CN110873832A - 一种基于小波能量熵的配电网选线方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于小波能量熵的配电网选线方法及系统，属于电力系统继电保护技术领域。本发明针对配电网络故障时故障线路暂态信息丰富这一特征，提出一种利用小波能量熵选出故障线路的方法。首先选线算法根据配电系统的零序电压突变能量进行启动，启动后提取各条出线零序电流信号进行小波能量熵

的计算，然后根据各出线小波能量熵的特征选出故障线路；故障线路零序电流中包含的暂态信息丰富、频率成分复杂，所求出的小波能量熵有显著变化，非故障线路则无明显变化。仿真结果证明该方法有效、可靠，易于推广应用。

Description

一种基于小波能量熵的配电网选线方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种基于小波能量熵的配电网选线方法及系统。

背景技术

对于配电网络的各种故障的检测，快速准确地分类故障，建立起一套高效的电力系统故障信息在线检测与分类系统，对于处理配电网故障，甚至对电力系统的稳定性是十分必要的。电力系统本身是一个开放的动态系统，由于环境对电力系统动力特性的干扰，要准确地检测与分类故障，并完全防止事故的进一步发展是困难的。因此，故障信息的特征提取与分类，已成为电力系统研究的重点和难点之一。因此如何克服现有技术的不足是目前电力系统继电保护技术领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于小波能量熵的配电网选线方法及系统，通过该方法可以快速有效的选出故障线路。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于小波能量熵的配电网选线方法，包括如下步骤：

求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵W_EE；

根据故障线路的小波能谱熵有明显突变、健全线路的小波能谱熵无明显变化的特征，选出故障线路。

进一步，优选的是，求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵W_EE具体方法如下：

设E＝E₁,E₂,…E_m为零序电流信号x(n)在m个尺度上的小波能谱，使得在尺度域上E形成对信号能量的划分；

在某一时间窗内信号总功率E等于各分量功率E_j之和；

其中，D_j(k)为零序电流信号x(n)在快速小波变换后第j分解尺度下k时刻的高频分量；j＝1～m，m≥2；

令

则

进一步，优选的是，时间窗窗宽w＝100。

进一步，优选的是，m＝2。这是由于m＝1尺度分解易受噪声的影响，在通常的应用中，选取尺度m≥2，本发明中取m＝2。

进一步，优选的是，所述的基于小波能量熵的配电网选线方法，包括如下步骤：

步骤(1)，当配电系统的零序电压突变能量W(k)大于启动值

开始进行选线；零序电压突变能量W(k)如下式所示：

式中，u₀(k)表示k时刻的零序电压，N表示瞬时采样点，M表示该时间窗内的采样点，N≥M；

步骤(2)，提取各条线路的零序电流信号x(n)进行快速小波变换后，获得在第j分解尺度下k时刻的高频分量D_j(k)；

步骤(3)，求出分量功率

并求得

步骤(4)求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵

步骤(5)，根据小波能谱熵随时间变化的规律进行故障线路判断：在该时间窗内小波能谱熵在0.2-1之间的线路判定为故障线路，否则判定为健全线路。

进一步，优选的是，

取0.0144。

进一步，优选的是，M＝5。

本发明同时提供一种基于小波能量熵的配电网选线系统，包括：

第一数据处理模块：用于判断配电系统的零序电压突变能量W(k)大于启动值

第二数据处理模块：用于当第一数据处理模块判断零序电压突变能量W(k)大于启动值

则求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵W_EE；

故障选线模块：用于根据故障线路的小波能谱熵有明显突变、健全线路的小波能谱熵无明显变化的特征，选出故障线路。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上述基于小波能量熵的配电网选线方法的步骤。

本发明另外提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如上述基于小波能量熵的配电网选线方法的步骤。

本发明原理：

本发明在配电网故障选线中引入小波分析技术，对线路的暂态信息提取起到了重要作用，小波能量熵的选线方法是基于对零序电流信号的复杂度进行分析，所分析信号的功率谱中存在的谱峰越窄，谱熵就越小，表示信号波形的变化越有规律，复杂度越小；反之，功率谱越平坦，谱熵就越大，信号的复杂度就越大；可根据故障线路零序电流信号复杂度大，健全线路零序电流信号复杂度小来进行故障线路的选择依据。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明根据配电系统的零序电压突变能量进行启动选线算法，启动后提取各条出线零序电流信号进行小波能量熵W_EE的计算，然后根据各出线小波能量熵的特征选出故障线路，构成了一种基于小波能量熵的配电网选线方法，可以快速有效的选出故障线路。

