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摘 要：文章概述了自动重合闸的产生背景、工作原理和运用现状，分析了其运用中的两大难题，即何时重合闸和重合闸的间隔，给出采用DSP实现智能化重合闸的思路，提供了神经网络算法的专家系统的判别故障的方法，能够有效解决这两大难题。
关键词：自动重合闸；重合闸的判别；重合闸的间隔；智能化 DSP；神经网络算法
中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0016-02
1 自动重合闸装置概述
1.1 自动重合闸装置的产生背景和实际运用
在电力系统中，架空输电线路的运行往往是最不稳定，事故多发。但其发生的大部分是瞬时性短路事故，并非是永久性故障。比如雷击产生过电压使得绝缘子闪络短路而产生电弧，只要在雷击过电压之后切断工频电源即可灭弧，故障消除，再次回复架空线路的供电。自动重合闸装置能够很好地应对瞬时性故障，是针对架空线路常出现的问题设计的。一旦架空输电线路有故障发生，继电保护将使得断路器跳闸，待电源被切断后再次迅速合闸以回复供电。若为永久性故障，继电保护装置将再次将断路器跳闸，不在自动合闸。其工作流程如下：
继电保护动1→熄弧→故障消除→合断路器→恢复供1
对于永久性故障，由于自动重合闸装置造成断路器要在短时内连续两次切断短路电流会使得电系统受到更强烈的故障冲击，故在发生多发生永久性故障的线路上不能采用自动重合闸装置。
据统计，我国线路故障自动重合闸装置成功运作的比例约为90%，对于提高供电连续性和可靠性有着重要的意义。通过装设自动重合闸装置到架空输电线路的馈线保护断路器，可以减少输电线路上的事故。由于电缆上的输电线路大多是永久性的故障，所以全部是电缆的输电线路不装设自动重合装置。目前，自动重合闸装置分为一次重合闸、二次重合闸和三次重合闸等方式，其中一次重合闸方式技术最为成熟，应用得最为广泛。
在实际运行中，自动重合闸装置和无选择性的简单快速继电保护的配合使用，能够相得益彰，使得继电保护兼具快速性和选择性。其配合方式主要有以下两种：①重合闸前加速保护：当线路出现故障时，先有靠近电源侧的保护无选择性瞬时跳闸，而后依靠重合闸对这种选择性动作进行纠正。②重合闸后加速保护：单线路出现故障时，自动重合闸在保护装置按选择性动作跳闸后再重合，且解除或者缩短被加速保护的动作时限。
1.2 自动重合闸装置对于电力系统运行的意义
①提高供电的连续性和可靠线，尤其是对于单侧电源的单回线路效果显著。②在高压输电线路上装设重合闸装置，使得电力系统的并列运行稳定性增加。③对于电网的设计与建设，重合闸作用的加入可以暂缓双回线路的架设降低成本。④可以纠正断路器由于继电保护误动作或者机构不良而造成的误跳闸。⑤减少因停电造成的经济损失，而由于安装自动重合闸的经济成本降低，所以提升了电网的经济效益。
2 自动重合闸实际应用中的不足
目前自动重合闸在实际应用中有两个局限，使得其自动化程度受限。
①无法判断实际故障点消除的时间，只是按照固定的经验时间判断何时应当合闸，大多数情况下造成不必要的等待时间；②无法判断是否是瞬时性故障还是永久性故障，无法选择是否实现自动重合的功能。
3 智能化重合闸（IARC）的DSP实现
智能化重合闸能够有效地解决上文所指出的不足，即是否重合闸和重合闸的间隔时间问题，对于消除自动重合闸使得电力系统受到二次故障冲击和恶化断路器工作条件的两大难题有着重要的意义。
我们考虑以现有的装置和器件完成重合闸的智能化。
3.1 设计思想
IARC（智能化重合闸）的核心思想是数字信号处理器（DSP）高速单片机在跳闸动作和合闸动作的前后不断地对线路上的各种暂态参数进行采样，在快速分析这些参数，判别是否重合闸和进行相关操作。
3.2 IARC动作的要求及指标
通过对IARC的功能分析，我们可以得出其具体实现所要达到的目标：
①动作时间。
