CN109239528A - 基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析方法及系统，利用一种基于数学形态学的新型滤波器处理初始电流行波(Initial Current Traveling Waves,ICTWs)的暂态信号以提取其中的有效特征量，测得初始电流行波到达输电线路两端继电器的时间和极性用于故障分析，从而快速确定其故障区域、故障类型和故障相，具有较高的准确性和可靠性。

Description

基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析方法及系统

技术领域

本发明涉及电力故障分析技术，尤其涉及一种基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析方法及系统。

背景技术

在基于行波法的故障分析方法中，大多数都采用小波变换方法作为暂态信号的处理工具，该过程计算量大，且在高阻抗故障情况下受噪声干扰影响大，故障分析效果也随之下降。而高阻抗故障分析是故障分析的一个重要类型，其故障区域、类型和故障相的识别是继电保护、故障录波器和自动准同期装置正确动作的重要前提，且在提高电力系统暂态稳定性和输电线路电力输送能力方面起着重要的作用，针对以上特点，特别需要针对架空输电线路的高阻抗故障进行快速全面分析。

发明内容

本发明主要目的在于，提供一种基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析方法及系统，以实现对架空输电线路的高阻抗故障进行快速全面分析。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析方法，包括：

步骤1：检测输电线路因发生高阻抗故障而产生的初始电流行波，通过形态学滤波器处理所述初始电流行波中的暂态信号以获取其有效特征量，并据此确定所述初始电流行波到达所述输电线路两端的继电器的时间和极性；

步骤2：根据所述初始电流行波到达所述输电线路两端继电器的时间和极性，确定所述输电线路的故障区域、故障类型和故障相。

进一步地，所述形态学滤波器根据所述暂态信号的变化斜率确定所述初始电流行波的极性，当所述暂态信号的变化斜率为正时，其膨胀信号超前于其腐蚀信号，当所述暂态信号的变化斜率为负时，其膨胀信号滞后于其腐蚀信号，当所述暂态信号没有变化时，其膨胀信号与其腐蚀信号同相位。

进一步地，所述输电线路两端的继电器接收到的初始电流行波信号通过相模转换得到各模态分量，所述步骤2中通过对各模态分量的分析确定所述输电线路的故障类型和故障相。

进一步地，所述各模态分量包括M_A0、M_Aα、M_Aβ、M_Aγ和M_B0、M_Bα、M_Bβ、M_Bγ，其中，M_A0表示其中一个继电器中初始电流行波经相模转换得到的0模分量，M_Aα、M_Aβ、M_Aγ为相应线模分量，M_B0为另一个继电器中初始电流行波经相模转换得到的0模分量，M_Bα、M_Bβ、M_Bγ为相应线模分量，设i_a,、i_b、i_c分别为所述输电线路的A、B、C三相的初始电流信号，所述输电线路的接地阻抗为0Ω，则矩阵表达式为：

所述输电线路上发生A相短路接地故障的边界条件为v_a为A相的初始电压信号，则当满足时，判定所述输电线路上发生A相短路接地故障；

所述输电线路上发生AB两相短路故障的边界条件为则当满足时，判定所述输电线路上发生AB两相短路故障；

所述输电线路上发生ABG两相短路接地故障的边界条件为则当满足时，判定所述输电线路上发生ABG两相短路接地故障。

进一步地，若到达所述输电线路两端的继电器的初始电流行波中，前行波电流和反行波电流均存在，则判定所述故障发生在两继电器之间的保护线段区域内，否则，判定所述故障发生在所述区域之外。

一种基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析系统，包括：

初始电流行波分析模块，用于检测输电线路因发生高阻抗故障而产生的初始电流行波，通过形态学滤波器处理所述初始电流行波中的暂态信号以获取其有效特征量，并据此确定所述初始电流行波到达所述输电线路两端的继电器的时间和极性；

故障确定模块，用于根据所述初始电流行波到达所述输电线路两端继电器的时间和极性，确定所述输电线路的故障区域、故障类型和故障相。

进一步地，所述形态学滤波器根据所述暂态信号的变化斜率确定所述初始电流行波的极性，当所述暂态信号的变化斜率为正时，其膨胀信号超前于其腐蚀信号，当所述暂态信号的变化斜率为负时，其膨胀信号滞后于其腐蚀信号，当所述暂态信号没有变化时，其膨胀信号与其腐蚀信号同相位。

