CN103399257A - 一种中性点不接地系统的铁磁谐振故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中性点不接地系统的铁磁谐振故障检测方法，本发明对母线三相电压和零序电压信号进行分析检测系统的铁磁谐振故障，中性点不接地系统发生铁磁谐振初期的0.1s内包含有很多相邻频率分量的谐波，然而单相接地故障在故障发生的0.1s内只含有50Hz的频率分量，根据铁磁谐振故障与单相接地故障的这一本质区别在故障初期区分开铁磁谐振与单相接地故障，再进一步检测铁磁谐振的谐振类型。本发明以原子分解法作为铁磁谐振信号分析工具，高度冗余的原子库能够很好的捕捉信号的自然特征，实现了信号的稀疏分解，信号的表示结果简洁而可靠。

Description

一种中性点不接地系统的铁磁谐振故障检测方法

技术领域

本发明涉及电气领域，尤其是涉及一种中性点不接地系统的铁磁谐振故障检测方法。

背景技术

电力系统的工作可靠性和过电压大小密切相关，在电力系统各种事故中，由于过电压引起的绝缘事故占主导地位，而铁磁谐振过电压频繁发生在中性点不接地系统中，严重威胁着配电网的安全稳定运行。在某些情况下，铁磁谐振与单相瞬时接地故障的电压信号特征相似，对铁磁谐振信号进行分析，并对电力系统铁磁谐振故障进行检测，有利于实现铁磁谐振过电压的在线检测，并防止故障误判。目前，铁磁谐振信号的分析方法主要是傅里叶变换和小波变换。但是，傅里叶变换无法同时表现信号的频域特征和时域特征，不适用于分析非平稳信号的时频局部化特性，小波变换虽然解决了这个问题，但是小波分析频率分辨率有限，无法辨识相近的频率成分，可能检测不出铁磁谐振的谐振频率。原子分解法采用稀疏分解代替传统信号分析方法的基展开法，采用与信号特征相似的时频原子来代替基函数，将信号在高度冗余的非正交基集合中进行分解。因此，有必要引入原子分解法分析铁磁谐振信号。

目前的铁磁谐振检测方法主要采用小波分析、零序信号阈值法和信号注入法，存在无法辨识的情况容易误判。研究原子分解法作为铁磁谐振信号的分析工具进行铁磁谐振检测的方法十分必要。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种中性点不接地系统的铁磁谐振故障检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，记录下发生故障期间母线的三相电压和零序电压U₀；

步骤2，对步骤1中记录下的三相电压中的A相电压和零序电压进行原子分解法分析；

步骤2.1，用原子分解法对A相电压信号进行参数辨识，得到A相电压在时间段TA之间的若干个最佳匹配原子，其中，TA为故障前TA1秒到故障发生后TA2秒，其中，TA1∈[0.1,0.3],TA2∈[1.6,1.9]；然后提取每个最佳匹配原子的特征参数，包括适应度值G，满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量f_Am，其中m=1,2,3…n，n为A相电压在TA间满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量的个数；

步骤2.2，对故障后的零序电压U₀分别在三个时间段T1、T2、T3进行原子分解法分析，其中T1为故障发生T11秒后的8到10个周波，T2为故障发生T21秒后的8到10个周波，T3为故障发生T31秒后的8到10个周波，其中，所述1个周波为0.02s，T11∈[0.02,0.04]，T21∈[0.6,0.9]，T31∈[1.6,1.9]；然后提取每个最佳匹配原子的特征参数，包括适应度值G，衰减系数D，零序电压U₀在T1间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量f_1p，在T2间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量f_2q，在T3间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量f_3k；其中，p=1,2,3…n1，n1为U₀在T1间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量的个数；q=1,2,3…n2，n2为U₀在T2间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量的个数；k=1,2,3…n3，n3为U₀在T3间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量的个数；

步骤3，对原子分解法分析得到的上述频率和衰减系数的特征参量进行判断，检测故障类型；

步骤3.1，对任意的f_Am、f_1p、f_2q、f_3k均满足f_Am∈[0,300]，f_1p∈[0,300]，f_2q∈[0,300]，f_3k∈[0,300]，且q≤3，k≤3，则有可能发生了铁磁谐振，此时进入第,3.2步的判断，若不满足上述要求则系统未发生铁磁谐振；