附图说明

图1为本发明基于小波能量熵的配电网选线方法的流程图；

图2为配电网仿真模型；

图3为线路L₁ A相接地故障零序电流及故障线路W_EE；

图4为线路L₄ B相接地故障零序电流及故障线路W_EE；

图5为基于小波能量熵的配电网选线系统的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的电子设备结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

针对配电网络故障时故障线路暂态信息丰富这一特征，提出一种利用小波能量熵选出故障线路的方法。首先选线算法根据配电系统的零序电压突变能量进行启动，启动后提取各条出线零序电流信号进行小波能量熵W_EE的计算，然后根据各出线小波能量熵的特征选出故障线路；故障线路零序电流中包含的暂态信息丰富、频率成分复杂，所求出的小波能量熵有显著变化，非故障线路则无明显变化。仿真结果证明该方法有效、可靠。

一种基于小波能量熵的配电网选线方法，包括如下步骤：

求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵W_EE；具体方法如下：

设E＝E₁,E₂,…E_m为零序电流信号x(n)在m个尺度上的小波能谱，使得在尺度域上E形成对信号能量的划分；

在某一时间窗内信号总功率E等于各分量功率E_j之和；

其中，D_j(k)为零序电流信号x(n)在快速小波变换后第j分解尺度下k时刻的高频分量；j＝1～m，m＝2；

令

则

时间窗窗宽w＝100。

根据故障线路的小波能谱熵有明显突变、健全线路的小波能谱熵无明显变化的特征，选出故障线路。

图5为本发明实施例提供的基于小波能量熵的配电网选线系统结构示意图，如图5所示，本发明实施例提供了基于小波能量熵的配电网选线系统，包括：

第一数据处理模块101：用于判断配电系统的零序电压突变能量W(k)大于启动值

第二数据处理模块102：用于当第一数据处理模块判断零序电压突变能量W(k)大于启动值

则求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵W_EE；

故障选线模块103：用于根据故障线路的小波能谱熵有明显突变、健全线路的小波能谱熵无明显变化的特征，选出故障线路。

在本发明实施例中，第一数据处理模块101判断配电系统的零序电压突变能量W(k)大于启动值

当第一数据处理模块判断零序电压突变能量W(k)大于启动值

第二数据处理模块102求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵W_EE；之后，故障选线模块103根据故障线路的小波能谱熵有明显突变、健全线路的小波能谱熵无明显变化的特征，选出故障线路。

本发明实施例提供的一种基于小波能量熵的配电网选线系统，能快速有效的选出故障线路。

本发明实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

图6为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，参照图6，该电子设备可以包括：处理器(processor)201、通信接口(Communications Interface)202、存储器(memory)203和通信总线204，其中，处理器201，通信接口202，存储器203通过通信总线204完成相互间的通信。处理器201可以调用存储器203中的逻辑指令，以执行如下方法：求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵W_EE；根据故障线路的小波能谱熵有明显突变、健全线路的小波能谱熵无明显变化的特征，选出故障线路。

此外，上述的存储器203中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的基于小波能量熵的配电网选线方法，例如包括：求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵W_EE；根据故障线路的小波能谱熵有明显突变、健全线路的小波能谱熵无明显变化的特征，选出故障线路。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

应用实例1

基于小波能量熵的配电网选线方法，其流程图如图1所示，具体步骤如下：

步骤(1)，当配电系统的零序电压突变能量W(k)大于启动值

取0.0144，开始进行选线；零序电压突变能量W(k)如下式所示：

式中，u₀(k)表示k时刻的零序电压，N表示瞬时采样点，M表示该时间窗内的采样点，N≥M，M＝5；

步骤(2)，提取各条线路的零序电流信号x(n)进行快速小波变换后，获得在第j分解尺度下k时刻的高频分量D_j(k)；时间窗窗宽w＝100；

步骤(3)，求出分量功率

并求得

步骤(4)求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵

步骤(5)，根据小波能谱熵随时间变化的规律进行故障线路判断：在该时间窗内小波能谱熵在0.2-1之间的线路判定为故障线路，否则判定为健全线路。

在仿真软件中搭建了配电网仿真模型，如图2所示，10kV配电网络从110kV/10kV变电站的10kV母线侧出线，线路L₁接恒功率负荷，线路L₄、L₆为架空线路，线路L₃、L₅为电缆线路；中性点通过Z字型变压器T_z连接消弧线圈L，消弧线圈L与小电阻R_n并联后再与大地连接，且r_L为消弧线圈的阻尼电阻。