进一步地，所述输电线路两端的继电器接收到的初始电流行波信号通过相模转换得到各模态分量，所述故障确定模块中通过对各模态分量的分析确定所述输电线路的故障类型和故障相。

进一步地，所述各模态分量包括M_A0、M_Aα、M_Aβ、M_Aγ和M_B0、M_Bα、M_Bβ、M_Bγ，其中，M_A0表示其中一个继电器中初始电流行波经相模转换得到的0模分量，M_Aα、M_Aβ、M_Aγ为相应线模分量，M_B0为另一个继电器中初始电流行波经相模转换得到的0模分量，M_Bα、M_Bβ、M_Bγ为相应线模分量，设i_a,、i_b、i_c分别为所述输电线路的A、B、C三相的初始电流信号，所述输电线路的接地阻抗为0Ω，则矩阵表达式为：

所述输电线路上发生A相短路接地故障的边界条件为v_a为A相的初始电压信号，则当满足时，判定所述输电线路上发生A相短路接地故障；

所述输电线路上发生AB两相短路故障的边界条件为则当满足时，判定所述输电线路上发生AB两相短路故障；

所述输电线路上发生ABG两相短路接地故障的边界条件为则当满足时，判定所述输电线路上发生ABG两相短路接地故障。

进一步地，若到达所述输电线路两端的继电器的初始电流行波中，前行波电流和反行波电流均存在，则所述故障确定模块判定所述故障发生在两继电器之间的保护线段区域内，否则，所述故障确定模块判定所述故障发生在所述区域之外。

与现有技术相比，本发明提供的基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析方法及系统，利用一种基于数学形态学的新型滤波器处理初始电流行波(Initial CurrentTraveling Waves,ICTWs)的暂态信号以提取其中的有效特征量，测得初始电流行波到达输电线路两端继电器的时间和极性用于故障分析，从而快速确定其故障区域、故障类型和故障相，具有较高的准确性和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析方法的流程示意图；

图2是两相短路接地故障识别流程示意图；

图3是本发明实施例提供的基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析系统的组成示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供的基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析方法包括：

步骤1：检测输电线路因发生高阻抗故障而产生的初始电流行波，通过形态学滤波器处理初始电流行波中的暂态信号以获取其有效特征量，并据此确定初始电流行波到达输电线路两端的继电器的时间和极性；

步骤2：根据初始电流行波到达输电线路两端继电器的时间和极性，确定输电线路的故障区域、故障类型和故障相。

以下对本实施例的故障分析方法的步骤进行详细说明。本实施例的故障分析方法基于以下原理。

形态学滤波器：

数学形态学中存在两种最基本的运算：膨胀和腐蚀，基于这两种运算，得到另外两种混合运算：开运算和闭运算。设f(n)为待处理信号，结构元素为g(n)，值域分别为D_f＝{0,1,2，K，N-1}和D_g＝{0,1,2，K，M-1}，则信号f(n)被结构元素g(n)进行膨胀和腐蚀运算分别表示为和具体定义如下：

开运算和闭运算分别表示为和f·g，具体定义如下：

其中n∈D_f，m∈D_g

开运算能够消除正脉冲信号边缘的尖锐处及孤立点，达到平滑信号的效果；而闭运算则能够填充负脉冲信号中的裂缝和细小间隙，具有过滤信号的作用。

形态学均值边缘滤波原理：

传统滤波器能检测到信号的变化，但是不能检测出其极性，且由于信号经过膨胀和腐蚀运算后存在相位差，产生“偏倚现象”，故本文提出均值形态学边缘滤波器F(n)，均值形态学边缘滤波器能够有效消除“偏倚现象”，检测到信号变化且能检测其极性，原理如下：

形态学中值滤波器MMF能在保护信号边缘基础上准确检测信号变化且性能优越，为了实现更理想的去噪效果，将MMF滤波器结果进行膨胀和腐蚀运算且求均值，重复多次，表达式如下：

当m＝1时：

F₁(n)＝NMMF₁(n)＝MMF(n)＝(f_d(n)+f_e(n))/2 (6)

其中m≥1为进行膨胀和腐蚀的次数，虽然m越大，经滤波器处理得到的信号中噪声含量越少，但效率随着滤波时间增加而下降，故依据实验所得结果，本文选取m＝4。

输电线路中出现故障时，形态学滤波器根据暂态信号的变化斜率确定初始电流行波的极性，当暂态信号的变化斜率为正时，其膨胀信号超前于其腐蚀信号，当暂态信号的变化斜率为负时，其膨胀信号滞后于其腐蚀信号，当暂态信号没有变化时，其膨胀信号与其腐蚀信号同相位。本发明所涉及的形态学均值滤波器正是利用这个现象检测信号极性，原理表达式如下：

