CN104237731B - 基于eemd与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提供一种基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法。该方法首先确定故障的起始时刻，然后取故障起始时刻前、后各1/2工频周期的各出线的零序电流进行EEMD分解，再取出各电流的高频IMF分量和剩余分量，然后分别求取各线路的高频IMF分量和剩余分量的能量和，再求出各线路的能量权重系数，通过分析比较能量权重系数的大小可以判别出故障元件，该方法不易受过渡电阻的影响，抗干扰能力强，判别故障时无需人工操作，当发生不同类型的单相接地故障时，都能够准确判别出故障元件。

Description

基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法

技术领域

本发明涉及一种谐振接地配电网单相接地故障选线方法，特别是一种基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法。

背景技术

随着城市的发展和电力系统容量的不断增加，当配网发生单相短路故障时，故障电流也较以前大很多倍，严重时系统中会产生弧光过电压，其值为相电压的2.5～3倍，严重威胁着系统的绝缘，而且极易使故障范围扩大。为了限制短路点电流的大小，防止上述危害的发生，配电网广泛采用中性点谐振接地运行方式。在谐振接地配电网中，当某一出线发生单相接地故障时，则在暂态过程中，感性电流的频率主要集中在0～50Hz,而容性电流的频率为300～3000Hz，由于频率相差很大，二者不能相互抵消，又由于所有健全相的电容电流都通过接地点流入故障线路的故障相中，因而故障线路比健全线路含有的高频分量丰富；当母线发生单相接地故障时，暂态过程中所有出线只流经自身的暂态容性电流，其大小相差不大。

适用于谐振接地配电网的单相接地故障选线方法主要有小波分析法、首半波法、注入信号跟踪法、拉路法、五次谐波分量法等。其中对于小波分析法，选线准确度较高，但是小波变换的分解结果由预先确定的基函数所决定，因而小波变换不能够根据信号的特征进行自适应分解；首半波法易受过渡电阻的影响而引起误判；注入信号跟踪法也易受过渡电阻的影响，当过渡电阻较大时，信号非常微弱，同时注入的信号易受干扰；拉路法虽已改进，但仍需要人工操作，判别故障的时间仍较长；对于五次谐波分量法，由于五次谐波的含量比基波含量小很多，且容易受到负荷的五次谐波源、过渡电阻的影响，在实际应用中效果不理想。

美籍华人黄锷(Norden E.Huang)等人在2009年提出了集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD)。EEMD能根据信号本身的特点对信号进行分解，且EEMD适用于分析瞬时性出现的信号。利用EEMD可把任何信号分解成若干个固有模态函数(IMF)分量和一个剩余分量。也就是说，原始信号中不同频率的交流分量被分解成不同尺度的IMF分量，直流分量被包含在剩余分量中。所以通过EEMD分解各线路的零序电流，可得到各零序电流的高频谐波分量和衰减的直流分量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法，该方法抗干扰能力强，不易受过渡电阻的影响，判别故障时无需人工操作，能准确的、可靠的选出当发生不同类型的单相接地故障时的故障线路。

本发明采用以下方案进行实现：基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线

方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S01：获取母线各相相电压u_i、零序电压u₀、零序电流i₀及各条出线的零序电流i_0i，并对上述电量进行滤波和离散化处理；步骤S02：判断配电网是否发生永久性单相接地故障，若配电网发生永久性单相接地故障，则执行步骤S03；步骤S03：利用EEMD法分解母线零序电压u₀，提取u₀最高频率的固有模态函数IMF分量c_i1，并对u₀最高频率的IMF分量c_i1求一阶向前差分：z(k)＝c_i1(k+1)-c_i1(k)(1)，式(1)中，k为采样点，Z(k)为一阶向前差分，c_i1(k)为离散化后的母线零序电压u₀，对Z(k)取模值f＝|Z(k)|，模值f最大的点f_max所在时刻t_m即为该信号的奇异值点所在时刻t_q，奇异值点所在时刻t_q即为故障发生的起始时刻t_s；步骤S04：提取配电网各出线的故障起始时刻t_s前、后各1/2工频周期的零序电流i_t0i，分别对各出线i_t0i进行EEMD分解，提取出各出线的高频IMF分量c_ij和剩余分量r_i；步骤S05：分别求各IMF分量c_ij和剩余分量r_i的能量：其中k为采样点，n为时间序列的长度，i为线路的编号,j为IMF分量的编号，m为IMF分量的总个数,E_ij为线路L_i的次序为j的IMF分量c_ij的能量，E_ir为线路L_i的剩余分量r_i的能量，再求各条出线的能量:所有出线的总能量:最后求取线路L_i的能量权重系数:步骤S06：设定能量权重系数p_i的阈值p_set，各线路的能量权重系数p_i与阈值p_set相比较，若所有线路的P_i<P_set，则表示母线发生了故障；若某一条线路的P_i>P_set，则表示该条线路发生了故障。

