CN111722060A - 一种基于波形特征的配电线路早期故障严重程度评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于波形特征的配电线路早期故障严重程度评价方法，监测第k次配电线路的早期故障，获取配电线路的原始电压波形；根据所述配电线路的原始电压波形，分别计算得到电压决定系数和电压近似熵；根据所述电压决定系数和电压近似熵计算得到配电线路早期故障程度的综合评价指标；根据配电线路早期故障程度的综合评价指标所属区间范围确定第k次早期故障严重程度。本发明通过以上设计，实现对配网线路预测预警的功能，从而指导配电线路的检修维护工作，避免发生永久性故障，提高供电可靠性。

Description

一种基于波形特征的配电线路早期故障严重程度评价方法

技术领域

本发明属于电力传输技术领域，尤其涉及一种基于波形特征的配电线路早期故障严重程度评价方法。

背景技术

早期故障是指发生在设备永久性故障前的一种间歇性、瞬时性故障，具有持续时间短的特点，在该种故障扰动模式下不会引起继电保护装置动作，该类故障会在一段时间内重复发生，并最终导致永久性故障；波形特征是指根据记录到的扰动波形从时域、频域或者时频域等多个角度分析提取扰动特征；严重程度是指早期故障波形特征表现出的状态，可反映配电线路的绝缘劣化程度。

目前对于配电线路早期故障严重程度定量评价的相关研究尚少，且相关研究仅从通过信号处理方法分析实测波形的角度出发，缺乏对早期故障发展演变过程中的机理分析，使得提出的部分指标缺乏说服力。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于波形特征的配电线路早期故障严重程度评价方法，实现对配网线路预测预警的功能，从而指导配电线路的检修维护工作，避免发生永久性故障，提高供电可靠性。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种基于波形特征的配电线路早期故障严重程度评价方法，包括以下步骤：

S1、监测第k次配电线路的早期故障，获取配电线路的原始电压波形；

S2、根据所述配电线路的原始电压波形，分别计算得到电压决定系数和电压近似熵；

S3、根据所述电压决定系数和电压近似熵计算得到配电线路早期故障严重程度的综合评价指标；

S4、根据配电线路早期故障严重程度的综合评价指标所属区间范围确定第k次早期故障严重程度。

本发明的有益效果是：本方法基于电弧数学模型和变电站端测量到的配电线路的波形数据，分析随着早期故障不断发展波形特征的变化规律。在对早期故障严重程度的定量评价基础上，实现对配网线路预测预警的功能，从而指导配电线路的检修维护工作，避免发生永久性故障，提高供电可靠性。

进一步地，所述步骤S2中电压决定系数的表达式如下：

其中，R表示电压决定系数，

表示拟合以后的电压波形，v表示原始电压波形，

表示原始电压波形的平均值，a、b和c均表示拟合电压波形的比例系数，ω表示拟合电压波形的频率，t表示时间。

上述进一步方案的有益效果是：电压决定系数可反映早期故障电压波形与标准正弦电压波形的差异性大小，该指标越大，说明早期故障电压波形越接近标准正弦电压波形，随着早期故障的发展，电压决定系数越大。

再进一步地，所述步骤S2中电压近似熵的表达式如下：

E＝Φ^m(r)-Φ^m+1(r)

d[V(i),V(j)]＝max[v(i+L)-v(j+L)]

其中，v表示原始电压波形，V(i)和V(j)均表示由原始信号构造的不同向量，m表示构造向量的维数，N表示1个周波的早期故障电压波形的采样个数，d[V(i),V(j)]表示V(i)和V(j)之间的距离，L、i和j均表示变量，且L＝0,1,2,...,N-m+1，i＝1,2,...,N-m+1，j＝1,2,...,N-m+1，r表示给定阈值，

表示在给定阈值r下d[V(i),V(j)]小于r的数目与(N-m)的比值，Φ^m(r)表示定义的函数，E表示电压近似熵。

上述进一步方案的有益效果是：电压近似熵可以反映信号的复杂性，由于早期故障波形随着早期故障发展，电压波形畸变程度减小，电压近似熵也会减小。

再进一步地，所述步骤S3中配电线路早期故障严重程度的综合评价指标的表达式如下：

S_D·max＝max{S_D·1,S_D·2,…,S_D·k}

S_R·min＝min{S_R·1,S_R·2,…,S_R·k}

其中，I_k表示配电线路早期故障程度的综合评价指标，S_R·k表示发生第k次早期故障时上升指标的值，S_R·min表示上升指标的最小值，S_D·max表示下降指标的最大值，S_D·k表示发生第k次早期故障时下降指标的值。

