CN111487507A - 基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识方法，包括以下步骤：步骤1.获取配电网监测点的电压信号，提取出监测点的零序电压信号；步骤2.使用小波包分解方法对监测点的零序电压进行频域分析，对其中的节点进行能量提取；步骤3.计算零序电压的高频段能量占比E_{h_％}和低频段能量占比E_{l_％}；步骤4.计算零序电压低频段能量E_l与高频段能量E_h之比，将这个比值作为高阻故障的识别特征量，即零序电压小波包能量比

将零序电压小波包能量比

与正常运行状态下的零序电压小波包能量比进行比较，从而判断配电网是否有单相高阻故障。本发明能够有效辨识出高阻故障与正常状态。

Description

基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识方法

技术领域

本发明属于配电网故障辨识技术领域，具体涉及一种基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识方法。

背景技术

配网高阻故障的研究难点在于高阻故障特征的提取。高阻故障时的故障电流微弱，三相电压及电流几乎和故障前相同，稳态特征不明显，检测难度增大。

目前针对高阻故障特征提取的研究主要通过稳态法和暂态法进行。稳态法中，基于中性点电流与线路零序电流投影量差动的高阻接地故障判断方法适用于小电阻接地系统；基于相电流突变量与相电压突变量导数的相关系数判断故障区段方法的启动判据是否适用于高阻故障尚未得到验证；关注电气量在过零点附近的波形局部畸变特性方法的抗噪能力及对于非线性特性不明显的高阻故障的适用性都有一定的局限。基于稳态特征的识别方法在适用性方面有一定的限制，目前对于高阻故障的大量研究主要是通过暂态信号进行分析。

暂态信号分析方法中，部分基于暂态零序电流信号分析处理进行故障定位方法虽不受故障位置、故障角及故障电阻的影响，但启动判据需设定阈值；利用HHT(希尔伯特-黄变换)提取零序电压暂态信息的识别方法随着故障电阻增大，故障特征效果降低；目前基于小波分析提取高阻故障暂态特征方法效果明显，但缺少考虑负荷波动等正常状态对所提方法辨识结果影响的对比研究。

总的来说，目前关于高阻故障特征提取的研究缺少与故障电阻大小等因素无关的稳定故障特征量，并且缺少其他运行状态对特征量影响的研究。

因此，有必要开发一种基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识方法，能有效辨识出高阻故障与正常状态。

本发明所述的一种基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识方法，包括以下步骤：

步骤1.获取配电网监测点的电压信号，提取出监测点的零序电压信号；

步骤2.使用小波包分解方法对监测点的零序电压进行频域分析，对其中的节点进行能量提取；

步骤3.计算零序电压的高频段能量占比E_{h_％}和低频段能量占比E_{l_％}，所述低频段的频率范围为0Hz～125Hz，所述高频段的频率范围为125Hz～1000Hz；

步骤4.计算零序电压低频段能量E_l与高频段能量E_h之比，将这个比值作为高阻故障的识别特征量，即零序电压小波包能量比

将零序电压小波包能量比

与正常运行状态下的零序电压小波包能量比进行比较，从而判断配电网是否有单相高阻故障。

进一步，所述步骤2中，具体包括：

(2-1)对监测点处零序电压进行p层小波包分解，小波包分解的递推公式为：

其中，

分别为小波包分解系数；h_(2p-k)为小波包分解的低通滤波器系数；g_(2p-k)为小波包分解的高通滤波器系数；i为第i层；2n用来指代低频系数，2n+1用来指代高频系数；k指所在小波包分解系数序列中的第k个分解系数；Z用来指代整数；

是位于第i+1层2n节点的小波包分解系数序列

中的第k个低频分解系数；

是位于第i+1层2n+1节点的小波包分解系数序列

中的第k个高频分解系数；

(2-2)对小波包分解系数进行单支重构，提取第p层各频带的小波系数，小波包重构递推公式为：

其中，h_(p-2k)为小波重构的低通滤波器系数；g_(p-2k)为小波重构的高通滤波器系数；

(2-3)确定各频带信号的能量，设E_p,j为位于第p层的第j节点的小波包分解系数序列

的能量，则其通过下式求得：

式中，d_j,k为p层j节点的小波包分解系数序列

中的第k个小波包系数，j＝0,1,…,7；k＝1,2,…,n；

为位于分解树的第p层的第j节点的小波包分解系数序列，m为分解树中节点的编号；

则信号的节点能量为：

进一步，所述步骤3具体为：

计算零序电压的高频段能量占比E_{h_％}的公式为：

计算零序电压的低频段能量占比E_{l_％}的公式为：

其中：sum(E)为零序电压总能量。

本发明具有以下优点：对配电网监测点处的零序电压进行分析，该辨识方法利用小波包分解对零序电压进行能量提取，提取出低频段能量与高频段能量的比值作为高阻故障的识别特征量。该特征量不仅能够有效辨识出高阻故障与正常状态，还不会影响中性点接地方式、拓扑结构及故障条件变化等因素影响下特征量的适用性。

