CN106646138A - 基于多采样频率小波特征能量折算的配电网接地故障定位方法 - Google Patents

基于多采样频率小波特征能量折算的配电网接地故障定位方法 Download PDF

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Abstract

一种基于多采样频率小波特征能量折算的配电网接地故障定位方法，选择起点时刻相同，用等长度的时间序列，对各采样频率不同的采样值原始数据做小波变换，把得到的各时间序列原始特征能量值，折算到最低采样频率上，然后在同一个频率上比较各时间序列的相对特征能量的大小，来实现接地检测与故障定位。本发明通过小波变换提取故障特征能量、将不同采样频率故障录波信号，折算到最低采样频率下的相对特征能量，然后根据相对特征能量来判别是否有接地故障、确定故障首尾端。

Description

基于多采样频率小波特征能量折算的配电网接地故障定位 方法
技术领域
本发明属于配电自动化技术领域，通过配电网接地故障检测中的小波特征能量的折算，实现多种采样频率下配网接地故障检测与定位，通过小波变换提取故障特征能量、将不同采样频率故障录波信号，折算到最低采样频率下的相对特征能量，然后根据相对特征能量来判别是否存在故障、确定故障首尾端。
背景技术
配电网出现单相接地故障时，暂态过程存在丰富的故障信息，故障时的暂态过程不受接地方式的影响，利用暂态分量进行故障检测具有重要意义。通过提取暂态信号中的特征分量则可以提高选线和定位的精度。通过与故障终端相配合，故障终端检测出单相接地故障发生时，自动生成故障录波文件；配电网主站通过主动召唤故障录波并分析故障时的暂态波形，实现故障选线和故障定位功能。从而解决小电流接地配电网单相接地故障选线和定位的难题，完善配电网馈线自动化功能，提高系统的自动化水平。
暂态过程存在丰富的故障信息，故障时的暂态过程不受接地方式的影响，通过提取暂态信号中的特征分量，可以实现高精度的故障提高选线和定位。接地故障发生后先经过暂态过渡过程(1-2个周波)，然后进入稳态状态，但是根据现场录波数据分析，暂态过程和稳态过程并不是按照时间严格区分。应用小波分析算法，提取故障暂态信号的特征量进行故障选线,选用合适的小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，得到故障线路上暂态零序电流特征分量，通过比较特征能量，来实现故障检测与定位。
现有文献的所有故障监测与定位算法是在录波采样频率相等的前提下进行的。配电网小电流接地故障实时检测，与变电站接地故障检测的环境完全不同,各故障监测装置厂家，采用不同标准采样频率(3600、4800)Hz上送实时故障录波数据到配网中心，更有厂家采用4096Hz的采样频率上送故障录波数据，在配网中心需要把不同采样频率的录波数据进行分析计算，提取故障特征、检测故障，确定故障首尾端，实现故障检测与定位。
多采样频率数字信号处理系统中各个信号的采样频率是不相等的，对不同采样频率的信号数据能量特征比较，需要根据各个部分信号的采样频率折算到统一的低采样频率或相等的时间窗口，比较才有意义，否则会出现故障检测与的定位的结论错误。
发明内容
本发明属于配电自动化技术领域，为实现多种采样频率下配网接地故障检测与定位，本发明公开了一种基于多采样频率小波特征能量折算的配电网接地故障定位方法，通过小波变换提取故障特征能量、将不同采样频率零序电流录波量测信号，折算到最低采样频率下的相对特征能量，进而根据相对特征能量来判别故障类型、确定故障首尾端。本发明采用多种采样频率的小波特征能量的折算算法，实现多种采样频率下配网接地故障检测与定位，通过小波变换提取故障特征能量、将不同采样频率故障录波信号，计算时间序列等长度时间区间内的原始能量特征，将不同采样频率的时间序列，折算到最低采样频率下的相对特征能量，然后根据相对特征能量来判别故障类型、确定故障首尾端。
