CN108365596A - 一种基于s变换输配电故障保护方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种基于S变换输配电故障保护方法和装置。该方法包括步骤：预先构建故障特征样本数据库D；输电线路发生故障后，在输电线路一端采集实际故障暂态信号，并利用S变换和奇异值分解处理实际故障暂态信号，得到实际故障时频矩阵；将实际故障时频矩阵与故障特征样本数据库D中的所有样本矩阵进行矩阵相似度计算，得到最大矩阵相似度β_max；根据所述β_max，利用预设的保护判据判定当前实际故障为区内故障还是区外故障；区内故障则发出跳闸指令，隔离故障；区外故障则闭锁保护装置。该装置包括样本构建模块、实际故障处理模块、相似度计算模块和判定模块。本发明的方法和装置，能够有效提升输电线路故障暂态保护的可靠性。

Description

一种基于S变换输配电故障保护方法和装置

技术领域

本发明涉及输电线路运行维护技术领域，特别是涉及一种基于S变换输配电故障保护方法和装置。

背景技术

输电线路保护的速动性和可靠性对电网的安全稳定运行至关重要，而暂态保护技术因其具备动作速度快和不受过渡电阻等影响的独特优点，已经成为国内外继电保护领域的研究热点。暂态保护即通过检测故障时产生的高频暂态信号来实现输电线路及其配套电力设备等的保护。

自上世纪70年代以来，经过国内外学者的不懈努力，将小波变换、Hilbert-Huang等数学工具引入输电线路暂态量保护，使暂态保护技术得到了长足的发展。其中，文献《基于小波变换的行波极性比较式方向保护原理研究》利用小波变换处理初始暂态信号中的故障信息,实现极性比较式方向保护；文献《基于小波变换的行波极性比较式方向保护原理研究》以小波变换为工具检测初始行波的准确到达时刻,从而保证测距结果的精度，提高距离保护的可靠性。小波变换的出现给暂态量保护提供了有效的信号处理手段，但是小波变换是将一维信号分解为时间尺度域，不是严格意义下的时间频段域，这意味着保护方法不能同时利用时域与频域上的故障信息，降低了保护方法的可靠性。文献《Hilbert-Huang变换在距离保护中的应用》利用Hilbert-Huang变换按高频至低频的顺序提取出暂态信号中的交流分量，配合故障选相方法选出正确的故障环,得到相应的测量阻抗,继而得到故障位置，实现距离保护。Hilbert-Huang变换克服了传统傅里叶变换易受衰减直流分量影响的缺陷，但是它的固有模态函数的频率分辨力较差，在频域上数据处理的效果不佳，致使保护方法的可靠性不高。

综上，现有暂态保护技术应用小波变换以及Hilbert-Huang变换的部分方案中，由于不能同时利用时域与频域上的故障信息或者不能有效处理频域上的数据，导致其暂态保护方法可靠性不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于S变换输配电故障保护方法和装置，以解决现有技术中基于小波变换或者Hilbert-Huang变换进行暂态保护的方案可靠性不高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于S变换输配电故障保护方法，包括步骤：

预先构建故障特征样本数据库D；

输电线路发生故障后，在输电线路一端采集实际故障暂态信号，并利用S变换和奇异值分解处理实际故障暂态信号，得到实际故障时频矩阵；

将所述实际故障时频矩阵与所述故障特征样本数据库D中的所有样本矩阵进行矩阵相似度计算，得到最大矩阵相似度β_max；

根据所述β_max，利用预设的保护判据判定当前实际故障为区内故障还是区外故障；区内故障则发出跳闸指令，隔离故障；区外故障则闭锁保护装置。

其中，所述步骤预先构建故障特征样本数据库D，包括步骤：

在输电线路设置样本故障点，分别在所有所述样本故障点处模拟各种故障情况，在输电线路一端采集各种故障情况下的样本暂态信号；

利用S变换提取所述样本暂态信号在时域及频域上的故障信息，构造样本时频矩阵来反映所述样本暂态信号的时频特性；

利用奇异值分解提取所述样本时频矩阵的故障特征，剔除矩阵冗余量，建立故障特征样本数据库D。

其中，所述步骤利用S变换提取所述样本暂态信号在时域及频域上的故障信息，其中S变换采用的公式为：

上式中，x(kT)为样本暂态信号，T为采样间隔，N为采样点数，k表示第k个采样点，k＝0,1,2,…N-1，j是虚数单位，l为时间参数，l＝0，1，2，…，N-1；n为频率参数，n＝1,2,…N/2。

