CN102129012B

CN102129012B - 一种利用形态峰谷检测的配电网故障选线方法

Info

Publication number: CN102129012B
Application number: CN201110024136.2A
Authority: CN
Inventors: 束洪春; 王旭; 戴月涛; 田鑫萃; 邬乾晋; 秦书硕; 白挺玮
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: CN102129012A

Abstract

本发明是一种利用形态峰谷检测的配电网故障选线方法。本发明为：当配电网线路发生故障，选线装置启动后，根据保护安装处测得的各线路三相电流，利用克拉克变换理论，求出各线路零序电流。选取时间窗为10ms的零序电流信号，求取包络线，对各线路零序电流的包络线进行形态峰谷检测。根据得到的形态峰谷特性，提取配电网故障选线判据，形态峰谷特性与其他线路不同的为故障线路。本发明计算方法简单，避免了一般的计算方法需要在时-频域相互转换的缺点。本方法鲁棒性好，且耐受过渡电阻的性能很强，不受干扰的影响，有较强的实用性。大量仿真结果表明，本发明选线准确。

Description

一种利用形态峰谷检测的配电网故障选线方法

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形态峰谷检测的配电网故障选线方法。

背景技术

配电网发生单相接地故障时，系统对地电容与故障点之间快速充放电产生暂态冲击电流，在这高频的快速瞬变过程中消弧线圈的感抗很大，使该支路接近开路，对冲击电流不产生明显的影响，因此在同一电网中，中性点不接地或经消弧线圈接地，发生故障的瞬间，其暂态过程是近似相同的。近年来我国学者提出了利用行波实现故障选线的方法，其核心为行波首波头极性的检测，故障线路与健全线路的首波头极性相反，这样可以准确的识别故障线路。但此类选线方法对同步采样频率和对采集记录硬件的要求很高，在技术上很难实现。

发明内容

本发明的目的是克服现有配电网选线方法对采样率要求高的不足，提出了一种利用形态峰谷检测来实现配电网故障选线的方法，妥善解决了对同步采样频率和采集记录的硬件要求高以及对系统电磁兼容性要求较高的问题。

本发明利用采样率较低的暂态量实现故障选线。配电网发生单相接地故障后，从首波头到达的时刻起一直到消弧线圈响应为止，故障线路与健全线路的零序电流相位总是相反的，若故障线路零序电流波形为波峰（谷）则健全线路零序电流波形必为波谷（峰），藉此，提出了一种利用形态峰谷检测来实现配电网故障选线的方法。首先取各线路零序电流暂态信号的包络线，勾勒其电流波形的变化趋势，再通过自定义的峰谷检测器检测峰谷提出判据实现故障选线。由此可将对电流行波首波头的精确检测问题转化为对电流高频暂态量的峰谷检测，使中性点经消弧线圈接地的小电流接地系统的故障选线这一技术难题得到很好解决。

本发明的具体实现按以下步骤进行：

（1）配电网发生单相接地故障后，母线零序电压高于额定相电压15%时，启动元件立即启动，根据保护安装处测得的各线路三相电流，利用克拉克变换矩阵，求得各线路的零序电流：

i _j0= i _jA+ i _jB+ i _jC j=1,2,……6 (1)

式中：i _j0为线路L_j的零序电流；i _jA、i _jB和i _jC分别为线路L_j的A、B、C的三相电流。

（2）采样频率10kHz，采样序列长度为100，求取各线路零序电流i _j0的包络线，包络线的求取方法如下：

1）求出i _j0的所有极大/极小值；

2）分别对极大/极小值构成的序列进行内插值，得到信号的上包络线e _max(t)和下包络线e _min(t)；

3）求上下包络线的均值m(t)=( e _max(t)+ e _min(t))/2得到信号的包络线m(t)；

（3）利用数学形态学中的Top-Hat算子和Bottom-Hat算子检测各线路零序电流的波峰点和波谷点：

Figure 2011100241362100002DEST_PATH_IMAGE001

(2)

(3)

式中：Th(m(t))为零序电流包络线的波峰点数据，Bh(m(t))为为零序电流包络线的波谷点数据，g为数学形态学中的结构元素，本发明中采用的是长度为3的扁平结构元素，

表示数学形态学中的开运算，

表示数学形态学中的闭运算；

（4）求取各线路零序电流包络线的峰谷综合特性：

D _e(t) = Th(m(t))+ Bh(m(t)) (4)

