CN110095691A - 基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法和装置，该方法包括步骤：截取故障行波到达检测点后预设时长内的波形信号，使用相模变换，提取故障行波的所述波形信号的线模分量；对线模分量利用连续小波变换，得到行波全波形；计算行波全波形中各频率信号能量，确定主频分量；跟踪主频分量各采样时刻的瞬时能量对主频分量进行分析，得到准确的初始行波波头到达时刻。该装置包括信号提取模块、小波变换模块、主频分析模块和能量跟踪判定模块。本发明提出的基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法和装置，提高了故障初始行波波头标定的准确性，对于提升行波定位的精度有重要的实际意义。

Description

基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法和装置

技术领域

本发明主要涉及到电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法和装置。

背景技术

输配电线路是电力系统的命脉，一旦发生故障将会影响电力系统的安全稳定运行。故障行波是一个宽频带阶跃信号，它包含时间–频率–幅值–极性等时–频域行波全景故障信息，可表征网络拓扑结构、故障点位置、故障点参数等在内的丰富故障信息。基于故障行波进行的故障定位与传统的工频故障定位相比，不受过渡电阻、线路分布电容、系统运行方式等众多因素的影响，优势明显，具有广阔的应用前景。

在诸多行波定位方案中，能否准确判定初始行波到达时刻是决定定位精度的关键因素之一。一些方案中使用基于时域信息的故障行波定位方法，利用时域波形标定初始行波波头到达时间，然而基于时域信息的故障行波定位方法存在如下问题：

一方面，时域行波在线路传输过程中，由于线路上电阻和电导，电感(如载波通信用的高频扼流线圈)和电容(如电容式电压互感器)的存在，导致行波能量产生损耗以及行波波头变得平缓，波头到达时刻后移，并且不同频率分量在线路上的传输过程中衰减和畸变程度不同，因此不同频率分量的初始行波波头的衰减和畸变程度不同。而时域初始行波波头又是不同频率分量初始行波波头的叠加，导致时域初始波头更加不明显，因此无法对时域初始行波波头到达时刻进行准确标定，进而导致定位结果存在误差；

另一方面，不同频率分量的传输波速度不同，因此宽频带时域初始行波波头对应的传输波速不能确定，而波速作为行波定位原理的基础，它的不确定也导致故障定位结果存在误差。

由此可见，利用时域波形标定初始行波波头到达时刻进行故障定位，会导致定位结果产生较大误差。

发明内容

本发明旨在提出一种基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法和装置，以解决现有技术中的利用时域波形标定初始行波波头到达时刻易导致故障定位存在较大误差的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明实施例的第一个方面，提供一种基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法，包括步骤：

截取故障行波到达检测点后预设时长内的波形信号，使用相模变换，提取故障行波的波形信号的线模分量；

对线模分量利用连续小波变换，得到行波全波形；

计算行波全波形中各频率信号能量，确定主频分量；

跟踪主频分量各采样时刻的瞬时能量，使各瞬时突变点陡化，得到初始行波波头到达时刻。

优选地，对线模分量利用连续小波变换，得到行波全波形，包括：

通过连续小波变换，得到含有时间、频率、幅值及极性信息在内的时-频域行波信号，定义为行波全波形。

优选地，计算行波全波形中各频率信号能量，包括按照下式计算各频率信号能量：

式中，1和N为频带j中的起始采样点和结束采样点；c_j(k)为频带j内，第k个采样点对应的连续小波系数；

优选地，确定主频分量包括：将能量最集中的频率成分作为主频分量。

优选地，跟踪主频分量各采样时刻的瞬时能量，使各瞬时突变点陡化，得到初始行波波头到达时刻，包括：

将主频分量作为离散信号x(t)，通过下式计算离散信号x(t)的瞬时能量：

ψ[x(n)]＝(x(n))²-x(n+1)·x(n-1)