当d(f(t))/dt＞0时，有：

F(output)＝F_5(d)(n)-F_5(e)(n) (7)

当d(f(t))/dt＜0时，有

F(output)＝F_5(e)(n)-F_5(d)(n) (8)

其中，当m＝4时，则有：

F滤波器的输出结果只有‘+1’,‘-1’和0，能准确快速的检测出信号的变化和极性。

故障区域、故障类型、故障相判别依据：

当线路发生高阻抗故障时，随即产生了大量初始电流行波，通过分析继电器R_A、R_B中故障初始电流行波的到达时间和极性，能够同时确定该故障区域、故障类型和故障相，并得到相对应的判据。

为了消除各相间的耦合效应，本实施例利用改进卡伦鲍尔变换(karenbauertransform)将继电器R_A、R_B中初始电流信号进行相模转换，得到各模态分量包括M_A0、M_Aα、M_Aβ、M_Aγ和M_B0、M_Bα、M_Bβ、M_Bγ，其中，M_A0表示其中一个继电器中初始电流行波经相模转换得到的0模分量，M_Aα、M_Aβ、M_Aγ为相应线模分量，M_B0为另一个继电器中初始电流行波经相模转换得到的0模分量，M_Bα、M_Bβ、M_Bγ为相应线模分量。矩阵表达式如下所示：

其中i_a,、i_b、i_c分别为输电线路的A、B、C三相的初始电流信号，M₀为零模分量，M_α，M_β和M_γ为线模分量。

由于故障类型和故障相的确定是通过分析各模态分量之间的关系得到，因此，将输电线路两端的继电器(继电器R_A、R_B)接收到的初始电流行波信号通过相模转换得到各模态分量，并在步骤2中通过对各模态分量的分析确定输电线路的故障类型和故障相。

单相短路接地故障：

当输电线路上出现接地故障时，以A相短路接地故障为例，假设接地阻抗为0Ω，输电线路上发生A相短路接地故障的边界条件为：

其中i_b和i_c分别为B，C两相的初始电流信号，v_a为A相的初始电压信号，初始电流信号的地膜分量M₀不为零，联立式(9)和(10)，得A相短路接地故障的判据为：

当满足式(11)时，即当当γ模态分量为零，α、β模态分量和地膜分量的极性相同时，判定输电线路上发生A相短路接地故障。

若到达继电器R_A和R_B中的初始电流行波中，前行波电流和反行波电流均存在，则该故障发生在保护线段AB区域内，初始电流行波的模态分量极性一致，即有：

P(M_Aα)·P(M_Aβ)·P(M_A0)＝P(M_Bα)·P(M_Bβ)·P(M_B0) (12)

若到达继电器R_A和R_B中的初始电流行波中，前行波电流和后行波电流不同时存在，则该故障发生在保护线段AB区域外，初始电流行波的模态分量极性不一致，即有：

P(M_Aα)·P(M_Aβ)·P(M_A0)≠P(M_Bα)·P(M_Bβ)·P(M_B0) (13)

两相短路故障：

对于两相短路故障类型，以AB两相短路故障为例，假设接地阻抗为0Ω，则输电线路上发生AB两相短路故障的边界条件为：

其中i_a，i_b和i_c分别为A，B，C三相初始电流信号，将式(9)和(14)联立，得AB两相短路故障的判别标准为：

当满足式(15)时，即当0模态分量为零，α、β模态分量极性一致，且与γ模态分量的极性相反时，判定输电线路上发生AB两相短路故障。

若到达继电器R_A和R_B中的初始电流行波中，前行波电流和反行波电流均存在，则该故障发生在保护线段AB区域内，初始电流行波的模态分量极性一致，即有：

P(M_Aα)·P(M_Aβ)·P(M_Aγ)＝P(M_Bα)·P(M_Bβ)·P(M_Bγ) (16)

若到达继电器R_A和R_B中的初始电流行波中，前行波电流和后行波电流不同时存在，则该故障发生在保护线段AB区域外，初始电流行波的模态分量极性不一致，即有：

P(M_Aα)·P(M_Aβ)·P(M_Aγ)≠P(M_Bα)·P(M_Bβ)·P(M_Bγ) (17)

