CN104237683A - 中性点不接地系统铁磁谐振故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中性点不接地系统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来检测系统的铁磁谐振故障，本发明以基于经验模态分解(EMD)的Hilbert变换(HHT)为核心，结合FFT变换，先对三相电压和零序电压信号进行FFT分析，再进行HHT分析，最后由三维Hilbert谱得出铁磁谐振发生的时刻及铁磁谐振过电压幅值大小，实现铁磁谐振类型、幅值、诱发时刻的准确定量分析。本发明采用HHT信号分析法彻底摆脱了线性和平稳性束缚，即可实现电压信号的频域分析，同时又可进行时域分析；进行HHT分析时采用RBF-点对称延拓法结合镜像延拓法改善HHT的端点效应，避免模态重叠。

Description

中性点不接地系统铁磁谐振故障检测方法

技术领域

本发明属于电力系统安全性分析领域，涉及一种中性点不接地系统铁磁谐振故障检测方法。

背景技术

中性点不接地系统中包含有许多电感、电容性元件(如变压器、互感器等的电感；输电线路的对地电容及相间电容)，可以构成一系列不同频率的振荡回路。在这些回路中，电压互感器(简称PT)是铁芯电感元件，如果有某种大的扰动或操作，PT的非线性铁芯就可能饱和，从而与线路和设备的对地电容形成特殊的单相或三相共振回路，激发起持续的较高幅值的铁磁谐振过电压。谐振时出现的异常过电压和过电流引起绝缘闪络、避雷管爆炸、设备损坏，严重时造成停电事故，严重威胁电网安全运行。铁磁谐振的理论分析和计算主要有：

(1)图解法、相平面法，多在对铁磁谐振发生机理进行定性的分析；

(2)用非线性系统的分析法对谐振电路进行分析，如幅频法、平均法、谐波平衡法等；

(3)国外学者把铁磁谐振与非线性动态系统和混沌分析结合起来，将分叉理论、奇异和非奇异吸引子的概念引入铁磁谐振的研究领域，利用功率谱密度和庞加莱映射的方法和数字仿真技术对其进行动态分析；

(4)用数字仿真方法对铁磁谐振进行稳态和暂态计算。

到目前为止，国内对于铁磁谐振的数值计算研究可分为两大类：

(1)在建立的数学模型基础上，用一些拟定的参数进行计算得出有关PT谐振的规律；

(2)采用国外的电力系统电磁暂态计算程序(EMTP)，对实际系统进行仿真计算。但该程序实际上没有专门针对铁磁谐振现象的计算，所以仿真效果并不理想，并且该程序的使用和维护都很复杂。因此，有必要对配电网中的铁磁谐振故障进行研究，并提出中性点不接地系统铁磁谐振故障检测方法，帮助运维检修人员进行分析。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种中性点不接地系统铁磁谐振故障检测方法。

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铁磁谐振故障检测方法，包括以下步骤：

步骤一，故障录波仪记录故障时母线三相电压和零序电压信号U₀；

步骤二，对步骤一中记录下的母线三相电压和系统中性点U₀电压进行快速傅氏变换(FFT)，得到信号所含频率成分，构造出指定带宽的滤波器，对信号进行滤波，使各频率成分分开，初步判断单相接地故障和铁磁谐振故障；

步骤三，对经过步骤二处理的三相电压信号和零序电压信号通过经验模态分解(EMD)分解为若干个固有模态函数IMF，再对每个IMF进行Hilbert变换，得到每个IMF随时间变化的瞬时频率和瞬时幅值，构建信号的时间-频率-能量分布即三维Hilbert谱，实现铁磁谐振类型、幅值、诱发时刻的准确定量分析。