上述进一步方案的有益效果是：综合评价指标是在电压决定系数和电压近似熵的基础上建立的，分析综合评价指标可知，它将随着早期故障的发展呈逐渐上升的趋势。所以，通过对综合评价指标设定合适的阈值，可以对早期故障的严重程度进行最终评价。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为实施例中指标随健康状态或严重程度发展趋势。

图3为本实施例中不同时间常数对应的早期故障电压波形。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

目前对于配电线路早期故障严重程度定量评价的相关研究很少，本发明基于电弧数学模型和变电站端测量到的波形数据，分析随着早期故障不断发展波形特征的变化规律。在对早期故障严重程度的定量评价基础上，实现对配网线路预测预警的功能，从而指导配电线路的检修维护工作，避免发生永久性故障，提高供电可靠性。

如图1所示，本发明提供了一种基于波形特征的配电线路早期故障严重程度评价方法，其实现方法如下：

S1、监测第k次配电线路的早期故障，获取配电线路的原始电压波形；其中，k取大于零的整数；

S2、根据所述配电线路的原始电压波形，分别计算得到电压决定系数和电压近似熵；

S3、根据所述电压决定系数和电压近似熵计算得到配电线路早期故障严重程度的综合评价指标；

S4、根据配电线路早期故障严重程度的综合评价指标所属区间范围确定第k次早期故障严重程度。

本实施例中，本申请首先刻画早期故障严重程度，具体可分为轻度严重，中度严重和中度严重，然后在时域中分析早期故障电压波形发展变化趋势和内在机理，接着采用电压决定系数和近似熵反映该波形特征，最后提出综合评价指标来评价早期故障严重程度。

本实施例中，配电线路发生早期故障时通常会产生电弧，电弧对配电线路的绝缘会造成累积伤害。配电线路健康状态随着早期故障发生次数的增加而下降，但是早期故障的严重程度整体上将出现逐渐上升的趋势。早期故障对配电线路造成的伤害随着时间的推移越来越严重，如果该指标随时间变化的相关性越强，那么说明该指标越能表示这种累积伤害的程度。如图2所示，为理想情况下配电线路健康状态或严重程度的发展趋势，分别用S₁和S₂表示呈上升和下降两种变化趋势的指标。随着时间发展，早期故障严重状态将由轻度严重向中度严重再向重度严重发展。

目前可用Mayr模型、Cassie模型、Schwarz模型、控制论模型以及汤逊电弧模型等来刻画电弧的非线性特征。当系统电压大于击穿电压时，此时电弧处于燃烧阶段，其等效电导很大；当电流过零点时，此时电弧熄灭，则其等效电导很小，从而表现出强烈的非线性，电弧电压近似呈方波。电弧时间常数τ是刻画电弧特性的决定因素之一。时间常数τ表示电弧在熄灭过程中电导变化的热惯性，τ越小代表电弧电导变化越快。随着早期故障的发展，配电线路的绝缘性能也逐渐下降。在下一次发生早期故障时，电弧的去游离作用减弱，则对应的电弧时间常数τ逐渐变大，对应的电弧电导变化速度变慢，最终使得电弧的非线性有所减弱，波形畸变程度减轻，表现在早期故障电压波形上的特点就是越来越贴近标准的正弦波形。如图3所示，在PSCAD软件中，通过改变电弧时间常数仿真出不同的早期故障电弧，验证了该理论的正确性。

本实施例中，设v表示原始电压波形，

表示拟合以后的电压波形，令：

式中，a、b和c均表示拟合电压波形的比例系数，ω表示拟合电压波形的频率，t表示时间。决定系数是衡量回归方程拟合程度优劣的指标，借助其概念定义电压决定系数：

本实施例中，随着早期故障的发展，早期故障电压波形信号的复杂性也在降低。对于早期故障电压波形v＝{v(1)，v(2)，…，v(N)}，其中，N表示1个周波的早期故障电压波形采样个数。重构m维向量V(1)，V(2)，…，V(N-m+1)，其中，V(i)＝{v(i)，v(i+1)，…，v(i+m-1)},i＝1～N-m+1。如式(3)计算V(i)和V(j)之间的距离：

d[V(i),V(j)]＝max[v(i+L)-v(j+L)] (3)

