CN107329044B - 一种基于电弧暂态分量的配电网单相接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电弧暂态分量的配电网单相接地故障选线方法，当发生接地故障时，求出故障相和故障时刻，选取故障前后十分之一工频周期的电流暂态信号作为采样数据，进行深度滤波和分解，得到IMF1分量，根据IMF1分量得出一阶差分极性和瞬间相位进行故障选线的判据，综合一阶差分极性判据和瞬间相位判据进行故障选线。本发明通过深度滤波和CEEMD分解抑制电弧接地故障过程中伴随的宽带白噪声和孤立脉冲噪声，根据消除干扰后的特征分量进行故障选线，有效的提高了故障选线的准确性和可靠性。

Description

一种基于电弧暂态分量的配电网单相接地故障选线方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，特别涉及了一种基于电弧暂态分量的配电网单相接地故障选线方法。

背景技术

我国35kV及以下的电压等级的小电流接地系统中为减小接地电流，往往采用经消弧线圈接地方式。接地电流的减小是通过消弧线圈补偿电感电流来实现的。由于小电流接地系统发生单相接地故障时故障特征比较复杂，故障信号稳态量往往很小，再加上电网本身及负荷的复杂性，使得实际中很难提取小电流谐振接地系统中的故障信号，因此其故障选线尤其困难。而且准确性往往不能得到很好的保证。

为此，大量电力工作者也提出了一些利用接地故障后的零序分量特征实现的选线方法。传统的小电流接地系统中的选线方法，如零序电流无功功率方向法、极性比较法、群体比幅比相发，这类方法在发生电弧性接地故障，尤其是间歇性电弧急切地故障时其准确性会受到较大影响，同时不太适合谐振接地系统中。而且当电网发生高阻等稳态接地故障时，由于稳态分量很小或几乎没有时，该类方法也很有可能出现误选的情况。因此，利用暂态量来进行故障选线是近几年研究的主要方向，暂态量在数值上往往远大于稳态量，因此可以在一定程度上提高选线的准确性。而如何有效利用暂态分量则成为该类方法应用的难点和重点。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种通过改变电弧暂态分量权重来实现配电网单相接地故障选线的方法，其克服了现有技术中故障选线方法准确性差、可靠性低等缺陷，该方法通过深度滤波和CEEMD分解抑制电弧接地故障过程中伴随的宽带白噪声和孤立脉冲噪声，根据消除干扰后的特征分量进行故障选线，提高故障选线的准确性和可靠性。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

当检测到配电网发生单相接地故障时，执行以下步骤进行选线：

a、求取发生单相接地故障时的故障相和故障时刻；

b、选取故障时刻前后十分之一工频周期的电流暂态信号作为采样数据，并对采样数据依次进行深度滤波处理和CEEMD分解，得到各馈线的IMF1分量；

c、根据各馈线的IMF1分量，得出一阶差分极性和瞬间相位进行故障选线的判据；

d、综合一阶差分极性判据和瞬间相位判据进行故障选线。

优选的是，所述步骤a中，故障相和故障时刻的求取过程为，

a1、令

a2、计算

上式中，

分别为三相相电动势，

中幅值最小所对应的相就是故障相；

a3、分别取零序电压采样值和故障相电压采样值代入

式中，分别得到满足上式的零序电压采样点对应的时刻T1和满足上式的故障相电压采样点对应的时刻T2，将这两个时刻取平均得到故障时刻：

上式中，u(j)为电压的第j个采样值，则T1、T2分别为零序电压、故障相电压采样值带入上式后对应的时刻，M为设定的阈值，N为一个周波采样点数。

优选的是，所述步骤b中，深度滤波处理的公式为：

上式中，Z_n1、Z_n2为深度滤波处理后的数据，f(n)为定义在{0,1,...,N-1}上的离散函数，f(n)是输入的采样数据，g(m)是定义在{0,1,...,M-1}上的离散函数，g(m)是结构元素集合，N为采样长度，n为采样点数，N1是结构元素类型数，M为大于零的常数，N>>M，g_i(m)是g(m)中的第i种结构元素，N(n)和N(-n)为一对大小相等、符号相反的白噪声。

优选的是，所述结构元素集合g(m)的确定过程如下：

(1)确定使用的2种结构元素：三角形结构元素和半圆形结构元素，它们的单位结构元素分别记为B_T和B_S：

(2)设零序电流采样信号的极大值序列为PE＝{PE_i|i＝1,2,...,N_PE},N_PE为极大值序列个数，局部极小值序列为NE＝{NE_i|i＝1,2,...,N_NE},N_NE为极小值序列个数。定义局部极大值间隔和局部极小值间隔：

