CN106597223B - 一种基于改进hht的单相接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法，在系统内各个馈出线路靠近母线端安装零序电流传感器，实时采集各条线路的零序电流，当零序电流信号超过阈值时，保存采样数据。对保存的数据，滤除行波信号，通过系统的固有振荡频率以及高频信号幅值满足指数衰减的规律快速获得极大值点、极小值点，选定三次样条插值函数系数的初始值，采用改进的EMD分解法，计算各条线路零序电流的IMF1即1阶模态函数。比较同一馈出线中各条线路的IMF1，满足IMF幅值绝对值最大，极性和其他线路相反的线路为故障线路。本发明通过改进了HHT变换中的EMD算法,减少计算量，进一步提高了故障检选速度。

Description

一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法

技术领域

本发明涉及一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法。

背景技术

根据国家煤矿安全规程规定，大中型矿山供电采用10KV、35KV和66KV电压等级，中性点经消弧线圈接地运行方式，简称小电流接地(谐振接地系统)供电网络。这种供电网络当发生单相接地、短路等故障时，消弧线圈的电感电流会补偿系统工作中的电容电流，使故障残余电流很小，抑制了电弧，不会引起开关跳闸，系统可以继续运行1～2h。但是当发生单相接地故障时，由于单相接地是非对称故障，非故障相对地电压是原来的倍，如果不能及时的切除故障线路，则可能进一步发展成两相短路接地故障，造成大面积停电等事故，严重影响煤矿的安全生产和人身安全。快速检选出故障线路并切除对保证煤矿安全生产和工人人身安全至关重要。

随着大功率变频器和无功补偿装置的大量应用，矿山电网中含有各种谐波和杂散波形，发生单相接地故障时，本来就很小的故障信号如零序电流受到严重干扰，故障线路的检选更加困难。稳态量和暂态量是目前国内外主要研究的选线方法，利用稳态分量进行选线的方法有零序电流幅值比较法、零序电流相位比较法、群体比幅比相法等，这些方法获取故障信号时间长，实际应用中不能快速识别第一故障线路，经常出现误选和选错的问题。常用的暂态分量法有首半波法、能量法、小波分析法、行波法等。其中比较有效的小波分析法，尤其是多尺度小波分析方法具有瞬时频率分析特性，能够在二分之一个周期内发现故障线路，但是小波变换需要预先选定小波函数，且分析能力的好坏取决于基函数与阈值的选择，其自适应性不强，且运算过程较长，不利于现场应用。Hilbert-Huang变换法(HHT)，是继小波分析之后另一种处理暂态信号的时频分析法，其优点在于它能够根据自身函数特征选择基函数进行分解，能够真正分析瞬时频率。但现有HHT变换存在EMD经验模态分析时间长、端点效应等问题,无法克服现有谐振接地系统单相接地故障检选存在的速度慢和计算量大的问题。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有小电流接地系统故障选线方法的不足，提出一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法，它包括的步骤是：

1)在每条馈出线路靠近母线端安装零序电流传感器，实时采集各条线路的零序电流，当零序电流信号超过阈值时，阈值为大于5倍的工作电流，保存采样数据；

2)对保存的数据，滤除行波信号，通过系统的固有振荡频率以及高频信号幅值满足指数衰减的规律获得极大值点、极小值点，并以获得的极大值、极小值作为插值，求取三次样条插值函数的系数初始值，拟合出零序电流信号的包络线，再根据EMD分解法，计算同一馈出线中各条线路零序电流信号的IMF1，即1阶模态函数；

3)根据HHT变换中EMD计算的第一模态函数和振荡频率波形对应，比较同一馈出线中各条线路的IMF1，将具备幅值绝对值最大，极性和其他线路相反的IMF1所在线路确定为故障线路；

所述步骤2)中

通过故障线路中的零序电流暂态方程：

i：馈出线组别编号；n：相线条数，n＝3；

根据零序电流经EMD分解出的第一阶模态函数IMF1对应高频振荡频率信号，由暂态方程第一、二项含有基准频率ω，第三项含有高频的固有振荡频率ω_f，得出第一阶模态函数IMF1瞬时幅值、瞬时频率与暂态方程中的第三项相对应；

根据第三项幅值满足指数衰减以及在每个周期内有一个极大值点和极小值点，利用每段为2T_f个周期内的极大值点和极小值点确定三次样条插值函数的系数初始值，拟合出零序电流信号的包络线，拟合段数为α＝T₀/2T_f；