式中，L＝0,1,2,...,N-m+1。

给定阈值r，统计d[V(i),V(j)]小于r的数目并求出该数目与(N-m)的比值，记为

即：

可进一步计算Φ^m(r)：

则电压近似熵为：

E＝Φ^m(r)-Φ^m+1(r) (6)

本实施例中，本申请采用历史监测到的k次早期故障扰动数据实现早期故障严重程度的定量评价。对于呈上升趋势的指标，前k次可能出现该指标在所有早期故障中的最小值；对于呈下降趋势的指标，前k次可能出现该指标在所有早期故障中的最大值。对呈上升趋势的某一指标S_R，前k次早期故障中该指标的最小值记为S_R·min，如式(8)

S_R·min＝min{S_R·1,S_R·2,…,S_R·k} (8)

对呈下降趋势的某一指标SD，前k次早期故障中该指标的最大值记为S_D·max，如式(9)：

S_D·max＝max{S_D·1,S_D·2,…,S_D·k} (9)

定义第k次早期故障电压波形的综合评价指标：

不难发现，S_R·k/S_R·min与S_D·max/S_D·k均是大于或等于1的变量。并且随着早期故障的发展，S_R的值将会越来越大，S_D的值将会越来越小，那么综合指标I将逐渐增大。当k＝1时，S_R·min＝S_R·1，S_D·max＝S_D·k，此时I₁＝2为最小值。令α、β为比例常数，且满足α<β，则以αI₁和βI₁为临界阈值作为早期故障不同严重程度的判定标准。具体对应结果如表1所示。

表1

指标区间	早期故障状态
		I<sub>1</sub>≤I<sub>k</sub>&lt;αI<sub>1</sub>	轻度严重
αI<sub>1</sub>≤I<sub>k</sub>&lt;βI<sub>1</sub>	中度严重
		I<sub>k</sub>≥βI<sub>1</sub>	重度严重

本实施例中，实测早期故障电压波形与仿真早期故障电压波形具有一致的变化规律，验证了理论的正确性。通过实测数据评价配电线路早期故障的严重状态，分析发现早期故障严重状态基本呈现由轻度严重向中度严重再向重度严重过渡变化的趋势，基本可以反映配电线路的绝缘劣化过程，由此证明了本申请的有效性。

Claims (4)

1.一种基于波形特征的配电线路早期故障严重程度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、监测第k次配电线路的早期故障，获取配电线路的原始电压波形；

S2、根据所述配电线路的原始电压波形，分别计算得到电压决定系数和电压近似熵；

S3、根据所述电压决定系数和电压近似熵计算得到配电线路早期故障严重程度的综合评价指标；

S4、根据配电线路早期故障严重程度的综合评价指标所属区间范围确定第k次早期故障严重程度。

2.根据权利要求1所述的基于波形特征的配电线路早期故障严重程度评价方法，其特征在于，所述步骤S2中电压决定系数的表达式如下：

其中，R表示电压决定系数，

表示拟合以后的电压波形，v表示原始电压波形，

表示原始电压波形的平均值，a、b和c均表示拟合电压波形的比例系数，ω表示拟合电压波形的频率，t表示时间。

3.根据权利要求1所述的基于波形特征的配电线路早期故障严重程度评价方法，其特征在于，所述步骤S2中电压近似熵的表达式如下：

E＝Φ^m(r)-Φ^m+1(r)

d[V(i),V(j)]＝max[v(i+L)-v(j+L)]

其中，E表示电压近似熵，v表示原始电压波形，V(i)和V(j)均表示由原始信号构造的不同向量，m表示构造向量的维数，N表示1个周波的早期故障电压波形的采样个数，d[V(i),V(j)]表示V(i)和V(j)之间的距离，L、i和j均表示变量，且L＝0,1,2,...,N-m+1，i＝1,2,...,N-m+1，j＝1,2,...,N-m+1，r表示给定阈值，

表示在给定阈值r下d[V(i),V(j)]小于r的数目与(N-m)的比值，Φ^m(r)表示定义的函数。

4.根据权利要求1所述的基于波形特征的配电线路早期故障严重程度评价方法，其特征在于，所述步骤S3中配电线路早期故障严重程度的综合评价指标的表达式如下：

S_D·max＝max{S_D·1,S_D·2,…,S_D·k}

S_R·min＝min{S_R·1,S_R·2,…,S_R·k}

其中，I_k表示配电线路早期故障程度的综合评价指标，S_R·k表示发生第k次早期故障时上升指标的值，S_R·min表示上升指标的最小值，S_D·max表示下降指标的最大值，S_D·k表示发生第k次早期故障时下降指标的值。

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