两相短路接地故障：

两相短路接地故障的识别流程可参考图2。对于两相短路接地故障类型，以ABG两相短路接地故障为例，假设接地阻抗为0Ω，输电线路上发生ABG两相短路接地故障的边界条件为：

其中v_a和v_b分别为A，B两相的初始电压信号，联立式(9)和(18)，得AB两相短路接地故障的判别标准为：

当满足上式(19)时，判定输电线路上发生ABG两相短路接地故障。

若到达继电器R_A和R_B中的初始电流行波中，前行波电流和反行波电流均存在，则该故障发生在保护线段AB区域内，初始电流行波的模态分量极性一致，即有：

若到达继电器R_A和R_B中的初始电流行波中，前行波电流和后行波电流不同时存在，则该故障发生在保护线段AB区域外，初始电流行波的模态分量极性不一致，即有：

判断输电线路上的故障区域的方法可总结为，若到达输电线路两端的继电器的初始电流行波中，前行波电流和反行波电流均存在，则故障确定模块判定故障发生在两继电器之间的保护线段区域内，否则，故障确定模块判定故障发生在区域之外。

基于上述故障分析方法，如图3所示，本发明另一实施例还提供了一种基于基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析系统。该系统包括：

初始电流行波分析模块1，用于检测输电线路因发生高阻抗故障而产生的初始电流行波，通过形态学滤波器处理初始电流行波中的暂态信号以获取其有效特征量，并据此确定初始电流行波到达输电线路两端的继电器的时间和极性；

故障确定模块2，用于根据初始电流行波到达输电线路两端继电器的时间和极性，确定输电线路的故障区域、故障类型和故障相。

形态学滤波器根据暂态信号的变化斜率确定初始电流行波的极性，当暂态信号的变化斜率为正时，其膨胀信号超前于其腐蚀信号，当暂态信号的变化斜率为负时，其膨胀信号滞后于其腐蚀信号，当暂态信号没有变化时，其膨胀信号与其腐蚀信号同相位。

输电线路两端的继电器接收到的初始电流行波信号通过相模转换得到各模态分量，故障确定模块2中通过对各模态分量的分析确定输电线路的故障类型和故障相。

各模态分量包括M_A0、M_Aα、M_Aβ、M_Aγ和M_B0、M_Bα、M_Bβ、M_Bγ，其中，M_A0表示其中一个继电器中初始电流行波经相模转换得到的0模分量，M_Aα、M_Aβ、M_Aγ为相应线模分量，M_B0为另一个继电器中初始电流行波经相模转换得到的0模分量，M_Bα、M_Bβ、M_Bγ为相应线模分量，设i_a,、i_b、i_c分别为输电线路的A、B、C三相的初始电流信号，输电线路的接地阻抗为0Ω，则矩阵表达式为：

输电线路上发生A相短路接地故障的边界条件为v_a为A相的初始电压信号，则当满足时，判定输电线路上发生A相短路接地故障；

输电线路上发生AB两相短路故障的边界条件为则当满足时，判定输电线路上发生AB两相短路故障；

输电线路上发生ABG两相短路接地故障的边界条件为则当满足时，判定输电线路上发生ABG两相短路接地故障。

若到达输电线路两端的继电器的初始电流行波中，前行波电流和反行波电流均存在，则故障确定模块2判定故障发生在两继电器之间的保护线段区域内，否则，故障确定模块2判定故障发生在区域之外。

该故障分析系统与上述故障分析方法相对应，用于执行上述故障分析方法，具体工作原理可参考上述故障分析方法中的说明，在此不再赘述。

上述实施例仅为优选实施例，并不用以限制本发明的保护范围，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析方法，其特征在于，包括：

步骤1：检测输电线路因发生高阻抗故障而产生的初始电流行波，通过形态学滤波器处理所述初始电流行波中的暂态信号以获取其有效特征量，并据此确定所述初始电流行波到达所述输电线路两端的继电器的时间和极性；

步骤2：根据所述初始电流行波到达所述输电线路两端继电器的时间和极性，确定所述输电线路的故障区域、故障类型和故障相。

2.如权利要求1所述的基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析方法，其特征在于，所述形态学滤波器根据所述暂态信号的变化斜率确定所述初始电流行波的极性，当所述暂态信号的变化斜率为正时，其膨胀信号超前于其腐蚀信号，当所述暂态信号的变化斜率为负时，其膨胀信号滞后于其腐蚀信号，当所述暂态信号没有变化时，其膨胀信号与其腐蚀信号同相位。