更进一步，所述步骤S02还包括以下具体步骤：步骤S021：判断母线零序电压u₀的有效值U₀是否超过0.15倍的额定线电压的有效值U_l，若U₀>0.15U_l进入步骤S022，否则表示系统未出现永久性单相接地故障，结束任务；步骤S022：判断是否有两相的相电压u₁、u₂的有效值U₁、U₂高于额定相电压的有效值U_p，另一相的相电压u₃的有效值U₃低于额定相电压的有效值U_p，且母线零序电流i₀不为零，若满足以上条件，则表示配电网是否发生永久性单相接地故障，执行步骤S03，否则表示系统未出现永久性单相接地故障，结束任务。

在本发明具体实施例中，在步骤S03和步骤S04中，所述EEMD原理实现步骤如下：

⑴将一组白噪声信号d_K(t)叠加在原始信号x(t)中，得y_K(t)＝x(t)+d_K(t),K∈(1,N)(7)，式(7)中，K为EMD分解的次数，N为所设定的EMD分解的总次数；⑵对y_K(t)进行EMD分解，得式(8)中c_Kp(t)为第K次EMD分解中次序为p的IMF分量；r_K(t)为第K次EMD分解中的剩余分量；q为第K次EMD分解所得的IMF分量的总个数；⑶重复步骤⑴和步骤⑵，当重复次数为N时转到步骤⑷；⑷分别求各个IMF分量的平均值，得到IMF分量c_p(t)和剩余分量r(t)：

$c_p\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{K}{\overset{N}{\&Sigma;}}{c}_{Kp}\left(t\right)---\left(9\right),r\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{K}{\overset{N}{\&Sigma;}}{r}_K\left(t\right)---\left(10\right),$

其中c_p(t)为x(t)的次序为i的IMF分量，r(t)为x(t)剩余分量。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、所使用的EEMD方法采用加、减运算，提高了计算速度和计算效率，并且EEMD能根据信号自身的特征对信号进行自适应分解，无需选择基函数。

2、不受故障时刻的影响，不依赖线路结构参数，即当发生不同类型的单相接地故障时，都能够准确判别出故障元件。

附图说明

图1是本发明具体实施例的工作流程图。

图2是本发明实施例的谐振接地配电网模型图。

图3是当相电压的相角消弧线圈的补偿度为10％时，线路4末端发生单相金属性接地故障，线路4的零序电流波形图。

图4是对图3所示的零序电流进行EEMD分解后，提取出的前三个高频分量和剩余分量的波形图。

图5是当相电压的相角接地电阻为200Ω时，线路1在距母线2km处发生故障，各线路能量权重系数条形图。

图6是当相电压的相角接地电阻为20Ω时，母线发生故障，各线路能量权重系数条形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供的基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法具体工作流程参见图1，包括如下步骤：