更优的是，所述的步骤一中，至少要记录故障前t1秒到故障后t2秒期间的母线三相电压和零序电压波形，其中t1∈[0.1，0.2]，t2∈[2.0，3.0]。

更优的是，所述的步骤二中，初步判断单相接地故障和铁磁谐振故障的依据是中性点不接地系统单相接地故障在故障发生的0.1s内只含有50Hz的频率分量，铁磁谐振的0.1s内波形发生畸变，包含有很多相同频率的谐波，并能在以后的时间内逐渐进入稳定的长久谐振或者谐振后自行消失。

更优的是，所述的步骤三中，运用相似系数法从一组IMF中提取出能表征原信号主要特征的主模态分量。

更优的是，所述的步骤三中，对得到的每个IMF随时间变化的瞬时频率和瞬时幅值进行最小二乘法拟合与均值运算，得到各分量的频率和幅值。

更优的是，所述的步骤三中，三相电压信号和零序电压信号进行HHT分析的步骤如下：

1)记原始电压信号为x(t)，对于任意电压信号x(t)，经验模态分解EMD分解过程如下：

(1)找到信号x(t)的所有极大值和极小值点，分别用曲线拟合，得到x(t)的上包络线υ₁(t)和下包络线υ₂(t)；

(2)上、下包络线的平均值记为m(t)，则并令h(t)＝x(t)-m(t)，则h(t)为一个近似的IMF；

(3)将h(t)作为新的x(t)，重复(1)、(2)操作，直到h(t)满足IMF条件停止，此时得到第一阶IMF记作c₁(t)；

(4)将r(t)＝x(t)-c₁(t)作为新的x(t)，重复以上过程，依次得到第二阶、第三阶IMF分量，……，最终可得电压信号其中，r(t)称为残余函数，代表信号的平均趋势；

2)对所有的IMF进行Hilbert变换，记x_i(t)＝c_i(t)，x_i(t)的Hilbert变换为： $y_i\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{x_i\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ},$ 反变换则为 $x_i\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{y_i\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ},$ 因此，对原电压信号经过EMD分解得到的每个IMF分量做Hilbert变换后，就能得到每个IMF分量的解析式：a_i(t)为每个IMF分量随时间变化的瞬时幅值，θ_i(t)为相角，则每个IMF分量随时间变化的瞬时频率为 ${\∫}_i\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{d{\mathrm{\θ}}_i\left(t\right)}{\mathrm{dt}}.$

3)根据每个IMF分量的瞬时频率和瞬时幅值，构建电压信号的时间-频率-能量分布即三维Hilbert谱，实现铁磁谐振类型、幅值、诱发时刻的准确定量分析。

更优的是，所述的步骤三中，HHT分析时通过RBF-点对称延拓法结合镜像延拓法改善HHT的端点效应。

综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、传统的铁磁谐振判别方法，如傅立叶变换只能处理线性、平稳的电压信号，小波变换在实际算法实现中只能处理线性非平稳电压信号。本发明采用HHT信号分析法彻底摆脱了线性和平稳性束缚，即可实现电压信号的频域分析，同时又可进行时域分析。

2、先采用FFT分析法初步判别单相接地和铁磁谐振，再用基于经验模态分解(EMD)的HHT分析法检测出基频谐振、分频谐振及高频谐振，并由三维Hilbert谱得出铁磁谐振发生的时刻及铁磁谐振过电压幅值大小。

3、对电压信号进行HHT分析时采用RBF-点对称延拓法结合镜像延拓法改善HHT的端点效应，避免模态重叠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明的中性点不接地系统铁磁谐振故障检测方法的具有以下优点：

1、传统的铁磁谐振判别方法，如傅立叶变换只能处理线性、平稳的电压信号，小波变换在实际算法实现中只能处理线性非平稳电压信号。本发明采用HHT信号分析法彻底摆脱了线性和平稳性束缚，即可实现电压信号的频域分析，同时又可进行时域分析。

2、先采用FFT分析法初步判别单相接地和铁磁谐振，再用基于经验模态分解(EMD)的HHT分析法检测出基频谐振、分频谐振及高频谐振，并由三维Hilbert谱得出铁磁谐振发生的时刻及铁磁谐振过电压幅值大小。