D_p＝{d_p|d_pi＝PE_i+1-PE_i,i＝1,2,...,N_PE-1}

D_N＝{d_N|d_Ni＝NE_i+1-NE_i,i＝1,2,...,N_NE-1}

由上式可得结构元素的长度尺度的最值如下：

K_lmin＝min([(min(d_pi)-1)/2),[(min(d_Ni)-1)/2))

K_lmax＝max(((max(d_pi)-1)/2],((max(d_Ni)-1)/2])

上式中，[·)为向上取整计算，(·]为向下取整计算。

由上式可得结构元素的长度序列K_l：

K_l＝{K_lmin,K_lmin+1,...,K_lmax-1,K_lmax}

(3)确定结构元素的高度，根据采样的暂态零序电流的局部极值的幅值大小来确定结构元素高度，设极大值序列PE和极小值序列NE的最值分别为 p_pmax、p_pmin、p_nmax、p_nmin。定义信号的局部极值的高度值是H_e：

H_e＝max(p_pmax-p_pmin,p_nmax-p_nmin)

因此，结构元素高度序列可定义为：

H_l＝{α·[H_e/(K_max-K_min+1)+(j-1)·H_e/(K_max-K_min+1)]}

其中，j＝1,2,...,K_max-K_min+1，α为小于1的正数，是高度比例系数，本实施例取0.05；

(4)得到各种尺度的结构元素

G₁＝H_l(i).K_l(i)B_T i＝1,2,...,K_max-K_min+1

G₂＝H_l(i).K_l(i)B_S i＝1,2,...,K_max-K_min+1

G₁、G₂为经由上式构造得到的三角形结构元素和半圆形结构元素集合，即g(m)＝(G₁，G₂)。

优选的是，所述步骤b中，CEEMD分解的具体过程如下：

(1)在深度滤波后的信号里成对地添加符号相反、大小相同的白噪声；

(2)将加入白噪声后的信号进行EMD分解，获得IMF分量；

(3)重复添加不同的白噪声，并进行EMD分解，对获得的所有IMF分量取平均值，得到最后的分解结果。

优选的是，所述步骤c中，

所述一阶差分极性判据为，当某一馈线所对应的IMF1分量的一阶差分极性唯一，且与其余馈线对应的IMF1分量的一阶差分极性均不同，则该馈线为可疑故障线路；

所述瞬时相位判据为，当某一馈线所对应的IMF1分量的瞬时相位与其余馈线对应的IMF1分量的瞬时相位的差值的绝对值均大于等于

则该馈线为可疑故障线路。

优选的是，所述步骤d的具体过程为：

d1、分配一阶差分极性判据和瞬间相位判据的权值；

d2、根据两种判据的权值计算综合判据，C_k值最大的馈线即为故障线路。

所述步骤d1采用的分配权重方案为：

设置暂态零序电流幅值的阈值为I_Z；当暂态零序电流幅值I≥I_Z，则设定瞬时相位判据的权值为0.9，一阶差分极性判据的权值为0.1；当暂态零序电流幅值I＜I_Z，则设定一阶差分极性判据和瞬间相位判据的权值均为0.5。

优选的是，所述步骤d2中，C_k计算公式为：

上式中，C_k表示可疑程度综合值，s_ak表示第k条馈线的瞬时相位判据的可疑程度，s_dk表示第k条馈线的一阶差分极性判据的可疑程度，N_m为馈线数。

优选的是，所述s_ak和s_dk的取值方案为：

当第k条馈线满足瞬时相位判据，则s_ak取0.85，若第k条馈线不满足瞬时相位判据，则s_ak取0.15；当第k条馈线满足一阶差分极性判据，则s_dk取0.72，若第k条馈线不满足一阶差分极性判据，则s_dk取0.18。

本发明有益效果：

(1)本发明可以有效地抑制电力系统故障过程伴随的宽带白噪声和孤立脉冲噪声对单相接地选线地影响，能有效提取可用于电弧接地选线的暂态特征分量；

(2)本发明综合利用特征分量的一阶差分极性和瞬时相位综合判断故障线路，对提高电弧接地选线的准确性具有很好的应用价值，可有效地提高配电网供电的安全性和可靠性。

(3)本发明无需增加新的设备，只需对原装置进行算法改进即可，因此具有经济性强，便于大规模的推广应用的特点。

附图说明

图1为本发明提供的基于电弧暂态分量变权重配电网单相接地故障选线流程图；

图2为本发明实施例所提供的配电系统仿真模型结构图；

图3为本发明实施例所提供的所有线路的IMF1的hht变换波形图；

图4是本发明实施例所提供的仿真环境下L3 CEEMD分解波形；

图5是本发明实施例所提供的仿真环境下L1的CEEMD分解波形。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例采用根据检测到的零序电压判断是否发生单相接地故障。