其中，T₀：零序电流信号采样时间；单位：秒

T_f：是线路高频的固有振荡周期，

i_d：故障相所在线路零序暂态接地电流；

I_Cmi：同一馈出线路中各相线的电容电流之和幅值；

I_Lm：负载不对称或中性点偏移时或故障时电路电感和消弧线圈的补偿电流幅值；

ω：谐振接地系统中工作电流的基准频率50赫兹；

故障相发生接地故障时的相正弦电压的相位；

ω_f：谐振接地系统的固有振荡频率；

τc:电容回路时间常数；

τ_L电感回路时间常数。

所述EMD分解法具体为：

I.将采样获得的原始的零序电流信号x(t)的局部极大值相连拟合成上包络线U_x(t),将局部极小值点相连拟合成原信号的下包络线V_x(t),求取平均值

II.判断函数h₁(t)＝x(t)-m₁(t)是否满足IMF条件，如果不满足则用h₁(t)替换x(t)，重复步骤I，直到h₁(t)满足IMF的条件，即为原始信号的IMF1，将h₁(t)看成第一个IMF分量c₁(t)；

III.基于分量c₁(t)，定义对称估计函数 τ为时间常数，

然后构造解析信号：

其幅值函数为：

相位函数为：

对相位角求导

由原信号x(t)根据零序电流经EMD分解出的第一阶模态函数IMF1与高频振荡频率信号ω_f相对应，忽略差值，原信号x(t)分解出的第一阶模态函数IMF1幅频模式表示为

x(t)＝Re a₁(t)e^jΦ1(t)＝Re a₁(t)e^j∫ω1(t)dt＝Re a₁(t)e^j∫ωf(t)dt。

所述步骤1)中采样速率90～110Ksa，并保存阈值前后0.05秒范围内采样数据。

发明原理是：发生单相谐振接地时，故障线和非故障线相比较具有极性相反、幅值最大的特点。系统固有振荡频率由谐振接地系统内线路电阻、电感、电容和消弧线圈的参数决定，是50赫兹工频的40～100倍，因此具有很高的振荡频率，采样几个周期只需很短的时间，因此利用公式第三项检选。更容易用于故障线路检选的判断，具有准确度高、速度快的特点。在对具有处理暂态信号进行时频分析的HHT变换进行了深入分析，零序电流经EMD分解出的第一阶模态函数与高频振荡频率信号相对应，且这个模态函数在时域上的周期即高频振荡周期。也就是说，故障相的零序电流通过HHT变换得到的第一阶模态函数即是从故障线路中的零序电流暂态方程第三项的幅值和频率对应。换言之，故障线路中信号经过EMD分解后的IMF分量经进一步的时频分析获得的瞬时幅值a_i(t)和瞬时频率ω_i(t)形成的复数的实部与故障线路中的零序电流暂态方程第三项中的幅值和频率对应。

根据零序电流经EMD分解出的第一阶模态函数IMF1与包含有第三项中的幅值和高频的固有振荡频率ω_f相对应，利用此特性，将具备幅值绝对值最大，极性和其他线路相反的IMF1所在线路确定为故障线路。如此大大简化了HHT算法，克服了进行多阶的变换所致的运算量大和所用时间长的缺点。

期间，为使插值函数的系数初始值快速求取，利用固有振荡频率ω_f的高频信号具有的周期性以及单调快速衰减的指数函数，可直接确定极大值和极小值，代入三次样条插值函数系数矩阵，可直接快速确定系数初始值，有效避免现有的每次拟合前对系数初始值任意设定，拟合样本数据个数以及次数没有明确限定，如此，优化了HHT算法，进一步提高了原有算法计算量太大，占用时间长的突出缺点。

本发明从模态函数选取以及三次样条插值函数的系数初始值求取方式上优化了HHT算法，克服现有谐振接地系统单相接地故障检选时存在速度慢和计算量大的问题，满足故障快速检选的生产需要。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为非故障相零序电流波形示意图；

图3为故障相零序电流波形示意图；

图4为非故障线路经改进HHT计算后的得到的IMF1波形示意图；

图5为故障线路零序电流经改进HHT计算后的得到的IMF1波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明

图1-图5中，进行HHT变换过程中，经典的经验模态分解算法求解过程中，每得到一阶IMF需要计算几十次的原信号的包络线，而包络线是对原信号的极值包络，是原信号的所有极值点分段，基于三次样条插值函数拟合而出的，每次的拟合需要经过样本选取、初始值设置、计算步长和逐步迭代完成。如此，造成计算量偏大，在实际运用中，选线时间长，速度慢。

本文在分析谐振接地系统单相接地故障时零序电流信号的基础上，分解零序电流信号中不同频率各种波形信号，探讨这种频率和HHT中模态分解后模态函数的关系以及检选接地故障线路的方法。

利用MATLAB/SIMULINK搭建一个10k V的谐振接地系统进行仿真，该配电系统有三条出线，模拟10km型号YGv22-10-3*185电缆，故障点设在出线3距1km处。