步骤3.2，若存在f_1p满足f_1p≠50，则发生铁磁谐振，此时进入第3.3步，否则进入第3.5步；

步骤3.3，若存在f_2q≠50，则发生了非工频谐振，此时，若存在f_3k=50，则为发生非工频谐振后快速消失，若f_3k≠50，则系统发生了频率为f_3k的非工频铁磁谐振；

步骤3.4，若f_2q=50，则系统发生了基频谐振，此时，D(f_2q)≤-1，则为发生了基频谐振后快速消失，否则若D(f_2q)＞-1，则为发生基频谐振；其中，D(f2q)表示频率为f2q的最佳匹配原子的衰减系数；

步骤3.5，若f_1p=50，则系统没有发生谐振，如果D(f_1p)≤-1，则为发生单相瞬时接地故障，如果D(f_1p)＞-1，则为发生了单相永久接地故障；其中，D(f1p)表示频率为f1p的最佳匹配原子的衰减系数。

在上述中性点不接地系统的铁磁谐振故障检测方法，所述的步骤1中，至少要记录故障前TA1秒到故障发生后TA2秒期间的三相电压和零序电压波形，其中，TA1∈[0.1,0.3],TA2∈[1.6,1.9]。

在上述中性点不接地系统的铁磁谐振故障检测方法，所述的步骤2中，所述原子分解法使用阻尼正弦原子库作为过完备原子库，并使用改进粒子群算法优化的匹配追踪算法作为将信号在原子库中稀疏分解的求解算法；其中，采取线性递减的惯性权重对粒子群算法进行改进，以改善粒子群算法易早熟和最优解附近振荡现象；改进的惯性权重满足

其中，w_min为最小惯性权重，取w_min=0.4；w_max为最大惯性权重，取w_max=0.9；k为粒子群算法的当前迭代次数，n为粒子群算法的总迭代次数；

用原子分解法对铁磁谐振A相电压和零序电压信号进行原子分解法分析相同，寻找最佳匹配阻尼正弦原子并得到相关特征参量的过程如下：

1)提取并导入得到的电压信号x(t)，对x(t)进行归一化处理，得到f=x’(t)，它们之间满足式中||x(t)||₂为x(t)的2范数，也即Euclid范数；

2)构造阻尼正弦原子组成原子库g_γ(n)，并对阻尼正弦原子库的原子进行归一化处理，原子的索引γ=(f,φ,ρ,t_s,t_e)，每个阻尼正弦原子由索引γ的五个参数唯一确定，这五个参数分别是频率f，相位Φ，衰减系数ρ，开始时间ts，终止时间te；

3)给定改进粒子群的匹配追踪算法的适应度评价函数为

其中，R^mf为第m次迭代的电压信号残余分量，初始残余电压信号即为原始的电压信号，即R¹f=f；g_γ为阻尼正弦原子库中的一个原子，g_γm为第m次迭代得到的最佳匹配原子，g_γm为阻尼正弦原子中与当前残余电压信号R^mf具有最大内积值得原子；

4)设置迭代次数为N，开始迭代过程，用改进的匹配追踪法进行原子分解，开始寻优，每一次迭代都选择出一个粒子群体最优解，也就获得了一个最佳匹配原子g_γm，存储g_γm及其特征参数；

5)按照公式R^mf=R^m-1f-<R^m-1f,g_γ(m-1)>g_γ(m-1)更新当前残余信号R^mf；判断迭代次数是否小于N，同时判断若是，则循环执行4、5步骤进行迭代过程，否则终止迭代；

6)提取N次迭代的最优解，即最佳匹配原子，并得到最佳匹配原子对应的索引的五个特征参数，分别为频率、初相角、衰减系数、开始时间、终止时间，并从这五个特征参数中提取铁磁谐振电压信号检测需要的每个最佳匹配原子及相应的频率、衰减系数、开始时间、终止时间；