3、对电压信号进行HHT分析时采用RBF-点对称延拓法结合镜像延拓法改善HHT的端点效应，避免模态重叠。

实施例：一种中性点不接地系统铁磁谐振故障检测方法，包括以下步骤：

步骤一，故障录波仪记录故障时母线三相电压和零序电压信号U₀；至少要记录故障前t1秒到故障后t2秒期间的母线三相电压和零序电压波形，其中t1∈[0.1，0.2]，t2∈[2.0，3.0]；

步骤二，对步骤一中记录下的母线三相电压和系统中性点U₀电压进行快速傅氏变换(FFT)，得到信号所含频率成分，构造出指定带宽的滤波器，对信号进行滤波，使各频率成分分开，初步判断单相接地故障和铁磁谐振故障；初步判断单相接地故障和铁磁谐振故障的依据是中性点不接地系统单相接地故障在故障发生的0.1s内只含有50Hz的频率分量，铁磁谐振的0.1s内波形发生畸变，包含有很多相同频率的谐波，并能在以后的时间内逐渐进入稳定的长久谐振或者谐振后自行消失。

步骤三，对经过步骤二处理的三相电压信号和零序电压信号通过经验模态分解(EMD)分解为若干个固有模态函数IMF，再对每个IMF进行Hilbert变换，得到每个IMF随时间变化的瞬时频率和瞬时幅值，构建信号的时间-频率-能量分布即三维Hilbert谱，实现铁磁谐振类型、幅值、诱发时刻的准确定量分析；

运用相似系数法从一组IMF中提取出能表征原信号主要特征的主模态分量；

对得到的每个IMF随时间变化的瞬时频率和瞬时幅值进行最小二乘法拟合与均值运算，得到各分量的频率和幅值；

三相电压信号和零序电压信号进行HHT分析的步骤如下：

1)记原始电压信号为x(t)，对于任意电压信号x(t)，经验模态分解EMD分解过程如下：

(1)找到信号x(t)的所有极大值和极小值点，分别用曲线拟合，得到x(t)的上包络线υ₁(t)和下包络线υ₂(t)；

(2)上、下包络线的平均值记为m(t)，则并令h(t)＝x(t)-m(t)，则h(t)为一个近似的IMF；

(3)将h(t)作为新的x(t)，重复(1)、(2)操作，直到h(t)满足IMF条件停止，此时得到第一阶IMF记作c₁(t)；

(4)将r(t)＝x(t)-c₁(t)作为新的x(t)，重复以上过程，依次得到第二阶、第三阶IMF分量，……，最终可得电压信号其中，r(t)称为残余函数，代表信号的平均趋势；

2)对所有的IMF进行Hilbert变换，记x_i(t)＝c_i(t)，x_i(t)的Hilbert变换为： $y_i\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{x_i\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ},$ 反变换则为 $x_i\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{y_i\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ},$ 因此，对原电压信号经过EMD分解得到的每个IMF分量做Hilbert变换后，就能得到每个IMF分量的解析式：a_i(t)为每个IMF分量随时间变化的瞬时幅值，θ_i(t)为相角，则每个IMF分量随时间变化的瞬时频率为 ${\∫}_i\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{d{\mathrm{\θ}}_i\left(t\right)}{\mathrm{dt}}.$

3)根据每个IMF分量的瞬时频率和瞬时幅值，构建电压信号的时间-频率-能量分布即三维Hilbert谱，实现铁磁谐振类型、幅值、诱发时刻的准确定量分析。

HHT分析时通过RBF-点对称延拓法结合镜像延拓法改善HHT的端点效应。

以上仅仅以一个实施方式来说明本发明的设计思路，在系统允许的情况下，本发明可以扩展为同时外接更多的功能模块，从而最大限度扩展其功能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种中性点不接地系统铁磁谐振故障检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，故障录波仪记录故障时母线三相电压和零序电压信号U₀；