1)在每条馈出线路靠近母线端安装零序电流传感器，实时采集各条线路的零序电流，当零序电流信号超过阈值时，阈值为电流正常值的5倍，保存采样数据。采样速率95Ksa，保存阈值前后0.05秒范围内采样数据；

2)对保存的数据，为排除行波的干扰，将含有的行波信号进行滤除，比较获得首个极值点，通过系统的固有振荡频率以及高频信号幅值满足指数衰减的规律快速获得其他极大值点、极小值点，并以获得的极大值、极小值作为插值，求取三次样条插值函数的系数初始值，拟合出零序电流信号的包络线，再根据EMD分解法，计算同一馈出线中各条线路零序电流信号的IMF1即1阶模态函数；

3)根据HHT变换中EMD计算的第一模态函数和振荡频率波形对应，比较同一馈出线中各条线路的IMF1，将具备幅值绝对值最大，极性和其他线路相反的IMF1所在线路确定为故障线路；

其中，所述步骤2)中

通过故障线路中的零序电流暂态方程：

i：馈出线组别编号；n：相线条数，n＝3；

对于t时刻，根据零序电流经EMD分解出的第一阶模态函数IMF1对应高频振荡频率信号，由暂态方程第一、二项含有基准频率ω，第三项含有高频的固有振荡频率ω_f，得出第一阶模态函数IMF1瞬时幅值、瞬时频率与暂态方程中的第三项相对应；

根据第三项幅值满足指数衰减以及在每个周期内有一个极大值点和极小值点，利用每段为2T_f个周期内的极大值点和极小值点确定三次样条插值函数的系数初始值，拟合出零序电流信号的包络线，拟合段数为α＝T₀/2T_f；

其中，T₀：零序电流信号采样时间单位：秒

T_f：：是线路高频的固有振荡周期，

i_d：故障相所在线路零序暂态接地电流；

I_Cmi：同一馈出线路中各相线的电容电流之和幅值；

I_Lm：负载不对称或中性点偏移时或故障时电路电感和消弧线圈的补偿电流幅值；

ω：谐振接地系统中工作电流的基准频率50赫兹；

故障相发生接地故障时的相正弦电压的相位；

ω_f：谐振接地系统的固有振荡频率；

τc:电容回路时间常数；

τ_L电感回路时间常数；

所述EMD分解法具体为：

I.将采样获得的原始的零序电流信号x(t)局部极大值相连拟合成上包络线U_x(t),将局部极小值点相连拟合成原信号的下包络线V_x(t),求取平均值

II.判断函数h₁(t)＝x(t)-m₁(t)是否满足IMF条件，如果不满足则用h₁(t)替换x(t)，重复步骤I，直到h₁(t)满足IMF的条件，即为原始信号的IMF1，将h₁(t)看成第一个IMF分量c₁(t)；

III基于分量c₁(t)，定义对称估计函数

然后构造解析信号：

其幅值函数为：

相位函数为：

对相位角求导

原信号x(t)根据零序电流经EMD分解出的第一阶模态函数IMF1与高频振荡频率信号ω_f相对应，表示为

x(t)＝Re a₁(t)e^jΦ1(t)＝Re a₁(t)e^j∫ω1(t)dt＝Re a₁(t)e^j∫ωf(t)dt

故障线路零序电流中系统振荡波形与非故障线路相应的波形相比较，极性相反且幅值大，包含有第三项中的幅值和高频的固有振荡频率，根据零序电流经EMD分解出的第一阶模态函数IMF1与高频振荡频率信号ω_f相对应，利用此特性，将具备幅值绝对值最大，极性和其他线路相反的IMF1所在线路确定为故障线路。如此仅需分解出IMF1即可，从而大大简化了HHT算法，克服了进行多阶的变换所致的运算量大和所用时间长的缺点。

期间，利用固有振荡频率ω_f的高频信号具有周期性以及单调快速衰减，获得极大值和极小值，可以直接快速确定三次样条插值函数的系数初始值，克服计算量偏大，耗时长的缺点。

图2为非故障相零序电流波形示意图；图3为故障相零序电流波形示意图；由图中可以看出在故障发生后，故障相和非故障相零序电流波形相位相反，分别对这两个图采用本发明方法进行EMD分解出的第一阶模态函数IMF1；

图4为非故障线路经改进HHT计算后的得到的IMF1波形示意图；

图5为故障线路零序电流经改进HHT计算后的得到的IMF1；

比较同一馈出线中非故障线路、各条线路的故障线路零序电流的IMF1，明显看出故障线路零序电流满足IMF幅值绝对值最大，在±400以上，极性与非故障线路相反，和其他线路相反的线路为故障线路因此可以很明确的确定出故障线路来。