其中，所述步骤构造样本时频矩阵来反映所述样本暂态信号的时频特性，包括构建如下样本时频矩阵：

上式中，B为样本时频矩阵，N为采样点数，矩阵的元素S(a,b)表示第a个频率的第b个采样点的信号幅值；所述样本时频矩阵的行元素与信号的频率相对应，所述样本时频矩阵的列元素与信号采样的时间点对应。

其中，所述步骤利用奇异值分解提取所述样本时频矩阵的故障特征，按照如下公式进行奇异值分解：

B＝UWV

上式中，B为一个样本时频矩阵，U为B的左奇异矩阵；W为B的奇异值对角阵；V为B的右奇异矩阵。U、V是对矩阵B特征提取后的产物。

其中，所述步骤将所述实际故障时频矩阵与所述故障特征样本数据库D中的所有样本矩阵进行矩阵相似度计算，包括按照下式进行计算：

上式中，A为实际故障时频矩阵，B为故障特征样本数据库D中的样本时频矩阵；U_A、U_B分别为A、B的左奇异矩阵；V_A、V_B分别为A、B的右奇异矩阵；α_u为A、B的左奇异矩阵的相似度，α_v为A、B的右奇异矩阵的相似度，β为A与B的矩阵相似度，矩阵相似度的取值区间为[0,2]，β值越大，表示两个矩阵越相似，当β＝2时，表示两个矩阵完全相同。

其中，所述步骤利用预设的保护判据判定当前实际故障为区内故障还是区外故障，具体包括：

预设门槛值β_set；

判断是否β_max>β_set；

β_max是所述实际故障时频矩阵与所述样本时频矩阵的最大相似度，β_set是为暂态保护可靠动作而设置的门槛值；当β_max大于β_set时，判定为区内故障；反之，判定为区外故障。

本发明还提供一种基于S变换输配电故障保护装置，包括样本构建模块、实际故障处理模块、相似度计算模块和判定模块；

所述样本构建模块，用于预先构建故障特征样本数据库D；

所述实际故障处理模块，用于输电线路发生故障后，在输电线路一端采集实际故障暂态信号，并利用S变换和奇异值分解处理实际故障暂态信号，得到实际故障时频矩阵；

所述相似度计算模块，用于将所述实际故障时频矩阵与所述故障特征样本数据库D中的所有样本矩阵进行矩阵相似度计算，得到最大矩阵相似度β_max；

所述判定模块，用于根据所述β_max，利用预设的保护判据判定当前实际故障为区内故障还是区外故障；区内故障则发出跳闸指令，隔离故障；区外故障则闭锁保护装置。

其中，所述样本构建模块，用于：

在输电线路设置样本故障点，分别在所有所述样本故障点处模拟各种故障情况，在输电线路一端采集各种故障情况下的样本暂态信号；利用S变换提取所述样本暂态信号在时域及频域上的故障信息，构造样本时频矩阵来反映所述样本暂态信号的时频特性；利用奇异值分解提取所述样本时频矩阵的故障特征，剔除矩阵冗余量，建立故障特征样本数据库D。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的基于S变换输配电故障保护方法和装置，利用S变换提取暂态信号在时域及频域上的波形特征，构造时频矩阵来反映暂态信号的时频变化特征，利用暂态信号时频矩阵唯一性特征，对时频矩阵与样本库矩阵进行矩阵相似度计算，根据矩阵相似度来识别区内外故障，实现线路保护，本发明综合利用暂态信号在时域及频域上的故障信息，可有效避免由于单一使用暂态信号时域或频域的局部故障特征信息而导致的缺陷，提高保护可靠性；仿真分析结果表明本发明提供的保护方法在不同故障位置，不同故障初相角，不同故障过渡电阻的情况下均能准确、快速、可靠地判定区内外故障及故障线路，提高了故障暂态保护的可靠性和实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于S变换输配电故障保护方法的流程示意图；