（5）取D _e(t)检测到的各线路零序电流包络线的第一个波峰或波谷，形态峰谷性质与其他线路相反的为故障线路，即若其中一条线路L_j为波峰（谷），其他线路都为波谷（峰），则线路L_j为故障线路。

以下是本发明的设计原理：

1．行波暂态量配电网故障选线原理

配电网发生单相接地故障后，从首波头到达的时刻起一直到消弧线圈响应为止，故障线路与健全线路的零序电流相位总是相反的，若故障线路为波峰（谷）则健全线路必为波谷（峰），藉此，本发明提出了一种利用形态峰谷检测实现配电网故障选线的方法。

2．包络线的求取

包络线是通过对信号的极值点进行三次B样条插值拟合得到的。对给定的信号i _j0，包络线的算法步骤为

(1)求出i _j0的所有极大/极小值；

(2)分别对极大/极小值构成的序列进行内插值，得到信号的上包络线e _max(t)和下包络线e _min(t)。

(3)求上下包络线的均值m(t)=( e _max(t)+ e _min(t))/2得到信号的包络线m(t)。

3．数学形态学的基本理论

数学形态学是一种由集合论和积分几何学发展而来的非线性信号处理和分析工具，其主要内容是通过一整套变换和算法，用以描述信号的基本特征或基本结构。数学形态学的两种基本的形态函数是灰值膨胀和灰值腐蚀，灰值膨胀和灰值腐蚀的定义如下：

Figure 2011100241362100002DEST_PATH_IMAGE005

且 (5)

且

(6)

式（5）和式（6）中，

表示灰值膨胀，

表示灰值腐蚀，f（n）是需要处理的一维信号，其定义域为n={0,1,2,…,N}，N为信号序列长度，g(x)是一维结构元素序列，其定义域x={0,1,2, …,P},P为结构元素的长度，且P≤N。

定义将序列先腐蚀后膨胀的运算为灰值开运算，先膨胀后腐蚀的运算为灰值闭运算，则开运算和闭运算的数学表达式如下：

(7)

(8)

式（7）和式（8）中，

为待处理的一维信号序列f（n）与结构元素g做灰值开运算，

为序列f（n）与结构元素g做灰值闭运算。灰值开运算与闭运算具有滤波的效果，开运算可以看作是由结构元素g(x)构成的小球沿着f（n）波形的下沿从一端滚动到另一端，在此过程中结构元素g(x)构成的小球将削弱所有比其直径小的波峰的尖锐度和高度，经过开运算后的f（n）波形下沿的任意一点均能接触到结构元素g(x)构成的小球。与开运算的效果相反，闭运算是由小球沿着f（n）波形的上沿滚动，所有比小球直径小的波谷将被填充的尖锐度将被削弱，经过闭运算后的f（n）波形上沿的任意一点均能接触到结构元素g(x)构成的小球。

由于开运算消除了原始波形中的波峰，所以利用原始波形和经过开运算得到的波形就可以提取出原始波形中的波峰数据，定义Top-Hat算子为：

(9)

同理，利用原始波形和经过闭运算得到的波形就可以提取出原始波形中的波谷数据，定义Bottom-Hat算子为：

(10)

在Top-Hat算子和Bottom-Hat算子的基础上，定义波峰谷检测器为：

D _e(t) = Th(f)+ Bh(f) (11)

4．基于形态峰谷特性的故障选线

运用自定义的峰谷检测器对各线路零序电流的包络线进行处理，采样数据长度为100，经过运算后得到长度为100的信号序列D _e(t)，为原始信号中所包含的波峰和波谷信号。取D _e(t)检测到的各线路零序电流包络线的第一个波峰或波谷。形态峰谷性质与其他线路相反的为故障线路，即若其中一条线路L_j为波峰（谷），其他线路都为波谷（峰），则线路L_j为故障线路。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1．本方法采样频率为10kHz，时间窗为10ms，对同步采样频率和对采集记录硬件的要求较低，在技术上较易实现。

2．本方法所使用的数学形态学完全在时域中进行计算，计算方法简单，避免了一般的计算方法需要在时-频域相互转换的缺点。

3、本方法鲁棒性好，且耐受过渡电阻的性能很强，不受干扰的影响，有较强的实用性。

附图说明

图1 为配电网仿真模型图，图中i ₀₁，i ₀₂，…，i ₀₆分别为线路L₁，L₂，…，L₆的零序电流；T为变压器；T_Z为Z型变压器；K、L、R组成消弧线圈。

图2为本发明的各线路零序电流图，图中t/ms为时间/毫秒；(a)线路L₁零序电流；(b)线路L₂零序电流；(c)线路L₃零序电流；（d）线路L₄零序电流；(e)线路L₅零序电流；（f）线路L₆零序电流。