当

时，判断发生了单相接地故障，其中，

为监测到的零序电压

的幅值，U_0zd为零序电压的整定值。

当检测到配电网发生单相接地故障时，执行下列选线步骤。

a、若发生了故障，求取故障相和故障时刻。

首先，令

然后，计算

上式中，

中幅值最小所对应的相就是故障相；

分别取零序电压和故障相电压代入

式中，分别得到两个时刻T₁和T₂，将这两个时刻取平均得到故障时刻：

上式中，u(j)为电压的第j个采样值，则T₁、T₂分别为零序电压、故障相电压的采样值代入上式后对应的时刻，M为设定的阈值，N为采样长度。

b、选取故障时刻前后十分之一工频周期的电流暂态信号作为采样数据，并对采样数据依次进行深度滤波处理和CEEMD分解，得到各馈线的IMF1分量。

所述深度滤波处理的方法如下：

上式中，Z_n1、Z_n2为深度滤波处理后的数据，f(n)为定义在{0,1,...,N-1}上的离散函数，f(n)是输入的采样数据，g(m)是定义在{0,1,...,M-1}上的离散函数，g(m)是结构元素集合，N为采样长度，n为采样点数，M为大于零的常数，N>>M，g_i(m)是g(m)中的第i种结构元素，N(n)和N(-n)为一对大小相等、符号相反的白噪声。

下文是关于结构元素集合g(m)的确定。

首先确定使用的2种结构元素：三角形结构元素和半圆形结构元素，它们的单位结构元素分别记为B_T和B_S：

设零序电流采样信号的极大值序列为PE＝{PE_i|i＝1,2,...,N_PE},N_PE为极大值序列个数，局部极小值序列为NE＝{NE_i|i＝1,2,...,N_NE},N_NE为极小值序列个数。定义局部极大值间隔和局部极小值间隔：

D_p＝{d_p|d_pi＝PE_i+1-PE_i,i＝1,2,...,N_PE-1}

D_N＝{d_N|d_Ni＝NE_i+1-NE_i,i＝1,2,...,N_NE-1}

由上式可得结构元素的长度尺度的最值如下：

K_lmin＝min([(min(d_pi)-1)/2),[(min(d_Ni)-1)/2))

K_lmax＝max(((max(d_pi)-1)/2],((max(d_Ni)-1)/2])

上式中，[·)为向上取整计算，(·]为向下取整计算。

由上式可得结构元素的长度序列K_l：

K_l＝{K_lmin,K_lmin+1,...,K_lmax-1,K_lmax}

然后就是确定结构元素的高度，根据采样的暂态零序电流的局部极值的幅值大小来确定结构元素高度，设极大值序列PE和极小值序列NE的最值分别为 p_pmax、p_pmin、p_nmax、p_nmin。定义信号的局部极值的高度值是H_e：

H_e＝max(p_pmax-p_pmin,p_nmax-p_nmin)

因此，结构元素高度序列可定义为：

H_l＝{α·[H_e/(K_max-K_min+1)+(j-1)·H_e/(K_max-K_min+1)]}

其中，j＝1,2,...,K_max-K_min+1，α为小于1的正数，是高度比例系数，本实施例取0.05。

于是可以得到各种尺度的结构元素

G₁＝H_l(i).K_l(i)B_T i＝1,2,...,K_max-K_min+1

G₂＝H_l(i).K_l(i)B_S i＝1,2,...,K_max-K_min+1

G₁、G₂为经由上式构造得到的三角形结构元素和半圆形结构元素集合，即g(m)＝(G₁，G₂)。

在深度滤波后，进行CEEMD分解。在信号里成对地添加符号相反、大小相同的白噪声；将加入白噪声后的信号进行EMD分解，获得IMF分量；重复添加不同的白噪声，并进行EMD分解，对获得的所有IMF分量取平均值，得到最后的分解结果。

c、根据各馈线的IMF1分量，得出一阶差分极性和瞬间相位进行故障选线的判据。

一阶差分极性判据为，当某一馈线所对应的IMF1分量的一阶差分极性唯一，且与其余馈线对应的IMF1分量的一阶差分极性均不同，则该馈线为可疑故障线路。瞬时相位判据为，当某一馈线所对应的IMF1分量的瞬时相位与其余馈线对应的IMF1分量的瞬时相位的差值的绝对值均大于等于