图2为本发明基于S变换输配电故障保护方法的一个优选实施例的流程示意图；

图3为本发明仿真分析的线路模型原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上技术方案更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明公开了一种基于S变换输配电故障保护方法和装置。

S变换(s-transformation)是在傅里叶变换和小波变换的基础上发展而来，S变换采用高斯窗函数且窗宽与频率的倒数成正比，免去了窗函数的选择和改善了窗宽固定的缺陷，并且时频表示中各频率分量的相位谱与原始信号保持直接的联系，具有无损、可逆且更强大的时频局部化分析特性，不仅具有与频率一一对应的时频局部化分析能力，而且还不需要考虑小波基函数选择问题，非常适用于分析宽频带暂态量这种由不同频率分量构成的非线性、非平稳信号。

经研究发现，不同电网结构、故障点位置、故障时间、故障程度及不同类型故障产生的包含大量折反射暂态分量的宽频带暂态信号在时域或频域上的波形特征唯一，本发明利用S变换提取暂态信号在时域及频域上的波形特征，构造时频矩阵来反映暂态信号的时频变化特征，利用暂态信号时频矩阵唯一性特征，对时频矩阵与样本库矩阵进行矩阵相似度计算，根据矩阵相似度来识别区内外故障，实现线路保护。

参见图1所示，本发明基于S变换输配电故障保护方法包括步骤：

步骤S110，预先构建故障特征样本数据库D。

步骤S111，输电线路发生故障后，在输电线路一端采集实际故障暂态信号，并利用S变换和奇异值分解处理实际故障暂态信号，得到实际故障时频矩阵。

步骤S112，将实际故障时频矩阵与故障特征样本数据库D中的所有样本矩阵进行矩阵相似度计算，得到最大矩阵相似度β_max。

步骤S113，根据β_max，利用预设的保护判据判定当前实际故障为区内故障还是区外故障；区内故障则发出跳闸指令，隔离故障；区外故障则闭锁保护装置。

该方法综合利用暂态信号在时域及频域上的故障信息，相比于单一使用暂态信号时域或者频域故障特征信息的保护方案，判别准确度更高。

作为一个优选实施例，参见图2所示，本发明基于S变换输配电故障保护方法，具体包括步骤：

步骤S210，设置样本故障点：将输电线路按照一定距离设置样本故障点。

作为一种可实施方式，对于短线路，每距离100m-500m设置一个样本故障点；对于长线路，每距离500m到2000m设置一个样本故障点。

步骤S211，采集并处理样本暂态信号：分别在所有样本故障点处模拟各种故障情况，在输电线路一端采集所有故障情况下的暂态信号；利用S变换提取样本暂态信号在时域及频域上的故障信息，通过构造样本时频矩阵来反映样本暂态信号的时频特性。

其中，用S变换提取暂态信号的故障信息时，S变换采用的公式为：

上式中，x(kT)为样本暂态信号，T为采样间隔，N为采样点数，k表示第k个采样点，k＝0,1,2,…N-1，j是虚数单位，l为时间参数，l＝0，1，2，…，N-1；n为频率参数，n＝1,2,…N/2。

通过S变换提取暂态信号的故障信息后，得到时频矩阵B：

上式中，N为采样点数，矩阵的元素S(a,b)表示第a个频率的第b个采样点的信号幅值；所述样本时频矩阵的行元素与信号的频率相对应，所述样本时频矩阵的列元素与信号采样的时间点对应。

