CN110133438A - 一种基于相空间重构与电导特征的单相接地故障辨识方法 - Google Patents
一种基于相空间重构与电导特征的单相接地故障辨识方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于配电网的技术领域，公开了一种基于相空间重构与电导特征的单相接地故障辨识方法，包括对单相接地故障进行含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别以及接地类型的分类识别，利用相空间重构理论，对故障稳态期间连续多个周期的零序电流进行相轨迹重构，通过计算所述相轨迹对应的二值矩阵的信息维数以及对应的吸引子面积进行含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别，再通过计算故障稳态期间的平均电阻进而得到对应接地介质的电导率进行接地类型的分类识别，从而完成单相接地故障的辨识。整个过程的结构简单，计算快捷，准确率高，提高了配电网络对单相接地故障的反应速率和处理故障的能力。
Description
技术领域
本发明涉及配电网的技术领域，尤其涉及一种基于相空间重构与电导特征的单相接地故障辨识方法。
背景技术
我国中低压配网以架空线为主，线路的结构复杂，分支众多，易发生故障。据统计，电力系统在运行过程中，由配网故障造成的停电事故约占总停电事故的95％以上,其中70％的事故由单相接地故障或母线故障引发。为了实现配网系统故障的快速隔离，恢复配网系统的正常运行，需要准确快速地实现配电网的故障定位。目前故障定位主要依赖于人工巡线，故障类型辨识研究能够提供关键故障信息，给予方向性指导，实现故障的快速定位及故障处理。
单相接地故障点的判断一般都需要结合配电网的接地运行方式、接地点的弧光情况、接地点上下游的电气特征等信息进行综合判断。配电自动化系统主站具有强大的计算能力、海量存储能力、有完备的配电网图模数据和实时运行状态数据，因此配电网系统主站更适合从配电网全局高度，基于配电终端故障时的高频录波信息，进行多种算法的多判据融合，进行录波信息相关性解析，实现不同接地运行方式下、复杂配电网的单相接地故障选线与定位。
现有技术中，检测线路故障的方法通常采用如下方式：
基于单相接地故障发生后暂稳态的特征，给出了各种故障线路检测算法。
①基于稳态特征——零序电流群体比幅比相法
先进行零序电流比较，选出几个幅值较大的作为候选，然后在此基础上进行相位比较；如果某条线路方向与其它线路不同，则其为故障线路；如果所有零序电流同相位，则为母线装置。该方法被大多数选线装置所采用。该方法只能检测非瞬时接地故障，仅适用于中性点不接地系统，受过渡电阻影响大。
②基于稳态特征——零序无功功率方向法
利用中性点不接地系统故障线路零序电流相位滞后零序电压90°，而健全线路超前90°的特点，选择无功功率小于零(线路->母线)的线路为故障线路。该方法也是比较传统的方法，在欧洲应用较为广泛。该方法与“零序电流群体比幅比相法”的本质一样，仅适用于中性点不接地系统，且受过渡电阻影响大。
③基于暂态特征——零序无功功率方向法
计算馈线出线口，暂态信号持续时间内暂态无功功率Q的方向，Q<0表明暂态无功功率流向母线，为故障线路。
④基于暂态特征——电流相似性
计算馈线出线口，同一时刻不同线路之间暂态电流的相关性系数。相关系数接近于0的，为故障线路。稳态和暂态电流均可使用该方法选线，该方法也适用于故障点的定位。
但是，单相接地故障过程复杂，间歇性接地持续时间、消弧线圈补偿程度、过渡电阻等因素对故障电流的大小和方向影响较大，常常导致上述的某一种检测技术失效。实际工程施工过程中，常常由于工程造价原因、电力电子设备谐振原因，无法大面积的安装零序电流CT和零序电压PT装置，导致上述某一种算法失效。针对相关技术中对发生单相接地故障的线路进行辨识和定位的方法可靠性不高的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种基于相空间重构与电导特征的单相接地故障辨识方法，解决了现有辨识方法可靠性不高，主要依靠人工巡线，反应速度慢等问题。
本发明可通过以下技术方案实现：
一种基于相空间重构与电导特征的单相接地故障辨识方法，包括对单相接地故障进行含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别以及接地类型的分类识别，