附图说明

图1为本实施例的流程图；

图2为本实施例的原理框图；

图3是本实施例中调频电流信号注入模块的原理框图；

图4为本实施例中3层小波包分解的示意图；

图中：1-中央控制决策模块、2-调频电流信号注入模块、2a-脉冲驱动电路、2b-逆变器、3-小波包能量比计算模块、4-小波包分解模块、5-零序电压分析模块、6-电压互感器、7-人机交互模块、8-历史数据库模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例中，一种基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识方法，包括以下步骤：

步骤1.获取配电网监测点的电压信号，提取出监测点的零序电压信号；采样频率为2kHz；

步骤2.使用小波包分解方法对监测点的零序电压进行频域分析(4层小波包分解)，对其中的节点进行能量提取；

步骤3.计算零序电压的高频段能量占比E_{h_％}和低频段能量占比E_{l_％}，所述低频段的频率范围为0Hz～125Hz，所述高频段的频率范围为125Hz～1000Hz；

步骤4.计算零序电压低频段能量E_l与高频段能量E_h之比，将这个比值作为高阻故障的识别特征量，即零序电压小波包能量比

将零序电压小波包能量比

与正常运行状态下的零序电压小波包能量比进行比较，从而判断配电网是否有单相高阻故障。

本实施例中，配电网监测点的零序电压信号为原始信号S，

为分解树第i层的第j个节点，m为小波包树中节点的编号，图4为3层小波包分解的示意图。

本实施例中，所述步骤2具体包括：

(2-1)对监测点处零序电压进行p层小波包分解，小波包分解的递推公式为：

其中，

分别为小波包分解系数；h_(2p-k)为小波包分解的低通滤波器系数；g_(2p-k)为小波包分解的高通滤波器系数；以上系数的获取方式为本领域的常规技术，即其获取方式本领域技术人员均可选择，同时其计算也是本领域技术人员常规操作，在此不对其系数的获取方式做一一累述。其中：i为第i层；2n用来指代低频系数，2n+1用来指代高频系数；k指所在小波包分解系数序列中的第k个分解系数；Z用来指代整数；

是位于第i+1层2n节点的小波包分解系数序列

中的第k个低频分解系数；

是位于第i+1层2n+1节点的小波包分解系数序列

中的第k个高频分解系数。

(2-2)对小波包分解系数进行单支重构，提取第p层各频带的小波系数，小波包重构递推公式为：

其中，h_(p-2k)为小波重构的低通滤波器系数；g_(p-2k)为小波重构的高通滤波器系数。以上系数获取方式为本领域的常规技术，即其获取方式本领域技术人员均可选择，同时其计算也是本领域技术人员常规操作，在此不对其系数的获取方式做一一累述。

(2-3)确定各频带信号的能量，由于输入信号为随机信号，其输出信号也是一个随机信号，设E_p,j为位于第p层的第j节点的小波包分解系数序列

的能量，则其通过下式求得：

式中，d_j,k为p层j节点的小波包分解系数序列

中的第k个小波包系数，j＝0,1,…,2^p-1；k＝1,2,…,n；

为位于分解树的第p层的第j节点的小波包分解系数序列，m为分解树中节点的编号；以上系数获取方式为本领域的常规技术，即其获取方式本领域技术人员均可选择，同时其计算也是本领域技术人员常规操作，在此不对其系数的获取方式做一一累述。

则信号的节点能量为：

本实施例中，所述步骤3具体为：

计算零序电压的高频段能量占比E_{h_％}的公式为：

计算零序电压的低频段能量占比E_{l_％}的公式为：

其中：sum(E)为零序电压总能量。

本实施例中，小波包分解层数越多，则对信号频率的分辨准确度越高，同时运算也越复杂。考虑工程采样中可以达到的频率范围，系统在监测点处的采样频率为2kHz，对零序电压信号进行4层小波包分解，得到16个节点，每个频带带宽为62.5Hz。

对底层节点进行能量提取，得到信号的节点能量

相较于正常情况而言，高阻故障零序电压的高频含量丰富，其高频段能量占比E_{h_％}＝E_h/sum(E)相对较大，而低频段能量占比E_{l_％}＝E_l/sum(E)较小。

本实施例中，将零序电压小波包能量比

与正常运行状态下的零序电压小波包能量比进行比较，当零序电压小波包能量比

大于正常运行状态下的零序电压小波包能量比时，表示配电网出现单相高阻故障。

本基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识方法在传统方法的基础上，主要进行了以下两大部分的改进，基于监测点处零序电压信号的4层小波包分解和基于小波包能量比值E_l/E_h的底层节点能量特征提取。该辨识方法不仅能够有效区分出高阻故障与正常状态，还能够在中性点接地方式、拓扑结构及故障条件等因素变化的情况下仍然适用。

