CN101551433B - 一种利用hht检测的配电网馈出线路故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明是利用HHT检测技术的配电网缆-线混合线路故障选线方法。本发明应用HHT奇异性检测技术精确标定故障发生时刻，按照故障线路与健全线路故障零序电流暂态分量在故障发生时刻方向相反的原理实现选线。具体做法为利用HHT对形态滤波预处理后的各线路故障零序电流故障前后1/4周期内的采样信号进行EMD分解，得到各线路故障零序电流最高频的IMF分量，并对该IMF分量进行一阶向后差分处理，比较故障零序电流IMF分量在故障时刻的突变极性，藉此形成选线判据。原理分析和仿真表明，利用故障后1/4周期内的故障信息进行选线，避免了倒相和CT饱和对选线准确性的影响，选线结果准确、可靠。

Description

一种利用HHT检测的配电网馈出线路故障选线方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体地说是一种利用HHT检测的配电网馈出线路故障选线方法。

背景技术

随着城市建设的快速发展，配电网中电缆线路的比例上升，缆-线混合线路越来越多。铺设电缆不仅能够提高输送容量，降低变电站的出线规模，而且还能减少单位输送容量的运行维护费用和施工难度。配电网发生单相接地故障时，由于电缆的对地电容较大，会引起较大的暂态对地电容电流，使得健全线路之间的相似性变差，基于相关分析的选线方法会失效。但同时电缆线路的暂态量较纯架空线路更为丰富，充分分析缆-线混合线路的暂态特征，能大大提高选线的可靠性。

小电流接地系统发生单相接地故障时，线电压仍对称且故障电流较小，不影响对负荷的连续供电，规程规定系统可以继续运行1～2h，此亦为选线提供了时间上的宽容条件。许多学者在配电网故障选线方面做出了大量的研究，但由于故障稳态量很小，再加上电网本身和负荷的复杂性，致使实际工程中难以提取出有效的故障信号。与稳态量相比而言，配电网故障的暂态量幅值要大十几倍到几十倍，因而，学者们更关注与对暂态特征的研究，提出了许多基于暂态量的选线方法，但这些方法尚未完善地解决配电网单相接地故障选线这一难题。

数学形态学计算简单，对实时信号和图像处理的速度快、时延小，因此逐渐应用于电力系统的各个领域。已有文献将形态学用于暂态信号滤波，形态滤波方法能够在保留信号暂态特性的前提下，有效地去除信号中混杂的尖峰脉冲、白噪声和高频噪声等干扰，提高故障选线的准确性。

希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform，简称HHT)作为一种独特的完全自适应时频分析方法，既能用于非线性、非平稳信号的分析，也能用于线性、平稳信号的分析。HHT中的经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，简称EMD)分解出的固有模态函数(Intrinsic Mode Function，简称IMF)分量体现了被分析信号从高频到低频的一系列特性，适合于进行故障特征暂态过程的分析。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有小电流接地系统故障选线方法的不足，发明一种利用故障前后各1/4周期的数据进行HHT分析，不受到故障线路零序电流倒相和CT饱和的影响，不依赖线路结构参数，在短线路故障时，不受到长线电容电流的影响，能准确识别故障线路，实现对不同的故障，包括小故障角时的准确选线，同时适用于对电弧故障的识别，对硬件的要求较低，节约了选线成本，具有一定的经济性，能够提高故障选线的精度，选线结果准确、可靠的利用HHT检测的配电网故障选线方法。

本发明一种利用HHT检测的配电网馈出线路故障选线方法的技术方案：

本发明应用HHT奇异性检测技术精确标定故障发生时刻，按照故障线路与健全线路故障零序电流暂态分量在故障发生时刻方向相反的原理实现选线；具体做法为利用HHT对形态滤波预处理后的各线路故障零序电流故障前后1/4周期内的采样信号进行EMD分解，得到各线路故障零序电流最高频的IMF分量，并对该IMF分量进行一阶向后差分处理，比较故障零序电流IMF分量在故障时刻的突变极性，藉此形成选线判据，完成对配电网的选线，输出选线结果。

