CN107238780B - 利用粗集理论分类的补偿接地电网自适应选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用粗集理论分类的补偿接地电网自适应选线方法，主要包括以下步骤：步骤1.利用故障后一个周期的暂态零序电流计算暂态因子；步骤2.计算故障后半个周期的暂态零序电流频带能量因子；步骤3.用粗集理论将暂态因子和频带能量因子融合，生成决策规则，将单相接地故障分为强、中、弱三类；步骤4.根据不同的故障类型自适应地选择对应的选线方法。该方法相较于单判据的选线方法而言，其适用性更强，准确率更高；相较于多判据融合的选线方法而言，不仅减少了不必要的融合，使得数据处理量大大减小，而且又能保证选线的准确性。

Description

利用粗集理论分类的补偿接地电网自适应选线方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护中的故障选线方法领域，涉及补偿接地电网自适应选线方法，特别是一种利用粗集理论分类的补偿接地电网自适应选线方法。

背景技术

在我国6~66kV的配电网中，中性点主要采用非有效接地方式，即中性点不接地或中性点经消弧线圈接地方式。而随着经济的发展，使得系统容量不断增大，馈出线数目不断增加，导致发生单相接地故障时的接地电容电流也越来越大。为了遏制接地电流，配电网中，中性点经消弧线圈接地方式越来越受到青睐。中性点经消弧线圈接地电网也被称为补偿接地电网。

补偿接地电网中，单相接地故障时，由于接地电流较小且三相线电压仍保持对称，因此仍可运行1~2小时。但是，单相接地故障后，非故障相电压会升高为线电压，从而对线路的绝缘产生了较大的威胁。若不能及时找出故障线路，会引发相间短路或多点故障，产生更大的危害。因此，及时准确地选出故障线路对于系统的安全是非常必要的。

现有技术中，主要分为单判据选线方法和多判据融合选线方法。单判据选线方法的适用范围有限，如基于稳态量的选线方法适用于暂态信息弱的故障情况，基于暂态量的选线方法对于暂态信息强的故障情况准确性较强；多判据融合的选线方法，诸如：神经网络、支持向量机等融合方法，在一定程度上解决了单判据适用性有限的问题，但同时出现了数据处理量大、信息冗余及需要大量训练样本的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种利用粗集理论分类的补偿接地电网的自适应选线方法，利用粗集理论将频带能量因子和暂态因子融合将故障分为强、中、弱三种接地故障类型。然后，根据不同的故障类型选择不同的选线方法。

本发明是采取以下技术方案实现的，一种利用粗集理论分类的补偿接地电网的自适应选线方法，包括如下步骤：

1）监测零序电压的大小判断是否发生单相接地故障；

2）发生单相接地故障时采集各线路零序电流；

3）计算各线路零序电流暂态分量；

4）计算本次单相接地故障的暂态因子；

5）计算本次单相接地故障的频带能量因子；

6）用粗集理论融合步骤4）的暂态因子和步骤5）的频带能量因子，形成决策规则，从而将故障分为强、中、弱三种类型；

7）根据确定的故障类型，选择处理方法；对于强故障类型，由于暂态信息较为丰富，选择暂态能量法；对于弱故障类型，由于暂态信息较弱，不易提取暂态特征量，则选择稳态方法—有功分量法；对于中等故障类型，则用证据理论将两种选线方法进行融合；从而确定故障线路。

步骤1）中监测零序电压的大小，当零序电压大于整定值时认为系统发生单相接地故障;

步骤2）~步骤5）中，采集各线路故障后一个周期的零序电流，分别计算各线路前半个周期和后半个周期的零序电流绝对值之和，用S₁(k)表示第k条线路前半个周期的零序电流绝对值之和，用S₂(k)表示第k条线路后半个周期的零序电流绝对值之和；选取各线路零序电流前半个周期零序电流绝对值之和最大值和后半个周期零序电流绝对值之和最大值，定义暂态因子a _z：