仿真分析线路L₁在4km处发生A相接地短路故障，过渡电阻为400Ω，选取采样频率为20kHz，得到故障前后的零序电流，选用db4小波，计算其小波能谱熵W_EE。

如图3所示，由仿真计算可得线路L₁的小波能谱熵在0.2-1之间，则判定L₁为故障线路。

应用实例2

基于小波能量熵的配电网选线方法，其流程图如图1所示，具体步骤如下：

步骤(1)，当配电系统的零序电压突变能量W(k)大于启动值

取0.0144，开始进行选线；零序电压突变能量W(k)如下式所示：

式中，u₀(k)表示k时刻的零序电压，N表示瞬时采样点，M表示该时间窗内的采样点，N≥M，M＝5；

步骤(2)，提取各条线路的零序电流信号x(n)进行快速小波变换后，获得在第j分解尺度下k时刻的高频分量D_j(k)；时间窗窗宽w＝100；

步骤(3)，求出分量功率

并求得

步骤(4)求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵

步骤(5)，根据小波能谱熵随时间变化的规律进行故障线路判断：在该时间窗内小波能谱熵在0.2-1之间的线路判定为故障线路，否则判定为健全线路。

在仿真软件中搭建了配电网仿真模型，如图2所示，10kV配电网络从110kV/10kV变电站的10kV母线侧出线，线路L₁接恒功率负荷，线路L₄、L₆为架空线路，线路L₃、L₅为电缆线路；中性点通过Z字型变压器T_z连接消弧线圈L，消弧线圈L与小电阻R_n并联后再与大地连接，且r_L为消弧线圈的阻尼电阻。

仿真分析线路L₄在15km处发生B相接地短路故障，过渡电阻为800Ω，选取采样频率为20kHz,得到故障前后的零序电流，选用db4小波，计算其小波能谱熵W_EE。

如图4所示，由仿真计算可得线路L₄的小波能谱熵在0.2-1之间，则判定L₄为故障线路。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于小波能量熵的配电网选线方法，其特征在于，包括如下步骤：

求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵W_EE；

根据故障线路的小波能谱熵有明显突变、健全线路的小波能谱熵无明显变化的特征，选出故障线路。

2.根据权利要求1所述的基于小波能量熵的配电网选线方法，其特征在于，求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵W_EE具体方法如下：

设E＝E₁,E₂,…E_m为零序电流信号x(n)在m个尺度上的小波能谱，使得在尺度域上E形成对信号能量的划分；

在某一时间窗内信号总功率E等于各分量功率E_j之和；

其中，D_j(k)为零序电流信号x(n)在快速小波变换后第j分解尺度下k时刻的高频分量；j＝1～m，m≥2；

令

则

3.根据权利要求2所述的基于小波能量熵的配电网选线方法，其特征在于，时间窗窗宽w＝100。

4.根据权利要求2所述的基于小波能量熵的配电网选线方法，其特征在于，m＝2 。

5.根据权利要求1所述的基于小波能量熵的配电网选线方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，当配电系统的零序电压突变能量W(k)大于启动值

开始进行选线；零序电压突变能量W(k)如下式所示：

式中，u₀(k)表示k时刻的零序电压，N表示瞬时采样点，M表示该时间窗内的采样点，N≥M；

步骤(2)，提取各条线路的零序电流信号x(n)进行快速小波变换后，获得在第j分解尺度下k时刻的高频分量D_j(k)；

步骤(3)，求出分量功率

并求得

步骤(4)求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵

步骤(5)，根据小波能谱熵随时间变化的规律进行故障线路判断：在该时间窗内小波能谱熵在0.2-1之间的线路判定为故障线路，否则判定为健全线路。

6.根据权利要求5所述的基于小波能量熵的配电网选线方法，其特征在于，

取0.0144。

7.根据权利要求5所述的基于小波能量熵的配电网选线方法，其特征在于，M＝5。

8.一种基于小波能量熵的配电网选线系统，其特征在于，包括：

第一数据处理模块：用于判断配电系统的零序电压突变能量W(k)大于启动值

第二数据处理模块：用于当第一数据处理模块判断零序电压突变能量W(k)大于启动值

则求取故障前后一个工频周期内的各条线路零序电流的小波能谱熵W_EE；

故障选线模块：用于根据故障线路的小波能谱熵有明显突变、健全线路的小波能谱熵无明显变化的特征，选出故障线路。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述基于小波能量熵的配电网选线方法的步骤。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述基于小波能量熵的配电网选线方法的步骤。

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