利用HHT检测的配电网馈出线路故障选线方法，其特征在于步骤如下：

1)、当母线零序电压瞬时值u_n(t)大于K_uU_n，故障选线装置立即启动，记录下故障前后各1个周波各馈线的零序电流，其中K_u取值为0.15，U_n表示母线额定电压；

2)、采用形态滤波对各线路故障零序电流进行消噪预处理；

3)、利用HHT对母线零序电压信号进行奇异性检测，确定信号发生突变的时刻即为故障时刻；

4)、利用HHT对滤波后信号在故障前后1/4周期内进行EMD分解，分别得到各线路零序电流的IMF分量；

5)、取各线路零序电流的IMF分量中频率最高的IMF₁分量进行一阶向后差分处理；

6)、比较各线路零序电流的IMF₁分量的差分结果，获取在信号突变点到突变的下一个采样点的变化趋势，即最高频IMF₁分量的一阶差分极性；

7)、单相接地故障时，在故障时刻标定处，故障线路零序电流和健全线路零序电流的最高频IMF₁分量的一阶差分极性相反；母线发生故障时，所有线路零序电流的最高频IMF₁分量的一阶差分极性相同，籍此，形成选线判据。

本发明原理：

一、先进行故障暂态分析：

1、暂态特性分析

谐振接地系统发生单相接地故障时，零序电流分布如图1所示。故障相电容放电及非故障相电容充电，产生幅值比稳态值大几倍到几十倍的暂态电流。故障馈线的零序暂态电流是由全部非故障馈线的容性暂态电流(实际是容性稳态、容性衰减高频和容性衰减直流的总称)和消弧线圈的暂态电感电流(实际是感性稳态工频、感性衰减直流的总称)所组成。当接地故障发生在相电压经过零值附近，暂态电感电流达最大值，由故障线路和消弧线圈对地形成回路而不流过健全线路，其中的感性衰减直流分量较清晰，故障相的高频暂态分量很小，在此种故障情况下，就容易引起CT的饱和。此外，谐振接地系统由于消弧线圈的补偿作用，故障线路零序电流有可能出现倒相现象。大量仿真表明，倒相现象均出现在故障发生1/4周期后。

配电网发生单相接地故障特征受补偿度、过渡电阻以及故障合闸角的因素影响。过渡电阻和故障合闸角一定时，随着消弧线圈补偿度增大的故障线路与健全线路的零序电流波形如图2所示。可以看出，小电流接地系统采用过补偿方式时，补偿度在10％～20％之间变化对各线路零序电流的影响不大；而当消弧线圈补偿度为零即不补偿时，故障线路的零序电流的大小和相位与消弧线圈过补偿时明显不同，健全线路不受到消弧线圈的补偿作用，因此基本没有影响。

当补偿度和故障合闸角一定时，随着过渡电阻增大的故障线路零序电流波形如图3所示。可见随着过渡电阻的增加，故障线路首半波的零序电流的冲击值明显减小，在过渡电阻较大时，零序电流暂态分量不明显。

当补偿度和过渡电阻一定时，随着故障合闸角增大的故障线路零序电流波形如图4所示。可以看出，在相电压过零附近发生接地故障时，高频暂态分量较小；而故障合闸角较大时，故障高频暂态量很明显。

2、形态滤波

由于复杂的现场环境、故障电流小以及各种变频调速装置及工业用电弧炉等波动负荷的影响，小电流接地系统录波装置所采集到的信号不可避免的存在噪声，为提高故障选线的准确性，必须在选线前加以滤除。

基于数学形态学的消噪滤波方法，算法简便易行、物理意义明确、实用有效，在数字图像处理与识别领域应用很广。形态学滤波可以用形态基本开闭运算来理解，其开运算可以用于过滤信号上方的峰值噪声，除去毛刺及小桥结构；而闭运算可用于平滑或抑制信号下方的波谷噪声，填平小沟结构。基于形态学开、闭运算可以构建三种滤波算法：交替滤波器、混合滤波器、交替混合滤波器。

