CN105301426A - 一种多层级选择性低压短路保护实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层级选择性低压短路保护实验系统。包括具有三层级且可供短路故障的实验配电系统、前端设备、多层级短路故障测控系统；所述实验配电系统包括配电实型线路、电源柜、控制柜、短路柜，实现一体化的多层级实际短路故障发生与控制、故障类型切换、线路类型切换、负载类型切换；所述多层级短路故障测控系统包括信号采集、信号滤波处理、信号分析、故障报警模块。本发明实验系统可以实现对实际多层级低压配电系统正常工作状态和各类负载不同层级部位的单相、双相、三相短路故障发生控制及其早期检测与辨识以及选择性保护，本发明可提供真实多样可靠的实验数据依据，为低压系统多层级全范围选择性协调保护技术的研究奠定技术基础。

Description

一种多层级选择性低压短路保护实验系统

技术领域

本发明属于智能电器及在线监测技术领域，特别是涉及低压配电系统多层级各类短路故障的发生与控制以及短路故障的早期检测与辨识的一种多层级选择性低压短路保护实验系统。

背景技术

随着智能电网建设的发展与需求的不断提高，电网中大功率负荷迅速增长，大容量机组不断投入运行，电网的层级和短路电流的规模也在不断增长。不断增强的短路电流对线路、设备及保护电器本身的动热稳定性以及相互配合的协调性均提出了更高要求，也对智能电网供电的可靠性与持续性提出了更大挑战。对于智能配电系统而言，保障电网正常工作的重要手段之一是采用选择性保护。而在低压配电系统中，传统的选择性保护方式是过电流保护。不论是采用传统的还是智能型的短路保护电器，大多都仍采用全电流值是否大于其整定值来作为保护动作的判定依据。在这种情况下，距故障发生时刻已过了一定的时间，保护的快速性得不到保障；若通过的短路电流很大，还可能造成上下级同时跳闸或上级先跳闸的情况，保护的可靠性同样受到限制。传统的保护方式已不能满足实际应用需求，实现多层级全范围的选择性协调保护已成为低压选择性保护技术方向。

迄今，低压配电系统全范围选择性保护的机理尚未得到解决，故而始终无法得到更完善的选择性保护方法。中外学者始终都在不断进行着低压短路选择性保护方面的实验，但这些实验共同存在的最大问题就是仅针对其研究的某个问题进行实验，并没有形成完整的实验系统，短路故障与选择性保护的研究二者难以兼顾。外国学者提出了以阻抗矩阵来定位短路发生时刻，形成了一套实验平台，但也仅限于对短路的研究，而没有研究选择性保护。一些学者进行的短路保护实验研究旨在对保护电器或保护策略进行改进,提升了断路器的分断能力和分断速度，但亦没有研究多级保护的协调配合。许多学者对选择性保护的实验研究依赖于断路器产品的自身特性，仍然是以全电流值是否大于整定值作为判据，侧重于上下级断路器间的相互配合，缺乏配电系统、断路器和负载之间的协调配合，这样的实验结果对多层级配电系统的全范围选择性保护显然也是不适用的。许多企业进行的短路实验只为研究三段式保护，依靠这样的实验数据来对断路器产品进行整定，只适用于上下级断路器，缺乏多层级的协调能力。而一些检测机构所做的短路型式实验，也只适用于对单个断路器产品的短路电流分断能力的检测。本发明提供一套完整的多层级选择性低压短路保护实验系统，集不同层级不同位置的短路故障发生与控制、短路故障早期检测与辨识以及短路故障选择性保护于一身，克服了现有实验系统短路故障研究与选择性保护研究不能兼顾的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多层级选择性低压短路保护实验系统，通过该实验系统可以实现对实际多层级低压配电系统正常工作状态和各类负载不同层级部位的单相、双相、三相短路故障发生控制及其早期检测与辨识

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多层级选择性低压短路保护实验系统，包括具有三层级且可供短路故障的实验配电系统、前端设备、多层级短路故障测控系统；

