檔編號G06F17/50GK102809714SQ20121027760
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月2日 優先權日2012年8月2日
發明者張友鵬, 范小楷, 王思華, 徐金陽, 任麗苗, 張耀, 王愛霞 申請人:蘭州交通大學