Формирование группового алгоритма дистанционного определения места повреждения воздушной ЛЭП с использованием методов машинного обучения

  • Андрей Анатольевич Яблоков
  • Игорь Евгеньевич Иванов
  • Андрей Романович Тычкин
  • Владислав Алексеевич Титов
  • Дмитрий Сергеевич Шарыгин
Ключевые слова: определение места повреждения, машинное обучение, многофакторный анализ, воздушные линии электропередачи

Аннотация

Статья посвящена анализу возможности повышения точности дистанционного определения места повреждения (ДОМП) воздушных линий электропередачи с использованием методов машинного обучения. Предложены два подхода: адаптивный выбор оптимального метода для конкретных условий аварийного режима и взвешенное усреднение результатов с вероятностными весами. Проанализированы погрешности 11 односторонних и 19 двухсторонних методов ДОМП, выявлены их слабые стороны в зависимости от различных влияющих факторов. Сформирована обучающая выборка на основе имитационного моделирования линии 500 кВ. Для обучения выбраны модели Time Series Forest (TSF) и Hydra Classifier, из которых TSF показала более высокую эффективность. Модель корректно определяет наилучший метод ДОМП в 57 % случаев для односторонних и 71 % – для двухсторонних методов. Взвешенное усреднение снизило приведенную погрешность ДОМП: для односторонних методов в 99 % случаев она не превысила 2,5 %, для двухсторонних – 95 % случаев с погрешностью до 1 %. Сравнение с традиционным усреднением и отдельными методами ДОМП подтвердило преимущество машинного обучения в адаптации к изменяющимся условиям аварийного режима. Все численные результаты получены с применением синхронизированных векторных измерений в качестве аварийных значений тока и напряжения. Применение представленных подходов наиболее актуально для централизованных систем ДОМП, поскольку они позволяют реализовывать множество методов ДОМП.

Биографии авторов

Андрей Анатольевич Яблоков

кандидат техн. наук, доцент, доцент кафедры автоматического управления электроэнергетическими системами, Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина (ИГЭУ), Иваново, Россия; andrewyablokov@yandex.ru

Игорь Евгеньевич Иванов

кандидат техн. наук, доцент кафедры электрических систем, ИГЭУ, Иваново, Россия; igor.e.ivanov.777@gmail.com

Андрей Романович Тычкин

аспирант кафедры автоматического управления электроэнергетическими системами, ИГЭУ, Иваново, Россия; tychkin.a@bk.ru

Владислав Алексеевич Титов

аспирант кафедры автоматического управления электроэнергетическими системами, ИГЭУ, Иваново, Россия; titov.v.a@bk.ru

Дмитрий Сергеевич Шарыгин

аспирант кафедры автоматического управления электроэнергетическими системами, ИГЭУ, Иваново, Россия; shary-dinds@yandex.ru