式中，k表示第k条线路，l表示线路总数，N表示各线路故障后一个周期的采样点个数，表示第m个采样点的零序电流，暂态因子a _z用来衡量过渡电阻对于暂态特性的影响；

采集各线路故障后半个周期的零序电流，选择零序电流幅值最大的线路，用DB15小波对该线路采集到的零序电流进行5尺度分解，得到第i尺度高频系数D_i(k)和低频系数A_i(k)；从而计算频带能量因子a _p：

式中，k表示的是在尺度i下小波系数的长度。频带能量因子a _p用来衡量故障初相角对于暂态特性的影响。

在所述步骤6）中，用粗集理论融合暂态因子a _z和频带能量因子a _p，形成决策规则，从而将故障分为强、中、弱三种类型；

具体步骤如下:

6-1）给定故障类型判别系统K=(U，A)，论域U为不同故障情况下零序电流暂态特性，A=C∪D，其中，C为条件属性集，定义为C={a _z a _p}；D为决策属性集，定义为D={d}，其中，d表示的是单相接地时的故障类型；

6-2）暂态因子a _z和频带能量因子a _p的离散化；用等距离划分法将a _z和a _p离散化，即将a _z和a _p的取值范围划分为k级，这里k取3，即，f(U, a _z)=k，f(U, a _p)=k，k=1,2,3；

6-3）建立决策规则，将故障分为强、中、弱三种类型；具体规则如下，

f(U, a _z)=3，f(U, a _p)=3，→f(U, d)=3；f(U, a _z)=3，f(U, a _p)=2，→f(U, d)=3；

f(U, a _z)=2，f(U, a _p)=3，→f(U, d)=3；f(U, a _z)=2，f(U, a _p)=2，→f(U, d)=2；

f(U, a _z)=3，f(U, a _p)=1，→f(U, d)=1；f(U, a _z)=1，f(U, a _p)=3，→f(U, d)=1；

f(U, a _z)=2，f(U, a _p)=1，→f(U, d)=1；f(U, a _z)=1，f(U, a _p)=2，→f(U, d)=1；

f(U, a _z)=1，f(U, a _p)=1，→f(U, d)=1；

其中，f(U,d)=1,2,3分别表示弱、中、强三种故障类型。

对于强接地故障，由于暂态信息较强，仅用暂态能量法便可准确选出故障线路；

暂态能量法的计算公式为：

式中，表示的是零序电压；表示的是第k条馈出线的零序电流；T表示的是电网工频周期；计算出来的各线路中的绝对值最大且与其它反相的线路，即为故障线路。

对于弱接地故障，由于暂态信息较弱，再利用暂态信息就容易出现误判，本发明采用稳态选线方法中的有功分量法，计算各线路零序电流的有功分量，计算得出零序电流有功分量最大的即为故障线路。

对于中等接地故障，采用证据理论将暂、稳态选线方法进行融合。

下面介绍证据理论的基本原理:

对于故障选线问题而言，证据理论的识别框架为：

。

基本信度分配函数的构造是证据理论的重要环节，基本信度分配函数是由相对信度分配函数和可确定信度系数的乘积构成，即

式中，体现的是某条线路的故障测度与其他线路故障测度的相对比较值，定义为：

其中，

，

式中，表示的是相对故障测度，表示的是线路的故障测度。

体现的是一个故障样本的特征量的明显程度，可定义为：

对于不同的两个判据，需要经过证据的融合，使得两证据共同支持的结果突出出来。设表示的暂态能量法判据，表示的是有功分量法判据。各线路在两种判据下的基本信度分配可表示为：

暂态能量法判据：

有功分量法判据：

其中，

可依次求得，，， ；其中最大的即为故障线路；而两证据融合后的不确定度表示成。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明所提供的一种利用粗集理论分类的补偿接地电网自适应选线方法，从暂态信息的丰富程度出发，将故障分为强、中、弱三种类型后分别采取对应的选线方法。相较于单判据的选线方法而言，其适用性更强，准确率更高；相较于直接进行多判据融合的选线方法而言，不仅减少了不必要的融合，使得数据处理量大大减小，而且又能保证选线的准确性。

附图说明

图1是本发明方法的流程图;

图2是本发明方法的验证系统图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明:

