CN109375033A - 一种基于IMF和MC-ApEn的含DG中压配电网测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IMF和MC‑ApEn的含DG中压配电网测距方法。首先采用EMD分解法提取暂态信号最高频分量，获得行波波头的初步提取。然后借助表征信号复杂度的近似熵(ApEn)方法，建立一个滑动的时间窗，在行波信号中连续滑动，分别计算窗内序列的ApEn值，得到行波信号的近似熵分布。通过对得到的ApEn序列进行突变判断，实现行波波头的准确提取。最后采用零模‑线模传输时间差的原理实现测距。本申请提出的方法解决了DG的接入加大测距难度的问题，在工程上具有较高的实用价值。

Description

一种基于IMF和MC-ApEn的含DG中压配电网测距方法

技术领域

本发明属于电力自动化技术领域，涉及10-66kV配电网自动化领域，具体来说是单相接地故障的准确定位。

背景技术

我国配电网多为中性点非有效接地系统，单相接地故障约占所有故障的80％。准确定位故障点，是长久以来一直研究的热点。行波法作为一种行之有效的方法，已经逐渐运用在配电网中。DG的接入改变了配电网的潮流分布，使得一些行波定位方法不再有效，需要进行更加深入的分析。

行波法从原理上可以分为单端法和双端法。由于配电网分支众多，使用双端行波测距成本较高，工程上难以实现全网覆盖，因此对单端行波测距进行深入分析成为必要。传统单端法是利用故障初始行波首波头到达时刻和对端母线或者故障点反射波到达时刻的时间差进行定位。然而配电网折反射现象较多，反射行波的识别困难，电压互感器传变特性不高，导致单端行波测距精度不高。有文献提出采用零模-线模波速差进行定位的原理，但是由于零模和线模的波速差较小，对波头的识别程度要求较高，因此一般的小波变换、EMD等分析手段准确性不足，产生的误差较大。而且，传统的EMD分解过程中耗时严重，效率不高。

发明内容

本发明的目的在于解决10-66kV配电网单相接地故障定位问题，提出一种基于IMF和MC-ApEn的含DG中压配电网测距方法。

该方法主要包括以下步骤：步骤一，采用EMD分解法提取暂态信号最高频分量，获得行波波头的初步提取；步骤二，借助表征信号复杂度的近似熵(ApEn)方法，建立一个滑动的时间窗，在行波信号中连续滑动，分别计算窗内序列的ApEn值，得到行波信号的近似熵分布；步骤三，通过对得到的ApEn序列进行突变判断，实现行波波头的准确提取；步骤四，采用零模-线模传输时间差的原理实现测距。

用于实现上述步骤的具体技术方案如下：

(1)对原始信号x(t)，找出所有的极值点，采用三次样条插值拟合的方法分别拟合出上包络线e_up(t)和下包络线e_low(t)，并采用下述公式计算出两条包络线的平均值m₁(t)：

(2)用x(t)减去m₁(t)得到h₁(t)，如果h₁(t)满足IMF分量的条件则停止分解，否则将h₁(t)试做新的初始信号，重复上诉步骤m次，一直筛出符合条件的IMF分量h_1m(t)；

(3)选择滑动时间窗的长度L；

(4)从待分析故障暂态行波信号数据的第i(i＝1,2,…,N-L+1)个开始连续移除L个数据，将剩余的数据连成一个完整的序列；

(5)利用近似熵算法计算新的行波数据ApEn值；

(6)滑动时间窗的长度不变，逐步移动窗口，重复步骤(4)和(5)，直到滑动到信号最末端结束。最后可以得到一个随窗口移动的ApEn序列；

(7)基于故障前后的信号复杂性不同，对步骤(5)中得到的ApEn序列判断突变瞬间，获得故障行波到达时刻；

(8)计算行波零模分量和线模分量的波头时刻的时间差，在已知零模分量和线模分量传输速度的条件下，通过测量该时间差，可以得到故障位置，测距公式如下所示：

本发明提出的方法解决了DG的接入加大测距难度的问题，在工程上具有较高的实用价值。有益效果在于：波头到达时刻计算准确，提高了定位精度；EMD分解无需迭代过多次数，用时少、效率高。

