CN109061399A - 基于esmd的配电网单相接地故障区段定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法，包括以下步骤：（1）判断母线零序电压值是否越限，若是，则执行步骤（2）；若否，则返回步骤（1）；（2）采集各测点故障后1/2工频周期内的零序电流信号；（3）对采集到的零序电流信号进行ESMD分解，得到一系列本征模态函数IMF及余量函数R；（4）对ESMD分解所得到的本征模态函数IMF及余量函数R构造描述暂态零序电流波形震荡强度的故障暂态能量函数；（5）基于故障暂态能量函数通过构造故障区段逻辑判断函数对其进行规格化处理；（6）结合配电网络拓扑结构确定故障所在区段。本发明对不同接地方式、不同过渡电阻和不同故障角下的接地故障都能表现出极好的适应性，易于工程实现。

Description

基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法。

背景技术

当非有效接地系统发生单相接地故障时，因线电压继续保持对称，可极大提高供电可靠性，目前国外主要发达国家的配电网整体上也从小电阻接地方式逐渐向消弧线圈为代表的非有效接地方式过渡。但这种中性点经消弧线圈接地系统，因消弧线圈对配电网电容电流进行了一定程度补偿，使得整个配电网在故障发生后其电流分布规律发生了重大改变，给故障的定位排查带来了极大困难，这也使得小电流接地系统的故障定位问题成为传统配电网中为数不多的尚未得到彻底解决的问题之一。

为解决这一问题，许多学者进行了大量研究，提出了一系列选线定位方案，大致包括稳态分量法、暂态分量法和信号注入法。从近年实际使用效果来看，基于稳态量的选线定位方法整体效果不佳，因其易受中性点接地方式、过渡电阻和不稳定电弧等因素影响，灵敏度低，容易发生误判；信号注入法的一个显著缺点是要大幅增加投资，且该方法并不能从根本上解决高阻接地故障问题；暂态法近年来受到高校学者、电力录波装置生产企业的青睐，主要因为消弧线圈补偿的对象是工频电流，对暂态过渡过程中的一些高频电流并没有显著的补偿效果，基于这个出发点提出了一系列基于暂态法的故障选线定位技术方案，但基于不同理论的暂态选线定位方法其效果、适用性也有相当大差异。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法，该方法可有效提取故障暂态特征，有效规避了中性点接地方式、故障角、过渡电阻、故障发生位置等因素的影响，适用于缆线混连配电网、纯架空线配电网、同杆双回结构配电网，适用故障工况范围广，原理简单，易于工程实现。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法，包括以下步骤：

(1)判断母线零序电压值是否越限，若是，则执行步骤(2)；若否，则返回步骤(1)；

(2)采集各测点故障后1/2工频周期内的零序电流信号；

(3)对采集到的零序电流信号进行ESMD分解，得到一系列本征模态函数IMF及余量函数R；

(4)对ESMD分解所得到的本征模态函数IMF及余量函数R构造描述暂态零序电流波形震荡强度的故障暂态能量函数；

(5)基于故障暂态能量函数通过构造故障区段逻辑判断函数对其进行规格化处理；

(6)结合配电网络拓扑结构确定故障所在区段。

本发明一个较佳实施例中，基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法进一步包括所述步骤(1)中，当母线零序电压值超过0.15倍的母线额定电压值时，判定母线零序电压值越限。

本发明一个较佳实施例中，基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法进一步包括所述步骤(2)中，通过安装于配电网各测点的故障录波装置来采集各测点故障后1/2工频周期内的零序电流信号。

本发明一个较佳实施例中，基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法进一步包括所述步骤(3)包括以下步骤：

(3.1)找出各测点零序电流实际采样信号I的所有极值点并依次将它们标记为P_i(i＝1,2,...,n)；

(3.2)用线段连接各相邻极点，依次标记各线段中点为F_i(i＝1,2,...,n-1)；

(3.3)通过线性插值法补充F₀、F_n作为F_i的左右边界点；

(3.4)对奇数序列的F_i构造插值线L₁，对偶数序列的F_i构造插值线L₂，并求出均值曲线L^*；

L^*＝(L₁+L₂)/2

(3.5)对I-L^*重复步骤(3.1)-(3.4)直到|L^*|≤ε或者筛选次数达到最大值K，此时分解得到第一个模态分量IMF₁；

其中，ε为预先设定的容许误差；

(3.6)对I-IMF₁重复步骤(3.1)-(3.5)依次获得IMF₂，IMF₃，…,直到余量R只剩一定数量的极点；

(3.7)让最大筛选次数K于整数区间[Kmin,Kmax]内变换并重复步骤(3.1)-(3.6)得到一系列分解结果，计算方差比率σ/σ₀，其中σ是I-R的相对标准差，σ₀为I的标准差；