含分布式电源配电网的故障定位新方法，如图1所示，包括以下步骤：

（1）监测零序电压的大小，当零序电压大于整定值时认为系统发生单相接地故障；

（2）记录和采集各线路的零序电流，并根据零序电压的突变点确定故障的起始时刻；

（3）利用各线路故障后一个周期（N个采样点）的零序电流采样值，分别计算各线路前半个周期和后半个周期的零序电流绝对值之和，分别用S₁(k)和 S₂(k)表示；选取各线路零序电流前半个周期零序电流绝对值之和最大值和后半个周期零序电流绝对值之和最大值，定义暂态因子a_z：

式中，k表示第k条线路，l表示线路总数，N表示各线路故障后一个周期的采样点个数，表示第m个采样点的零序电流，暂态因子a _z用来衡量过渡电阻对于暂态特性的影响；

（4）利用各线路故障后半个周期的零序电流采样值，选择零序电流幅值最大的线路，用DB15小波对该线路采集到的零序电流进行5尺度分解，得到第i尺度高频系数D_i(k)和低频系数A_i(k)；从而计算频带能量因子a _p：

式中，k表示的是在尺度i下小波系数的长度。频带能量因子a _p用来衡量故障初相角对于暂态特性的影响；

（5）用粗集理论融合暂态因子a_z和频带能量因子a _p，形成决策规则，从而将故障分为强、中、弱三种类型；

给定故障类型判别系统K=(U,A)，论域U为不同故障情况下零序电流暂态特性，A=C∪D，其中，C为条件属性集，定义为C={az, a _p}；D为决策属性集，定义为D={d}，其中，d表示的是单相接地时的故障类型；

暂态因子a_z和频带能量因子a _p的离散化。用等距离划分法将a_z和a _p离散化，即将a_z和a _p的取值范围划分为k级，这里k取3。即，f(U, a_z)=k，f(U, a _p)=k，k=1,2,3；

决策规则的建立，具体决策规则为：

f(U, a_z)=3，f(U, a _p)=3，→f(U, d)=3；f(U, a_z)=3，f(U, a _p)=2，→f(U, d)=3；

f(U, a_z)=2，f(U, a _p)=3，→f(U, d)=3；f(U, a_z)=2，f(U, a _p)=2，→f(U, d)=2；

f(U, a_z)=3，f(U, a _p)=1，→f(U, d)=1；f(U, a_z)=1，f(U, a _p)=3，→f(U, d)=1；

f(U, a_z)=2，f(U, a _p)=1，→f(U, d)=1；f(U, a_z)=1，f(U, a _p)=2，→f(U, d)=1；

f(U, a_z)=1，f(U, a _p)=1，→f(U, d)=1；

其中，f(U,d)=1,2,3分别表示弱、中、强三种故障类型;

（6）根据故障类型选择合适的选线方法，对于强故障类型，由于暂态信息较为丰富，选择暂态能量法；对于弱故障类型，由于暂态信息较弱，不易提取暂态特征量，则选择稳态方法—有功分量法；对于中等故障类型，则用证据理论将两种选线方法进行融合;

（7）根据确定的故障类型，确定故障线路,对于强接地故障，由于暂态信息较强，仅用暂态能量法便可准确选出故障线路；

暂态能量法的计算公式为：

式中，表示的是零序电压；表示的是第k条馈出线的零序电流；T表示的是电网工频周期。各线路中绝对值最大且与其它反相的线路即为故障线路。

对于弱接地故障，由于暂态信息较弱，再利用暂态信息就容易出现误判，这里利用稳态选线方法—有功分量法，计算各线路零序电流的有功分量，其中零序电流有功分量最大的为故障线路。

对于中等接地故障，则要用证据理论将暂、稳态选线方法进行融合。下面介绍证据理论的基本原理。

对于故障选线问题而言，证据理论的识别框架为：

基本信度分配函数的构造是证据理论的重要环节。基本信度分配函数是由相对信度分配函数和可确定信度系数的乘积构成，即

式中，体现的是某条线路的故障测度与其他线路故障测度的相对比较值，可定义为：

其中，

，

式中，表示的是相对故障测度，表示的是线路的故障测度。

体现的是一个故障样本的特征量的明显程度，可定义为：

对于不同的两个判据，需要经过证据的融合，使得两证据共同支持的结果突出出来。设表示的暂态能量法判据，表示的是有功分量法判据。各线路在两种判据下的基本信度分配可表示为：