所述实验配电系统，包括电源柜、配电实型线路、控制柜、短路柜，所述配电实型线路分别连接至电源柜、控制柜及短路柜；所述实验配电系统用于模拟实际低压配电系统的正常运行状态，并可发生和控制各层级不同位置的任意类型短路故障；

所述前端设备包括柔性罗氏线圈、与柔性罗氏线圈连接的积分器、电压传感器；所述前端设备用于对所述实验配电系统正常运行和发生短路故障时相应支路电流及电压信号的采集，并将信号输入所述多层级短路故障测控系统；

所述多层级短路故障测控系统包括Compact-RIO嵌入式数据采集分析系统、上位机Labview图形化程序编译平台，所述上位机Labview图形化程序编译平台内部集成了包括用于实现数据采样、滤波、短路故障早期检测、向保护电器发送跳闸指令的功能程序，用于短路实验过程测控，实现各类负载不同层级部位的单相、双相、三相短路发生控制及其早期检测技术以及短路故障的选择性保护。

在本发明一实施例中，所述电源柜位于所述实验配电系统的第一层级，包括电源进线和保护电器，用于为所述控制柜、短路柜以及与负载提供电源并为主回路提供保护，且带有操作指示灯。

在本发明一实施例中，所述配电实型线路位于所述实验配电系统的第二层级，配备有三种类型的线缆，分别为95mm²、25mm²、4mm²，三种线型长度均为90m，以提供不同等级的短路电流。

在本发明一实施例中，所述控制柜能够接入多种不同的阻、感、容性负载并能够任意切换；所述控制柜还能够通过延时继电器定时的方式发生和停止短路故障且带有操作指示灯。

在本发明一实施例中，所述短路柜用于选择需要投入短路故障的线缆类型；所述短路柜还用于对实际短路故障进行模拟，该实际短路故障包括单相、两相、三相的短路故障。

在本发明一实施例中，所述Compact-RIO嵌入式数据采集分析系统是多层级短路故障测控系统的硬件组成部分，其实际测控分析功能由多层级短路故障测控系统的软件部分，即Labview图形化程序编译平台通过程序开发加以实现。

在本发明一实施例中，所述上位机Labview图形化程序编译平台用于实现滤波功能的算法为形态小波滤波算法，采用不同形状或尺寸的结构元素构成具有多结构元素的广义形态开滤波器EXO，用于滤除白噪声以及正负脉冲噪声，其数学模型为：

（1）

（2）

（3）

上述，公式（1）为关于的腐蚀变换模型；公式（2）为关于的膨胀变换模型，其中，是定义域为的一维原始信号序列，是定义域为的结构元素，M≤N，并定义其原点在0处；公式（3）为广义形态开滤波器EXO的数学模型，其中，是定义域为的一维原始信号序列，和分别为腐蚀运算和膨胀运算的结构元素，和是整数集Z的两个有限子集，且。

在本发明一实施例中，所述上位机Labview图形化程序编译平台用于实现短路故障早期检测的算法是通过小波分解结合小波包细节分解算法加以实现，其仅对经多尺度小波分解得到的第四尺度细节分量做进一步的分解，得到高阶细节分量，其数学模型如下：

（4）

（5）

上述，公式（4）为三次B样条分解的数学模型，其中，为输入信号，、分别为第一到第三尺度小波分解得到的平滑分量，为小波分解得到的第四尺度细节分量，、分别为相应低通、高通滤波器的有限脉冲响应系数；公式（5）为小波包细节分解的数学模型，其中，、为将进一步分解得到的平滑分量与细节分量，、分别为相应低通、高通滤波器的有限脉冲响应系数。