对于ARC，t>tu+z，约为0.5～1.5s，对于IARC，t>ktu>ltz，其中tu为故障点去游离时间，t2表示的是断路器的消弧室。
②重合动作应当符合预先规定（1次或2次），不容许有任意多次。
③能连续完成任务：在动作后能够立即自动复归，为再次动作做好准备。
④只针对自动跳闸动作，对于手动操作或者遥控操作控制的调制不应当自动重合。
⑤永久性事故或其他需手动合闸的事故IARC不动作。
⑥带无缘负载阻抗检测，有较高的判别故障游离的准确度。
⑦可改进性，具备神经网络算法（可引入RBF）实现的专家系统，可以通过自学习和适应性算法使合闸的成功率不断提高。
3.3 IARC控制器硬件组成和选用
根据其功能实现的流程：数据采集（主要控制A/D转换和FIFO）—模数转换—数字信号处理-结果输出，可搭建如下系统。
其中，DSP是TI公司生产TMS320VC5416，主频为200 MHz，其执行指令采用的是多总线的流水线结构，1个指令周期完成1次乘加运算；A/D转化芯片是同TI公司生产的AD73360，电路连接采样频率为80 MHz，3.6 V，低功耗。
3.4 专家系统的判断依据
运用RBF神经网络算法的核心思想是将采集到的运行正确的被控对象的输入状态向量、输出状态向量、权系数向量作为训练样本来训练神经网络，然后以系统实际输出与神经网络输出之间的差值来检测和辨识机床所发生的故障。
其一般设计方法如下：
对于IARC离散系统有： 其中、X（K）是状态变量，Y（K）是输出变量，U（K）是控制变量，其维数分别为：R（X（K））=n， R（Y（K））=m， R（U（K））=1。假设状态和输出的测量噪声W（K）和U（K）为独立的高斯白噪声向量，具备以下统计特性：
其中，V是对称的非负定阵，W是对称的正定阵。
对于隐含层的设计，可采用径向基函数：
神经元函数为，
其中、Zi表示的是隐含层第i个接点的输出。？i是第i个节点的归一化参数，K是隐含层单元的个数。
依据诊断线路故障的要求，采用检测系统故障和系统正常运行时的输出信号的策略。系统正常运行的残差序列近似为高斯白噪声序列，平均值约等于0，其协方差阵如下：
其中、r（K）为系统的残差序列。
若此协方差阵是时变的，那么随着K的变化其统计特性不同。为此，定义另一随机变量：
可近似为一均值为0的高斯白噪声随机变量。为计算方便，再引入一随机变量：
其中，近似地服从（m-1）的卡方分布，故，可得如下检测方法，利用残差加权平方和。
N为数据窗长度。
由此我们可用d（K）的值来判断是否发生故障。可用假设检验的方法。设S0为正常运行，S1为故障运行，a为设定的某一阀值（此阈值可根据实际要求选择），则其假设检验的拒绝域如下：
或 。
根据确定的检验公式设计相应的算法，经过神经网络的学习和反复试验后，就可以对进行检错纠错等工作了。在实际运用中，要反复检验其可靠性和实用性。由于神经网络的学习精度是随着有效数据量的增大而增大的，而实际数据在运行中由于设备的性能发生变化，技术水平提高，规范标准要求的变化等而变化，故在实际运行过程中要定期检查和更新相关数据，保证神经网络的自学习效果。从而确保智能化装置发挥良好的效用。
4 结 语
自动重合闸系统是电力系统自动化的重要一环，而智能化自动重合闸在传统的自动重合闸的基础上前进了一大步，可以说是加深了自动化重合闸装置的自动化程度，使之能够更好地为电力系统服务。
本文所提供的设计思路主要是硬件部分依靠DSP的强大信号处理功能，软件部分依靠神经网络的非线性映射、容错能力、抗干扰能力和自学习能力强的特点，符合自动重合闸的改进需求，能够有效地解决判断是否合闸和合闸时间间隔的问题，经实验可以满足实际要求。
参考文献：
[1] 孙凡才.自动控制原理与系统[M].北京：机械工业出版社，1987.
[2] HARASHIMA F. Power electronics and motion control-a future
Instrumentation and Measurement，1994，82（8）：1007-1011.