Литература

1. Аржанников Е.А. и др. Определение места короткого замыкания на высоковольтных линиях электропередачи. М.: Энергоатомиздат, 2003, 271 с.
2. Zhang X. et al. Power Grid Fault Diagnosis Using Polar PMU Data Plots. – International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2022, vol. 141, DOI: 10.1016/j.ijepes.2022.108148.
3. Saha M.M., Izykowski J., Rosolowski E. Fault Location on Power Networks. London, UK: Springer–Verlag, 2010, 428 p., DOI: 10.1007/978-1-84882-886-5.
4. ДИВГ.57201-08 34 01. ПО «FASTVIEW». Руководство оператора [Электрон. ресурс], URL: https://www.mtrele.ru/shop/programmnoe-obespechenie/fastview.html (дата обращения 25.06.2025).
5. НБРС.421453.002 РЭ. Программно-технический комплекс [Электрон. ресурс], URL: https://inbres.ru/equipments/programmnoe-obespechenie/po-inbres-monitoring/ (дата обращения 25.06.2025).
6. Yablokov A.A. et al. Investigation of Fault Location on Extra-High Voltage Lines with Synchrophasors Based on Real Transient Waveforms. – 5th Int. Youth Conf. on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, 2023, vol. 5, DOI: 10.1109/REEPE57272.2023.10086766.
7. СТО 56947007.29.240.55.224-2016. Методические указания по определению мест повреждений ВЛ напряжением 110 кВ и выше. М.: ПАО «ФСК ЕЭС», 2016, 75 с.
8. Aljohani A. et al. Design and Implementation of an Intelligent Single Line to Ground Fault Locator for Distribution Feeders. – Int. Conf. on Control, Automation and Diagnosis, 2019, DOI: 10.1109/ICCAD46983.2019.9037950.
9. Livani H., Evrenosoglu C.Y., Centeno V.A. A Machine Learning-Based Faulty Line Identification for Smart Distribution Network. – North American Power Symposium, 2013, DOI: 10.1109/TSG.2013.2260421.
10. Hasan A.N., Eboule P.S.P., Twala B. The Use of Machine Learning Techniques to Classify Power Transmission Line Fault Types and Locations. – Int. Conf. on Optimization of Electrical and Electronic Equipment & Intl Aegean Conference on Electrical Machines and Power Electronics, 2017, pp. 221–226, DOI: 10.1109/OPTIM.2017.7974974.
11. De La Cruz Saavedra J.A. et al. Fault Location for Distribution Smart Grids: Literature Overview, Challenges, Solutions, and Future Trends. – Energies, 2023, vol. 16 (5), DOI: 10.3390/en16052280.
12. Rezapour H., Jamali S., Bahmanyar A. Review on Artificial Intelligence-Based Fault Location Methods in Power Distribution Networks. – Energies, 2023, vol. 16 (12), DOI: 10.3390/en16124636.
13. Raza A. et al. A Review of Fault Diagnosing Methods in Power Transmission Systems. – Applied Sciences, 2020, vol. 10, DOI: 10.3390/app10041312.
14. Куликов А.Л. и др. Идентификация поврежденного участка воздушной линии электропередачи методом расчета расстояний. – Релейная защита и автоматизация, 2024, т. 2, № 55, с. 36–45.
15. Обалин М.Д. Применение имитационного моделирования для адаптации алгоритмов определения места повреждения линий электропередачи по параметрам аварийного режима: дис. … канд. техн. наук. Н. Новгород, 2016, 200 c.
16. Висящев А.Н. и др. Диагностика состояния воздушных линий электропередачи 10–110 кВ в нормальных и аварийных режимах. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012, 270 с.
17. Wilson A.G. Deep Learning is Not So Mysterious or Different. – arXiv, 2025, DOI: 10.48550/arXiv.2503.02113.
18. IEC/IEEE 60255-118-1:2018. Measuring Relays and Protection Equipment. Part 118-1: Synchrophasor for Power Systems, 2018, DOI: 10.1109/IEEESTD.2018.8577045.
19. Das S. et al. Impedance-based Fault Location in Transmission Networks: Theory and Application. – IEEE Access, 2014, vol. 2, pp. 537–557, DOI: 10.1109/ACCESS.2014.2323353.