在本发明一实施例中，所述小波包细节分解算法用于检测所述实验配电系统从正常运行到短路故障发生时刻的采样信号的突变特征量；短路故障早期检测算法通过判断当前分解得到的高阶细节分量是否超过设定的短路故障阈值来判定是否发生短路故障；若超过，判定线路上发生了短路故障，并向相应位置的保护电器发送跳闸指令。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明实验系统可以实现对实际多层级低压配电系统正常工作状态和各类负载不同层级部位的单相、双相、三相短路故障发生控制及其早期检测与辨识以及选择性保护，本发明可提供真实多样可靠的实验数据依据，为低压系统多层级全范围选择性协调保护技术的研究奠定技术基础；本发明可以仅用一套实验系统装置即可实现多层级各类短路故障的发生控制及其早期检测与辨识，方法简单，具有较好的应用价值。

附图说明

图1为本发明的总体技术方案。

图2为实验系统配电线路架构图。

图3为本发明的短路故障控制与保护模块框图。

图4为电源柜一次线路图。

图5为电源柜二次线路图。

图6为控制柜一次线路图。

图7为控制柜二次线路图。

图8为短路柜一次线路图。

图9为短路柜二次线路图。

图10为本发明的操作流程图。

图11为前端设备架构图。

图12为小波包细节分解算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种多层级选择性低压短路保护实验系统，包括具有三层级且可供短路故障的实验配电系统、前端设备、多层级短路故障测控系统；

所述实验配电系统，包括电源柜、配电实型线路、控制柜、短路柜，所述配电实型线路分别连接至电源柜、控制柜及短路柜；所述实验配电系统用于模拟实际低压配电系统的正常运行状态，并可发生和控制各层级不同位置的任意类型短路故障；

所述前端设备包括柔性罗氏线圈、与柔性罗氏线圈连接的积分器、电压传感器；所述前端设备用于对所述实验配电系统正常运行和发生短路故障时相应支路电流及电压信号的采集，并将信号输入所述多层级短路故障测控系统；

所述多层级短路故障测控系统包括Compact-RIO嵌入式数据采集分析系统、上位机Labview图形化程序编译平台，所述上位机Labview图形化程序编译平台内部集成了包括用于实现数据采样、滤波、短路故障早期检测、向保护电器发送跳闸指令的功能程序，用于短路实验过程测控，实现各类负载不同层级部位的单相、双相、三相短路发生控制及其早期检测技术以及短路故障的选择性保护。

所述上位机Labview图形化程序编译平台用于实现滤波功能的算法为形态小波滤波算法，采用不同形状或尺寸的结构元素构成具有多结构元素的广义形态开滤波器EXO，用于滤除白噪声以及正负脉冲噪声，其数学模型为：

（1）

（2）

（3）

上述，公式（1）为关于的腐蚀变换模型；公式（2）为关于的膨胀变换模型，其中，是定义域为的一维原始信号序列，是定义域为的结构元素，M≤N，并定义其原点在0处；公式（3）为广义形态开滤波器EXO的数学模型，其中，是定义域为的一维原始信号序列，和分别为腐蚀运算和膨胀运算的结构元素，和是整数集Z的两个有限子集，且。

所述上位机Labview图形化程序编译平台用于实现短路故障早期检测的算法是通过小波分解结合小波包细节分解算法加以实现，其仅对经多尺度小波分解得到的第四尺度细节分量做进一步的分解，得到高阶细节分量，其数学模型如下：

（4）

（5）

上述，公式（4）为三次B样条分解的数学模型，其中，为输入信号，、分别为第一到第三尺度小波分解得到的平滑分量，为小波分解得到的第四尺度细节分量，、分别为相应低通、高通滤波器的有限脉冲响应系数；公式（5）为小波包细节分解的数学模型，其中，、为将进一步分解得到的平滑分量与细节分量，、分别为相应低通、高通滤波器的有限脉冲响应系数。

所述小波包细节分解算法用于检测所述实验配电系统从正常运行到短路故障发生时刻的采样信号的突变特征量；短路故障早期检测算法通过判断当前分解得到的高阶细节分量是否超过设定的短路故障阈值来判定是否发生短路故障；若超过，判定线路上发生了短路故障，并向相应位置的保护电器发送跳闸指令。