7)得到最佳匹配原子用来表征铁磁谐振电压信号信号，最佳原子的相关参数正反应了系统铁磁谐振的信息。

在上述中性点不接地系统的铁磁谐振故障检测方法，所述的步骤3中，提出的检测判据的依据是中性点不接地系统铁磁谐振时电压不会出现很高频率的谐振，最大不超过300Hz，系统发生铁磁谐振的0.1s内包含有很多相邻频率分量的谐波，并能在0.6s～0.9s进入稳定的长久谐振或者谐振后自行消失，此时零序电压至多包含三种频率分量，单相接地故障在故障发生的0.1s内只含有50Hz的频率分量。

因此，本发明具有如下优点：用改进粒子群算法对匹配追踪算法进行优化，得到的原子分解法具有很好的收敛性，同时降低了稀疏分解计算的复杂度和耗时。原子分解法分析铁磁谐振信号时，能够直观方便的得到信号的局部特征参量，如频率、衰减系数、相位、起止时间等，便于下一步分析，而且结果准确。本发明提出的基于原子分解法的铁磁谐振检测方法用于铁磁谐振检测十分方便有效，抓住了铁磁谐振故障与单相永久接地故障的本质区别。

附图说明

附图1是本发明铁磁谐振检测方法的故障检测流程图；

附图2是本发明的装置的结构原理示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明主要包括以下步骤：

步骤1，记录下发生故障期间母线的三相电压和零序电压U₀；

步骤2，对步骤1中记录下的三相电压中的A相电压和零序电压进行原子分解法分析；

步骤2.1，用原子分解法对A相电压信号进行参数辨识，得到A相电压在时间段TA之间的若干个最佳匹配原子，其中，TA为故障前0.21s到故障发生后1.79s；然后提取每个最佳匹配原子的特征参数，包括适应度值G，满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量f_Am，其中m=1,2,3…n，n为A相电压在TA间满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量的个数；

步骤2.2，对故障后的零序电压U₀分别在三个时间段T1、T2、T3进行原子分解法分析，其中T1为故障发生0.03s后的10个周波，T2为故障发生0.79s后的10个周波，T3为故障发生1.69s后的10个周波，所述10个周波即0.1s；然后提取每个最佳匹配原子的特征参数，包括适应度值G，衰减系数D，零序电压U₀在T1间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量f_1p，在T2间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量f_2q，在T3间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量f_3k；其中，p=1,2,3…n1，n1为U₀在T1间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量的个数；q=1,2,3…n2，n2为U₀在T2间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量的个数；k=1,2,3…n3，n3为U₀在T3间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量的个数；

步骤3，对原子分解法分析得到的上述频率和衰减系数的特征参量进行判断，检测故障类型；

步骤3.1，对任意的f_Am、f_1p、f_2q、f_3k均满足f_Am∈[0,300]，f_1p∈[0,300]，f_2q∈[0,300]，f_3k∈[0,300]，且q≤3，k≤3，则有可能发生了铁磁谐振，此时进入第,3.2步的判断。若不满足上述要求则系统未发生铁磁谐振，可能是其他类型的电力系统谐波；

步骤3.2，若存在f_1p满足f_1p≠50，则发生铁磁谐振，此时进入第3.3步，否则进入第3.5步；

步骤3.3，若存在f_2q≠50，则发生了非工频谐振，此时，若存在f_3k=50，则为发生非工频谐振后快速消失，若f_3k≠50，则系统发生了频率为f_3k的非工频铁磁谐振；

步骤3.4，若f_2q=50，则系统发生了基频谐振，此时，D(f_2q)≤-1，则为发生了基频谐振后快速消失，否则若D(f_2q)＞-1，则为发生基频谐振；其中，D(f2q)表示频率为f2q的最佳匹配原子的衰减系数；

步骤3.5，若f_1p=50，则系统没有发生谐振，如果D(f_1p)≤-1，则为发生单相瞬时接地故障，如果D(f_1p)＞-1，则为发生了单相永久接地故障；其中，D(f1p)表示频率为f1p的最佳匹配原子的衰减系数；

下面，介绍一个采用上述方法的具体案例：

首先，记录下发生故障期间母线的三相电压和零序电压。

至少保留故障前0.21s至故障后1.79s期间的三相电压和零序电压波形，经信号调理电路处理，然后通过高速A/D（Analog to Digital）转换，将模拟信号变为数字信号后存放在FLASH存储器中。