附图说明

图1是配电网模型示意图；

图2是电压信号原始数据；

图3是EMD分解后的IMF高频分量示意图；

图4是近似熵分布示意图；

图5是高阻接地情况下电压信号原始数据；

图6是高阻接地情况下近似熵分布示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明的内容做进一步的说明。

本发明是一种基于IMF和MC-ApEn的含DG中压配电网测距方法，该方法主要包括以下步骤：步骤一，采用EMD分解法提取暂态信号最高频分量，获得行波波头的初步提取；步骤二，借助表征信号复杂度的近似熵(ApEn)方法，建立一个滑动的时间窗，在行波信号中连续滑动，分别计算窗内序列的ApEn值，得到行波信号的近似熵分布；步骤三，通过对得到的ApEn序列进行突变判断，实现行波波头的准确提取；步骤四，采用零模-线模传输时间差的原理实现测距。

其中步骤一包括：

(1)对原始信号x(t)，找出所有的极值点，采用三次样条插值拟合的方法分别拟合出上包络线e_up(t)和下包络线e_low(t)，并采用式(1)计算出两条包络线的平均值m₁(t)：

(2)用x(t)减去m₁(t)得到h₁(t)，如果h₁(t)满足IMF分量的条件则停止分解，否则将h₁(t)试做新的初始信号，重复上诉步骤m次，一直筛出符合条件的IMF分量h_1m(t)

其中步骤二包括：

(3)选择滑动时间窗的长度L；

(4)从待分析故障暂态行波信号数据的第i(i＝1,2,…,N-L+1)个开始连续移除L个数据，将剩余的数据连成一个完整的序列；

(5)利用近似熵算法计算新的行波数据ApEn值；

(6)滑动时间窗的长度不变，逐步移动窗口，重复步骤(4)和(5)，直到滑动到信号最末端结束。最后可以得到一个随窗口移动的ApEn序列；

其中，步骤三包括：

(7)基于故障前后的信号复杂性不同，在上述步骤中得到的ApEn序列判断突变瞬间，获得故障行波到达时刻。

其中，步骤四包括：

(8)计算行波零模分量和线模分量的波头时刻的时间差。在已知零模分量和线模分量传输速度的条件下，通过测量该时间差，可以得到故障位置。测距公式采用式(2)：

为了验证上述基于IMF和MC-ApEn的含DG中压配电网测距方法的准确性，使用EMTP/ATP电磁仿真软件搭建仿真模型如图1所示。该模型中变电站有4处出线，为了分析简便，仅以其中一条出线来验证本文所提算法准确性。在该出线中，节点C连接处为光伏电站，设置故障发生在节点D和负荷d之间，距离节点D 2.2km。故障类型设置为常见的A相接地故障，ATP的采样频率与实际检测装置的相同，为1MHz。

仿真设置接地电阻为10Ω，故障发生后，借助区段定位技术检测故障发生在FTU3下游。提取FTU3的三相电压行波数据如图2所示，故障发生后出现剧烈的暂态行波波动过程，但三相电压此时存在空间上的电磁联系，相电压行波无法用波速度表示。采用凯伦贝尔变换获得模分量，分别计算行波信号的模分量到达时刻。零模分量和线模分量的分析过程相似，仅以线模分量来分析说明本文算法的流程。分解得到电压暂态信号线模分量的最高频IMF分量并截取波头前后波形如图3所示。

从图3中可以看出，最高频IMF分量包含两种模式，故障发生前信号平稳，而故障发生以后信号剧烈震荡，幅值增大。IMF分量将暂态行波信号波头部分从完整故障信号中突显，易于辨识。然而图中IMF分量的奇异点有很多，要准确标定行波到达时刻还需要进一步的突变检测。对该IMF分量使用MC-ApEn算法，求取信号的滑动移除近似熵分布。滑动时窗的长度会对计算结果产生影响，受配电网线路长度和行波衰减速度的影响，单个行波波头的有效信息大约持续50μs。本申请中设置采样率为1MHz，则时窗长度L设置为50个采样点。分别计算移除每个滑动时窗后的近似熵值，得到线模分量移除时窗数据后的近似熵分布如图4所示。

从图4中可以看出，当t<5011时，滑动窗口移除的数据对于暂态信号的影响非常规律，也就是说ApEn随着滑动窗口的移动表现出准周期的波动且波动幅度不大，可以看出该时刻为故障前的平稳模式。而当t>5011时，波动的规律明显发生了改变，这表明在t＝5011前后两段时间序列的复杂性不同，可以准确判断t＝5011处发生信号突变，即该点为线模分量的行波到达时刻。