以下结合附图具体讲述本发明的具体实施过程。

如图10所示，本实施例提供一种多层级选择性低压短路保护实验系统的操作方法，先通过控制柜接入负载，然后通过短路柜选定短路点和短路类型，之后通过计时器设置好短路故障发生的延时时间和短路故障持续时间，最后接通主回路电源，利用遥控触发延时继电器计时，计时时间到则发生短路故障。再利用前端设备采集故障电流或电压，输入多层级短路故障测控系统，利用软件滤波算法滤除白噪声和脉冲噪声干扰，进而利用短路故障早期检测算法提取经滤波后的信号中的特征量，最后将该特征量与事先设定好的短路故障阈值进行比较，若超过故障阈值，则判定该短路点发生短路故障，并向相应位置的保护电器发送跳闸信号，从而实现多层级短路故障的测控、短路故障早期检测与辨识以及短路故障的选择性保护。其中，滤波算法采用形态小波滤波算法；特征量的提取算法采用小波包细节分解算法；所提取的特征量为电流信号经小波包细节分解后得到的高阶细节分量（dd5）的瞬时值，通过判断dd5的瞬时值是否超过设定的短路故障阈值来判别相应短路点上是否发生了短路故障。

下面结合附图对本发明中三层级且可供短路故障的实验配电系统的工作原理做进一步说明。

如图1-9所示，从电源侧到干线再到负载侧的每个层级的线路上都选取适当位置设置短路点，配以短路柜设置要发生的短路故障类型以及进行短路故障的保护，再以控制柜实现短路故障的发生与控制。此外，控制柜还可实现负载类型的转换，使该实验配电系统能真正地模拟实际低压配电系统的正常运行及故障发生时的状态。但为了使短路实验顺利进行并获得多个完整周波的故障波形，本发明将不在电源侧设置短路点，以免引起电源侧主断路器保护动作。本发明在第二层级的中部（45m处）为三种规格的线缆各设置一个短路点，再以同等规格的线缆引接至短路柜中以设置短路故障的类型，同时在第三层级负载侧也始端设置一个短路点，达到不同层级均有短路点的效果。本发明通过短路柜实现单相、两相、三相等各类短路故障，短路类型1、2、3为三种不同规格线缆的三相线路，实验时通过QS1、QS2、QS3选择一种线路发生短路故障。真空交流接触器KM5用以启停短路故障并保护线路和设备不受短路故障侵害。QS4~QS8用于控制和切换短路类型，需要单相对中线短路则闭合QS4、QS8（A相）或QS5、QS8（B相）或QS7、QS8（C相），两相相间短路则闭合QS4、QS5（A、B相）或QS6、QS7（B、C相）或QS5、QS7（A、C相），两相对中线短路则闭合QS4、QS5、QS8（A、B相）或QS6、QS7、QS8（B、C相）或QS5、QS7、QS8（A、C相），三相短路则闭合QS4、QS5、QS7。通过不同的开关组合以实现对单相、两相、三相短路故障的模拟。

本发明将短路故障的发生与控制、短路类型的转换、负载的投入与类型的转换以及选择性保护等功能一并集成于电源柜、控制柜与短路柜中。在控制柜中，KT1为短路开始延时时间继电器，KT2为短路持续时间继电器，实验开始前在该柜柜门的操作盘上设定好适当的延时时间并将旋钮（SB4）转至闭合状态。实验系统以遥控器来触发KT1延时，实验系统上电运行后，遥控器启动KT1延时，使KM4内部开关打至“5”，投入指示灯亮，KT1线圈得电，开始延时。当KT1延时结束时，其辅助触点闭合。时间继电器KT2内部带有一个瞬动型常开触点以及一个通电延时型常闭触点，在KT1辅助触点闭合的同时，KT2线圈得电，瞬动型常开触点瞬间闭合，并且继电器开始延时。此时两个触点处于同时闭合状态，它们的一端分别连至端子排XT3上的5、6号端子，并将这两个端子导通。由于这两个端子与短路柜内XT2端子排上的5、6号端子相连，因而短路柜中KM5线圈得电，真空交流接触器KM5主触头合闸，常开触点1、2闭合，常闭触点1断开，动作指示灯亮起，短路故障开始投入实验线路。当KT1延时结束时，通电延时型常闭触点断开，KM5线圈失电，真空交流接触器KM5主触头分闸，短路故障被分断。