交替滤波器：

[(f)co(g)](n)＝(f●g○g)(n)                      (1)

混合滤波器：

[(f)mix(g)](n)＝(f●g+f○g)(n)/2                 (2)

交替混合滤波器：

[(f)altmix(g)](n)＝[(f)co(g)+(f)mix(g)](n)/2     (3)

式中，f表示待处理信号，g表示结构元素，co表示交替滤波算法，mix表示混合滤波算法，altmix表示交替混合滤波算法，“○”表示形态学开运算，“●”表示形态学闭运算。

形态滤波方法是基于结构元素填充探测的思想，结构元素的形状是影响滤波性能的关键因素。采用形态数字滤波器，通过选取合适的结构元素，可有效去除电力信号中的各种宽带或窄带干扰。最优结构元素的选取与干扰的类型和频率、待处理数据序列和采样率等因素密切相关，常用的结构元素有直线形、斜线形、三角形、圆形等。在信号消噪方面，结构元素形状越复杂，宽度越长，其提取信号的能力就越强，所耗费的时间也越长。圆形结构元素具有较强的平滑能力，去噪效果最明显，但对暂态信息部分进行了过度平滑，削弱了信号暂态特征；直线形结构元素在滤除脉冲的同时，能有效降低白噪声等其它噪声，且具有较好的自适应性。考虑到小电流接地系统故障信号特点以及简化程序资源的需要，选取直线形的结构元素对含噪故障零序电流利用式(3)的交替混合滤波算法进行滤波，滤波效果如图5所示。

3、HHT奇异性检测方法

在信号分析中，信号的急剧变化之处常是分析特性的最关键处，在各种信号的分析处理中，由于在突变点处包含有丰富的有用信息，因此在信号分析中往往对信号的突变点处特别关注。

HHT信号奇异性检测原理是：通过EMD方法从信号的局部特征时间尺度入手，将信号分解成不同特征尺度的有限个IMF分量，各IMF分量的局部特征时间尺度按分解出的顺序逐次增大，越是先分解出的IMF分量的局部特征时间尺度越小，即极值时间间隔越小。另外分解出的IMF分量具有实际的物理意义，是一种调幅调频信号，能从幅度和频率上敏感地反映信号的信息，而信号中突变点反映的局部特征尺度都很小，即突变点处的两相邻极值点间隔很小，且其相邻的两极大值点和极小值点的幅值差也相对正常信号点要大很多。

EMD法奇异值检测步骤如下：

(1)对信号进行EMD分解，求取高频IMF分量，本发明使用的是IMF分量中频率最高的分量，即IMF₁分量。

(2)若最高频IMF₁分量上的某一点幅值均大于其左右相邻的两个点，则判定其为极大值点；若某一点的幅值均小于其左右相邻的两个点，则判定其为极小值点。据此，求出最高频IMF₁分量上所有的极大值点和极小值点。

(3)将相邻的极大值与极小值幅值做差后取绝对值，并计算其时间间隔。

(4)相邻的极大值和极小值幅值差绝对值最大及极值时间间隔最小处即为信号的突变点。

4、倒相的影响

小电流接地系统发生单相接地故障后，故障线路对地电容放电，而健全线路对地电容充电，故障线路与健全线路之间的相位相差180°。但同时在暂态过程中，由于消弧线圈的补偿作用，易导致故障线路零序电流发生倒相，导致利用比相法选线原理的选线方法失效。

图6中所示即为小电流接地系统发生单相接地故障后，故障线路零序电流倒相的仿真波形，由该波形可以看出，在故障发生后的1/4周期后，方出现倒相现象。由此，采用1/4周期内的采样数据进行选线过程将不受到倒相的影响。