利用相空间重构理论，对故障稳态期间连续多个周期的零序电流进行相轨迹重构，通过计算所述相轨迹对应的二值矩阵的信息维数以及对应的吸引子面积进行含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别，再通过计算故障稳态期间的平均电阻进而得到对应接地介质的电导率进行接地类型的分类识别，从而完成单相接地故障的辨识。
进一步，对故障稳态期间连续多个周期零序电流的时间序列进行二维相序列重构，将其转换为相轨迹平面图，再对所述相轨迹平面图上的相轨迹所包含的正方形区域进行均匀网格划分，以每个网格是否包含相轨迹点建立二值矩阵E，最后，将所述二值矩阵E的信息维数以及相轨迹的吸引子面积与对应的阈值做比较，完成含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别。
进一步，进行含电弧故障类和不含电弧故障类分类识别的方法包括以下步骤：
步骤一、采集故障点的上游或者下游的三相瞬时电压、电流数据，每个周期采集N个点，分别标记为(u1,u2...uN)，(i1,i2...iN)，计算故障稳态期间连续M个周期零序电流的时间序列，标记为(I1,I2...IMN)；
步骤二、利用如下方程式，对连续M个周期零序电流的时间序列中的各个值进行归一化处理；
其中，x＝1.2...MN
步骤三、对归一化处理后的连续多个周期零序电流的时间序列，进行二维相序列重构
其中，Nm＝MN-(m-1)τ，m表示嵌入维数，如取值为2，τ是延迟的采集时刻点数，如取值为100，I为Nm个m维的点构成零序电流的相序列；
步骤四、利用如下方程式，计算所述二值矩阵的信息维数D以及相轨迹的吸引子面积P，并将其与对应的阈值做比较，进行含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别
其中，pt表示相轨迹上的点出现在第t个网格的概率，r表示网格的尺寸，表二值矩阵E内的元素，S表示相轨迹所围成的区域， 分别表示二值矩阵E的行数和列数，值为1当且仅当为区域S内的元素，否则为0。
进一步，所述相轨迹平面图上的相轨迹所包含的正方形区域设置为坐标范围{X:[-1,1],Y:[-1,1]}的正方形区域，对应所述信息维数D的阈值范围设置为0.4～0.5，对应所述吸引子面积P的阈值范围设置为0.5～0.6。
进一步，利用如下方程式，计算接地介质的电导率，根据不同接地介质的电导率范围，进行接地类型的分类识别
其中，h表示短路试验中导体在接地介质中掩埋深度，l表示接地导线半径，L表示扩散距离，设置为2h或4h-l，表示平均电阻，Num表示故障稳态期间一个周期内的采样点数量，u(t)、i(t)分别表示故障稳态期间在t采样时刻采集的故障相的瞬时电压和电流。
本发明有益的技术效果在于：
本发明通过采集故障点上游或者下游的样本数据，利用相空间重构理论，对故障稳态期间连续多个周期的零序电流进行相轨迹重构，通过计算重构后的相轨迹对应的二值矩阵的信息维数以及对应的吸引子面积进行含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别，再对含电弧故障类和不含电弧故障类，分别通过计算故障稳态期间的平均电阻进而得到对应接地介质的电导率，根据不同接地介质的电导率不同进行接地类型的分类识别，从而完成对单相接地故障的辨识，整个过程的结构简单，计算快捷，准确率高，提高了配电网络对单相接地故障的反应速率和处理故障的能力。
附图说明
图1为本发明的总体流程示意图；
图2为本发明的采集故障数据的装置示意图；
图3为本发明的含电弧故障类和不含电弧故障类的多个连续周期的零序电流的波形示意图；
图4为本发明对5个连续周期的零序电流进行相序列重构后，绘制的相轨迹平面图，标志a表示不含电弧故障类对应的相轨迹平面图，标识b表示含电弧故障类对应的相轨迹平面图；
图5为本发明的多次实验计算得到的信息维数D以及相轨迹的吸引子面积P的分布示意图；
图6为本发明的电导率计算模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供了一种基于相空间重构与电导特征的单相接地故障辨识方法，适用于中性点经消弧线圈接地的配电网系统单相接地故障辨识，主要包括对单相接地故障进行含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别以及接地类型的分类识别。