20. Takagi T. et al. Development of a New Type Fault Locator Using the One-Terminal Voltage and Current Data. – IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1982, vol. PAS-101 (8), pp. 2892–2898, DOI: 10.1109/TPAS.1982.317615.
21. Ankamma R.J., Hagos G. Comparison of Accuracy of various Impedance Based Fault Location Algorithms on Power Transmission Line. – International Journal of Science and Research, 2015, vol. 4 (3), pp. 1869–1873, DOI: 10.21275/SUB152473.
22. Avendano O. et al. Tutorial on Fault Locating Embedded in Line Current Differential Relays – Methods, Implementation, and Application Considerations. – 17th Annual Georgia Tech Fault and Disturbance Analysis Conference, 2014, DOI: 20140312/TP6654-01.
23. Устинов А.А. Разработка и совершенствование методов определения места повреждения на трехфазных и четырехфазных воздушных линиях электропередачи высокого напряжения: дис. … канд. тех. наук. Иркутск, 2015, 204 с.
24. Terzija V., Radojevic Z.M., Preston G. Flexible Synchronized Measurement Technology-Based Fault Locator. – IEEE Transactions on Smart Grid, 2015, vol. 6 (2), pp. 866–873, DOI: 10.1109/TSG.2014.2367820.
25. Voloh I., Zhang Z. Fault Locator Based on Line Current Differential Relays Synchronized Measurements. – Texas A&M 63rd Annual Conference for Protective Relay Engineers, 2010, DOI: 10.1109/CPRE.2010.5469521.
26. Zimmerman K., Costello D. Impedance-based Fault Location Experience. – IEEE Rural Electric Power Conference, 2006, DOI: 10.1109/REPCON.2006.1649060.
27. Лямец Ю.Я., Ильин В.А., Подшивалин Н.В. Программный комплекс анализа аварийных процессов и определения места повреждения линии электропередачи. – Электричество, 1996, № 12, с. 2–7.
28. Лямец Ю.Я., Нудельман Г.С., Павлов А.О. Эволюция дистанционной защиты. – Электричество, 1999, № 3, с. 8–15.
29. Шарыгин Д.С. и др. Многофакторное автоматизированное исследование методов определения места повреждения на модели воздушной линии электропередачи 500 кВ. – Вестник ИГЭУ, 2023, № 4, с. 5–17.
30. Sharygin D., Filatova G., Yablokov A. Implementation of Justified Inspection Zone for Fault Location on Overhead Transmission Lines of 110 kV and above. – 6th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, 2024, DOI: 10.1109/REEPE60449.2024.10479762.
31. Mukhopadhyay P. et al. Case Study on Fault Analysis Using PMU. – 18th National Power Systems Conference, 2014, DOI: 10.1109/NPSC.2014.7103778.
32. Lopes F.V. et al. Real-World Case Studies on Transmission Line Fault Location Feasibility by Using M-Class Phasor Measurement Units. – Electrical Power Systems Research, 2021, vol. 196, DOI: 10.1016/J.EPSR.2021.107261.
33. Иванов И.Е. и др. Определение места повреждения на воздушных линиях 500 кВ ЕЭС России по данным синхронизированных векторных измерений. – Энергетик, 2023, № 7, с. 31–39.
34. Aeon Developing Documentation. Toolkit for Time Series Tasks. [Электрон. ресурс]. URL: https://www.aeon-toolkit.org/en/stable/index.html (дата обращения 25.06.2025).
35. СТО 56947007-29.120.70.241-2017. Технические требования к микропроцессорным устройствам РЗА. М.: ПАО «ФСК ЕЭС», 2019, 46 с.
36. Yablokov A.A., Tychkin A.R., Ivanov I.E. Multiterminal Impedance-Based Fault Location through Synchronized Phasor Measurements. – 6th International Scientific and Technical Conference on Relay Protection and Automation, 2023, DOI: 10.1109/RPA59835.2023.10319855.
---
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-79-01217, https://rscf.ru/project/23-79-01217/
#
1. Arzhannikov E.A. et al. Opredelenie mesta korotkogo zamykaniya na vysokovol’tnyh liniyah elektroperedachi (Determining the Location of a Short Circuit on High-Voltage Power Transmission Lines). M.: Energoatomizdat, 2003, 271 p.