步骤S212，建立故障特征样本数据库：利用奇异值分解提取样本时频矩阵的故障特征，剔除矩阵冗余量，建立故障特征样本数据库D。

其中，利用奇异值分解提取时频矩阵的时频特征，奇异值分解公式如下：

B＝UWV

上式中，B为样本时频矩阵，U为B的左奇异矩阵；W为B的奇异值对角阵；V称为B的右奇异矩阵。奇异矩阵包含了原时频矩阵的大量故障信息，可以剔除时频矩阵的冗余量，降低原故障矩阵维数，减少计算的复杂程度，提高后续特征匹配的运算速度。

步骤S213，计算实际故障时频矩阵：输电线路发生故障后，在输电线路一端采集实际故障暂态信号，并利用S变换和奇异值分解处理实际故障暂态信号，得到实际故障时频矩阵。

对于实际故障暂态信号利用S变换和奇异值分解处理的过程，请参照前述步骤S211和步骤S212，即此步骤中利用S变换和奇异值分解处理暂态信号，得到实际故障时频矩阵所采用的公式参照样本矩阵的处理公式，不再赘述。

步骤S214，计算矩阵相似度：将实际故障时频矩阵与故障特征样本数据库D中的所有样本矩阵进行矩阵相似度计算，得到最大矩阵相似度β_max；

与故障特征样本数据库D中的所有时频矩阵计算矩阵相似度时采用的公式为：

上式中，A为实际故障时频矩阵，B为故障特征样本数据库D中的样本矩阵；α_u为A、B的左奇异矩阵的相似度，α_v为A、B的右奇异矩阵的相似度，β为实际故障时频矩阵与故障特征样本数据库D中的样本矩阵的矩阵相似度，矩阵相似度的取值区间为[0,2]，β值越大，表示两个矩阵越相似，当β＝2时，表示两个矩阵完全相同。

步骤S215，故障判定：根据矩阵相似度的差异，利用保护判据判定区内外故障。

故障保护判据具体为：

β_max>β_set

β_max是实际故障矩阵与故障特征样本数据库矩阵的最大相似度，β_set是为了暂态保护能够可靠动作而设置的门槛值。当矩阵相似度大于门槛值时，判定为区内故障；反之，判定为区外故障。

步骤S216，线路保护：区内故障时发出跳闸指令，隔离故障；区外故障时闭锁保护装置。

保护装置是预先安装在输电线路的一端，故障发生后判别为区外故障，则闭锁保护装置。

本发明还提供一种基于S变换输配电故障保护装置，包括样本构建模块、实际故障处理模块、相似度计算模块和判定模块。

其中，样本构建模块，用于预先构建故障特征样本数据库D。实际故障处理模块，用于输电线路发生故障后，在输电线路一端采集实际故障暂态信号，并利用S变换和奇异值分解处理实际故障暂态信号，得到实际故障时频矩阵。相似度计算模块，用于将实际故障时频矩阵与故障特征样本数据库D中的所有样本矩阵进行矩阵相似度计算，得到最大矩阵相似度β_max。判定模块，用于根据所述β_max，利用预设的保护判据判定当前实际故障为区内故障还是区外故障；区内故障则发出跳闸指令，隔离故障；区外故障则闭锁保护装置。

下面对本发明的保护方法进行仿真分析，参见图3，图3是本发明一个实施例的电网结构图，为典型的500kV高压输电线路模型。图3中P、M、N、Q为四个变电站，l₁、l₂、l₃为三条500kV高压输电线路，长度分别为60km、100km、50km。约定输电线路l₂为被保护线路，在输电线路l₂端的变电站M处安装保护装置1，f₁为反向区外故障，f₂为区内故障，f₃为正向区外故障。基于该线路模型仿真分析本发明基于S变换的输电线路故障暂态保护方法在各种故障情况下的适应性，首先，在输电线路l₂每隔500米设置一个样本故障点，在所有样本故障点处模拟各种故障，建立故障特征样本数据库D。