然后，对A相电压和零序电压进行原子分解法分析。

编制原子分解法的matlab程序对在时间段TA间的A相电压信号进行分析，并对零序电压分别在三个时间段T1、T2、T3进行原子分解法分析，设置迭代次数为10次，当达到迭代次数时，分别得到各自的最佳匹配阻尼原子以及相应的频率、起止时间、衰减系数和相位。

1)铁磁谐振回路一般可以等效为由电阻R、线性电容C和铁芯电感L组成电路，铁磁谐振信号是工频正弦信号和谐波信号的叠加，由此针对铁磁谐振信号选取阻尼正弦原子库。阻尼正弦原子的离散化形式如下： $g_{\mathrm{\&alpha;}}\left(n\right)=K_{\mathrm{\&alpha;}}{e}^{-\mathrm{\&rho;}(n-n_e)}\cos (\mathrm{\&xi;n}+\mathrm{\&phi;})\&times;[u(n-n_s)-u(n-n_e)]$ 其中，n={0,1,...,N-1}，N为信号的长度；n_s与n_e分别为阻尼正弦原子的开始时刻采样点数和终止时刻采样点数；ξ为频率参数，表示原子在频域包络的中心位置；φ为相位参数，表示原子信号的初相角；ρ为衰减系数。

2)引入智能优化算法对匹配追踪算法作出改进，解决每次迭代过程中寻找最佳匹配原子的问题。

将原子分解法程序存放在FLASH中，并用同步动态随机存储器(Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM)存放原子分解法计算过程中的数据。用数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）作为算法处理器，用于铁磁谐振信号分析。

最后，对原子分解法分析得到的上述频率和衰减系数的特征参量进行判断，检测故障类型。

将DSP的分析结果输出到复杂可编程逻辑器件（Complex ProgrammableLogic Device,CPLD）中进行各参量的逻辑判断，并将CPLD连接到单片机，实现通过控制液晶、键盘以实现人机对话和结果输出。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种中性点不接地系统的铁磁谐振故障检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，记录下发生故障期间母线的三相电压和零序电压U₀；

步骤2，对步骤1中记录下的三相电压中的A相电压和零序电压进行原子分解法分析；

步骤2.1，用原子分解法对A相电压信号进行参数辨识，得到A相电压在时间段TA之间的若干个最佳匹配原子，其中，TA为故障前TA1秒到故障发生后TA2秒，其中，TA1∈[0.1,0.3],TA2∈[1.6,1.9]；然后提取每个最佳匹配原子的特征参数，包括适应度值G，满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量f_Am，其中m=1,2,3…n，n为A相电压在TA间满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量的个数；

步骤2.2，对故障后的零序电压U₀分别在三个时间段T1、T2、T3进行原子分解法分析，其中T1为故障发生T11秒后的8到10个周波，T2为故障发生T21秒后的8到10个周波，T3为故障发生T31秒后的8到10个周波，其中，所述1个周波为0.02s，T11∈[0.02,0.04]，T21∈[0.6,0.9]，T31∈[1.6,1.9]；然后提取每个最佳匹配原子的特征参数，包括适应度值G，衰减系数D，零序电压U₀在T1间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量f_1p，在T2间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量f_2q，在T3间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量f_3k；其中，p=1,2,3…n1，n1为U₀在T1间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量的个数；q=1,2,3…n2，n2为U₀在T2间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量的个数；k=1,2,3…n3，n3为U₀在T3间持续存在的满足0.1≤G≤1的最佳匹配原子的频率分量的个数；

步骤3，对原子分解法分析得到的上述频率和衰减系数的特征参量进行判断，检测故障类型：

步骤3.1，对任意的f_Am、f_1p、f_2q、f_3k均满足f_Am∈[0,300]，f_1p∈[0,300]，f_2q∈[0,300]，f_3k∈[0,300]，且q≤3，k≤3，则有可能发生了铁磁谐振，此时进入第,3.2步的判断，若不满足上述要求则系统未发生铁磁谐振；

步骤3.2，若存在f_1p满足f_1p≠50，则发生铁磁谐振，此时进入第3.3步，否则进入第3.5步；

步骤3.3，若存在f_2q≠50，则发生了非工频谐振，此时，若存在f_3k=50，则为发生非工频谐振后快速消失，若f_3k≠50，则系统发生了频率为f_3k的非工频铁磁谐振；

