CN112557950A - 基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法 - Google Patents

基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及配电网故障检测的技术领域，更具体地，涉及一种基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，包括以下步骤：当母线处的零序电压U0低于系统额定电压Um的0.15倍时提取谐振接地系统中各线路原始零序电流；从设定时段内的原始零序电流提取出各线路特征频带电流信号；计算出各线路的特征频带电流信号相关系数矩阵；计算得到各线路的测试矩阵；计算各线路测试矩阵与各样本矩阵之间的相似维度：若线路汉明距离不大于设定判据值，则判定线路上发生了单相接地故障，否则为健全线路；若所有线路均为健全线路时，则判定为母线故障。本发明可消除某些异常突变点的影响，拉大故障保护判据边界，适用于结构复杂的谐振接地系统故障选线。

Description

基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法
技术领域
本发明涉及配电网故障检测的技术领域，更具体地，涉及一种基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法。
背景技术
谐振接地系统对线路及设备绝缘性能要求较低，在发生单相接地后能继续运行1～2个小时，因此被广泛应用于配电网中，但此系统与其他系统相比故障信号微弱，现有的方法虽然针对此特点提出了许多的改进方法，如基于波包相关系数法选线法、基于S变换时频特性选线法、基于突变量能量或相关系数的选线等。
中国专利CN103344875A公开了一种谐振接地系统单相接地故障分类选线方法，包括以下步骤：根据配电网的网架结构和线路参数，计算系统的选定频带；监测母线零序电压波形，判断是否满足故障选线启动条件；读取故障后线路暂态零序电流一个工频周波的波形；对半个工频周波的故障零序电流进行EEMD分解，求出各条线路暂态零序电流的Hilbert时频谱和Hilbert边际谱；计算频谱能量比例因子P、暂态因子T和Hilbert时频熵S，并采用支持向量机对故障进行分类；针对不同的故障类型采用相对应的选线判据进行选线。上述方案虽充分利用暂态零序电流中丰富的故障信息、提高谐振接地系统故障选线的准确性，然而上述方案的选线方法故障边界不太理想、可靠性有待提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，消除了某些异常突变点的影响，拉大了故障保护判据边界，适用于结构复杂的谐振接地系统故障选线。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，包括以下步骤：
S1.提取谐振接地系统变电站母线处的零序电压U0；
S2.当步骤S1中母线处的零序电压U0低于系统额定电压Um的0.15倍时提取所述谐振接地系统中各线路原始零序电流；
S3.基于信号特征提取工具小波包分析法，从设定时段内的原始零序电流提取出各线路特征频带电流信号；
S4.基于步骤S3中各线路特征频带电流信号计算出所述谐振接地系统中各线路的特征频带电流信号相关系数矩阵；
S5.在步骤S4之后，通过数据变换计算得到各线路的测试矩阵；
S6.在步骤S5之后，通过汉明距离计算各线路测试矩阵与各样本矩阵之间的相似维度：若线路汉明距离不大于设定判据值，则判定所述线路上发生了单相接地故障，否则为健全线路；若所有线路均为健全线路时，则判定为母线故障。
本发明的基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，消除了某些异常突变点的影响，拉大了故障保护判据边界，适用于结构复杂的谐振接地系统故障选线。
优选地，步骤S3中，采用小波包分析法将原始零序电流进行n层分解，分解成2n个频带电流信号，然后通过能量最大原理从各频带电流信号中选取特征频带电流信号。
优选地，步骤S4中，相关系数按以下公式计算：
Figure BDA0002817035470000021
式中，sxy为线路x的特征频带电流信号Ix与线路y的特征频带电流信号Iy之间的相关系数，N为采集电流信号点总数。
优选地，步骤S4中，所述谐振接地系统包括l条线路，则相关系数矩阵s表示为：
Figure BDA0002817035470000022
式中，sxy为线路x的特征频带电流信号Ix与线路y的特征频带电流信号Iy之间的相关系数。