在输电线路上选取典型位置仿真分析输电线路故障暂态保护方法在不同位置的适应性。在故障点位置f₂分别选取距离变电站M 0.1km、50km、99.9km的情况下仿真区内故障；在故障点位置f₃分别选取距离变电站N 0.1km、25km、49.9km的情况下仿真正向区外故障；在故障点位置f₁分别选取距离变电站P0.1km、30km、59.9km的情况下仿真反向区外故障。采集不同位置发生故障后的故障暂态信号，得到实际故障时频矩阵，与样本矩阵库T中的矩阵进行矩阵相似度计算，得到最大矩阵相似度β_max，并由保护判据判定区内外故障，判定结果如表1所示。

表1

选取典型初相角15°、60°仿真分析输电线路故障暂态保护方法在不同故障初相角情况下的适应性。不同的故障初相角，在故障点位置f₂分别选取距离变电站M 0.1km、50km、99.9km的情况下仿真区内故障；在故障点位置f₃距离变电站N 0.1km的情况下仿真正向区外故障；在故障点位置f₁选取距离变电站P 59.9km的情况下仿真反向区外故障。采集不同初相角发生故障后的暂态信号，得到实际故障时频矩阵，与样本矩阵库中的故障矩阵进行矩阵相似度计算，得到最大矩阵相似度β_max，并由保护判据判定区内外故障，判定结果如表2所示。

表2

选取典型过渡电阻15Ω、150Ω仿真分析输电线路故障暂态保护方法在不同故障过渡电阻情况下的适应性。在故障点位置f₂分别选取距离变电站M0.1km、50km、99.9km的情况下仿真区内故障；在故障点位置f₃选取距离变电站N 0.1km仿真正向区外故障；在故障点位置f₁选取距离变电站P 59.9km的情况下仿真反向区外故障。采集不同过渡电阻发生故障后的故障暂态信号，得到实际故障时频矩阵，与样本矩阵库中的故障矩阵进行矩阵相似度，得到最大矩阵相似度β_max，并由保护判据判定区内外故障，判定结果如表3所示。

表3

为验证输电线路故障暂态保护方法在弱故障情况下的可靠性，选取小故障初相角5°的情况进行了相关仿真分析。在故障点位置f₂分别选取距离变电站M0.1km、50km、99.9km的情况下仿真区内故障；在故障点位置f₃选取距离变电站N 0.1km仿真正向区外故障；在故障点位置f₁选取距离变电站P 59.9km的情况下仿真反向区外故障。检测小初相角发生故障后的故障暂态暂态信号，得到实际故障时频矩阵，与样本矩阵库中的故障矩阵进行矩阵相似度，得到最大矩阵相似度β_max，并由保护判据判定区内外故障，判定结果如表4所示。

表4

本发明综合利用暂态信号在时域及频域上的故障信息，相比于小波变换或者Hilbert-Huang变换的故障暂态保护，可有效避免单一使用暂态信号时域或频域的局部故障特征信息导致的缺陷，基于上述仿真分析数据，可见按照本发明的保护方法在不同故障位置，不同故障初相角，不同故障过渡电阻的情况下均能准确、快速、可靠地判定区内外故障及故障线路，具有较高的判别准确度，提高了保护的可靠性；同时本发明提供的保护方法实现过程简单易行，便于推广，具有广阔的应用前景。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于S变换输配电故障保护方法，其特征在于，包括步骤：