利用相空间重构理论，对故障稳态期间连续多个周期的零序电流进行相轨迹重构，通过计算所述相轨迹对应的二值矩阵的信息维数以及对应的吸引子面积进行含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别，以10KV配电线路的单相接地故障为例，利用如图2所示装置进行数据采集，具体如下：
步骤一、采集故障点的上游或者下游的三相瞬时电压、电流数据，每个周期采集N个点，如N＝400，分别标记为(u1,u2...uN)，(i1,i2...iN)，计算故障稳态期间连续M个周期零序电流的时间序列，如M＝5，标记为(I1,I2...IMN)，其含电弧故障类和不含电弧故障类对应的零序电流的波形如图3所示，；
步骤二、利用如下方程式，对连续M个周期零序电流的时间序列中的各个值进行归一化处理；
其中，x＝1.2...MN
步骤三、对归一化处理后的连续M个周期零序电流的时间序列，进行二维相序列重构
其中，Nm＝MN-(m-1)τ，m表示嵌入维数，取值为2，τ是延迟的采集时刻点数，如取值为100，I为Nm个m维的点构成零序电流的相序列；
步骤四、完成二维相序列重构后，将其转换为相轨迹平面图，如图4所示，再对该相轨迹平面图上的相轨迹所包含的正方形区域设置为坐标范围{X:[-1,1],Y:[-1,1]}的正方形区域进行均匀网格划分，共划分r2个网格，每个网格的尺寸设置为r，以每个网格是否包含相轨迹点建立二值矩阵E，其矩阵元素为0或1，0表示该网格中含有相轨迹点，1表示网格中没有包含相轨迹点。
如图4(a)所示，设不含电弧的故障电流即正弦形态电流信号函数为a0＝Asinωt，A表示信号幅值，含电弧的故障电流信号函数为b0＝Asinωt-φ(t)，即电弧电流是正弦形态电流的一部分能量泄放后的信号，从图3可以看出φ(t)是图3中的阴影部分的面积函数，则|φ(t)|＜|sinωt|。对于不含电弧的故障电流的正弦信号的时延序列为aτ＝Aco sωt，在两维平面上的相轨迹则满足圆方程而含电弧的故障电流为正弦电流能量泄放后形成，其含电弧的故障电流序列为bτ＝Acosωt-φτ(t)，其中φτ(t)是φ(t)的时延序列，则有φ(t)＞0，φτ(t)＞0，(φ(t)-2Asinωt)＜0，(φτ(t)-2Acosωt)＜0，因此含电弧的故障电流在两维平面上的相轨迹则满足:
即含电弧的故障电流经过相序列重构后的相轨迹向内坍缩，吸引子面积更小，正如图4(b)所示。
利用如下方程式，计算上述二值矩阵E的信息维数D以及相轨迹的吸引子面积P，并将其与对应的阈值做比较，进行含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别
其中，表示信息熵，pt表示相轨迹上的点出现在第t个网格的概率，r表示网格的尺寸，表二值矩阵E内的元素，S表示相轨迹所围成的区域，分别表示二值矩阵E的行数和列数，值为1当且仅当为区域S内的元素，否则为0。
而概率pt的计算方法如下：
首先，确定连续多个周期零序电流进行相轨迹重构后，各个相轨迹点所在网格的编号集合K＝{k1,k2,k3,…,ka}，然后对集合K中出现两次或两次以上的元素，只保留一个，得到元素不重复出现网格的编号集合K/＝{k1,k2,…,kb}，最后，统计集合K/中的每个元素在集合K中出现的次数，得到次数集合F＝{f1,f2,…,fg}，设集合F中的任一元素为fc，则Pt＝fc/NTotal其中，NTotal表示包含相轨迹点的网格总数，包含重复出现网格编号，c＝1,2,…,g；
经过大量的实验验证可知，如图5所示，若D<0.5且P<0.5，则为含电弧故障类；若D>0.5且P>0.5，则为不含电弧故障类，可将信息维数D的阈值范围设置为0.4～0.5，吸引子面积P的阈值范围设置为0.5～0.6。
对于含电弧故障类和不含电弧故障类，均可通过计算故障稳态期间的平均电阻进而得到对应接地介质的电导率进行接地类型的分类识别，具体如下：
首先，利用如下方程式，计算平均电阻
其中，Num表示故障稳态期间一个周期内的采样点数量，u(t)、i(t)分别表示故障稳态期间在t采样时刻采集的故障相的瞬时电压和电流。
然后，利用如下方程式，计算接地介质的电导率ρ，如图6所示，根据不同接地介质的电导率范围，如下表B1所示，进行接地类型的分类识别，