步骤S01：获取母线各相相电压u_i、零序电压u₀、零序电流i₀及各条出线的零序电流i_0i，并对上述电量进行滤波和离散化处理；

步骤S02：判断配电网是否发生永久性单相接地故障，若配电网发生永久性单相接地故障，则执行步骤S03；

步骤S03：利用EEMD法分解母线零序电压u₀，提取u₀最高频率的固有模态函数IMF分量c_i1，并对u₀最高频率的IMF分量c_i1求一阶向前差分：z(k)＝c_i1(k+1)-c_i1(k)(1)，式(1)中，k为采样点，Z(k)为一阶向前差分，c_i1(k)为离散化后的母线零序电压u₀，对Z(k)取模值f＝|Z(k)|，模值f最大的点f_max所在时刻t_m即为该信号的奇异值点所在时刻t_q，奇异值点所在时刻t_q即为故障发生的起始时刻t_s；

步骤S04：提取配电网各出线的故障起始时刻t_s前、后各1/2工频周期的零序电流i_t0i，分别对各出线i_t0i进行EEMD分解，提取出各出线的高频IMF分量c_ij和剩余分量r_i；

步骤S05：分别求各IMF分量c_ij和剩余分量r_i的能量： 其中k为采样点，n为时间序列的长度，i为线路的编号,j为IMF分量的编号，m为IMF分量的总个数,E_ij为线路L_i的次序为j的IMF分量c_ij的能量，E_ir为线路L_i的剩余分量r_i的能量，再求各条出线的能量:所有出线的总能量:最后求取线路L_i的能量权重系数:

步骤S06：设定能量权重系数p_i的阈值p_set，各线路的能量权重系数p_i与阈值p_set相比较，若所有线路的P_i<P_set，则表示母线发生了故障；若某一条线路的P_i>P_set，则表示该条线路发生了故障。

步骤S02判断配电网是否发生永久性单相接地故障，包括以下具体步骤：步骤S021：判断母线零序电压u₀的有效值U₀是否超过0.15倍的额定线电压的有效值U_l，若U₀>0.15U_l进入步骤S022，否则表示系统未出现永久性单相接地故障，结束任务；

步骤S022：判断是否有两相的相电压u₁、u₂的有效值U₁、U₂高于额定相电压的有效值U_p，另一相的相电压u₃的有效值U₃低于额定相电压的有效值U_p，且母线零序电流i₀不为零，若满足以上条件，则表示配电网是否发生永久性单相接地故障，执行步骤S03，否则表示系统未出现永久性单相接地故障，结束任务。

本发明实施例中，在步骤S03和步骤S04中所述EEMD原理具体如下，

⑴将一组白噪声信号d_K(t)叠加在原始信号x(t)中，得y_K(t)＝x(t)+d_K(t),K∈(1,N)(7)，式(7)中，K为EMD分解的次数，N为所设定的EMD分解的总次数；

⑵对y_K(t)进行EMD分解，得式(8)中c_Kp(t)为第K次EMD分解中次序为p的IMF分量；r_K(t)为第K次EMD分解中的剩余分量；q为第K次EMD分解所得的IMF分量的总个数；

⑶重复步骤⑴和步骤⑵，当重复次数为N时转到步骤⑷；

⑷分别求各个IMF分量的平均值，得到IMF分量c_p(t)和剩余分量r(t)：

$c_p\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{K}{\overset{N}{\&Sigma;}}{c}_{Kp}\left(t\right)---\left(9\right),r\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{K}{\overset{N}{\&Sigma;}}{r}_K\left(t\right)---\left(10\right),$

其中c_p(t)为x(t)的次序为i的IMF分量，r(t)为x(t)剩余分量。

在本发明具体实施例中采用如图2所示的谐振接地配电网模型图进行仿真。

当相电压的相角消弧线圈的补偿度为10％时，图2中电缆线路L4末端发生单相金属性接地故障，电缆线路L4的零序电流波形图参见图3。图3所示的电缆线路L4的零序电流波形进行EEMD分解后，提取出的前三个高频分量和剩余分量的波形参见图4。当相电压的相角接地电阻为200Ω时，架空线路1在距母线2km处发生故障，各线路能量权重系数条形参见图5。当相电压的相角接地电阻为20Ω时，母线发生故障，各线路能量权重系数条形参见图6。从图2至图6可以看出如果采用本发明提供的方法可以清楚、准确地进行谐振接地配电网的单相接地故障选线。