式中，ψ[x(n)]即为离散信号x(t)在采样时刻n处的瞬时能量，n表示第n个采样点，1≤n≤N；

将主频分量上第一个而且是能量最大的突变点对应的时刻判定为初始行波波头到达时刻。

优选地，计算行波全波形中各频率信号能量，还包括：

选取频率信号在2kHz～500kHz之间的行波全波形进行计算。

本发明实施例的第二个方面，提供了一种基于全波形主频分量的初始行波波头提取装置，包括：

信号提取模块，用于截取故障行波到达检测点后预设时长内的波形信号，使用相模变换，提取故障行波的所述波形信号的线模分量；

小波变换模块，用于对线模分量利用连续小波变换，得到行波全波形；

主频分析模块，用于计算行波全波形中各频率信号能量，确定主频分量；

能量跟踪判定模块，用于跟踪主频分量各采样时刻的瞬时能量，使各瞬时突变点陡化，更便于检测，进而得到初始行波波头到达时刻。

优选地，小波变换模块，用于：

通过连续小波变换，得到含有时间、频率、幅值及极性信息在内的时-频域行波信号，定义为行波全波形。

优选地，主频分析模块，用于：

按照下式计算各频率信号能量：

式中，1和N为频带j中的起始采样点和结束采样点；c_j(k)为频带j内，第k个采样点对应的连续小波系数；

将能量最集中的频率成分作为主频分量。

优选地，能量跟踪判定模块，用于：

将主频分量作为离散信号x(t)，通过下式计算离散信号x(t)的瞬时能量：

ψ[x(n)]＝(x(n))²-x(n+1)·x(n-1)

式中，ψ[x(n)]即为离散信号x(t)在采样时刻n处的瞬时能量，n表示第n个采样点，1≤n≤N′，N′为主频分量的结束采样点；

将主频分量上第一个而且是能量最大的突变点对应的时刻判定为初始行波波头到达时刻。

优选地，主频分析模块，还用于：选取频率信号在2kHz～500kHz之间的行波全波形进行计算。

与现有技术相比，本发明能够达到如下技术效果：

本发明提出的基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法，利用连续小波变换得到行波全波形，计算各频段信号能量，提取能量最集中的频率分量作为主频分量，主频分量的确定便于故障初始行波波头的标定，有效减小了由于各频段时域行波信号的叠加导致波头变缓从而难以准确标定所造成的误差，而且也可由主频分量对应的频段准确计算行波传输速度，对于提高故障行波定位的准确度具有重要的实际意义；

并且，通过计算主频分量各采样时刻的瞬时能量，对主频分量进行分析，使得主频分量的波形中各瞬时突变点陡化，能显著反映主频分量的瞬时能量变化，更加准确、灵敏地反应初始行波的到达时间；且计算量小，能快速跟踪信号变化，适于实时计算，减少计算时间，提高行波波头检测效率。

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它的附图。

图1为本发明基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法的一个实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例中应用双端行波测距的输电线路；

图3为本发明实施例中仿真线路Q端时域行波波形图；

图4为本发明实施例中仿真线路Q端测得故障行波全波形图；

图5为本发明实施例中仿真线路Q端行波全波形主频分量图；

图6为本发明实施例中仿真线路Q端全波形主频分量各采样点瞬时能量示意图；

图7为本发明实施例中仿真频率-波速图。

具体实施方式

下面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。

实施例1

本发明实施例1提供一种基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法，参见图1，该方法包括步骤：

S101，截取故障行波到达检测点后预设时长内的波形信号，使用相模变换，提取故障行波的波形信号的线模分量。

截取的预设时长，可以由本领域技术人员根据实际需要具体设置，本发明不一一列举。一般地，预设时长可以为5-15ms。

S102，对线模分量利用连续小波变换，得到行波全波形。

S103，计算行波全波形中各频率信号能量，确定主频分量。

S104，跟踪主频分量各采样时刻的瞬时能量，使各瞬时突变点陡化，得到初始行波波头到达时间。

即，通过计算主频分量各采样时刻的瞬时能量对主频分量进行分析，使得主频分量的波形中各瞬时突变点陡化，得到初始行波波头到达时刻。

确定主频分量后再进行初始行波到达时间的标定，能够有效减小由于各频段时域行波信号的叠加导致波头变缓从而难以准确标定所造成的误差；且计算主频分量各采样时刻的瞬时能量，可使得主频分量的波形中各瞬时突变点陡化，更便于识别，提高初始行波波头到达时间标定精确度。