小波分析算法属于已有知识，这里不再详细描述。
本发明具体采用如下技术方案：
一种基于多采样频率小波特征能量折算的配电网接地故障定位方法，其特征在于：选择起点时刻相同，用等长度的零序电流录波量测时间序列作为原始采样数据，对各采样频率不同的原始采样数据做小波变换，得到的各零序电流录波量测原始特征能量值，折算到最低采样频率上，然后在同一个频率上比较各时间序列的相对特征能量的大小，来实现接地检测与故障定位。
一种基于多采样频率小波特征能量折算的配电网接地故障定位方法，所述配电网接地故障定位方法适用于配电网中，各故障信号采样频率不一致的情况；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：选定同一母线的全部馈线支路构成为故障选线组，读取馈线上的全部支路的零序电流录波量测，起点时刻对齐到同一时刻，形成起点时刻相同、长度相等的支路零序电流录波量测时间序列：
{X1(i)|i＝0,1,2,…,M},采样频率f1；
{X2(i)|i＝0,1,2,…,M},采样频率f2；
……
{XN(i)|i＝0,1,2,…,M},采样频率fN；
这里：{Xk(i)|i＝0,1,2,M}为支路零序电流录波量测时间序列即原始信号；其中，k＝1,2,…N为量测装置编号；M+1是信号长度；Xk(i)为配网故障检测装置k在采样点时刻i的零序电流录波量测值；fs为信号的采样频率；
步骤2：对每一条馈线上的各支路零序电流录波量测{Xk(i)|i＝0,1,2,…,M}进行小波变换，将原始信号分解为各阶平滑信号Akj(n)和细节信号Dkj(n)；其中，第J分解尺度的细节系数分别为：
{D1J(i)|i＝0,1,2,…,G}
{D2J(i)|i＝0,1,2,…,G}
……
{DNJ(i)|i＝0,1,2,…,G}
式中，DkJ(n)为配网故障检测装置k零序电流录波量测值经小波变换后的第J阶细节分量；J为最大分解尺度；G为小波分解后第J阶细节系数的个数；
步骤3：计算各支路的零序电流录波量测的原始特征能量，小波分解最大分解尺度J阶细节系数平方和，作为时间序列的原始特征能量，对于原始信号Xk(i)，计算公式为：
其中：DkJ(i)表示信号Xk(i)在步骤2中小波分解后的最大尺度J阶小波分解细节系数，G为细节系数的总数；
步骤4：将各支路的零序电流故障量测的原始特征能量，折算到最低采样频率信号上的相对特征能量，折算公式如下：
k＝1,2,3,…,N；
其中：fmin为步骤1全部采样频率f1-fN中的最小值，表示配网故障检测装置k零序电流录波量测的原始特征能量，Ek为折算到最低采样频率fmin上的相对特征能量；
步骤5：根据步骤4计算得到的经折算后的各支路零序电流录波量测的相对特征能量，判断配电网是否发生接地故障，确定故障区间。
本发明进一步包括以下优选方案：
在步骤5中，通过相对特征能量来判断是否有故障，确定故障区判断规则如下:
1)一条馈线上各支路监测点的零序电流录波量测相对特征能量的最大值大于设定值Mw，则判定为该馈线有接地故障，否则该馈线无接地故障；
2)在判断有接地故障的馈线上，沿着潮流流出母线方向搜索，找到该馈线各支路上零序电流录波量测相对特征能量值Ek最大的监测点，将该监测点设为故障起始点S；
3)从故障起点S继续沿着潮流流出母线方向搜索，直到找到零序电流录波量测相对特征能量值最小的监测点，作为故障尾端点E，则判断接地故障区间为S、E之间。
其中，所述设定值Mw取值在30-200之间。
本发明具有以下有益的技术效果：
