CN102654553A - 一种选线定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够排除干扰、准确性高、适用范围广的选线定位方法。利用了Prony算法最突出的优点：能够分析出信号中的模态阻尼因子，能对故障时多条线路的故障瞬时电流进行采样和Prony拟合，得到精确的故障数据；结合傅里叶分解—小波分析法进行故障选线是因为所有非故障线路零序电流突变的极性相同，故障线路零序电流突变的极性与非故障线路零序电流突变极性相反，据此可以准确地判断出故障线路；确定故障线路之后再使用注入法进行故障定位，通过注入信号特征和路径的检测、跟踪来实现故障定位。本发明具有排除干扰、准确性高、适用范围广的特点，且有很大的推广价值。

Description

一种选线定位方法

技术领域

本发明涉及电网运行故障诊断技术领域，尤其涉及一种选线定位方法。

背景技术

电力系统常用的系统接地方式有多种：中性点直接接地、中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻接地。在《电气安全名词术语》GB/T 4776 - 1984标准中，将上述四种中性点接地方式归纳为两类：中性点有效接地系统 (system with effectively earthed neutral)：中性点直接接地或经一低值电阻接地。此类系统也可称为大接地电流系统；中性点非有效接地系统 (system with non-effectively earthed neutral):中性点不接地或经高值阻抗接地或经消弧线圈接地。此类系统也可称为小接地电流系统，大量文献亦称之小电流接地系统。

在我国，对于110kv及以上电网，一般都采用大接地电流的接地方式。对于66kV及以下配电网及大型工矿企业的供电系统，属于小接地电流系统，并以采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式居多。如上所述小接地电流系统的优点是单相接地电流较小，单相接地不形成短路回路，并可继续运行1~2h。但是，电网长时间带接地故障运行极容易引发相继的电气故障，使健全相绝缘薄弱处发生对地击穿，造成两相接地故障。所以，当故障发生以后，应尽快确定故障线路并予以切除，并且，是选择性的切除。也就是说当电网的某一线路发生接地故障时，接地保护装置仅使开关切除或发出信号指示接地故障所在线路，保证非接地线路的正常供电。这样有利于非故障线路和设备继续运行，缩小停电范围，对保证电网安全、可靠运行和提高劳动生产率显然极为有利。这就要求我们快速有效地进行选线定位，及时准确地找到发生接地故障线路和准确位置。

当前的主要选线方法：稳态零序电流幅值及相位比较法不能排除CT不平衡电流及过渡电阻大小的影响；稳态谐波电流方向比较法由于5次谐波含量相对基波而言要小得多，数值很小，极易混入干扰成份，测量精度不易保证；五次谐波分量法由于系统本身可能存在谐波源，以及在负荷不对称，特别是当系统发生相间短路或三相短路时，由于测量回路的元件饱和而产生大量的5次谐波，势必使得基于谐波分量比较法的判线判据失败，实际中应用5次谐波分量进行故障选线的装置效果很不理想；小波包模糊神经网络模型与算法对样本的选择有着严格的限制，选取样本时应考虑各种情况下的故障模式，在实际应用中受到了限制；Prony拟合方法，Prony算法可以提取信号的衰减特性和相位特性，因此如果能对故障时多条线路的故障瞬时电流进行采样和Prony拟合，然后再比较它们的相位和衰减特性，就可以找到故障线路，然而由于Prony算法本身的计算量比较大，需要复杂的高阶矩阵运算，致使这种分析方法不能得到有效的推广，同时，由于算法对噪声的影响十分敏感，在干扰噪声背景下，该模型的严格求解是一个高度非线性的最优化问题，这也极大地限制了Prony模型的应用；基于小波分析的方法，所有非故障线路零序电流突变的极性相同，故障线路零序电流突变的极性与非故障线路零序电流突变极性相反，据此可判断故障线路，有着采用的网络收敛速度快、具有极好的鲁棒性,不受负荷谐波源、故障点位置和过渡电阻的影响等优点，然而，该方法对样本的选择有着严格的限制，选取样本时应考虑各种情况下的故障模式，在实际应用中受到了限制；S注入法由于单相接地故障多为间歇性电弧接地，过渡电阻变化范围很大，当接地弧光电阻较大，处于区间                                                