实施例2

本发明实施例2提供基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法的一个优选实施例，包括步骤：

S201，从故障行波到达检测点的时刻开始，截取一定时间窗T的波形，使用相模变换，提取故障行波的线模分量。

优选地，作为一种可实施方式，截取10ms时间窗内的故障行波波形。

S202，对上述线模分量利用连续小波变换，绘制出该时间窗T内故障行波的时-频波形，即行波全波形。

从行波采集装置获取的行波信号进行相模变换、提取线模分量后，通过连续小波变换，得到含有时间、频率、幅值及极性等在内的时-频域行波信号，该时-频域行波信号定义为行波全波形。

利用连续小波变换绘制行波时-频图，可以直观清晰地展现行波信号在传输过程的时频特征信息。

S203，计算时-频波形中各频率信号能量，确定能量最集中的主频分量。

计算被截取的时-频波形中各频率信号的能量，即按照下式计算：

式中，1和N为频带j中的起始和结束采样点；c_j(k)为频带j内，第k个采样点对应的连续小波系数，2kHz≤j≤500kHz。

由于电力电子设备接入带来的高次谐波能够改变波形，对行波检测定位带来不利影响，提取行波全波形2kHz以上的波形可有效避开电力电子设备接入产生的高次谐波；为完整保留原始信号中的信息，需保证采样频率为模拟信号带宽最大值的2倍。经研究发现，当设置1MHz的采样频率时，可提取完整行波信号的最高频率为500kHz，因此，优选地，本发明选取频率信号在2kHz～500kHz之间的时-频波形信息进行分析，即2kHz≤j≤500kHz。然后确定出能量最集中的频率成分，即为主频分量。

S204，通过下述公式计算主频分量各采样时刻的瞬时能量。

将主频分量作为输入的离散信号，对于离散信号x(t)，按照下式计算离散信号在采样时刻的瞬时能量：

ψ[x(n)]＝(x(n))²-x(n+1)·x(n-1)

上式为离散信号x(t)在采样时刻n处的一种能量测度算法，ψ[x(n)]为离散信号x(t)在采样时刻n处的瞬时能量，表示跟踪在任意采样时刻n处产生信号所需的总能量，其输出为信号瞬时幅值和瞬时频率二者的平方之积。其中，n表示第n个采样点，1≤n≤N′，N′为主频分量上的结束采样点，x(n)表示在第n个采样点处的离散信号。

按照该算法计算主频分量各采样时刻的瞬时能量，可使对应的波形中各瞬时突变点陡化，将主频分量上的瞬时突变充分放大，便于初始行波波头到达时刻的获取。

S205，将主频分量上第一个而且是能量最大的突变点对应的时间作为初始行波波头到达时间。

该方法计算过程运算量小，可以灵敏反应信号的变化，准确反映和快速提取信号能量的瞬时变化。

下面本发明实施例以配电网单相接地故障测距实验为例，对本发明实施例2的提取方法进行仿真。

如图2所示，其中S、Q分别为两侧母线的检测端，线路SQ全长254km，设置接地故障点f距离S端82km，距离Q端172km。过渡电阻设置为35Ω，采样频率为1MHz，故障在0.005s时发生，仿真时长0.02s。