预先构建故障特征样本数据库D；

输电线路发生故障后，在输电线路一端采集实际故障暂态信号，并利用S变换和奇异值分解处理实际故障暂态信号，得到实际故障时频矩阵；

将所述实际故障时频矩阵与所述故障特征样本数据库D中的所有样本矩阵进行矩阵相似度计算，得到最大矩阵相似度β_max；

根据所述β_max，利用预设的保护判据判定当前实际故障为区内故障还是区外故障；区内故障则发出跳闸指令，隔离故障；区外故障则闭锁保护装置。

2.根据权利要求1所述的基于S变换输配电故障保护方法，其特征在于，所述步骤预先构建故障特征样本数据库D，包括步骤：

在输电线路设置样本故障点，分别在所有所述样本故障点处模拟各种故障情况，在输电线路一端采集各种故障情况下的样本暂态信号；

利用S变换提取所述样本暂态信号在时域及频域上的故障信息，构造样本时频矩阵来反映所述样本暂态信号的时频特性；

利用奇异值分解提取所述样本时频矩阵的故障特征，剔除矩阵冗余量，建立故障特征样本数据库D。

3.根据权利要求2所述的基于S变换输配电故障保护方法，其特征在于，所述步骤利用S变换提取所述样本暂态信号在时域及频域上的故障信息，其中S变换采用的公式为：

上式中，x(kT)为样本暂态信号，T为采样间隔，N为采样点数，k表示第k个采样点，k＝0,1,2,…N-1，j是虚数单位，l为时间参数，l＝0，1，2，…，N-1；n为频率参数，n＝1,2,…N/2。

4.根据权利要求3所述的基于S变换输配电故障保护方法，其特征在于，所述步骤构造样本时频矩阵来反映所述样本暂态信号的时频特性，包括构建如下样本时频矩阵：

上式中，B为样本时频矩阵，N为采样点数，矩阵的元素S(a,b)表示第a个频率的第b个采样点的信号幅值；所述样本时频矩阵的行元素与信号的频率相对应，所述样本时频矩阵的列元素与信号采样的时间点对应。

5.根据权利要求2所述的基于S变换输配电故障保护方法，其特征在于，所述步骤利用奇异值分解提取所述样本时频矩阵的故障特征，按照如下公式进行奇异值分解：

B＝UWV

上式中，B为一个样本时频矩阵，U为B的左奇异矩阵；W为B的奇异值对角阵；V为B的右奇异矩阵。

6.根据权利要求1所述的基于S变换输配电故障保护方法，其特征在于，所述步骤将所述实际故障时频矩阵与所述故障特征样本数据库D中的所有样本矩阵进行矩阵相似度计算，包括按照下式进行计算：

上式中，A为实际故障时频矩阵，B为故障特征样本数据库D中的样本时频矩阵；U_A、U_B分别为A、B的左奇异矩阵；V_A、V_B分别为A、B的右奇异矩阵；α_u为A、B的左奇异矩阵的相似度，α_v为A、B的右奇异矩阵的相似度，β为A与B的矩阵相似度，矩阵相似度的取值区间为[0,2]，β值越大，表示两个矩阵越相似，当β＝2时，表示两个矩阵完全相同。

7.根据权利要求1所述的基于S变换输配电故障保护方法，其特征在于，所述步骤利用预设的保护判据判定当前实际故障为区内故障还是区外故障，具体包括：

预设门槛值β_set；

判断是否β_max>β_set；

β_max是所述实际故障时频矩阵与所述样本时频矩阵的最大相似度，β_set是为暂态保护可靠动作而设置的门槛值；当β_max大于β_set时，判定为区内故障；反之，判定为区外故障。

8.一种基于S变换输配电故障保护装置，其特征在于，包括样本构建模块、实际故障处理模块、相似度计算模块和判定模块；

所述样本构建模块，用于预先构建故障特征样本数据库D；

所述实际故障处理模块，用于输电线路发生故障后，在输电线路一端采集实际故障暂态信号，并利用S变换和奇异值分解处理实际故障暂态信号，得到实际故障时频矩阵；

所述相似度计算模块，用于将所述实际故障时频矩阵与所述故障特征样本数据库D中的所有样本矩阵进行矩阵相似度计算，得到最大矩阵相似度β_max；

所述判定模块，用于根据所述β_max，利用预设的保护判据判定当前实际故障为区内故障还是区外故障；区内故障则发出跳闸指令，隔离故障；区外故障则闭锁保护装置。

9.根据权利要求8所述的基于S变换输配电故障保护装置，其特征在于，所述样本构建模块，用于：

在输电线路设置样本故障点，分别在所有所述样本故障点处模拟各种故障情况，在输电线路一端采集各种故障情况下的样本暂态信号；利用S变换提取所述样本暂态信号在时域及频域上的故障信息，构造样本时频矩阵来反映所述样本暂态信号的时频特性；利用奇异值分解提取所述样本时频矩阵的故障特征，剔除矩阵冗余量，建立故障特征样本数据库D。