步骤3.4，若f_2q=50，则系统发生了基频谐振，此时，D(f_2q)≤-1，则为发生了基频谐振后快速消失，否则若D(f_2q)＞-1，则为发生基频谐振；其中，D(f2q)表示频率为f2q的最佳匹配原子的衰减系数；

步骤3.5，若f_1p=50，则系统没有发生谐振，如果D(f_1p)≤-1，则为发生单相瞬时接地故障，如果D(f_1p)＞-1，则为发生了单相永久接地故障；其中，D(f1p)表示频率为f1p的最佳匹配原子的衰减系数。

2.根据权利要求1中性点不接地系统的铁磁谐振故障检测方法，其特征在于，所述的步骤1中，至少要记录故障前TA1秒到故障发生后TA2秒期间的三相电压和零序电压波形，其中，TA1∈[0.1,0.3],TA2∈[1.6,1.9]。

3.根据权利要求2中性点不接地系统的铁磁谐振故障检测方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述原子分解法使用阻尼正弦原子库作为过完备原子库，并使用改进粒子群算法优化的匹配追踪算法作为将信号在原子库中稀疏分解的求解算法；其中，采取线性递减的惯性权重对粒子群算法进行改进，以改善粒子群算法易早熟和最优解附近振荡现象；改进的惯性权重满足

其中，w_min为最小惯性权重，取w_min=0.4；w_max为最大惯性权重，取w_max=0.9；k为粒子群算法的当前迭代次数，n为粒子群算法的总迭代次数；

用原子分解法对铁磁谐振A相电压和零序电压信号进行原子分解法分析相同，寻找最佳匹配阻尼正弦原子并得到相关特征参量的过程如下：

1)提取并导入得到的电压信号x(t)，对x(t)进行归一化处理，得到f=x’(t)，它们之间满足

式中||x(t)||₂为x(t)的2范数，也即Euclid范数；

2)构造阻尼正弦原子组成原子库g_γ(n)，并对阻尼正弦原子库的原子进行归一化处理，原子的索引γ=(f,φ,ρ,t_s,t_e)，每个阻尼正弦原子由索引γ的五个参数唯一确定，这五个参数分别是频率f，相位Φ，衰减系数ρ，开始时间ts，终止时间te；

3)给定改进粒子群的匹配追踪算法的适应度评价函数为

其中，R^mf为第m次迭代的电压信号残余分量，初始残余电压信号即为原始的电压信号，即R¹f=f；g_γ为阻尼正弦原子库中的一个原子，g_γm为第m次迭代得到的最佳匹配原子，g_γm为阻尼正弦原子中与当前残余电压信号R^mf具有最大内积值得原子；

4)设置迭代次数为N，开始迭代过程，用改进的匹配追踪法进行原子分解，开始寻优，每一次迭代都选择出一个粒子群体最优解，也就获得了一个最佳匹配原子g_γm，存储g_γm及其特征参数；

5)按照公式R^mf=R^m-1f-<R^m-1f,g_γ(m-1)>g_γ(m-1)更新当前残余信号R^mf；

6)判断迭代次数是否小于N，同时判断若是，则循环执行4、5步骤进行迭代过程，否则终止迭代；

7)提取N次迭代的最优解，即最佳匹配原子，并得到最佳匹配原子对应的索引的五个特征参数，分别为频率、初相角、衰减系数、开始时间、终止时间，并从这五个特征参数中提取铁磁谐振电压信号检测需要的每个最佳匹配原子及相应的频率、衰减系数、开始时间、终止时间；

8)得到最佳匹配原子用来表征铁磁谐振电压信号信号，最佳原子的相关参数正反应了系统铁磁谐振的信息。

4.根据权利要求1中性点不接地系统的铁磁谐振故障检测方法，其特征在于，所述的步骤3中，提出的检测判据的依据是中性点不接地系统铁磁谐振时电压不会出现很高频率的谐振，最大不超过300Hz，系统发生铁磁谐振的0.1s内包含有很多相邻频率分量的谐波，并能在0.6s～0.9s进入稳定的长久谐振或者谐振后自行消失，此时零序电压至多包含三种频率分量，单相接地故障在故障发生的0.1s内只含有50Hz的频率分量。

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