本实施例中，一种基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识方法，采用基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识系统，该系统包括中央控制决策模块1、调频电流信号注入模块2、小波包能量比计算模块3、小波包分解模块4、零序电压分析模块5；所述中央控制决策模块1分别与调频电流信号注入模块2、小波包能量比计算模块3电连接；调频电流信号注入模块2连接注入配电网；所述小波包能量比计算模块3与小波包分解模块4电连接；小波包分解模块4与零序电压分析模块5电连接；所述零序电压分析模块5连接电压互感器。所述调频电流信号注入模块2用于产生特征频率电流信号，并通过注入变压器将特征频率电流信号注入到配电网中。所述零序电压分析模块5用于根据从电压互感器采集到的电压信号，提取出零序电压并进行分析。所述小波包分解模块4用于使用小波包分解方法对零序电压进行频域分析，对其中的节点进行能量提取，计算出零序电压的高频段能量占比E_{h_％}和低频段能量占比E_{l_％}，所述低频段的频率范围为0Hz～125Hz，所述高频段的频率范围为125Hz～1000Hz。所述小波包能量比计算模块3用于计算零序电压低频段能量E_l与高频段能量E_h之比，将这个比值作为高阻故障的识别特征量，即零序电压小波包能量比

将零序电压小波包能量比

与正常运行状态下的零序电压小波包能量比进行比较，从而判断配电网是否有单相高阻故障。

如图3所示，本实施例中，所述调频电流信号注入模块2包括脉冲驱动电路2a以及与脉冲驱动电路2a电连接的逆变器2b。所述脉冲驱动电路2a与中央控制决策模块1电连接，所述脉冲驱动电路2a用于发出触发脉冲信号，控制逆变器2b的输出信号，逆变器2b的输出端连接至注入变压器。

如图2所示，本实施例中，基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识系统，还包括人机交互模块7，所述人机交互模块7与中央控制决策模块1电相连。

如图2所示，本实施例中，基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识系统，还包括历史数据库模块8，所述历史数据库模块8与中央控制决策模块1相连。

如图2所示，本实施例中，基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识系统，还包括历史数据库模块8，所述历史数据库模块8与中央控制决策模块1相连。本实施例中，历史数据库模块8包括单相高阻故障及正常状态的零序电压小波包能量比数据，中央控制决策模块1通过分析历史数据库模块8中的数据特征，形成识别模型，从而对配网处于单相高阻故障或正常状态进行识别。

Claims (3)

1.一种基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.获取配电网监测点的电压信号，提取出监测点的零序电压信号；

步骤2.使用小波包分解方法对监测点的零序电压进行频域分析，对其中的节点进行能量提取；

步骤3.计算零序电压的高频段能量占比E_{h_％}和低频段能量占比E_{l_％}，所述低频段的频率范围为0Hz～125Hz，所述高频段的频率范围为125Hz～1000Hz；

步骤4.计算零序电压低频段能量E_l与高频段能量E_h之比，将这个比值作为高阻故障的识别特征量，即零序电压小波包能量比

将零序电压小波包能量比

与正常运行状态下的零序电压小波包能量比进行比较，从而判断配电网是否有单相高阻故障。

2.根据权利要求1所述的基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识方法，其特征在于：所述步骤2中，具体包括：

(2-1)对监测点处零序电压进行p层小波包分解，小波包分解的递推公式为：

其中，

分别为小波包分解系数；h_(2p-k)为小波包分解的低通滤波器系数；g_(2p-k)为小波包分解的高通滤波器系数；i为第i层；2n用来指代低频系数，2n+1用来指代高频系数；k指所在小波包分解系数序列中的第k个分解系数；Z用来指代整数；

是位于第i+1层2n节点的小波包分解系数序列

中的第k个低频分解系数；

是位于第i+1层2n+1节点的小波包分解系数序列

中的第k个高频分解系数；

(2-2)对小波包分解系数进行单支重构，提取第p层各频带的小波系数，小波包重构递推公式为：

其中，h_(p-2k)为小波重构的低通滤波器系数；g_(p-2k)为小波重构的高通滤波器系数；

(2-3)确定各频带信号的能量，设E_p,j为位于第p层的第j节点的小波包分解系数序列

的能量，则其通过下式求得：

式中，d_j,k为p层j节点的小波包分解系数序列

中的第k个小波包系数，j＝0,1,…,7；k＝1,2,…,n；

为位于分解树的第p层的第j节点的小波包分解系数序列，m为分解树中节点的编号；

则信号的节点能量为：

3.根据权利要求2所述的基于小波包能量比值的配电网高阻故障辨识方法，其特征在于：所述步骤3具体为：

计算零序电压的高频段能量占比E_{h_％}的公式为：

计算零序电压的低频段能量占比E_{l_％}的公式为：

其中：sum(E)为零序电压总能量。

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