若真空交流接触器KM5分闸失败，则会造成短路电流持续影响实验系统，将可能对系统中的线路和设备造成侵害。因此，本系统中加入时间继电器KT3提供后备保护。前述KT1延时结束时，KM5线圈得电，KM5常开触点2闭合，该触点两端连至XT2上的7、8号端子，由于这两个端子与XT3上的7、8号端子相连，因而KT3线圈得电，KT3开始延时。若KM5主触头能正常分闸，则KM5常开触点2断开，使KT3继电器断电，KT3不再延时。若KM5主触头分闸失败，则KM5常开触点2继续闭合，KT3继续延时，当KT3延时结束时，其辅助触点闭合，该触点连至XT3上的9、10号端子，由于这两个端子与电源柜内端子排XT1上的1、2号端子相连，因而电源柜内主断路器QF分励脱扣线圈得电，使QF跳闸，从而使整个实验系统断电，保护线路和设备不受持续短路电流侵害。

除此之外，在电源柜内还添加了多重保护。电源主回路上的交流接触器KM2与连在端子排XT1上的门禁1、2、3提供了第二重保护。BT为小变压器，能将一次侧输入的B相电压220V转换至24V二次输出。电源柜、控制柜和短路柜的柜门把手上各装有一个门禁，电源柜柜门上装有旋钮SB2。实验系统上电前，只有在SB2转至闭合状态，且三个柜门全部关闭的情况下，端子排XT1上的3~10号端子才能全部导通，从而小变压器BT二次侧输出的24V电压使KM3线圈得电，KM3触点闭合，从而使真空交流接触器KM2线圈得电，其主触头合闸，常开触点闭合，正常指示灯亮，保护指示灯灭，实验系统正常上电工作。若出现SB2未转至闭合状态或任意柜门未关闭的情况，则KM3线圈不得电，其触点处于断开状态，则KM2线圈亦不得电，主触头分闸，实验系统断电，保护指示灯亮起。

由于刀开关不能带负载分合闸，因此在实验系统内的所有刀开关上都加入了防误触点，在实验系统上电之前将刀开关闭合后，将防误触点拨至“锁定”位置，刀开关即被锁定在合闸状态，这样在实验过程中实验人员就无法断开刀开关。特别地，由于电源主回路上的刀开关QS承受着大电流，为防止有人员在实验过程中不慎将QS断开而造成严重后果，实验系统在电源柜中将QS的防误触点与主断路器QF的分励脱扣线圈进行联锁，无论在实验系统上电前还是实验过程中，只要防误触点未闭合或人为断开，都将导致QF分励脱扣线圈得电，使主断路器QF跳闸，保证了实验人员和开关设备的安全。

最后，若在实验过程中出现设备故障或保护机制失效等异常情况超出实验人员认知而导致实验人员惊慌失措时，实验人员可按下电源柜柜门上的红色紧急停止按钮SB1，使其触点闭合，从而使QF分励脱扣线圈得电，主断路器QF跳闸，实验系统断电，防止意外状况蔓延。

实验人员通过对上述三个柜的操作即可实现多种负载的切换以及在需要的短路点发生和控制任意类型的短路故障。由于本发明中的设备大多为用电设备，电流等级较高，结构较为精密，因而由于操作不慎将可能导致人身安全与设备安全受到损害。因此本发明在提供较完备保护措施的基础上，还需实验人员严格遵守安全操作规程并根据该实验系统的控制与保护机制，完成相应操作步骤后再进行实验操作。特别值得一提的是，本发明在实验柜柜门上设有指示灯，在柜内的隔离开关上附有锁定开关，用以检验实验人员是否按照安全操作规程完成了相应操作步骤及安全保护措施，实验人员在实验开始前不仅应完成操作步骤，还应检验相应指示灯是否亮起，以防止遗漏某些步骤，造成安全隐患。