其中，N为采样点数。

(3.8)从区间[Kmin,Kmax]选出对应最小方差比率σ/σ₀的最大筛选次数K₀，据此重复步骤(3.1)-(3.6)输出分解结果。

本发明一个较佳实施例中，基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法进一步包括所述步骤(3.4)中，利用三次样条差值分别对奇数序列的F_i和偶数序列的F_i构造插值线。

本发明一个较佳实施例中，基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法进一步包括所述步骤(3.5)中，ε＝0.001σ₀，σ₀为I的标准差。

本发明一个较佳实施例中，基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法进一步包括所述步骤(4)包括以下步骤：

(4.1)设第j个本征模态函数对应的解析表达式为：

IMF_j＝A_j(t)cosθ_j(t)

其中，A(t)为振幅函数，θ(t)为相位函数；

(4.2)定义t时刻故障零序电流信号所具有的瞬时能量值为：

(4.3)定义单相接地暂态过程的能量函数为：

其中，T为工频周期。

本发明一个较佳实施例中，基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法进一步包括所述步骤(5)包括以下步骤：

(5.1)基于各测点计算所得的

F＝{F₁,F₂,...,F_k}

(5.2)令

F_max＝max{F₁,F₂,...,F_k}

(5.3)引入故障区段逻辑判断函数：

式中：i＝1,2,…,k

判定：G＝1时，认为该测点位于故障点上游；G＝0时，认为该测点位于故障点下游或其它正常线路；G＝-1时，认为该测点采样信号不足以提供充分证据判断故障点位置。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明的方法可有效提取故障后的暂态信号特征，对不同接地方式、不同过渡电阻和不同故障角下的接地故障都能表现出极好的适应性，尤其是能对800欧姆以内过渡电阻下所有故障角的单相接地故障进行准确区段定位，不受中性点接地方式影响，各测点仅需上传一个暂态能量函数值可有效降低通讯压力、节约投资成本，为配电网单相接地故障的处理提供有效决策依据，原理简单，易于工程实现，适用于缆线混连配电网、纯架空线配电网、同杆双回结构配电网，适用故障工况范围广。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例的流程图；

图2是本发明的优选实施例的基于实际配电网参数的缆-线混连PSCAD仿真模型图；

图3是以图2模型为仿真数据来源，以故障点下游6号测点为例给出其各模态分解结果图；

图4是以图2模型为仿真数据来源，以1、2、4、5、6、7、12、13号共8个测点为例，得到的各测点瞬时能量时域图。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，一种基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法，包括以下步骤：

(1)判断母线零序电压值是否越限，若是，则执行步骤(2)；若否，则返回步骤(1)。母线零序电压值可根据配电网实际情况选定，本实施例中，优选当母线零序电压值超过0.15倍的母线额定电压值时，判定母线零序电压值越限，认为发生故障。

(2)采集各测点故障后1/2工频周期内的零序电流信号。本实施例中，通过安装于配电网各测点的故障录波装置来采集各测点故障后1/2工频周期内的零序电流信号。

(3)对采集到的零序电流信号进行ESMD分解，得到一系列本征模态函数IMF及余量函数R。

考虑到暂态过程的频率范围大多在3000Hz以内，设定采样频率f_c为10KHz，那采样周期就是0.0001s，半个工频周期内也就是0.01s内对应的采样点数N＝0.01/0.0001＝100。根据采样采样频率f_c和采样点数N，对各测点零序电流信号I＝{i₁,i₂,...,i_N}进行ESMD(Extrem-point Symmetric Mode Decomposition，极点对称模态分解)，具体步骤如下：

(3.1)找出各测点零序电流实际采样信号I的所有极值点并依次将它们标记为P_i(i＝1,2,...,n)；

(3.2)用线段连接各相邻极点，依次标记各线段中点为F_i(i＝1,2,...,n-1)；

(3.3)通过线性插值法补充F₀、F_n作为F_i的左右边界点；

(3.4)利用三次样条插值对奇数序列的F_i构造插值线L₁，对偶数序列的F_i构造插值线L₂，并求出均值曲线L^*；

L^*＝(L₁+L₂)/2 (1)