则该馈线为可疑故障线路。

d、综合一阶差分极性判据和瞬间相位判据进行故障选线。

分配一阶差分极性判据和瞬间相位判据的权值；

设置暂态零序电流幅值的阈值I_L，当暂态零序电流幅值I≥I_L，则设定瞬时相位判据的权值为0.9，一阶差分极性判据的权值为0.1，当暂态零序电流幅值 I＜I_Z，则设定两种判据的权值均为0.5；

根据两种判据的权值计算综合判据，C_k值最大的馈线即为故障线路：

上式中，s_ak表示第k条馈线的瞬时相位判据的可疑程度，当第k条馈线满足瞬时相位判据，则s_ak取0.85，若第k条馈线不满足瞬时相位判据，则s_ak取0.15， s_dk表示第k条馈线的一阶差分极性判据的可疑程度，当第k条馈线满足一阶差分极性判据，则s_dk取0.72，若第k条馈线不满足一阶差分极性判据，则s_dk取0.28； N_m为馈线数。

在Matlab/Simulink仿真环境下，供配电系统原理图的仿真模型如图2所示。该系统采用中性点经消弧线圈过补偿方式，过补偿度为5％，经计算消弧线圈电感L＝0.8697H，R＝30Ω。在MATLAB仿真中，线路的正序参数为：R1＝0.01273 Ω/Km，L1＝9.337×10^-4H/Km,C1＝1.274×10^-8F/Km；零序参数为R0＝0.3863Ω /Km,L0＝4.1264×10^-3H/Km，C0＝7.751×10^-9F/Km。模型中线路长度分别为103Km、 175Km、151Km。电源采用的是“Three-phasesource”模型，电源功率为10000MV.A, 电压是110Kv，输出电压为11Kv。变压器额定容量为Sn＝20MV.A,短路电压 Us％＝10.5,短路损耗ΔP_s＝135Kw，空载损耗ΔP₀＝22Kw，空载电流I₀％＝0.8，变比K_t＝110/10，高低压绕组均为Y型联结。线路负荷均采用“Three-phaseSeries RLC Load”模型，有功负荷分别为1MW、0.2MW、2MW，采样频率设为100Khz,初始故障时间先设为0.04S。选取故障时刻前后十分之一工频周期的电流暂态信号作为采样数据，并对采样数据依次进行深度滤波处理和CEEMD分解，得到各馈线的 IMF1分量，图3为所有线路的IMF1的hht变换波形图。图4、图5为过渡电阻 R_f＝0，故障时间t＝0.04s时的故障线路L3和一条非故障线路L1的部分CEEMD 分解结果波形图。从图4、图5可以看出，非故障线路与故障线路在故障后的1/4 周期相位相差180度。

表1实验结果：

上表的选线结果证明了基于电弧暂态分量的配电网单相接地故障选线方法能实现准确选线。

以上所术仅是本发明的一种实施方式，应当说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于电弧暂态分量的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：

当检测到配电网发生单相接地故障时，执行以下步骤进行选线：

a、求取发生单相接地故障时的故障相和故障时刻；

b、选取故障时刻前后十分之一工频周期的电流暂态信号作为采样数据，并对采样数据依次进行深度滤波处理和CEEMD分解，得到各馈线的IMF1分量；

c、根据各馈线的IMF1分量，得出一阶差分极性和瞬间相位进行故障选线的判据；

d、综合一阶差分极性判据和瞬间相位判据进行故障选线；

所述步骤b中，深度滤波处理的公式为：

上式中，Z_n1、Z_n2为深度滤波处理后的数据，f(n)为定义在{0,1,...,N-1}上的离散函数，g(m)是定义在{0,1,...,M-1}上的离散函数，g(m)是结构元素集合，N为采样长度，n为采样点数，N1是结构元素类型数，M为大于零的常数，N>>M，g_p(m)是g(m)中的第p种结构元素，N(n)和N(-n)为一对大小相等、符号相反的白噪声；

所述结构元素集合g(m)的确定过程如下：

(1)确定使用的2种结构元素：三角形结构元素和半圆形结构元素，它们的单位结构元素分别记为B_T和B_S：

B_T(j)＝1-|j|

(2)设零序电流采样信号的极大值序列为PE＝{PE_a|a＝1,2,...,N_PE},N_PE为极大值序列个数，局部极小值序列为NE＝{NE_b|b＝1,2,...,N_NE},N_NE为极小值序列个数，定义局部极大值间隔和局部极小值间隔：