如图11所示，本发明利用前端设备采集实验系统正常运行和发生短路故障时相应支路电流及电压信号的采集，并将信号输入多层级短路故障测控系统，前端设备主要包括柔性罗氏线圈、积分器以及电压传感器。其中，积分器选用三通道积分器，每通道有四档量程，可用市电供电及内部可充电的蓄电池供电，满量程输出电压1V，最大输出电压10V。标准量程：10A/V、100A/V、1kA/V、10kA/V。柔性罗氏线圈选用1112/0.6-20型带有编织层屏蔽的标准柔性线圈，长度600mm，对插连接，末端用热塑管封压，输出电缆长度50m，其测量精度能达到1%，测量频率范围为1~300kHz。根据法拉第电磁感应定律，当欲测量的输入电流沿轴线通过柔性罗氏线圈中心时，在线圈环形绕组所包围的区域内将产生相应变化的磁场，强度为H，由安培环路定理得：∮H·dl=I(t)。线圈因此感应出电动势，与磁场强度H的变化率成正比。因此，所有线圈的感应电动势之和就与电流的变化率成正比，即：e(t)=di/dt。再用积分器对柔性罗氏线圈的输出电压e(t)求积分便可获取需要测量的电流信号。另外，本发明采用霍尔电压传感器实现对相电压的测量，其测量点位于电源端。

短路电流的变化率会在故障发生后极短的时间内剧增，小波变换能够有效提取和放大信号的突变特征量，并具有一定的消噪能力。但是，短路故障电流的变化规律与短路瞬间电源电压或电流的相位有密切的关系，存在个别故障初相角下的短路电流波形较光滑，利用小波变换无法检测到故障特征量或检测时间较长，影响短路故障早期检测的速度性及有效性。因此本发明中采用小波包细节分解算法对利用三次B样条小波分解得到的第四尺度细节分量进行进一步的分解得到高阶细节分量dd5，并以此作为故障特征量，从而在硬件运算能力允许的情况下进一步放大故障特征，达到更优的检测效果。由于小波降噪仅能较好地滤除白噪声，而对于脉冲噪声不能起到明显的作用。因此，在小波分解之前要加一级形态滤波器来滤除信号中的脉冲噪声。

前端设备将采集到的电流或电压信号输入多层级短路故障测控系统，测控系统对实验中不同类型负载工作时的正常工况电流以及不同层级多种类型的短路故障电流进行实时采集与存储，以获取故障支路及相邻支路的电流电压波形。通过Labview软件平台编写形态滤波算法以及基于小波包细节分解的短路电流早期检测算法的程序，用以对采集到的电流波形进行实时滤波与分析，在短路故障产生早期就能通过辨析特征值确认短路故障，并发出动作指令使分断机构分断短路故障，最后将所有分析结果显示在上位机Labview图形化界面中。

下面对上述形态滤波器、基于小波包细节分解的短路电流早期检测算法做进一步解释，参见图12所示。

（1）形态滤波器——广义形态开滤波器

形态滤波主要以腐蚀和膨胀两种基本运算为基础，其数学模型为：

（1）

（2）

（3）

公式（1）为关于的腐蚀变换模型；公式（2）为关于的膨胀变换模型，其中，是定义域为的一维原始信号序列，是定义域为的结构元素，M≤N，并定义其原点在0处。当信号采样周期为T _s时，形态腐蚀及膨胀滤波器可分别滤除脉冲宽度小于M*T _s的正脉冲或负脉冲。为了能同时滤除信号中的正负脉冲噪声，可将腐蚀与膨胀进行组合。一般的组合方式为先膨胀后腐蚀或先腐蚀后膨胀，但这样的组合方式其腐蚀与膨胀运算中的结构元素是相同的，这就造成在滤除信号中的正/负脉冲噪声的同时会增强信号中的负/正脉冲噪声，无法达到完好的滤除正、负脉冲噪声的效果。因此本发明采用由具有不同形状尺寸的结构元素构成的广义形态开滤波器作为采样信号的前置滤波器，公式（3）为广义形态开滤波器(EXO)的数学模型，其中，是定义域为的一维原始信号序列，和分别为腐蚀运算和膨胀运算的结构元素，和是整数集Z的两个有限子集，且。