对行波信号零模分量使用IMF和MC-ApEn算法，同理可以求得零模分量的行波到达时刻为t＝5014，可得Δt＝3μs。线模分量的波速较稳定，一般取波速v₁＝298m/μs。零模波速会随着距离的增加出现衰减现象，但是由于配电网线路较短，零模波速在配电网中不受影响，将其设置为v₀＝211m/μs。带入式(2)可以求得故障距离l为：

与实际故障距离2.2km相比，计算得到的故障误差为0.032km，相对误差为1.4％，表明本申请中基于IMF和MC-ApEn的波头提取算法具有很高的精度。

在配电网中受实际现场环境影响，接地故障不全是金属性接地，为了进一步验证本方法在配电网的适用性，改变过渡电阻的阻值来模拟常见的高阻接地故障进行分析。设置接地电阻为5000Ω，故障距离不变，得到高阻接地的线模分量如图5所示。从图5可以看出，由于接地电阻较大，暂态行波信号与工频信号相比幅值很小，奇异性下降，特征不明显，突变时刻辨识难度加大。这种弱行波信号仍使用奇异点检测的方法会出现很大的误差，仍使用MC-ApEn算法求取线模分量移除时窗数据后的近似熵分布，如图6所示。

高阻接地时的滑动移除近似熵分布与低阻接地相比变化幅度变小，但是仍然可以看出故障前后明显的两种不同模式。近似熵是衡量暂态信号的复杂度，对信号幅值的变化并不敏感，从图中可以看出信号突变时刻为t＝5011，同理可得零模分量的突变时刻为t＝5014，Δt＝3μs。带入测距公式(2)可得故障距离为：

与实际故障距离2.2km相比，误差没有发生变化，表明本方法具有广泛的适用性。

结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了有助于更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于IMF和MC-ApEn的含DG中压配电网测距方法，其特征在于：该方法主要包括以下步骤：

步骤一，采用EMD分解法提取暂态信号最高频分量，获得行波波头的初步提取；

步骤二，借助表征信号复杂度的近似熵(ApEn)方法，建立一个滑动的时间窗，在行波信号中连续滑动，分别计算窗内序列的ApEn值，得到行波信号的近似熵分布；

步骤三，通过对得到的ApEn序列进行突变判断，实现行波波头的准确提取；

步骤四，采用零模-线模传输时间差的原理实现测距。

2.如权利要求1所述的一种基于IMF和MC-ApEn的含DG中压配电网测距方法，其特征在于：其中步骤一包括：

(1)对原始信号x(t)，找出所有的极值点，采用三次样条插值拟合的方法分别拟合出上包络线e_up(t)和下包络线e_low(t)，并采用式(1)计算出两条包络线的平均值m₁(t)：

(2)用x(t)减去m₁(t)得到h₁(t)，如果h₁(t)满足IMF分量的条件则停止分解，否则将h₁(t)试做新的初始信号，重复上诉步骤m次，一直筛出符合条件的IMF分量h_1m(t)。

3.如权利要求1所述的一种基于IMF和MC-ApEn的含DG中压配电网测距方法，其特征在于：其中步骤二包括：

(3)选择滑动时间窗的长度L；

(4)从待分析故障暂态行波信号数据的第i(i＝1,2,…,N-L+1)个开始连续移除L个数据，将剩余的数据连成一个完整的序列；

(5)利用近似熵算法计算新的行波数据ApEn值；

(6)滑动时间窗的长度不变，逐步移动窗口，重复步骤(4)和(5)，直到滑动到信号最末端结束。最后可以得到一个随窗口移动的ApEn序列。

4.如权利要求1所述的一种基于IMF和MC-ApEn的含DG中压配电网测距方法，其特征在于：其中，步骤三包括：

(7)基于故障前后的信号复杂性不同，在上述步骤中得到的ApEn序列判断突变瞬间，获得故障行波到达时刻。

5.如权利要求1所述的一种基于IMF和MC-ApEn的含DG中压配电网测距方法，其特征在于：其中，步骤四包括：

(8)计算行波零模分量和线模分量的波头时刻的时间差，在已知零模分量和线模分量传输速度的条件下，通过测量该时间差，可以得到故障位置，测距公式采用式(2)：