采用本发明提供的基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法，采用EEMD方法，提高了计算速度和计算效率，并且EEMD能根据信号自身的特征对信号进行自适应分解，无需选择基函数；且本发明不受故障时刻的影响，不依赖线路结构参数，即当发生不同类型的单相接地故障时，都能够准确判别出故障元件。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S01：获取母线各相相电压u_i、零序电压u₀、零序电流i₀及各条出线的零序电流i_0i，并对上述电量进行滤波和离散化处理；

步骤S02：判断配电网是否发生永久性单相接地故障，若配电网发生永久性单相接地故障，则执行步骤S03；

步骤S03：利用EEMD法分解母线零序电压u₀，提取u₀最高频率的固有模态函数IMF分量c_i1，并对u₀最高频率的IMF分量c_i1求一阶向前差分：z(k)＝c_i1(k+1)-c_i1(k) (1)，式(1)中，k为采样点，Z(k)为一阶向前差分，c_i1(k)为离散化后的母线零序电压u₀，对Z(k)取模值f＝|Z(k)|，模值f最大的点f_max所在时刻t_m即为该信号的奇异值点所在时刻t_q，奇异值点所在时刻t_q即为故障发生的起始时刻t_s；

步骤S04：提取配电网各出线的故障起始时刻t_s前、后各1/2工频周期的零序电流i_t0i，分别对各出线i_t0i进行EEMD分解，提取出各出线的高频IMF分量c_ij和剩余分量r_i；

步骤S05：分别求各IMF分量c_ij和剩余分量r_i的能量： 其中k为采样点，n为时间序列的长度，i为线路的编号，j为IMF分量的编号，m为IMF分量的总个数，E_ij为线路L_i的次序为j的IMF分量c_ij的能量，E_ir为线路L_i的剩余分量r_i的能量，再求各条出线的能量：所有出线的总能量：最后求取线路L_i的能量权重系数：

步骤S06：设定能量权重系数p_i的阈值p_set，各线路的能量权重系数p_i与阈值p_set相比较，若所有线路的P_i＜P_set，则表示母线发生了故障；若某一条线路的P_i＞P_set，则表示该条线路发生了故障。

2.根据权利要求1所述的基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：所述步骤S02还包括以下具体步骤：

步骤S021：判断母线零序电压u₀的有效值U₀是否超过0.15倍的额定线电压的有效值U_l，若U₀>0.15U_l进入步骤S022，否则表示系统未出现永久性单相接地故障，结束任务；

步骤S022：判断是否有两相的相电压u₁、u₂的有效值U₁、U₂高于额定相电压的有效值U_p，另一相的相电压u₃的有效值U₃低于额定相电压的有效值U_p，且母线零序电流i₀不为零，若满足以上条件，则表示配电网发生永久性单相接地故障，执行步骤S03，否则表示系统未出现永久性单相接地故障，结束任务。

3.根据权利要求1所述的基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：在步骤S03和步骤S04中，所述EEMD原理实现步骤如下：

⑴将一组白噪声信号d_K(t)叠加在原始信号x(t)中，得y_K(t)＝x(t)+d_K(t),K∈(1,N)(7)，式(7)中，K为EMD分解的次数，N为所设定的EMD分解的总次数；

⑵对y_K(t)进行EMD分解，得式(8)中c_Kp(t)为第K次EMD分解中次序为p的IMF分量；r_K(t)为第K次EMD分解中的剩余分量；q为第K次EMD分解所得的IMF分量的总个数；

⑶重复步骤⑴和步骤⑵，当重复次数为N时转到步骤⑷；

⑷分别求各个IMF分量的平均值，得到IMF分量c_p(t)和剩余分量r(t)：

$\begin{array}{cc}{c}_p\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{K}{\overset{N}{\&Sigma;}}{c}_{Kp}\left(t\right)---\left(9\right),& r\left(t\right)=\frac{1}{N}\underset{K}{\overset{N}{\&Sigma;}}{r}_K\left(t\right)---\left(10\right),\end{array}$

其中c_p(t)为x(t)的次序为i的IMF分量，r(t)为x(t)剩余分量。