步骤二，对步骤一中记录下的母线三相电压和系统中性点U₀电压进行快速傅氏变换(FFT)，得到信号所含频率成分，构造出指定带宽的滤波器，对信号进行滤波，使各频率成分分开，初步判断单相接地故障和铁磁谐振故障；

步骤三，对经过步骤二处理的三相电压信号和零序电压信号通过经验模态分解(EMD)分解为若干个固有模态函数IMF，再对每个IMF进行Hilbert变换，得到每个IMF随时间变化的瞬时频率和瞬时幅值，构建信号的时间-频率-能量分布即三维Hilbert谱，实现铁磁谐振类型、幅值、诱发时刻的准确定量分析。

2.根据权利要求1所述的中性点不接地系统铁磁谐振故障检测方法，其特征在于，所述的步骤一中，至少要记录故障前t1秒到故障后t2秒期间的母线三相电压和零序电压波形，其中t1∈[0.1，0.2]，t2∈[2.0，3.0]。

3.根据权利要求1所述的中性点不接地系统铁磁谐振故障检测方法，其特征在于，所述的步骤二中，初步判断单相接地故障和铁磁谐振故障的依据是中性点不接地系统单相接地故障在故障发生的0.1s内只含有50Hz的频率分量，铁磁谐振的0.1s内波形发生畸变，包含有很多相同频率的谐波，并能在以后的时间内逐渐进入稳定的长久谐振或者谐振后自行消失。

4.根据权利要求1所述的中性点不接地系统铁磁谐振故障检测方法，其特征在于，所述的步骤三中，运用相似系数法从一组IMF中提取出能表征原信号主要特征的主模态分量。

5.根据权利要求1所述的中性点不接地系统铁磁谐振故障检测方法，其特征在于，所述的步骤三中，对得到的每个IMF随时间变化的瞬时频率和瞬时幅值进行最小二乘法拟合与均值运算，得到各分量的频率和幅值。

6.根据权利要求1所述的中性点不接地系统铁磁谐振故障检测方法，其特征在于，所述的步骤三中，三相电压信号和零序电压信号进行HHT分析的步骤如下：

1)记原始电压信号为x(t)，对于任意电压信号x(t)，经验模态分解EMD分解过程如下：

(1)找到信号x(t)的所有极大值和极小值点，分别用曲线拟合，得到x(t)的上包络线υ₁(t)和下包络线υ₂(t)；

(2)上、下包络线的平均值记为m(t)，则并令h(t)＝x(t)-m(t)，则h(t)为一个近似的IMF；

(3)将h(t)作为新的x(t)，重复(1)、(2)操作，直到h(t)满足IMF条件停止，此时得到第一阶IMF记作c₁(t)；

(4)将r(t)＝x(t)-c₁(t)作为新的x(t)，重复以上过程，依次得到第二阶、第三阶IMF分量，……，最终可得电压信号其中，r(t)称为残余函数，代表信号的平均趋势；

2)对所有的IMF进行Hilbert变换，记x_i(t)＝c_i(t)，x_i(t)的Hilbert变换为： $y_i\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{x_i\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ},$ 反变换则为 $x_i\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{y_i\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ},$ 因此，对原电压信号经过EMD分解得到的每个IMF分量做Hilbert变换后，就能得到每个IMF分量的解析式：a_i(t)为每个IMF分量随时间变化的瞬时幅值，θ_i(t)为相角，则每个IMF分量随时间变化的瞬时频率为 ${\∫}_i\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{d{\mathrm{\θ}}_i\left(t\right)}{\mathrm{dt}}.$

3)根据每个IMF分量的瞬时频率和瞬时幅值，构建电压信号的时间-频率-能量分布即三维Hilbert谱，实现铁磁谐振类型、幅值、诱发时刻的准确定量分析。

7.根据权利要求1所述的中性点不接地系统铁磁谐振故障检测方法，其特征在于，所述的步骤三中，HHT分析时通过RBF-点对称延拓法结合镜像延拓法改善HHT的端点效应。