其中，h表示短路试验中导体在接地介质中掩埋深度，可设置为0.5m，l表示接地导线半径，可设置为0.01m，L表示扩散距离，工程上一般设置为2h或4h-l。
表B1各类型介质工程勘测参考电阻率范围
本发明通过采集故障点上游或者下游的样本数据，利用相空间重构理论，对故障稳态期间连续多个周期的零序电流进行相轨迹重构，通过计算重构后的相轨迹对应的二值矩阵的信息维数以及对应的吸引子面积进行含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别，再对含电弧故障类和不含电弧故障类，分别通过计算故障稳态期间的平均电阻进而得到对应接地介质的电导率，根据不同接地介质的电导率不同进行接地类型的分类识别，从而完成对单相接地故障的辨识，整个过程的结构简单，计算快捷，准确率高，提高了配电网络对单相接地故障的反应速率和处理故障的能力。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (5)
1.一种基于相空间重构与电导特征的单相接地故障辨识方法，其特征在于：包括对单相接地故障进行含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别以及接地类型的分类识别，
利用相空间重构理论，对故障稳态期间连续多个周期的零序电流进行相轨迹重构，通过计算所述相轨迹对应的二值矩阵的信息维数以及对应的吸引子面积进行含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别，再通过计算故障稳态期间的平均电阻进而得到对应接地介质的电导率进行接地类型的分类识别，从而完成单相接地故障的辨识。
2.根据权利要求1所述的基于相空间重构与电导特征的单相接地故障辨识方法，其特征在于：对故障稳态期间连续多个周期零序电流的时间序列进行二维相序列重构，将其转换为相轨迹平面图，再对所述相轨迹平面图上的相轨迹所包含的正方形区域进行均匀网格划分，以每个网格是否包含相轨迹点建立二值矩阵E，最后，将所述二值矩阵E的信息维数以及相轨迹的吸引子面积与对应的阈值做比较，完成含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别。
3.根据权利要求2所述的基于相空间重构与电导特征的单相接地故障辨识方法，其特征在于进行含电弧故障类和不含电弧故障类分类识别的方法包括以下步骤：
步骤一、采集故障点的上游或者下游的三相瞬时电压、电流数据，每个周期采集N个点，分别标记为(u1,u2...uN)，(i1,i2...iN)，计算故障稳态期间连续M个周期零序电流的时间序列，标记为(I1,I2...IMN)；
步骤二、利用如下方程式，对连续M个周期零序电流的时间序列中的各个值进行归一化处理；
其中，x＝1.2...MN
步骤三、对归一化处理后的连续多个周期零序电流的时间序列，进行二维相序列重构
其中，Nm＝MN-(m-1)τ，m表示嵌入维数，τ是延迟的采集时刻点数，I为Nm个m维的点构成零序电流的相序列；
步骤四、利用如下方程式，计算所述二值矩阵的信息维数D以及相轨迹的吸引子面积P，并将其与对应的阈值做比较，进行含电弧故障类和不含电弧故障类的分类识别
其中，pt表示相轨迹上的点出现在第t个网格的概率，r表示网格的尺寸，表二值矩阵E内的元素，S表示相轨迹所围成的区域， 分别表示二值矩阵E的行数和列数，值为1当且仅当为区域S内的元素，否则为0。
4.根据权利要求3所述的基于相空间重构与电导特征的单相接地故障辨识方法，其特征在于：所述相轨迹平面图上的相轨迹所包含的正方形区域设置为坐标范围{X:[-1,1],Y:[-1,1]}的正方形区域，对应所述信息维数D的阈值范围设置为0.4～0.5，对应所述吸引子面积P的阈值范围设置为0.5～0.6。
5.根据权利要求3所述的基于相空间重构与电导特征的单相接地故障辨识方法，其特征在于：利用如下方程式，计算接地介质的电导率，根据不同接地介质的电导率范围，进行接地类型的分类识别
其中，h表示短路试验中导体在接地介质中掩埋深度，l表示接地导线半径，L表示扩散距离，设置为2h或4h-l，表示平均电阻，Num表示故障稳态期间一个周期内的采样点数量，u(t)、i(t)分别表示故障稳态期间在t采样时刻采集的故障相的瞬时电压和电流。
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