5、CT饱和的影响

正常情况下，电流互感器(CT)铁芯的磁通密度较低，流入励磁回路的电流很小，能够真实传变一次电流。在故障情况下，CT铁芯磁密超过铁芯材料的饱和磁密，引起CT饱和，二次电流的传变出现缺损。由于故障电流中存在周期性工频分量，CT铁芯的磁密呈现周期性变化的特点，一次电流反向过零时，CT铁芯磁密下降，退出饱和，因此CT进退饱和也存在周期性规律。CT饱和与不饱和相间，二次电流也随之呈现饱和缺损和线性传变相间的特征。

由于小电流接地系统故障零序电流含有丰富的非周期暂态分量和高次谐波分量，这些分量极易使得电流互感器铁芯饱和，导致二次电流失真。如何避开CT饱和引起的间断角对选线准确性的影响，是实现完善选线不可回避的问题。电流互感器饱和情况下二次电流的典型曲线如图7所示。

图7中，T为二次电流的工频周期。由图7可见，CT铁芯饱和，其饱和传变特性对故障后一个周期内前T/4和最后T/4的波形影响不大，T/4到3T/4的波形发生畸变。

由此，采用对故障后1/4周期内的信号进行选线，能有效的降低CT铁芯饱和造成的一次电流传变至二次电流发生失真对选线结果的影响。

基于上述分析，小电流接地系统发生单相接地故障时，在故障后1/4周期内，故障线路与健全线路零序电流的最高频IMF₁分量在故障时刻前后的一阶差分结果具有不同的突变极性。利用这一特征可实现完善的选线算法，实现步骤(如图8所示)为：

1、采用形态滤波对各线路故障零序电流进行消噪预处理。

2、利用HHT对母线零序电压信号进行奇异性检测，确定信号发生突变的时刻即为故障时刻。

3、利用HHT对滤波后信号在故障前后1/4周期内进行EMD分解，分别得到各线路零序电流的IMF分量。

4、取各线路零序电流的IMF分量中频率最高的IMF₁分量进行一阶向后差分处理。

5、比较各线路零序电流的IMF₁分量的差分结果，获取在信号突变点到突变的下一个采样点的变化趋势，即最高频IMF₁分量的一阶差分极性。

6、单相接地故障时，在故障时刻标定处，故障线路零序电流和健全线路零序电流的最高频IMF₁分量的一阶差分极性相反；母线发生故障时，所有线路零序电流的最高频IMF₁分量的一阶差分极性相同，籍此，形成选线判据。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、该方法采用形态滤波对信号进行预处理，不会出现因干扰和测量误差而导致故障特征被湮没的情况，可以提高故障选线的灵敏性和可靠性，与采用传统的数字滤波器相比，使用廉价的微处理器芯片便可实现。

2、利用HHT检测的方法选线，对硬件的要求较低，节约了选线成本，具有一定的经济性。

3、利用故障前后各1/4周期的数据进行HHT分析，不受到故障线路零序电流倒相和CT饱和的影响，能够提高故障选线的精度。

4、对各种不同的故障类型进行了仿真验证，能够实现对不同的故障，包括小故障角时的准确选线，同时适用于对电弧故障的识别。

5、不依赖线路结构参数，在短线路故障时，不受到长线电容电流的影响，能准确识别故障线路。

附图说明：

图1为单相接地故障零序网络简化图。

图2为不同补偿度的零序电流波形。其中：(a)故障线路(b)健全线路

图3为不同过渡电阻的故障线路零序电流波形。

图4为不同故障合闸角的故障线路零序电流波形。

图5为滤波前、后的故障零序电流。其中：(a)含噪零序电流(b)消噪零序电流。

图6为故障线路零序电流倒相图

图7为CT二次电流典型曲线。

图8为本发明的故障选线方法流程图。

图9为辐射状谐振接地系统

图10为奇异性检测结果

图11为故障线路零序电流最高频IMF分量在故障标定时刻附近的一阶差分结果

图12为健全线路零序电流最高频IMF分量在故障标定时刻附近一阶差分结果

具体实施方式：

小电流接地系统发生单相接地故障时，利用上述原理可以实现完善的故障选线。具体实现流程如图8所示。

本发明的具体实现步骤如下：

1、当母线零序电压瞬时值u_n(t)大于K_uU_n，故障选线装置立即启动，记录下故障前后各1个周波各馈线的零序电流，其中K_u取值为0.15，U_n表示母线额定电压；