[3] 张建生.现代仪器电源[M].北京：科学出版社，2005.
[4] 李方永.自动重合闸在输电线路上的运用[J].中国高新技术企业，2010
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关键词：自动重合闸；重合闸的判别；重合闸的间隔；智能化 DSP；神经网络算法
中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0016-02
1 自动重合闸装置概述
1.1 自动重合闸装置的产生背景和实际运用
在电力系统中，架空输电线路的运行往往是最不稳定，事故多发。但其发生的大部分是瞬时性短路事故，并非是永久性故障。比如雷击产生过电压使得绝缘子闪络短路而产生电弧，只要在雷击过电压之后切断工频电源即可灭弧，故障消除，再次回复架空线路的供电。自动重合闸装置能够很好地应对瞬时性故障，是针对架空线路常出现的问题设计的。一旦架空输电线路有故障发生，继电保护将使得断路器跳闸，待电源被切断后再次迅速合闸以回复供电。若为永久性故障，继电保护装置将再次将断路器跳闸，不在自动合闸。其工作流程如下：
继电保护动1→熄弧→故障消除→合断路器→恢复供1
对于永久性故障，由于自动重合闸装置造成断路器要在短时内连续两次切断短路电流会使得电系统受到更强烈的故障冲击，故在发生多发生永久性故障的线路上不能采用自动重合闸装置。
据统计，我国线路故障自动重合闸装置成功运作的比例约为90%，对于提高供电连续性和可靠性有着重要的意义。通过装设自动重合闸装置到架空输电线路的馈线保护断路器，可以减少输电线路上的事故。由于电缆上的输电线路大多是永久性的故障，所以全部是电缆的输电线路不装设自动重合装置。目前，自动重合闸装置分为一次重合闸、二次重合闸和三次重合闸等方式，其中一次重合闸方式技术最为成熟，应用得最为广泛。
在实际运行中，自动重合闸装置和无选择性的简单快速继电保护的配合使用，能够相得益彰，使得继电保护兼具快速性和选择性。其配合方式主要有以下两种：①重合闸前加速保护：当线路出现故障时，先有靠近电源侧的保护无选择性瞬时跳闸，而后依靠重合闸对这种选择性动作进行纠正。②重合闸后加速保护：单线路出现故障时，自动重合闸在保护装置按选择性动作跳闸后再重合，且解除或者缩短被加速保护的动作时限。
1.2 自动重合闸装置对于电力系统运行的意义
①提高供电的连续性和可靠线，尤其是对于单侧电源的单回线路效果显著。②在高压输电线路上装设重合闸装置，使得电力系统的并列运行稳定性增加。③对于电网的设计与建设，重合闸作用的加入可以暂缓双回线路的架设降低成本。④可以纠正断路器由于继电保护误动作或者机构不良而造成的误跳闸。⑤减少因停电造成的经济损失，而由于安装自动重合闸的经济成本降低，所以提升了电网的经济效益。
2 自动重合闸实际应用中的不足
目前自动重合闸在实际应用中有两个局限，使得其自动化程度受限。
①无法判断实际故障点消除的时间，只是按照固定的经验时间判断何时应当合闸，大多数情况下造成不必要的等待时间；②无法判断是否是瞬时性故障还是永久性故障，无法选择是否实现自动重合的功能。
3 智能化重合闸（IARC）的DSP实现
智能化重合闸能够有效地解决上文所指出的不足，即是否重合闸和重合闸的间隔时间问题，对于消除自动重合闸使得电力系统受到二次故障冲击和恶化断路器工作条件的两大难题有着重要的意义。
我们考虑以现有的装置和器件完成重合闸的智能化。
3.1 设计思想
IARC（智能化重合闸）的核心思想是数字信号处理器（DSP）高速单片机在跳闸动作和合闸动作的前后不断地对线路上的各种暂态参数进行采样，在快速分析这些参数，判别是否重合闸和进行相关操作。
3.2 IARC动作的要求及指标
通过对IARC的功能分析，我们可以得出其具体实现所要达到的目标：
①动作时间。
对于ARC，t>tu+z，约为0.5～1.5s，对于IARC，t>ktu>ltz，其中tu为故障点去游离时间，t2表示的是断路器的消弧室。
②重合动作应当符合预先规定（1次或2次），不容许有任意多次。