(3.5)对I-L^*重复步骤(3.1)-(3.4)直到|L^*|≤ε或者筛选次数达到最大值K，此时分解得到第一个模态分量IMF₁；此时是用I-L^*代替步骤(3.1)中的I；

其中，ε为预先设定的容许误差；优选ε＝0.001σ₀，σ₀为I的标准差，K＝50；

(3.6)对I-IMF₁重复步骤(3.1)-(3.5)依次获得IMF₂，IMF₃，…,直到余量R只剩一定数量的极点；也就是用I-IMF₁代替步骤(3.1)中的I得到IMF₂，用I-IMF₁-IMF₂代替步骤(3.1)中的I得到IMF₃，以此类推；其中，余量R极值点数量根据实测数据变化趋势确定，优选值为4。

(3.7)让最大筛选次数K于整数区间[Kmin,Kmax]内变换并重复步骤(3.1)-(3.6)得到一系列分解结果，计算方差比率σ/σ₀，其中σ是I-R的相对标准差，σ₀为I的标准差；

其中，N为采样点数。

(3.8)从区间[Kmin,Kmax]选出对应最小方差比率σ/σ₀的最大筛选次数K₀，据此重复步骤(3.1)-(3.6)输出分解结果。K₀为最佳的最大筛选次数，从而确定与K₀对应的各模态分量及余量R。区间[Kmin,Kmax]优选为[1,50]。

通过步骤(3.1)-(3.8)，得到n个本征模态函数和余量R：

式中，k为测点标号。

(4)对ESMD分解所得到的本征模态函数IMF及余量函数R构造描述暂态零序电流波形震荡强度的故障暂态能量函数。具体包括以下步骤：

(4.1)设第j个本征模态函数对应的解析表达式为：

IMF_j＝A_j(t)cosθ_j(t) (4)

其中，A(t)为振幅-时间函数，θ(t)为相位函数；

(4.2)定义t时刻故障零序电流信号所具有的瞬时能量值为：

瞬时能量指的是故障零序暂态电流信号在时刻t的振荡强度；

(4.3)定义单相接地暂态过程的能量函数为：

其中，T为工频周期。

式(4)的定义是从能量角度考虑，A(t)用于表达t时刻的实测波形振动强度，通过式(3)和式(4)即可求得A(t)，式(5)是对模态函数的一种平滑处理方式，可以抗较高的过渡电阻值，使得本方法可适应各种故障工况，式(6)是对E(t)的积分处理，方便计算机分类判断某个测点是位于故障点上游还是下游。

(5)基于故障暂态能量函数通过构造故障区段逻辑判断函数对其进行规格化处理。具体包括以下步骤：

(5.1)基于各测点计算所得的

F＝{F₁,F₂,...,F_k} (7)

(5.2)令

F_max＝max{F₁,F₂,...,F_k} (8)

(5.3)引入故障区段逻辑判断函数：

式中：i＝1,2,…,k

判定：G＝1时，认为该测点位于故障点上游；G＝0时，认为该测点位于故障点下游或其它正常线路；G＝-1时，认为该测点采样信号不足以提供充分证据判断故障点位置。

(6)根据各测点在配电网中的具体安装位置，结合各测点G值及网络拓扑结构即可确定故障所在区段。

为了进一步说明本发明的方法，基于某实际配电网参数的PSCAD/EMTDC仿真数据结果进行演示，该配电站10kV线路参数具体如下：该配电站共13条出线，线路总长76km，其中电缆线路总长达48.9km，为典型缆-线混连结构，架空线部分还包含了同杠双回结构。其中架空主线型号为：JKLYJ-240；架空支线型号为：JKLYJ-150；电缆型号主要有YJV22-3*400、YJV22-3*300、YJV22-3*150。

为进行故障区段定位算法测试，本发明拟在该变电站154广南线、153江西线、162叙康线、144农下线4条出线装设13个测点。其中农下线和叙康线仅在出线口装设测点用于选线测试，广南线、江西线合计装设11个测点用以故障区段定位测试。图2展示了该变电站154广南线、153江西线的PSCAD仿真模型，各段架空线长度和埋地电缆长度、测点安装位置、故障设置位置等均已在仿真模型中注明。