2. Zhang X. et al. Power Grid Fault Diagnosis Using Polar PMU Data Plots. – International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2022, vol. 141, DOI: 10.1016/j.ijepes.2022.108148.
3. Saha M.M., Izykowski J., Rosolowski E. Fault Location on Power Networks. London, UK: Springer–Verlag, 2010, 428 p., DOI: 10.1007/978-1-84882-886-5.
4. DIVG.57201-08 34 01. PO «FASTVIEW». Rukovodstvo operatora (The "FASTVIEW" Software. Operator's Manual) [Electron. resource], URL: https://www.mtrele.ru/shop/programmnoe-obespechenie/fastview.html (Access on 25.06.2025).
5. NBRS.421453.002 RE. Programmno-tehnicheskiy kompleks (Software and Hardware Complex.) [Electron. resource], URL: https://inbres.ru/equipments/programmnoe-obespechenie/po-inbres-monitoring/ (Access on 25.06.2025).
6. Yablokov A.A. et al. Investigation of Fault Location on Extra-High Voltage Lines with Synchrophasors Based on Real Transient Waveforms. – 5th Int. Youth Conf. on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, 2023, vol. 5, DOI: 10.1109/REEPE57272.2023.10086766.
7. STO 56947007.29.240.55.224-2016. Metodicheskie ukazaniya po opredeleniyu mest povrezhdeniy VL napryazheniem 110 kV i vyshe (Guidelines for Determining the Places of Damage to Overhead Lines with a Voltage of 110 kV and Above). M.: PAO «FSK EES», 2016, 75 p.
8. Aljohani A. et al. Design and Implementation of an Intelligent Single Line to Ground Fault Locator for Distribution Feeders. – Int. Conf. on Control, Automation and Diagnosis, 2019, DOI: 10.1109/ICCAD46983.2019.9037950.
9. Livani H., Evrenosoglu C.Y., Centeno V.A. A Machine Learning-Based Faulty Line Identification for Smart Distribution Network. – North American Power Symposium, 2013, DOI: 10.1109/TSG.2013.2260421.
10. Hasan A.N., Eboule P.S.P., Twala B. The Use of Machine Learning Techniques to Classify Power Transmission Line Fault Types and Locations. – Int. Conf. on Optimization of Electrical and Electronic Equipment & Intl Aegean Conference on Electrical Machines and Power Electronics, 2017, pp. 221–226, DOI: 10.1109/OPTIM.2017.7974974.
11. De La Cruz Saavedra J.A. et al. Fault Location for Distribution Smart Grids: Literature Overview, Challenges, Solutions, and Future Trends. – Energies, 2023, vol. 16 (5), DOI: 10.3390/en16052280.
12. Rezapour H., Jamali S., Bahmanyar A. Review on Artificial Intelligence-Based Fault Location Methods in Power Distribution Networks. – Energies, 2023, vol. 16 (12), DOI: 10.3390/en16124636.
13. Raza A. et al. A Review of Fault Diagnosing Methods in Power Transmission Systems. – Applied Sciences, 2020, vol. 10, DOI: 10.3390/app10041312.
14. Kulikov A.L. et al. Releynaya zashchita i avtomatizatsiya – in Russ. (Relay Protection and Automation), 2024, vol. 2, No. 55, pp. 36–45.
15. Obalin M.D. Primenenie imitatsionnogo modelirovaniya dlya adaptatsii algoritmov opredeleniya mesta povrezhdeniya liniy elektroperedachi po parametram avariynogo rezhima: dis. … kand. tekhn. nauk (The Use of Simulation Modeling to Adapt Algorithms for Determining the Location of Damage to Power Lines According to Emergency Mode Parameters: Dis. ... Cand. Sci. (Eng.)). N. Novgorod, 2016, 200 c.
16. Visyashchev A.N. et al. Diagnostika sostoyaniya vozdushnyh liniy elektroperedachi 10–110 kV v normal’nyh i avariynyh rezhimah (Diagnostics of the Condition of 10–110 kV Overhead Power Lines in Normal and Emergency Modes). Irkutsk: Izd-vo IrGTU, 2012, 270 p.
17. Wilson A.G. Deep Learning is Not So Mysterious or Different. – arXiv, 2025, DOI: 10.48550/arXiv.2503.02113.
18. IEC/IEEE 60255-118-1:2018. Measuring Relays and Pro-tection Equipment. Part 118-1: Synchrophasor for Power Systems, 2018, DOI: 10.1109/IEEESTD.2018.8577045.