③能连续完成任务：在动作后能够立即自动复归，为再次动作做好准备。
④只针对自动跳闸动作，对于手动操作或者遥控操作控制的调制不应当自动重合。
⑤永久性事故或其他需手动合闸的事故IARC不动作。
⑥带无缘负载阻抗检测，有较高的判别故障游离的准确度。
⑦可改进性，具备神经网络算法（可引入RBF）实现的专家系统，可以通过自学习和适应性算法使合闸的成功率不断提高。
3.3 IARC控制器硬件组成和选用
根据其功能实现的流程：数据采集（主要控制A/D转换和FIFO）—模数转换—数字信号处理-结果输出，可搭建如下系统。
其中，DSP是TI公司生产TMS320VC5416，主频为200 MHz，其执行指令采用的是多总线的流水线结构，1个指令周期完成1次乘加运算；A/D转化芯片是同TI公司生产的AD73360，电路连接采样频率为80 MHz，3.6 V，低功耗。
3.4 专家系统的判断依据
运用RBF神经网络算法的核心思想是将采集到的运行正确的被控对象的输入状态向量、输出状态向量、权系数向量作为训练样本来训练神经网络，然后以系统实际输出与神经网络输出之间的差值来检测和辨识机床所发生的故障。
其一般设计方法如下：
对于IARC离散系统有： 其中、X（K）是状态变量，Y（K）是输出变量，U（K）是控制变量，其维数分别为：R（X（K））=n， R（Y（K））=m， R（U（K））=1。假设状态和输出的测量噪声W（K）和U（K）为独立的高斯白噪声向量，具备以下统计特性：
其中，V是对称的非负定阵，W是对称的正定阵。
对于隐含层的设计，可采用径向基函数：
神经元函数为，
其中、Zi表示的是隐含层第i个接点的输出。？i是第i个节点的归一化参数，K是隐含层单元的个数。
依据诊断线路故障的要求，采用检测系统故障和系统正常运行时的输出信号的策略。系统正常运行的残差序列近似为高斯白噪声序列，平均值约等于0，其协方差阵如下：
其中、r（K）为系统的残差序列。
若此协方差阵是时变的，那么随着K的变化其统计特性不同。为此，定义另一随机变量：
可近似为一均值为0的高斯白噪声随机变量。为计算方便，再引入一随机变量：
其中，近似地服从（m-1）的卡方分布，故，可得如下检测方法，利用残差加权平方和。
N为数据窗长度。
由此我们可用d（K）的值来判断是否发生故障。可用假设检验的方法。设S0为正常运行，S1为故障运行，a为设定的某一阀值（此阈值可根据实际要求选择），则其假设检验的拒绝域如下：
或 。
根据确定的检验公式设计相应的算法，经过神经网络的学习和反复试验后，就可以对进行检错纠错等工作了。在实际运用中，要反复检验其可靠性和实用性。由于神经网络的学习精度是随着有效数据量的增大而增大的，而实际数据在运行中由于设备的性能发生变化，技术水平提高，规范标准要求的变化等而变化，故在实际运行过程中要定期检查和更新相关数据，保证神经网络的自学习效果。从而确保智能化装置发挥良好的效用。
4 结 语
自动重合闸系统是电力系统自动化的重要一环，而智能化自动重合闸在传统的自动重合闸的基础上前进了一大步，可以说是加深了自动化重合闸装置的自动化程度，使之能够更好地为电力系统服务。
本文所提供的设计思路主要是硬件部分依靠DSP的强大信号处理功能，软件部分依靠神经网络的非线性映射、容错能力、抗干扰能力和自学习能力强的特点，符合自动重合闸的改进需求，能够有效地解决判断是否合闸和合闸时间间隔的问题，经实验可以满足实际要求。
参考文献：
[1] 孙凡才.自动控制原理与系统[M].北京：机械工业出版社，1987.
[2] HARASHIMA F. Power electronics and motion control-a future
Instrumentation and Measurement，1994，82（8）：1007-1011.
[3] 张建生.现代仪器电源[M].北京：科学出版社，2005.
[4] 李方永.自动重合闸在输电线路上的运用[J].中国高新技术企业，2010
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