时，与分布电容产生的容抗相当，选线就很困难了，容易误判、漏判。

当前的主要定位方法：行波法，可靠性、抗干扰能力和适应性较差；信号注入法，在系统故障时向系统注入信号电流是信号注入法的基本原理，故障定位则是通过注入信号特征和路径的检测、跟踪来实现，是目前单相接地故障检测在中低压电网中一种行之有效的方法，灵活性是信号注入法最大的优点，各种接线方式和结构的配电系统都适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够排除干扰、准确性高、适用范围广的选线定位方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种选线定位方法，包括以下步骤:

a.  采用Prony算法拟合得到故障数据;

b.  结合傅里叶分解—小波分析法进行故障选线;

c.  使用注入法进行故障定位，实现选线定位的需求。

本发明采用Prony算法拟合得到故障数据充分利用了Prony算法最突出的优点：能够分析出信号中的模态阻尼因子，能对故障时多条线路的故障瞬时电流进行采样和Prony拟合，得到精确的故障数据；结合傅里叶分解—小波分析法进行故障选线是因为所有非故障线路零序电流突变的极性相同，故障线路零序电流突变的极性与非故障线路零序电流突变极性相反，据此可以准确地判断出故障线路；确定故障线路之后再使用注入法进行故障定位，通过注入信号特征和路径的检测、跟踪来实现故障定位，最终实现选线定位的需求。本发明充分利用Prony算法、傅里叶分解—小波分析法和注入法的各自优点，使本发明具有排除干扰、准确性高、适用范围广的特点，且有很大的推广价值。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1是基本小波的伸缩及参数

和

对分析范围的控制图；

图2是信号波形及FFT图；

图3是信号波形及DB12小波分解图；

图4是对第4、6尺度进行对比图；

图5是对故障线路和非故障线路零序电流进行FFT图；

图6是对故障线路和非故障线路零序电流进行小波分解图；

图7是第7尺度进行模极大值比较图；

图8是信号注入法原理示意图。

具体实施方式

   各种方案优缺点比较及优化方案的提出

      1.各种方案优缺点比较总结如下：

     1）稳态零序电流幅值及相位比较法

由于中性点接入了消弧线圈，特别一般工作在过补偿情况下，故障线路零序电流与非故障线路相比，已没有中性点不接地系统中幅值最大的的特征。并且，故障线路与非故障线路相位相同，超前系统零序电压90度。

但该方法不能排除CT不平衡的影响，受线路长短、系统运行方式及过渡电阻大小的影响，且系统中可能存在某条线路的电容电流大于其它线路电容电流之和的情况，可见此法在理论上就是不完备的。对于中性点经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈提供的电感电流补偿了电网对地的电容电流，使流过故障线路的零序电流大大减小，此时很难用零序电流保护原理来获得保护的选择性。由于种种缺点，零序电流比幅法目前已较少使用。后来在此基础上提出了群体比幅比相法，其原理是先进行各条线路的比较，选出几个幅值较大的作为候选线路，然后在此基础上进行相位比较，选出方向与其他不同的，即为故障线路。该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但同样不能排除CT不平衡电流及过渡电阻大小的影响。

     2）稳态谐波电流方向比较法

测量数据显示，5次谐波为除基波外含量最大，一般为1%~8%。由于5次谐波含量相对基波而言要小得多，数值很小，极易混入干扰成份，测量精度不易保证;以此原理构成的接地保护其零序电压动作值往往较高，灵敏度较低，在接地点存在一定过渡电阻值下将出现拒动现象。

     3）五次谐波分量法

由于系统本身可能存在谐波源，以及在负荷不对称，特别是当系统发生相间短路或三相短路时，由于测量回路的元件饱和而产生大量的5次谐波，势必使得基于谐波分量比较法的判线判据失败。因此实际中应用5次谐波分量进行故障选线的装置效果很不理想。

     4）Prony拟合方法

Prony算法可以提取信号的衰减特性和相位特性，因此如果能对故障时多条线路的故障瞬时电流进行采样和Prony拟合，然后再比较它们的相位和衰减特性，就可以找到故障线路。

     5）小波包模糊神经网络模型与算法

该方法有着采用的网络收敛速度快、具有极好的鲁棒性,不受负荷谐波源、故障点位置和过渡电阻的影响等优点。然而，该方法对样本的选择有着严格的限制，选取样本时应考虑各种情况下的故障模式，在实际应用中受到了限制。

     6）基于小波分析的暂态零序电流比较法

根据小波变换的模极大值理论可知，出现故障和噪声会导致信号奇异，而小波变换的模极大值点对应着采样信号的奇异点，由于噪声的模极大值随着尺度的增加而衰减，所以经过适当的尺度分解后，即可忽视噪声影响得到较理想的暂态短路信号。所有非故障线路零序电流突变的极性相同，故障线路零序电流突变的极性与非故障线路零序电流突变极性相反，据此可判断故障线路。