通过不同采样频率特征能量的折算算法、实现基于相对特征能量值的配电网接地故障监测与定位。将多种采样频率下配网接地零序电流录波量测信号，通过小波变换提取故障特征能量、折算到最低采样频率下的相对特征能量，然后根据相对特征能量来判别故障类型、确定故障首尾端。可提高接地故障监测的精度。
附图说明
图1为本发明基于多采样频率小波特征能量折算的配电网接地故障定位方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本申请公开的基于多采样频率小波特征能量折算的配电网接地故障定位方法，如附图1所示，包括以下步骤：
步骤1：选定同一母线的全部馈线支路构成为故障选线组，读取馈线上的全部支路的零序电流录波量测，起点时刻对齐到同一时刻，形成起点时刻相同，长度相等的时间序列。
某故障实验算例，按流出母线顺序，在一条馈线上支路的故障监测装置以次为X4、X3、X2、X1，上传到配网中心的零序电流录波量测时间序列，对齐后为：
{X1(i)|i＝0,1,2,…,M}采样频率4096Hz
{X2(i)|i＝0,1,2,…,M}采样频率4096Hz
{X3(i)|i＝0,1,2,…,M}采样频率4800Hz
{X4(i)|i＝0,1,2,…,M}采样频率3600Hz
序列数据，这里不再列出，本算例中M＝511,时间序列长度为512。
这里：{Xk(i)|i＝0,1,2,M}为支路零序电流录波量测的原始信号；其中，k＝1,2,…4为量测装置编号；512是信号长度；Xk(i)为配网故障检测装置k在采样点时刻i的零序电流录波量测值；
步骤2：对每一条馈线上的各支路零序电流录波量测Xk(i)进行小波变换，将原始信号分解为平滑信号Akj(n)和细节信号Dkj(n)；
Akj(n)为小波变换的第j阶平滑分量；Dkj(n)为小波变换的第j阶细节分量；
n＝1,2,…4为分解尺度，本算例最大分解尺度为4阶；
小波变换后，第4阶小波分解，G＝31,细节系数分别为：
{D1J(i)|i＝0,1,2,…,G}
{D2J(i)|i＝0,1,2,…,G}
{D3J(i)|i＝0,1,2,…,G}
{D4J(i)|i＝0,1,2,…,G}
步骤3：计算各支路的零序电流录波量测Xk(i)的原始特征能量，用小波分解最大分解尺度J阶细节系数平方和，作为时间序列的原始特征能量，计算公式为：
其中：DkJ表示信号在步骤2小波分解后的最大尺度第4阶小波分解细节系数，G为细节系数的总数；
步骤4：将各支路的零序电流录波量测Xk(i)的原始特征能量，折算最低采样频率信号上的相对特征能量，实现算法如下：
k＝1,2,3,…,N；
其中：fmin为全部采样频率的最小值，间序列Xk(i)信号的原始特征能量；本算例
fmin＝3600，折算到最低采样频率3600Hz上相对特征能量，相对特征能量计算结果见表一。
步骤5：判断是否有故障，确定故障区间。
一条馈线上各支路监测点的零序电流最大相对特征能量值大于设定值Mw(设定值Mw取值在30-200之间，本算例Mw＝100)，则判定为该馈线有接地故障，否则该馈线无故障；
沿着潮流流出母线方向搜索，找到支路上零序电流录波量测相对特征能量值Ek最大的监测点设为故障起始点S；
从故障起点S继续沿着潮流流出母线方向搜索，直到找到零序电流录波量测相对特征能量值Ek最小的监测点，作为故障尾端点E，则判断接地故障区间为S、E之间；
判断结果见表一。
表1特征能量折算
上述实验为4-2之间发生小电流单相接地故障，如果不进行特征能量折算，会出现故障首端为4，尾端为2的判断，显然，折算以后，故障首端为3更为准确。
以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的创作精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (4)