3.如权利要求1所述的基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析方法，其特征在于，所述输电线路两端的继电器接收到的初始电流行波信号通过相模转换得到各模态分量，所述步骤2中通过对各模态分量的分析确定所述输电线路的故障类型和故障相。

4.如权利要求3所述的基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析方法，其特征在于，所述各模态分量包括M_A0、M_Aα、M_Aβ、M_Aγ和M_B0、M_Bα、M_Bβ、M_Bγ，其中，M_A0表示其中一个继电器中初始电流行波经相模转换得到的0模分量，M_Aα、M_Aβ、M_Aγ为相应线模分量，M_B0为另一个继电器中初始电流行波经相模转换得到的0模分量，M_Bα、M_Bβ、M_Bγ为相应线模分量，设i_a,、i_b、i_c分别为所述输电线路的A、B、C三相的初始电流信号，所述输电线路的接地阻抗为0Ω，则矩阵表达式为：

所述输电线路上发生A相短路接地故障的边界条件为v_a为A相的初始电压信号，则当满足时，判定所述输电线路上发生A相短路接地故障；

所述输电线路上发生AB两相短路故障的边界条件为则当满足时，判定所述输电线路上发生AB两相短路故障；

所述输电线路上发生ABG两相短路接地故障的边界条件为则当满足时，判定所述输电线路上发生ABG两相短路接地故障。

5.如权利要求1所述的基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析方法，其特征在于，若到达所述输电线路两端的继电器的初始电流行波中，前行波电流和反行波电流均存在，则判定所述故障发生在两继电器之间的保护线段区域内，否则，判定所述故障发生在所述区域之外。

6.一种基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析系统，其特征在于，包括：

初始电流行波分析模块，用于检测输电线路因发生高阻抗故障而产生的初始电流行波，通过形态学滤波器处理所述初始电流行波中的暂态信号以获取其有效特征量，并据此确定所述初始电流行波到达所述输电线路两端的继电器的时间和极性；

故障确定模块，用于根据所述初始电流行波到达所述输电线路两端继电器的时间和极性，确定所述输电线路的故障区域、故障类型和故障相。

7.如权利要求6所述的基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析系统，其特征在于，所述形态学滤波器根据所述暂态信号的变化斜率确定所述初始电流行波的极性，当所述暂态信号的变化斜率为正时，其膨胀信号超前于其腐蚀信号，当所述暂态信号的变化斜率为负时，其膨胀信号滞后于其腐蚀信号，当所述暂态信号没有变化时，其膨胀信号与其腐蚀信号同相位。

8.如权利要求6所述的基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析系统，其特征在于，所述输电线路两端的继电器接收到的初始电流行波信号通过相模转换得到各模态分量，所述故障确定模块中通过对各模态分量的分析确定所述输电线路的故障类型和故障相。

9.如权利要求8所述的基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析系统，其特征在于，所述各模态分量包括M_A0、M_Aα、M_Aβ、M_Aγ和M_B0、M_Bα、M_Bβ、M_Bγ，其中，M_A0表示其中一个继电器中初始电流行波经相模转换得到的0模分量，M_Aα、M_Aβ、M_Aγ为相应线模分量，M_B0为另一个继电器中初始电流行波经相模转换得到的0模分量，M_Bα、M_Bβ、M_Bγ为相应线模分量，设i_a,、i_b、i_c分别为所述输电线路的A、B、C三相的初始电流信号，所述输电线路的接地阻抗为0Ω，则矩阵表达式为：

所述输电线路上发生A相短路接地故障的边界条件为v_a为A相的初始电压信号，则当满足时，判定所述输电线路上发生A相短路接地故障；

所述输电线路上发生AB两相短路故障的边界条件为则当满足时，判定所述输电线路上发生AB两相短路故障；

所述输电线路上发生ABG两相短路接地故障的边界条件为则当满足时，判定所述输电线路上发生ABG两相短路接地故障。

10.如权利要求6所述的基于形态学的架空输电线路高阻抗故障分析系统，其特征在于，若到达所述输电线路两端的继电器的初始电流行波中，前行波电流和反行波电流均存在，则所述故障确定模块判定所述故障发生在两继电器之间的保护线段区域内，否则，所述故障确定模块判定所述故障发生在所述区域之外。