在矿山高压供电网络谐振接地系统实测中，采用中性点经消弧线圈L接地方式(谐振接地)运行，有3条馈出线路，实测数据如表1

表1

可得故障相Third line约为同一馈出线中的其他两个非故障相first Line和Second line两项幅值之和，幅值明显最大且相位方向相反，非故障线路和故障线路零序电流经改进HHT计算后的得到的IMF1,表1再次验证了故障线路幅值大，极性与非故障线路相反，故障特征明显。

另外，在某煤矿35KV变电所内采用故障录波器采集工业现场单相故障数据，与零序基波算法，小波极大值算法、HHT边界谱熵测度等测量算法进行对比，本发明故障判别时间小于2毫秒，故障发生到检选出故障线路时间小于5.001毫秒，远小于其他方式所用的数十毫秒至数百毫秒的时间，该方法计算量小，速度快，便于实现的优点，进一步提高故障检选的准确率和减少故障线路检选时间，具有很重要的现场应用价值。

由此，本发明中具体实施方式的描述，并非是对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明技术方案前提下，本领域普通技术人员对技术方案所做出的任何变形和改进将仍属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法，其特征是，它包括的步骤是：

1)在每条馈出线路靠近母线端安装零序电流传感器，实时采集各条线路的零序电流，当零序电流信号超过阈值时，阈值为大于5倍的工作电流，保存采样数据；

2)对保存的数据，滤除行波信号，通过系统的固有振荡频率以及高频信号幅值满足指数衰减的规律获得极大值点、极小值点，并以获得的极大值、极小值作为插值，求取三次样条插值函数的系数初始值，拟合出零序电流信号的包络线，再根据EMD分解法，计算同一馈出线中各条线路零序电流信号的IMF1，即1阶模态函数；

3)根据HHT变换中EMD计算的第一模态函数和振荡频率波形对应，比较同一馈出线中各条线路的IMF1，将具备幅值绝对值最大，极性和其他线路相反的IMF1所在线路确定为故障线路；

所述步骤2)中

通过故障线路中的零序电流暂态方程：

i：馈出线组别编号；n：相线条数，n＝3；

根据零序电流经EMD分解出的第一阶模态函数IMF1对应高频振荡频率信号，由暂态方程第一、二项含有基准频率ω，第三项含有高频的固有振荡频率ω_f，得出第一阶模态函数IMF1瞬时幅值、瞬时频率与暂态方程中的第三项相对应；

根据第三项幅值满足指数衰减以及在每个周期内有一个极大值点和极小值点，利用每段为2T_f个周期内的极大值点和极小值点确定三次样条插值函数的系数初始值，拟合出零序电流信号的包络线，拟合段数为α＝T₀/2T_f；

其中，T₀：零序电流信号采样时间；单位：秒

T_f：是线路高频的固有振荡周期，

i_d：故障相所在线路零序暂态接地电流；

I_Cmi：同一馈出线路中各相线的电容电流之和幅值；

I_Lm：负载不对称或中性点偏移时或故障时电路电感和消弧线圈的补偿电流幅值；

ω：谐振接地系统中工作电流的基准频率50赫兹；

故障相发生接地故障时的相正弦电压的相位；

ω_f：谐振接地系统的固有振荡频率；

τc:电容回路时间常数；

τ_L电感回路时间常数。

2.如权利要求1所述的一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法，其特征是，所述EMD分解法具体为：

I.将采样获得的原始的零序电流信号x(t)的局部极大值相连拟合成上包络线U_x(t),将局部极小值点相连拟合成原信号的下包络线V_x(t),求取平均值

II.判断函数h₁(t)＝x(t)-m₁(t)是否满足IMF条件，如果不满足则用h₁(t)替换x(t)，重复步骤I，直到h₁(t)满足IMF的条件，即为原始信号的IMF1，将h₁(t)看成第一个IMF分量c₁(t)；

III.基于分量c₁(t)，定义对称估计函数 τ为时间常数，

然后构造解析信号：

其幅值函数为：

相位函数为：

对相位角求导

由原信号x(t)根据零序电流经EMD分解出的第一阶模态函数IMF1与高频振荡频率信号ω_f相对应，忽略差值，原信号x(t)分解出的第一阶模态函数IMF1幅频模式表示为

x(t)＝Re a₁(t)e^jΦ1(t)＝Re a₁(t)e^j∫ω1(t)dt＝Re a₁(t)e^j∫ωf(t)dt。

3.如权利要求2所述的一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法，其特征是，所述步骤1)中采样速率90～110Ksa，并保存阈值前后0.05秒范围内采样数据。