暂态能量法判据：

有功分量法判据：

将两证据进行融合，即

其中，

可依次求得，，， 。其中最大的即为故障线路；而两证据融合后的不确定度可表示成。

实例：

下面从模型建立、依据原理、有效性验证几个方面具体说明:

(1)模型建立

如附图2所示为在ATP-EMTP中所建立的10kV的配电网模型，线路均为架空线路。架空线路参数为：正序电阻R₁=0.17Ω/km，正序电感L₁=1.36×10^-3H/km，正序电容C₁=6.1×10^-8F/km；零序电阻R₀=0.23Ω/km，零序电感L₀=3.872×10^-3H/km，零序电容C₀=2.278×10^-8F/km；馈线长度分别为10km，18km，20km，16km。消弧线圈电感值按照过补偿10%来整定，所求得的电感值为L=2.13H，电阻值按照感抗值的10%来整定，得r=66.9Ω;

(2)依据原理

定义频带能量因子和暂态因子的依据,

当单相接地故障发生时，接地点的暂态零序电流为：

式中，I _Lm ，I _Cm 分别表示的是暂态电感电流和暂态电容电流的幅值；ω _f 和δ分别表示暂态电容电流的振荡角频率和衰减系数；ω表示工频角频率；表示故障发生时故障相电压的相角，也称为故障初相角；τ _L 表示暂态电感电流的时间常数。其中，

；

；

式中，L ₀，C ₀，R ₀分别表示系统等效的零序电感，零序电容和零序电阻，其是由系统参数决定的，R _g表示接地点的过渡电阻,

通过上式，经分析可以得到，影响零序电流暂态特性的因素主要是故障初相角和过渡电阻,

当故障发生在故障初相角为90°附近时，暂态电容电流占主要成分，频率较高；当故障发生在故障初相角为0°附近时，暂态电感电流占主要成分，频率较低。用频带能量因子a _p来衡量故障初相角对零序电流暂态特性的影响,

暂态电容电流的振荡角频率和衰减系数主要受过渡电阻的影响。过渡电阻较小时，振荡角频率较大，衰减系数较小，暂态过渡过程较长；过渡电阻较大时，振荡角频率较小，衰减系数较大，暂态过渡过程较短。用暂态因子a_z来衡量过渡电阻对零序电流暂态特性的影响,

据以上分析，可将将单相接地故障分为三类:

a、弱接地故障

当故障初相角较小，或过渡电阻值较大时，暂态信息含量较少，此时发生的单相接地故障，在这里被称为弱接地故障，其具体表现为频带能量因子a_p较小或暂态因子a_z较小;

b、强接地故障

当故障初相角较大，过渡电阻值较小时，暂态信息含量较丰富，此时发生的单相接地故障，在这里被称为发生的单相接地故障被称为强接地故障，其具体表现为频带能量因子a_p和暂态因子a_z都较大;

c、中等接地故障

当故障既不为弱接地故障也不为强接地故障时，称此时的故障为中等接地故障;

(3)有效性验证

选取线路4作为故障线路，线路4在不同过渡电阻、不同故障初相角下发生的单相接地故障来验证一种利用粗集理论分类的补偿接地电网自适应选线方法的有效性,

表1

注：表中Z-表示暂态能量法；W-表示有功分量法；m-表示证据理论融合后的结果。

从表1可以看到，用粗集理论将频带能量因子和暂态因子融合后，将故障分为了强、中、弱三种故障类型。对于暂态信息含量较少的弱接地故障，仅采用有功分量法即可准确选出故障线路；对于暂态信息含量较多的强接地故障，仅采用暂态能量法便可准确选出故障线路。对于中等接地故障，综合利用两种选线方法，若选出的是同一条线路则表明该线路故障。对于表1中，不同的故障工况下发生的故障，将其分流为强、中、弱三种类型，且判别为中等类型故障较少。这样就减少了选线判据不必要的融合，使得选线算法更加简洁有效。

