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隨著風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴大和風(fēng)力機組容量的不斷增加，風(fēng)電場的安全可靠運行變得越來越重要。風(fēng)電場多處于地形復(fù)雜的荒山草原，受氣候條件和地理環(huán)境的影響，極易發(fā)生雷擊、絕緣霧閃、絕緣子風(fēng)偏和線路金具損壞而引起的短路故障，其中單相接地故障約占系統(tǒng)故障的80%。因此，有效的故障定位技術(shù)能夠幫助風(fēng)電場運行人員減小排查范圍，迅速、可靠地查找故障；顯著減少風(fēng)機窩電時間，對于提高風(fēng)電場的經(jīng)濟效益和滿足電網(wǎng)對風(fēng)電場的運行考核指標(biāo)具有重要意義。

風(fēng)電場是典型的多端電源供電系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)特殊，尚缺乏有效的故障檢測和分析手段。目前測距方法主要有行波法、故障分析法和人工智能算法。行波法測距精度高，但配電網(wǎng)和風(fēng)電場內(nèi)存在分支線和混合線，使行波易發(fā)生折反射，加之線路較短，導(dǎo)致波頭檢測和波速確定困難。

有學(xué)者采用等效思維對配電線路歸一化處理以解決混合線路的行波波速不一致問題，但需在每個分支線末端裝設(shè)同步測量裝置，且海量故障數(shù)據(jù)處理要求系統(tǒng)硬件具有較高的性能，算法實現(xiàn)成本較高。有學(xué)者提出基于行波固有頻率的雙端輸電線路故障定位方法，技術(shù)的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確提取自然頻率，但對于拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜的配電網(wǎng)和風(fēng)電場，特征頻率混疊導(dǎo)致提取失敗，無法完成故障定位。

故障分析法受制于過渡電阻和模型準(zhǔn)確度使其測距精度有限，且計算量大；有學(xué)者分析沿線電壓分布規(guī)律，由切線交叉原理迭代求解故障點；有學(xué)者利用測距函數(shù)判斷故障分支，進而求解故障距離，這適用于T接線路，但難以向多分支、混合短線路的故障定位拓展。

國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》已將人工智能上升到國家戰(zhàn)略層面。人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，使得智能算法用于多分支、混合短線路的故障定位已成為發(fā)展趨勢。有學(xué)者通過測量光伏陣列輸出電壓和電流，應(yīng)用高斯過程回歸進行光伏陣列故障定位，性能優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。有學(xué)者采用離散傅里葉變換對線路一端三相電壓信號提取諧波分量的幅值作為特征量，并基于K最鄰近回歸模型實現(xiàn)單相接地故障的準(zhǔn)確測距。

根據(jù)風(fēng)電場集電線路分支多、混合且短的特點，華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的研究人員提出采用全相位快速傅里葉變換（apFFT）頻譜校正和極限梯度提升（XGBoost）的風(fēng)電場集電線路故障測距方法。

首先，搭建雙饋風(fēng)電場多分支混合線路的仿真模型，并通過apFFT頻譜校正法獲取故障電壓和電流的基波相量，以構(gòu)建原始特征集；其次，引入人工智能技術(shù)XGBoost算法建立單端故障測距的回歸模型，根據(jù)特征被選擇用來劃分的次數(shù)情況對特征重要度進行量化分析及排序，直觀地挖掘特征量與故障距離之間的關(guān)系。

圖1 風(fēng)電場故障測距算法流程

目前，尚未見XGBoost集成算法在風(fēng)電場集電線路故障定位的應(yīng)用研究，該方法采用多線程并行計算和二階泰勒展開，具有較高的運算效率和預(yù)測精度。最后，應(yīng)用XGBoost故障定位器根據(jù)現(xiàn)存模態(tài)完成對新輸入模態(tài)的定位，獲得故障點精確位置。經(jīng)PSCAD/EMTDC實驗證明，該方法適用于風(fēng)電場復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的故障測距，定位精度高于隨機森林（RF）集成樹方法，對不同故障位置和過渡電阻的單相接地短路均能夠有效測距。

圖2 風(fēng)電場仿真模型

研究人員主要工作和結(jié)論如下：

1）讀取單端測點故障后波形數(shù)據(jù)，利用apFFT相位差校正法獲得相應(yīng)電氣基波相量，無需通信，且可有效抑制頻譜泄露，具備一定的抗噪性。

2）設(shè)計了特征重要度量化分析方法，充分挖掘特征與故障距離之間的關(guān)系，同時也驗證了特征選取的有效性。

3）建立了基于XGBoost回歸的故障定位器，避免了以解析法為基礎(chǔ)的故障測距需要求解復(fù)雜方程問題，不存在偽根，不受過渡電阻的影響，故障定位簡單，且同RF算法相比預(yù)測定位精度高。

4）搭建了PSCAD/EMTDC雙饋風(fēng)電場仿真模型，單相接地故障實驗證明了該方法對多分支、混合短線路的適用性。

以上研究成果發(fā)表在2020年第23期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于apFFT頻譜校正和XGBoost的風(fēng)電場集電線路單相接地故障測距”，作者為彭華、朱永利。