2、采用形态滤波对各线路故障零序电流进行消噪预处理，选取直线形的结构元素对故障零序电流进行滤波；

3、利用HHT对滤波后信号在故障前后1/4周期内进行EMD分解，分别得到各线路零序电流的IMF分量。

4、取各线路零序电流的IMF分量中频率最高的IMF₁分量进行一阶向后差分处理。

5、比较各线路零序电流的IMF₁分量的差分结果，获取在信号突变点到突变的下一个采样点的变化趋势，即最高频IMF₁分量的一阶差分极性。

6、单相接地故障时，在故障时刻标定处，故障线路零序电流和健全线路零序电流的最高频IMF₁分量的一阶差分极性相反；母线发生故障时，所有线路零序电流的最高频IMF₁分量的一阶差分极性相同，籍此，形成选线判据。

实施例1：

图9为一辐射状谐振接地系统，G为电源；T为主变压器，变比为110kV/35kV，联结组别为YN/d11；Tz是Z型变压器，其中性点通过消弧线圈串联电阻接地，采用LSJC-35型电流互感器；L为消弧线圈，采用过补偿15％；R为消弧线圈的阻尼电阻；R_f为接地电阻；消弧线圈通过隔离开关K投切；线路为缆-线混合线路。

发生单相接地故障时，由采样频率为500kHz的采样装置记录下线路零序电流和母线零序电压。对母线零序电压进行奇异性检测的波形如图10所示。

对故障线路和健全线路零序电流进行EMD分解，并对两个零序电流的IMF₁分量做一阶向后差分的结果如图11和图12所示。

对图9中各回出线零序电流在故障时刻分别对其最高频IMF分量进行一阶向后差分处理，可得具体数值如下：

dif(IMF)＝[40.32 -14.38 -1.39- 14.29 -1.35 -12.94]

其中，dif(IMF)表示对各回出线零序电流最高频IMF分量的一阶向后差分。显然可判定为线路L₁故障。

Claims (2)

1.一种利用HHT检测的配电网馈出线路故障选线方法，其特征是：应用HHT奇异性检测技术精确标定故障发生时刻，按照故障线路与健全线路故障零序电流暂态分量在故障发生时刻方向相反的原理实现选线；具体做法为利用HHT对形态滤波预处理后的各线路故障零序电流故障前后1/4周期内的采样信号进行EMD分解，得到各线路故障零序电流最高频的IMF分量，并对该IMF分量进行一阶向后差分处理，比较各线路故障零序电流IMF分量在故障时刻的突变极性，藉此形成选线判据，完成对配电网的选线，输出选线结果。

2.根据权利要求1所述的利用HHT检测的配电网馈出线路故障选线方法，其特征在于步骤如下：

1)、当母线零序电压瞬时值u_n(t)大于K_uU_n，故障选线装置立即启动，记录下故障前后各1个周波各馈线的零序电流，其中K_u取值为0.15，U_n表示母线额定电压；

2)、采用形态滤波对各线路故障零序电流进行消噪预处理；

3)、利用HHT对母线零序电压信号进行奇异性检测，确定信号发生突变的时刻即为故障时刻；

4)、利用HHT对滤波后信号在故障前后1/4周期内进行EMD分解，分别得到各线路零序电流的IMF分量；

5)、取各线路零序电流的IMF分量中频率最高的IMF₁分量进行一阶向后差分处理；

6)、比较各线路零序电流的IMF₁分量的差分结果，获取在信号突变点到突变的下一个采样点的变化趋势，即最高频IMF₁分量的一阶差分极性；

7)、单相接地故障时，在故障时刻标定处，故障线路零序电流和健全线路零序电流的最高频IMF₁分量的一阶差分极性相反；母线发生故障时，所有线路零序电流的最高频IMF₁分量的一阶差分极性相同，籍此，形成选线判据。

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