基于步骤S201，截取时间窗T＝0.01s的波形，使用相模变换，提取故障行波的线模分量，如图3所示；

基于步骤S202，绘制出该时间窗T内故障行波的时-频波形，如图4所示；

基于步骤S203，计算时-频波形中各频段信号能量，确定能量最集中的主频分量，主频分量如图5所示；

基于步骤S204，通过计算主频分量各采样时刻的瞬时能量对主频分量进行分析，得到初始行波波头到达时间，如图6所示。

然后，根据传统双端行波测距方法，若故障行波初始波头到达S、Q两端的时间分别为t_S、t_Q，根据双端定位原理，故障点到达S、Q的距离如下：

通过实施上述基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法的步骤，可得到线路S、Q端行波采集装置记录的初始行波波头主频分量的频率分别为4.66kHz，1.69kHz，如图7所示，可得主频分量对应行波波速度分别为v_s＝2.925×10⁵km/s，v_Q＝2.921×10⁵km/s，取两侧主频分量波速的平均值进行计算，即然后通过计算主频分量各采样时刻的瞬时能量使各瞬时突变点陡化，可准确标定S端和Q端的主频分量初始行波波头到达时刻，进而根据传统双端行波测距方法中上述定位公式，得到故障定位结果(以Q端为参考端)，如表1所示：

表1

t<sub>S</sub>/s	t<sub>Q</sub>/s	定位距离/km	绝对误差/km	相对误差/％
					2.72×10<sup>-4</sup>	5.87×10<sup>-4</sup>	173.04	1.04	0.60

下面以传统的基于时域波形标定初始行波波头到达时刻进行故障定位的方法作为对比：根据行波采集装置记录的时域行波波形，可以得到到达线路S和Q两端的初始行波波头到达时间为t_S＝2.82×10^-4s，t_Q＝6.30×10^-4s，然后根据双端定位原理，可得故障定位结果如表2所示(以Q端作为参考端，其中如图2所示为Q端行波采集装置记录的时域行波波形，时域行波波速度取光速，即c＝3.0×10⁵km/s)：

表2

t<sub>S</sub>/s	t<sub>Q</sub>/s	定位距离/km	绝对误差/km	相对误差/％
					2.82×10<sup>-4</sup>	6.30×10<sup>-4</sup>	179.20	7.20	4.19

由表1、表2数据可得，传统的基于时域波形标定初始行波波头进行故障定位存在较大误差，而本发明基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法能显著提高行波波头标定的准确度，并可以根据主频分量确定对应频段的行波波速，计算量小，过程简单，适用于实时计算，对于提高故障行波定位的效率与精度有重要的实际意义。

实施例3

本发明实施例3提供一种基于全波形主频分量的初始行波波头提取装置。该装置包括信号提取模块、小波变换模块、主频分析模块和能量跟踪判定模块。

其中，信号提取模块，用于截取故障行波到达检测点后预设时长内的波形信号，使用相模变换，提取故障行波的波形信号的线模分量。小波变换模块，用于对线模分量利用连续小波变换，得到行波全波形。主频分析模块，用于计算行波全波形中各频率信号能量，确定主频分量。能量跟踪判定模块，用于通过计算主频分量各采样时刻的瞬时能量对主频分量进行分析，得到初始行波波头到达时刻。

本发明提供的基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法和装置，将采集到的行波信号利用连续小波变换绘制行波时-频图，可以直观清晰地展现行波信号在传输过程的时频特征信息，并计算各频段信号能量，提取能量最集中的频率分量，定义为主频分量，便于标定主频分量的故障初始行波波头，有效减小了由于各频段时域行波信号的叠加导致波头变缓从而难以准确标定所造成的误差，对于提高故障行波定位的准确度也有重要的实际意义；并且，本发明通过计算主频分量各采样时刻的瞬时能量对主频分量进行分析，使得主频分量波形中各瞬时突变点陡化，能显著反映主频分量的瞬时能量变化，更便于检测，提高初始行波到达时间的标定准确度，且计算量小，能快速跟踪信号变化，适于实时计算，减少计算时间，进而也提高了行波波头检测效率。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法，其特征在于，包括步骤：