按照前文处理流程，图3给出了以故障点下游6号测点为例给出其各模态分解结果。图4为以1、2、4、5、6、7、12、13号共8个测点为例，得到的各测点瞬时能量时域图。

表1给出了各测点暂态能量仿真计算值F，表2给出了各测点逻辑判断函数G值：

表1各测点暂态能量仿真计算值(5-6区段故障)

表2不同故障工况下单相接地区段定位结果(5-6区段故障)

由表1和表2可以看出：本发明可准确给出过渡电阻在800欧姆以内的任何故障角下的单相接地故障所在区段。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关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技术性范围。

Claims (8)

1.一种基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)判断母线零序电压值是否越限，若是，则执行步骤(2)；若否，则返回步骤(1)；

(2)采集各测点故障后1/2工频周期内的零序电流信号；

(3)对采集到的零序电流信号进行ESMD分解，得到一系列本征模态函数IMF及余量函数R；

(4)对ESMD分解所得到的本征模态函数IMF及余量函数R构造描述暂态零序电流波形震荡强度的故障暂态能量函数；

(5)基于故障暂态能量函数通过构造故障区段逻辑判断函数对其进行规格化处理；

(6)结合配电网络拓扑结构确定故障所在区段。

2.根据权利要求1所述的基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述步骤(1)中，当母线零序电压值超过0.15倍的母线额定电压值时，判定母线零序电压值越限。

3.根据权利要求1所述的基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中，通过安装于配电网各测点的故障录波装置来采集各测点故障后1/2工频周期内的零序电流信号。

4.根据权利要求1所述的基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：

(3.1)找出各测点零序电流实际采样信号I的所有极值点并依次将它们标记为P_i(i＝1,2,...,n)；

(3.2)用线段连接各相邻极点，依次标记各线段中点为F_i(i＝1,2,...,n-1)；

(3.3)通过线性插值法补充F₀、F_n作为F_i的左右边界点；

(3.4)对奇数序列的F_i构造插值线L₁，对偶数序列的F_i构造插值线L₂，并求出均值曲线L^*；

L^*＝(L₁+L₂)/2

(3.5)对I-L*重复步骤(3.1)-(3.4)直到|L^*|≤ε或者筛选次数达到最大值K，此时分解得到第一个模态分量IMF₁；

其中，ε为预先设定的容许误差；

(3.6)对I-IMF₁重复步骤(3.1)-(3.5)依次获得IMF₂，IMF₃，…,直到余量R只剩一定数量的极点；

(3.7)让最大筛选次数K于整数区间[Kmin,Kmax]内变换并重复步骤(3.1)-(3.6)得到一系列分解结果，计算方差比率σ/σ₀，其中σ是I-R的相对标准差，σ₀为I的标准差；

其中，N为采样点数。

(3.8)从区间[Kmin,Kmax]选出对应最小方差比率σ/σ₀的最大筛选次数K₀，据此重复步骤(3.1)-(3.6)输出分解结果。

5.根据权利要求4所述的基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述步骤(3.4)中，利用三次样条差值分别对奇数序列的F_i和偶数序列的F_i构造插值线。

6.根据权利要求4所述的基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述步骤(3.5)中，ε＝0.001σ₀，σ₀为I的标准差。

7.根据权利要求4所述的基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述步骤(4)包括以下步骤：

(4.1)设第j个本征模态函数对应的解析表达式为：

IMF_j＝A_j(t)cosθ_j(t)

其中，A(t)为振幅-时间函数，θ(t)为相位函数；

(4.2)定义t时刻故障零序电流信号所具有的瞬时能量值为：

(4.3)定义单相接地暂态过程的能量函数为：

其中，T为工频周期。

8.根据权利要求7所述的基于ESMD的配电网单相接地故障区段定位方法，其特征在于，所述步骤(5)包括以下步骤：

(5.1)基于各测点计算所得的

F＝{F₁,F₂,...,F_k}

(5.2)令

F_max＝max{F₁,F₂,...,F_k}

(5.3)引入故障区段逻辑判断函数：

式中：i＝1,2,…,k

判定：G＝1时，认为该测点位于故障点上游；G＝0时，认为该测点位于故障点下游或其它正常线路；G＝-1时，认为该测点采样信号不足以提供充分证据判断故障点位置。