1.一种基于多采样频率小波特征能量折算的配电网接地故障定位方法，其特征在于：选择起点时刻相同，用等长度的零序电流录波量测时间序列作为原始采样数据，对各采样频率不同的原始采样数据做小波变换，得到的各零序电流录波量测原始特征能量值，折算到最低采样频率上，然后在同一个频率上比较各时间序列的相对特征能量的大小，来实现接地检测与故障定位。
2.一种基于多采样频率小波特征能量折算的配电网接地故障定位方法，所述配电网接地故障定位方法适用于配电网中，各故障信号采样频率不一致的情况；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：选定同一母线的全部馈线支路构成为故障选线组，读取馈线上的全部支路的零序电流录波量测，起点时刻对齐到同一时刻，形成起点时刻相同、长度相等的支路零序电流录波量测时间序列：
{X1(i)|i＝0,1,2,…,M},采样频率f1；
{X2(i)|i＝0,1,2,…,M},采样频率f2；
……
{XN(i)|i＝0,1,2,…,M},采样频率fN；
这里：{Xk(i)|i＝0,1,2,M}为支路零序电流录波量测时间序列即原始信号；其中，k＝1,2,…N为量测装置编号；M+1是信号长度；Xk(i)为配网故障检测装置k在采样点时刻i的零序电流录波量测值；fs为信号的采样频率；
步骤2：对每一条馈线上的各支路零序电流录波量测{Xk(i)|i＝0,1,2,…,M}进行小波变换，将原始信号分解为各阶平滑信号Akj(n)和细节信号Dkj(n)；其中，第J分解尺度的细节系数分别为：
{D1J(i)|i＝0,1,2,…,G}
{D2J(i)|i＝0,1,2,…,G}
……
{DNJ(i)|i＝0,1,2,…,G}
式中，DkJ(n)为配网故障检测装置k零序电流录波量测值经小波变换后的第J阶细节分量；J为最大分解尺度；G为小波分解后第J阶细节系数的个数；
步骤3：计算各支路的零序电流录波量测的原始特征能量，小波分解最大分解尺度J阶细节系数平方和，作为时间序列的原始特征能量，对于原始信号Xk(i)，计算公式为：
E k 0 = Σ i = 0 G D k J 2 ( i )
其中：DkJ(i)表示信号Xk(i)在步骤2中小波分解后的最大尺度J阶小波分解细节系数，G为细节系数的总数；
步骤4：将各支路的零序电流故障量测的原始特征能量，折算到最低采样频率信号上的相对特征能量，折算公式如下：
E k = f k f m i n E k 0
k＝1,2,3,…,N；
其中：fmin为步骤1全部采样频率f1-fN中的最小值，表示配网故障检测装置k零序电流录波量测的原始特征能量，Ek为折算到最低采样频率fmin上的相对特征能量；
步骤5：根据步骤4计算得到的经折算后的各支路零序电流录波量测的相对特征能量，判断配电网是否发生接地故障，确定故障区间。
3.根据权利要求2所述的基于多采样频率小波特征能量折算的配电网接地故障定位方法，其特征在于：
在步骤5中，通过相对特征能量来判断是否有故障，确定故障区判断规则如下:
1)一条馈线上各支路监测点的零序电流录波量测相对特征能量的最大值大于设定值Mw，则判定为该馈线有接地故障，否则该馈线无接地故障；
2)在判断有接地故障的馈线上，沿着潮流流出母线方向搜索，找到该馈线各支路上零序电流录波量测相对特征能量值Ek最大的监测点，将该监测点设为故障起始点S；
3)从故障起点S继续沿着潮流流出母线方向搜索，直到找到零序电流录波量测相对特征能量值最小的监测点，作为故障尾端点E，则判断接地故障区间为S、E之间。
4.根据权利要求3所述的基于多采样频率小波特征能量折算的配电网接地故障定位方法，其特征在于：
在步骤(5)中，所述设定值Mw取值在30-200之间。
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