（2）短路故障早期检测算法——小波包细节分解算法

小波变换具有时频局部化的特点，小波变换的基函数是具有有限的持续时间和突变频率/振幅的小波函数，这使其可较准确地拟合原始信号，特别是具有突变特征的非平稳信号。此外，它的矩形时频窗的形状及尺寸随其尺度因子的变化而自动调节，当尺度因子减小时，时窗宽度减小，时间分辨率提高，频窗宽度增大，频率分辨率降低且频率中心向高频处移动，符合低频信号对频率分辨率较高、高频信号对时间分辨率较高的要求，能够对信号进行多分辨率的细化分析，适用于对非平稳变化的信号进行特征量的提取。其实现过程相当于重复使用一组高通和低通滤波器，对时间序列信号进行逐步分解，高通滤波器产生信号的高频细节分量，低通滤波器产生信号的低频平滑分量。但是，小波变换的多分辨率分析仅将平滑分量进行逐级分解，随着分解尺度的增大，相应的小波基函数的频域分辨率变好，而时域分辨率变差，即由小波分解得到第四尺度细节分量虽然有较好的时域分辨率但其频域分辨率确较差，在将其应用于短路故障早期检测的过程中，在某些短路电流突变特征不明显的相角区间，其难以检测到故障或是需要更长的时间才能检测出故障。因此，后来有学者在小波变换的基础上提出了小波包变换，将各尺度下的细节分量进行进一步的分解，从而分解得到的细节分量同时具有较好的时域分辨率与频域分辨率。

本发明所应用的小波包细节分解算法引用了小波包分解算法的思想，仅对经多尺度小波分解得到的第四尺度细节分量做进一步的分解，得到高阶细节分量(dd5)，从而在硬件运算能力允许的情况下提高信号高频部分频率的分辨率，进一步放大信号的突变特征量，更好地应用于短路故障早期检测。如下是小波包细节分解算法的数学模型：

（4）

（5）

公式（1）为三次B样条分解的数学模型，其中，为输入信号，、分别为第一到第三尺度小波分解得到的平滑分量，为小波分解得到的第四尺度细节分量，、分别为相应低通、高通滤波器的有限脉冲响应系数；公式（2）为小波包细节分解的数学模型，其中，、为将进一步分解得到的平滑分量与细节分量，、分别为相应低通、高通滤波器的有限脉冲响应系数。

本发明不局限于以上具体的实施方式，只要采用了本发明的使用同一硬件或软件操作流程及算法在同一多层级短路故障测控系统中同时实现对短路故障的早期检测与辨识以及选择性保护的，无论采用何种滤波算法或短路故障早期检测算法，都落入本发明的保护范围。

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 (9)

1.一种多层级选择性低压短路保护实验系统，其特征在于：包括具有三层级且可供短路故障的实验配电系统、前端设备、多层级短路故障测控系统；

所述实验配电系统，包括电源柜、配电实型线路、控制柜、短路柜，所述配电实型线路分别连接至电源柜、控制柜及短路柜；所述实验配电系统用于模拟实际低压配电系统的正常运行状态，并可发生和控制各层级不同位置的任意类型短路故障；

所述前端设备包括柔性罗氏线圈、与柔性罗氏线圈连接的积分器、电压传感器；所述前端设备用于对所述实验配电系统正常运行和发生短路故障时相应支路电流及电压信号的采集，并将信号输入所述多层级短路故障测控系统；