     7）S注入法

检测装置中的电流探测器必须具有很高的品质因数、很窄的通带宽度和很高的通带放大倍数，以隔离掉相邻次谐波，把有用信号检测出来，实现正确选线。通常选择位于工频n次与n+1次谐波之间的某一特定电流信号作为注入信号。

由于单相接地故障多为间歇性电弧接地，过渡电阻变化范围很大。当接地弧光电阻较大，处于区间

时，与分布电容产生的容抗相当，选线就很困难了，容易误判、漏判。

     8）行波测距

行波法比阻抗法定位的精确度高，但可靠性、抗干扰能力和适应性较差。特别是由于配电网线路结构复杂，负荷分散[41]，行波在各段线路联接处、各个一次设备产生非常复杂的折射和反射，行波信号的识别受到了严重的影响。此外，行波信号的提取也会受到较大负载的影响。

     9）信号注入法

在系统故障时向系统注入信号电流是信号注入法的基本原理，故障定位和选线则是通过注入信号特征和路径的检测、跟踪来实现，是目前单相接地故障检测在中低压电网中一种行之有效的方法。灵活性是信号注入法最大的优点，各种接线方式和结构的配电系统都适用。

        2.优化方案的提出

综合比较各种方法的优缺点，可以看出改进的Prony算法在数据拟合方面可以很好地逼近真实值，基于小波分析的选线方式可以很好地得到所需频率的暂态信号随时间变化情况，而基于信号注入法的定位方法能够适应网络复杂性的需求，因此采用以下步骤:

a.  采用Prony算法拟合得到故障数据;

b.  结合傅里叶分解—小波分析法进行故障选线;

c.  使用注入法进行故障定位，实现选线定位的需求。

采用Prony算法拟合得到故障数据

Prony 算法无需解特征方程，无需估计样本自相关，仅通过线性方程组和多项式方程，便可求得信号的模态信息。与传统的算法相比，Prony算法最突出的优点是能分析出信号中的模态阻尼因子。由于Prony变换是利用阻尼谐波对信号进行分解，因此其运算量较大，也只有在计算机技术高度发展的今天，才能得以应用。算法对于噪声的影响十分敏感，在干扰噪声背景下，该模型的研究求解是一个高度非线性的最优化问题，这也极大地限制了Prony算法的实际应用。但随着研究的不断深入和技术的发展，Prony方法将得到越来越广泛的关注和应用。

考察式

  该式与傅氏变换的形式非常相似，当；且

为已知的确定基波频率时，即为傅氏变换，恰恰是不确定的衰减系数

和频率

使它区别于傅氏变换，成为一种非线性的多维滤波方法，其滤波特征是立方体式的。从这个意义上说，Prony分析可以看作是傅立叶分析的扩展。

由上式知，其第n个采样点的估计值可表示为

式中，代表采样的时间间隔。设上式中分别有

个衰减的直流分量和

个衰减余弦分量，将其中的余弦用欧拉公式展开后，令

，则其离散时间的函数形式为：

 

       

   

并使

作为

的近似，为真实的测量数据，

为其估计值。其中

均为复数，包含了确定信号的频率和阻尼因子等信息量，其一般形式可写为

                             

为了求出，使误差平方和为最小即可，但这需要求解非线性方程组，通常这种非线性方程的求解是一种迭代过程。

  Prony方法的关键是认识到

的拟合是一常系数线性差分方程的齐次解，即有

                                         

只需通过测量观察数据求出这个差分方程的系数和，即可从以这些系数为参数的多项式方程中求出多项式的根。

求出后，根据最小二乘法可求解

，从而Prony算法所要辨识的四个参数均可得到。

结合傅里叶分解—小波分析法进行故障选线

给定一个基本函数

，令

             

                            

式中

均为常数，且

。显然，

是基本函数

先作移位再作伸缩以后得到的。若

不断地变化，我们可得到一族函数

。给定平方可积的信号，即

，则的小波变换（Wavelet Transform，WT）定义为

              

                       

              