图3 为本发明的各线路零序电流的包络线，图中t/ms为时间/毫秒；(a)故障线路L₁零序电流的包络线；(b)健全线路L₂零序电流的包络线；(c)健全线路L₃零序电流的包络线；(d)健全线路L₄零序电流的包络线；(e)健全线路L₅零序电流的包络线；(f)健全线路L₆零序电流的包络线。

图4 为本发明的各线路零序电流包络线的形态峰谷特性图，图中t/ms为时间/毫秒；(a)故障线路L₁零序电流包络线的峰谷特性；(b)健全线路L₂零序电流包络线的峰谷特性；(c)健全线路L₃零序电流包络线的峰谷特性；(d)健全线路L₄零序电流包络线的峰谷特性；(e)健全线路L₅零序电流包络线的峰谷特性；(f)健全线路L₆零序电流包络线的峰谷特性。

具体实施方式

仿真模型如图1所示，设架空线路L₁距离母线10km处发生单相接地故障，故障时刻t_f=25ms，过渡电阻为20Ω，故障合闸角为90°，时间窗长度取10ms，采样频率为10kHz。

（1）配电网发生单相接地故障后，母线零序电压高于额定相电压15%时，启动元件立即启动。根据公式：

i _j0= i _jA+ i _jB+ i _jC j=1,2,……6 (1)

求得各线路的零序电流，零序电流波形如图2所示。

（2）采样频率10kHz，采样序列长度为100，求取各线路零序电流i _j0的包络线。包络线的求取方法如下：

1.求出i _j0的所有极大/极小值；

2.分别对极大/极小值构成的序列进行内插值，得到信号的上包络线e _max(t)和下包络线e _min(t)；

3.求上下包络线的均值m(t)=( e _max(t)+ e _min(t))/2得到信号的包络线m(t)。

得到的包络线如图3所示。

（3）求取各线路零序电流包络线的峰谷综合特性：

D _e(t) = Th(m(t))+ Bh(m(t)) (4)

其峰谷特性如图4所示。

（5）取D _e(t)检测到的各线路零序电流包络线的第一个波峰或波谷。形态峰谷性质与其他线路相反的为故障线路，即线路L₁为波峰，其他线路都为波谷，则线路L₁为故障线路。

本发明中对不同的故障线路、不同的故障接地电阻进行了仿真验证，得到故障选线的测试结果如下表所示。

Claims

1.一种利用形态峰谷检测的配电网故障选线方法，其特征在于按以下步骤进行：

i _j0= i _jA+ i _jB+ i _jC j=1,2,……6(1)

式中：i _j0为线路L_j的零序电流；i _jA、i _jB和i _jC分别为线路L_j的A、B、C的三相电流；

（2）采样频率10kHz，采样序列长度为100，求取各线路零序电流i_j0的包络线；包络线的求取方法如下：

1）求出i _j0的所有极大/极小值；

2）分别对极大/极小值构成的序列进行内插值，得到信号的上包络线e_max(t)和下包络线e_min(t)；

3）求上下包络线的均值m(t)=( e_max(t)+ e_min(t))/2得到信号的包络线m(t)；

（3）利用数学形态学中的Top-Hat算子和Bottom-Hat算子检测各线路零序电流的波峰和波谷：

Th(m(t))=m(t)-(m(t)οg) (2)

Bh(m(t))=m(t)-(m(t)·g) (3)

式中：Th(m(t))为零序电流包络线的波峰数据，Bh(m(t))为零序电流包络线的波谷数据，g为数学形态学中的结构元素，采用长度为3的扁平结构元素，ο表示数学形态学中的开运算，·表示数学形态学中的闭运算；

（4）求取各线路零序电流包络线的峰谷综合特性：

D_e(t) = Th(m(t))+ Bh(m(t))(4)

（5）取D _e(t)检测到的各线路零序电流包络线的第一个波峰或波谷，形态峰谷性质与其他线路相反的为故障线路，即若其中一条线路L_j为波峰，其他线路都为波谷或其中一条线路L_j为波谷，其他线路都为波峰，则线路L_j为故障线路。