19. Das S. et al. Impedance-based Fault Location in Transmission Networks: Theory and Application. – IEEE Access, 2014, vol. 2, pp. 537–557, DOI: 10.1109/ACCESS.2014.2323353.
20. Takagi T. et al. Development of a New Type Fault Locator Using the One-Terminal Voltage and Current Data. – IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1982, vol. PAS-101 (8), pp. 2892–2898, DOI: 10.1109/TPAS.1982.317615.
21. Ankamma R.J., Hagos G. Comparison of Accuracy of various Impedance Based Fault Location Algorithms on Power Transmission Line. – International Journal of Science and Research, 2015, vol. 4 (3), pp. 1869–1873, DOI: 10.21275/SUB152473.
22. Avendano O. et al. Tutorial on Fault Locating Embedded in Line Current Differential Relays – Methods, Implementation, and Application Considerations. – 17th Annual Georgia Tech Fault and Disturbance Analysis Conference, 2014, DOI: 20140312/TP6654-01.
23. Ustinov A.A. Razrabotka i sovershenstvovanie metodov opredeleniya mesta povrezhdeniya na trehfaznyh i chetyrehfaznyh vozdushnyh liniyah elektroperedachi vysokogo napryazheniya: dis. … kand. tekhn. nauk (Development and Improvement of Methods for Determining the Location of Damage on Three-Phase and Four-Phase High-Voltage Overhead Power Transmission Lines: Dis. ... Cand. Sci. (Eng.)). Irkutsk, 2015, 204 p.
24. Terzija V., Radojevic Z.M., Preston G. Flexible Synchronized Measurement Technology-Based Fault Locator. – IEEE Transactions on Smart Grid, 2015, vol. 6 (2), pp. 866–873, DOI: 10.1109/TSG.2014.2367820.
25. Voloh I., Zhang Z. Fault Locator Based on Line Current Differential Relays Synchronized Measurements. – Texas A&M 63rd Annual Conference for Protective Relay Engineers, 2010, DOI: 10.1109/CPRE.2010.5469521.
26. Zimmerman K., Costello D. Impedance-based Fault Location Experience. – IEEE Rural Electric Power Conference, 2006, DOI: 10.1109/REPCON.2006.1649060.
27. Lyamets Yu.Ya., Il’in V.A., Podshivalin N.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 1996, No. 12, pp. 2–7.
28. Lyamets Yu.Ya., Nudel’man G.S., Pavlov A.O. Elektrichest-vo – in Russ. (Electricity), 1999, No. 3, pp. 8–15.
29. Sharygin D.S. et al. Vestnik IGEU – in Russ. (Bulletin of the ISPEU), 2023, No. 4, pp. 5–17.
30. Sharygin D., Filatova G., Yablokov A. Implementation of Justified Inspection Zone for Fault Location on Overhead Transmission Lines of 110 kV and above. – 6th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, 2024, DOI: 10.1109/REEPE60449.2024.10479762.
31. Mukhopadhyay P. et al. Case Study on Fault Analysis Using PMU. – 18th National Power Systems Conference, 2014, DOI: 10.1109/NPSC.2014.7103778.
32. Lopes F.V. et al. Real-World Case Studies on Transmission Line Fault Location Feasibility by Using M-Class Phasor Measurement Units. – Electrical Power Systems Research, 2021, vol. 196, DOI: 10.1016/J.EPSR.2021.107261.
33. Ivanov I.E. et al. Energetik – in Russ. (Power Engineer), 2023, No. 7, pp. 31–39.
34. Aeon Developing Documentation. Toolkit for Time Series Tasks. [Electron. resource]. URL: https://www.aeon-toolkit.org/en/stable/index.html (Access on 25.06.2025).
35. STO 56947007-29.120.70.241-2017. Tehnicheskie trebovaniya k mikroprotsessornym ustroystvam RZA (Technical Requirements for RPA Microprocessor Devices). M.: PAO «FSK EES», 2019, 46 p.
36. Yablokov A.A., Tychkin A.R., Ivanov I.E. Multiterminal Impedance-Based Fault Location through Synchronized Phasor Measurements. – 6th International Scientific and Technical Conference on Relay Protection and Automation, 2023, DOI: 10.1109/RPA59835.2023.10319855
---
The research was financially supported by the Russian Science Foundation, grant No. 23-79-01217, https://rscf.ru/project/23-79-01217
Опубликован
2025-05-29
Раздел
Статьи