式中

和

均是连续变量，因此该式又称为连续小波变换（CWT）。如无特别说明，式中及以后各式中的积分都是从到

。信号

的小波变换是

和

的函数，

是时移，

是尺度因子。

又称为基本小波，或母小波。是母小波经移位和伸缩所产生的一族函数，我们称之为小波基函数，或简称小波基。这样， 

又可解释为信号和一族小波基的内积。

母小波可以是实函数，也可以是复函数。若

是实信号，

也是实的，则

也是实的，反之，为复函数。

的作用是确定对

分析的时间位置，也即时间中心。尺度因子

的作用是把基本小波

作伸缩。由

变成

，当

时，若

越大，则

的时域支撑范围（即时域宽度）较之

变得越大，反之，当

时，越小，则

的宽度越窄。这样，

和

联合越来确定了对

分析的中心位置及分析的时间宽度，如图1所示,基本小波的伸缩及参数和

对分析范围的控制。

(a)基本小波，（b）

，,(c) 

不变，

, (d)分析范围

这样， WT可理解为用一族分析宽度不断变化的基函数对

作分析，这一变化正好适应了我们对信号分析时在不同频率范围所需要不同的分辨率这一基本要求。

因子

是为了保证在不同的尺度

时，

始终能和母函数

有着相同的能量，即

                  

令

，则

，这样，上式的积分即等于。

令

的傅里叶变换为，

的傅里叶变换为，由傅里叶变换的性质，

的傅里叶变换为：

  

    

    

        

由Parsevals定理：

                     

                          

           

此式即为小波变换的频域表达式。

小波分析相对于傅里叶分解是有很大优势的，比如对于如下两个信号：

                          

它们的实际波形和FFT的结果如图2信号波形及FFT

由图2可见，虽然两个信号在时间域内有着明显不同的分布特性，但由于其频谱成分相似，因此FFT的结果是相似的，不能区分两个信号随时间变化的不同点。

接下来利用小波理论对这两个信号进行分析，当采用db12小波进行第七尺度的分解后，得到结果如图3信号波形及DB12小波分解。

其中对第4尺度和第6尺度进行详细对比如图4对第4、6尺度进行对比：

可见在第4尺度下主要反映的是40Hz频率成分在两种信号中随时间变化的情况，而第6尺度下主要反映的是15Hz频率成分在两种信号中随时间变化的情况。

并且在第4尺度下可以看出信号x1中40Hz频率成分贯穿始终，而信号x2中40Hz频率成分则只存在于后半段。第六尺度正好相反。小波分析很好地反映了两种信号不同频率成分随时间变化的情况。

接下来应用小波理论对仿真得到的故障线路和非故障线路零序电流进行分析。首先对故障线路和非故障线路零序电流进行FFT，结果如图5对故障线路和非故障线路零序电流进行FFT。

可见故障线路和非故障线路零序电流都含有丰富的频谱成分，而主要的频率成分集中在1KHz附近。那么接下来就要设法提取这1kHz的信号，并考察其随时间的变化规律。采用db12小波对信号进行分解。

图6 对故障线路和非故障线路零序电流进行小波分解。

如何得到1KHz左右的信号成分呢，结合FFT的结果可知1KHz左右的信号幅值最大，考查图6的分解结果，可知分解到第7尺度的时候幅值最大，因此，第7尺度下对应的信号成分接近1KHz。

如图7第7尺度进行模极大值比较。

根据小波变换的模极大值理论可知，出现故障和噪声会导致信号奇异，而小波变换的模极大值点对应着采样信号的奇异点，由于噪声的模极大值随着尺度的增加而衰减，所以经过适当的尺度分解后，即可忽视噪声影响得到较理想的暂态短路信号。所有非故障线路零序电流突变的极性相同，故障线路零序电流突变的极性与非故障线路零序电流突变极性相反。因此比较上面d7尺度下的两种信号模极大值可知，它们正好是相反的，据此可判断故障线路。

使用注入法进行故障定位

图8 信号注入法原理示意图。

注入信号的流通特点：

1）不会向无接地故障的线路中注入信号；

2）在接地点和变电站之间的回路是注入的信号电流的唯一通路，接地点越过后，将不再存在注入信号；

3）在有分支在接地点与变电站之间存在时，无接地故障的分支中也不会流入注入信号。

根据特点1)只要无注入信号电流在各出线中检测到，故障线路可以方便地找出，单相接地故障选线就可以基于注入信号电流实现。注入信号探测装置可以根据特点2)和特点3)在线路沿线和分支始端配置，接地点区段和接地分支可通过检测有无注入信号查找出，从而实现接地点的定位。

Claims (1)

1.一种选线定位方法，其特征在于：包括以下步骤:

a.采用Prony算法拟合得到故障数据；

b.结合傅里叶分解—小波分析法进行故障选线；

c.使用注入法进行故障定位，实现选线定位的需求。

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