D_p＝{d_p|d_ph＝PE_h+1-PE_h,h＝1,2,...,N_PE-1}

D_N＝{d_N|d_Ng＝NE_g+1-NE_g,g＝1,2,...,N_NE-1}

由上式可得结构元素的长度尺度的最值如下：

K_lmin＝min([(min(d_ph)-1)/2),[(min(d_Ng)-1)/2))

K_lmax＝max(((max(d_ph)-1)/2],((max(d_Ng)-1)/2])

上式中，[·)为向上取整计算，(·]为向下取整计算；

由上式可得结构元素的长度序列K_l：

K_l＝{K_lmin,K_lmin+1,...,K_lmax-1,K_lmax}

(3)确定结构元素的高度，根据采样的暂态零序电流的局部极值的幅值大小来确定结构元素高度，设极大值序列PE和极小值序列NE的最值分别为p_pmax、p_pmin、p_nmax、p_nmin，定义信号的局部极值的高度值是H_e：

H_e＝max(p_pmax-p_pmin,p_nmax-p_nmin)

因此，结构元素高度序列可定义为：

H_l＝{α·[H_e/(K_max-K_min+1)+(j-1)·H_e/(K_max-K_min+1)]}

其中，j＝1,2,...,K_max-K_min+1，α为小于1的正数，是高度比例系数；

(4)得到各种尺度的结构元素

G₁＝H_l(v).K_l(v)B_T v＝1,2,...,K_max-K_min+1

G₂＝H_l(y).K_l(y)B_S y＝1,2,...,K_max-K_min+1

G₁、G₂为经由上式构造得到的三角形结构元素和半圆形结构元素集合，即g(m)＝(G₁，G₂)。

2.根据权利要求1所述的基于电弧暂态分量的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：所述步骤a中，故障相和故障时刻的求取过程为，

a1、令

a2、计算

上式中，

分别为三相相电动势，

中幅值最小所对应的相就是故障相；

a3、分别取零序电压采样值和故障相电压采样值代入

式中，分别得到满足上式的零序电压采样点对应的时刻T₁和满足上式的故障相电压采样点对应的时刻T₂，将这两个时刻取平均得到故障时刻：

上式中，u(z)为电压的第z个采样值，则T₁、T₂分别为零序电压、故障相电压采样值带入上式后对应的时刻，M_w为设定的阈值，N_w为一个周波采样点数。

3.根据权利要求1所述的基于电弧暂态分量的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：所述步骤b中，CEEMD分解的具体过程如下：

(1)在深度滤波后的信号里成对地添加符号相反、大小相同的白噪声；

(2)将加入白噪声后的信号进行EMD分解，获得IMF分量；

(3)重复添加不同的白噪声，并进行EMD分解，对获得的所有IMF分量取平均值，得到最后的分解结果。

4.根据权利要求1所述的基于电弧暂态分量的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：所述步骤c中，

一阶差分极性判据为，当某一馈线所对应的IMF1分量的一阶差分极性唯一，且与其余馈线对应的IMF1分量的一阶差分极性均不同，则该馈线为可疑故障线路；

瞬时相位判据为，当某一馈线所对应的IMF1分量的瞬时相位与其余馈线对应的IMF1分量的瞬时相位的差值的绝对值均大于等于

则该馈线为可疑故障线路。

5.根据权利要求1所述的基于电弧暂态分量的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：所述步骤d的具体过程为：

d1、分配一阶差分极性判据和瞬间相位判据的权值；

d2、根据两种判据的权值计算综合判据，C_k值最大的馈线即为故障线路；

其中，C_k计算公式为：

上式中，C_k表示可疑程度综合值，s_ak表示第k条馈线的瞬时相位判据的可疑程度，s_dk表示第k条馈线的一阶差分极性判据的可疑程度，N_m为馈线数；

所述步骤d1采用的分配权重方案为：

设置暂态零序电流幅值的阈值为I_Z；当暂态零序电流幅值I≥I_Z，则设定瞬时相位判据的权值为0.9，一阶差分极性判据的权值为0.1；当暂态零序电流幅值I＜I_Z，则设定一阶差分极性判据和瞬间相位判据的权值均为0.5。

6.根据权利要求5所述的基于电弧暂态分量的配电网单相接地故障选线方法，其特征在于：所述s_ak和s_dk的取值方案为：

当第k条馈线满足瞬时相位判据，则s_ak取0.85，若第k条馈线不满足瞬时相位判据，则s_ak取0.15；当第k条馈线满足一阶差分极性判据，则s_dk取0.72，若第k条馈线不满足一阶差分极性判据，则s_dk取0.18。

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