综上所述，以上仅为本发明的某些特殊实例，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术范围。

Claims (3)

1.一种利用粗集理论分类的补偿接地电网的自适应选线方法，其特征在于：包括如下步骤，

1）监测零序电压的大小判断是否发生单相接地故障；

2）发生单相接地故障时采集各线路零序电流；

3）计算各线路零序电流暂态分量；

4）计算本次单相接地故障的暂态因子；

5）计算本次单相接地故障的频带能量因子；

6）用粗集理论融合步骤4）的暂态因子和步骤5）的频带能量因子，形成决策规则，从而将故障分为强、中、弱三种类型；

7）根据确定的故障类型，选择处理方法；对于强故障类型，由于暂态信息较为丰富，选择暂态能量法；对于弱故障类型，由于暂态信息较弱，不易提取暂态特征量，则选择稳态方法—有功分量法；对于中等故障类型，则用证据理论将两种选线方法进行融合；从而确定故障线路；

步骤2）~步骤5）中，采集各线路故障后一个周期的零序电流，分别计算各线路前半个周期和后半个周期的零序电流绝对值之和，用S₁(k)表示第k条线路前半个周期的零序电流绝对值之和，用S₂(k)表示第k条线路后半个周期的零序电流绝对值之和；选取各线路零序电流前半个周期零序电流绝对值之和最大值和后半个周期零序电流绝对值之和最大值，定义暂态因子a _z：

；

式中，k表示第k条线路，l表示线路总数，N表示各线路故障后一个周期的采样点个数，表示第m个采样点的零序电流，暂态因子a _z用来衡量过渡电阻对于暂态特性的影响；

采集各线路故障后半个周期的零序电流，选择零序电流幅值最大的线路，用DB15小波对该线路采集到的零序电流进行5尺度分解，得到第i尺度高频系数D_i(k)和低频系数A_i(k)；从而计算频带能量因子a _p：

式中，k表示的是在尺度i下小波系数的长度；频带能量因子a _p用来衡量故障初相角对于暂态特性的影响。

2.根据权利要求1所述的利用粗集理论分类的补偿接地电网的自适应选线方法，其特征在于：步骤1）中监测零序电压的大小，当零序电压大于整定值时认为系统发生单相接地故障。

3.根据权利要求1所述的利用粗集理论分类的补偿接地电网的自适应选线方法，其特征在于：在所述步骤6）中，用粗集理论融合暂态因子a _z和频带能量因子a _p，形成决策规则，从而将故障分为强、中、弱三种类型；

具体步骤如下，

6-1）给定故障类型判别系统K=(U，A)，论域U为不同故障情况下零序电流暂态特性，A=C∪D，其中，C为条件属性集，定义为C={a _z a _p}；D为决策属性集，定义为D={d}，其中，d表示的是单相接地时的故障类型；

6-2）暂态因子a _z和频带能量因子a _p的离散化；用等距离划分法将a _z和a _p离散化，即将a _z和a _p的取值范围划分为k级，这里k取3，即，f(U, a _z)=k，f(U, a _p )=k，k=1,2,3；

6-3）决策规则的建立；具体决策规则为，

f(U, a _z)=3，f(U, a _p)=3，→f(U, d)=3；f(U, a _z)=3，f(U, a _p)=2，→f(U, d)=3；

f(U, a _z )=2，f(U, a _p)=3，→f(U, d)=3；f(U, a _z )=2，f(U, a _p)=2，→f(U, d)=2；

f(U, a _z )=3，f(U, a _p)=1，→f(U, d)=1；f(U, a _z)=1，f(U, a _p )=3，→f(U, d)=1；

f(U, a _z)=2，f(U, a _p)=1，→f(U, d)=1；f(U, a _z)=1，f(U, a _p)=2，→f(U, d)=1；

f(U, a _z)=1，f(U, a _p )=1，→f(U, d)=1；

其中，f(U,d)=1,2,3分别表示弱、中、强三种故障类型。