所述多层级短路故障测控系统包括Compact-RIO嵌入式数据采集分析系统、上位机Labview图形化程序编译平台，所述上位机Labview图形化程序编译平台内部集成了包括用于实现数据采样、滤波、短路故障早期检测、向保护电器发送跳闸指令的功能程序，用于短路实验过程测控，实现各类负载不同层级部位的单相、双相、三相短路发生控制及其早期检测技术以及短路故障的选择性保护。

2.根据权利要求1所述的一种多层级选择性低压短路保护实验系统，其特征在于：所述电源柜位于所述实验配电系统的第一层级，包括电源进线和保护电器，用于为所述控制柜、短路柜以及与负载提供电源并为主回路提供保护，且带有操作指示灯。

3.根据权利要求1所述的一种多层级选择性低压短路保护实验系统，其特征在于：所述配电实型线路位于所述实验配电系统的第二层级，配备有三种类型的线缆，分别为95mm²、25mm²、4mm²，三种线型长度均为90m，以提供不同等级的短路电流。

4.根据权利要求1所述的一种多层级选择性低压短路保护实验系统，其特征在于：所述控制柜能够接入多种不同的阻、感、容性负载并能够任意切换；所述控制柜还能够通过延时继电器定时的方式发生和停止短路故障且带有操作指示灯。

5.根据权利要求1所述的一种多层级选择性低压短路保护实验系统，其特征在于：所述短路柜用于选择需要投入短路故障的线缆类型；所述短路柜还用于对实际短路故障进行模拟，该实际短路故障包括单相、两相、三相的短路故障。

6.根据权利要求1所述的一种多层级选择性低压短路保护实验系统，其特征在于：所述Compact-RIO嵌入式数据采集分析系统是多层级短路故障测控系统的硬件组成部分，其实际测控分析功能由多层级短路故障测控系统的软件部分，即Labview图形化程序编译平台通过程序开发加以实现。

7.根据权利要求1所述的一种多层级选择性低压短路保护实验系统，其特征在于：所述上位机Labview图形化程序编译平台用于实现滤波功能的算法为形态小波滤波算法，采用不同形状或尺寸的结构元素构成具有多结构元素的广义形态开滤波器EXO，用于滤除白噪声以及正负脉冲噪声，其数学模型为：

（1）

（2）

（3）

上述，公式（1）为关于的腐蚀变换模型；公式（2）为关于的膨胀变换模型，其中，是定义域为的一维原始信号序列，是定义域为的结构元素，M≤N，并定义其原点在0处；公式（3）为广义形态开滤波器EXO的数学模型，其中，是定义域为的一维原始信号序列，和分别为腐蚀运算和膨胀运算的结构元素，和是整数集Z的两个有限子集，且。

8.根据权利要求7所述的一种多层级选择性低压短路保护实验系统，其特征在于：所述上位机Labview图形化程序编译平台用于实现短路故障早期检测的算法是通过小波分解结合小波包细节分解算法加以实现，其仅对经多尺度小波分解得到的第四尺度细节分量做进一步的分解，得到高阶细节分量，其数学模型如下：

（4）

（5）

上述，公式（4）为三次B样条分解的数学模型，其中，为输入信号，、、分别为第一到第三尺度小波分解得到的平滑分量，为小波分解得到的第四尺度细节分量，、分别为相应低通、高通滤波器的有限脉冲响应系数；公式（5）为小波包细节分解的数学模型，其中，、为将进一步分解得到的平滑分量与细节分量，、分别为相应低通、高通滤波器的有限脉冲响应系数。

9.根据权利要求8所述的一种多层级选择性低压短路保护实验系统，其特征在于：所述小波包细节分解算法用于检测所述实验配电系统从正常运行到短路故障发生时刻的采样信号的突变特征量；短路故障早期检测算法通过判断当前分解得到的高阶细节分量是否超过设定的短路故障阈值来判定是否发生短路故障；若超过，判定线路上发生了短路故障，并向相应位置的保护电器发送跳闸指令。