截取故障行波到达检测点后预设时长内的波形信号，使用相模变换，提取所述波形信号的线模分量；

对所述线模分量利用连续小波变换，得到行波全波形；

计算所述行波全波形中各频率信号能量，确定主频分量；

跟踪主频分量各采样时刻的瞬时能量，使各瞬时突变点陡化，得到初始行波波头到达时刻。

2.根据权利要求1所述的基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法，其特征在于，所述步骤对所述线模分量利用连续小波变换，得到行波全波形，包括：

通过连续小波变换，得到含有时间、频率、幅值及极性信息在内的时-频域行波信号，定义为行波全波形。

3.根据权利要求1所述的基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法，其特征在于：

所述步骤计算所述行波全波形中各频率信号能量，包括按照下式计算各频率信号能量：

式中，1和N为频带j中的起始采样点和结束采样点；c_j(k)为频带j内，第k个采样点对应的连续小波系数；

所述步骤确定主频分量包括：将能量最集中的频带成分作为主频分量。

4.根据权利要求1所述的基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法，其特征在于，所述步骤跟踪主频分量各采样时刻的瞬时能量，使各瞬时突变点陡化，得到初始行波波头到达时刻，包括：

将所述主频分量作为离散信号x(t)，通过下式计算所述离散信号x(t)的瞬时能量：

ψ[x(n)]＝(x(n))²-x(n+1)·x(n-1)

式中，ψ[x(n)]为离散信号x(t)在采样时刻n处的瞬时能量，n表示第n个采样点，1≤n≤N′，N′为主频分量的结束采样点；

将所述主频分量上第一个而且是能量最大的突变点对应的时刻判定为初始行波波头到达时刻。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于全波形主频分量的初始行波波头提取方法，其特征在于，所述步骤计算所述行波全波形中各频率信号能量，还包括：

选取频率信号在2kHz～500kHz之间的行波全波形进行计算。

6.基于全波形主频分量的初始行波波头提取装置，其特征在于，包括：

信号提取模块，用于截取故障行波到达检测点后预设时长内的波形信号，使用相模变换，提取故障行波的所述波形信号的线模分量；

小波变换模块，用于对所述线模分量利用连续小波变换，得到行波全波形；

主频分析模块，用于计算所述行波全波形中各频率信号能量，确定主频分量；

能量跟踪判定模块，用于跟踪主频分量各采样时刻的瞬时能量，使各瞬时突变点陡化，得到初始行波波头到达时刻。

7.根据权利要求6所述的基于全波形主频分量的初始行波波头提取装置，其特征在于，所述小波变换模块，用于：

通过连续小波变换，得到含有时间、频率、幅值及极性信息在内的时-频域行波信号，定义为行波全波形。

8.根据权利要求6所述的基于全波形主频分量的初始行波波头提取装置，其特征在于，所述主频分析模块，用于：

按照下式计算各频率信号能量：

式中，1和N为频带j中的起始采样点和结束采样点；c_j(k)为频带j内，第k个采样点对应的连续小波系数；

将能量最集中的频率成分作为主频分量。

9.根据权利要求6所述的基于全波形主频分量的初始行波波头提取装置，其特征在于，所述能量跟踪判定模块，用于：

将所述主频分量作为离散信号x(t)，通过下式计算所述离散信号x(t)的瞬时能量：

ψ[x(n)]＝(x(n))²-x(n+1)·x(n-1)

式中，ψ[x(n)]即为离散信号x(t)在采样时刻n处的瞬时能量，n表示第n个采样点，1≤n≤N′，N′为主频分量的结束采样点；

将所述主频分量上第一个而且是能量最大的突变点对应的时刻判定为初始行波波头到达时刻。

10.根据权利要求6-9任一项所述的基于全波形主频分量的初始行波波头提取装置，其特征在于，所述主频分析模块，还用于：

选取频率信号在2kHz～500kHz之间的行波全波形进行计算。