优选地，步骤S4中，故障线路与健全线路之间的相关系数在-0.8至-1之间，则判断为近似于-1，健全线路之间的相关系数在0.8至1之间，则判断为近似于1。
优选地，步骤S5中，对所述相关系数矩阵进行数据处理，将近似于-1的元素设置为-1，将近似于1的元素设置为1，得到测试矩阵C；所述测试矩阵C表示为：
Figure BDA0002817035470000031
Figure BDA0002817035470000032
式中，cxy为线路x与线路y征频带电流信号之间的相关系数数据处理值，表示相关系数标量值。
优选地，所述样本矩阵按以下方法进行推导：当线路x发生单相接地故障时测试矩阵C第x行第x列cxx为1，其余为-1，非第x行第x列的元素为1；则谐振接地系统l条线路分别发生单相接地故障时常态化所推导出对应的l个测试矩阵作为l个样本矩阵Y。
优选地，当线路x发生单相接地故障时，测试矩阵Cx与样本矩阵Yx相同，而不同于其他线路的样本矩阵；测试矩阵C与线路x故障所对应的样本矩阵Yx之间的汉明距离即可称为线路x的汉明距离dx表示为：
Figure BDA0002817035470000033
优选地，当谐振接地系统中线路x发生单相接地故障时线路x的汉明距离dx为0，其他线路的汉明距离为2l+2。
优选地，当谐振接地系统中母线故障时，各线路之间的汉明距离为2l-2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，消除了某些异常突变点的影响，拉大了故障保护判据边界，适用于结构复杂的谐振接地系统故障选线。
附图说明
图1为基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法的流程图；
图2为实施例二中配电网谐振接地系统的示意图；
图3为实施例二配电网谐振接地系统中各线路的原始零序电流信号示意图；
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例一
如图1所示为本发明的基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法的实施例，包括以下步骤：
S1.提取谐振接地系统变电站母线处的零序电压U0；
S2.当步骤S1中母线处的零序电压U0低于系统额定电压Um的0.15倍时提取所述谐振接地系统中各线路原始零序电流；
S3.基于信号特征提取工具小波包分析法，从设定时段内的原始零序电流提取出各线路特征频带电流信号；
S4.基于步骤S3中各线路特征频带电流信号计算出所述谐振接地系统中各线路的特征频带电流信号相关系数矩阵；
S5.在步骤S4之后，通过数据变换计算得到各线路的测试矩阵；
S6.在步骤S5之后，通过汉明距离计算各线路测试矩阵与各样本矩阵之间的相似维度：若线路汉明距离不大于设定判据值，则判定所述线路上发生了单相接地故障，否则为健全线路；若所有线路均为健全线路时，则判定为母线故障。
步骤S3中，采用小波包分析法将原始零序电流进行n层分解，分解成2n个频带电流信号，然后通过能量最大原理从各频带电流信号中选取特征频带电流信号。
步骤S4中，相关系数按以下公式计算：
Figure BDA0002817035470000041
式中，sxy为线路x的特征频带电流信号Ix与线路y的特征频带电流信号Iy之间的相关系数，N为采集电流信号点总数。
步骤S4中，所述谐振接地系统包括l条线路，则相关系数矩阵s表示为：
Figure BDA0002817035470000051
式中，sxy为线路x的特征频带电流信号Ix与线路y的特征频带电流信号Iy之间的相关系数。
步骤S4中，故障线路与健全线路之间的相关系数在-0.8至-1之间，则判断为近似于-1，健全线路之间的相关系数在0.8至1之间，则判断为近似于1。
步骤S5中，对所述相关系数矩阵进行数据处理，将近似于-1的元素设置为-1，将近似于1的元素设置为1，得到测试矩阵C；所述测试矩阵C表示为：
Figure BDA0002817035470000052
Figure BDA0002817035470000053
式中，cxy为线路x与线路y征频带电流信号之间的相关系数数据处理值，表示相关系数标量值。
所述样本矩阵按以下方法进行推导：当线路x发生单相接地故障时测试矩阵C第x行第x列cxx为1，其余为-1，非第x行第x列的元素为1；则谐振接地系统l条线路分别发生单相接地故障时常态化所推导出对应的l个测试矩阵作为l个样本矩阵Y。
当线路x发生单相接地故障时，测试矩阵Cx与样本矩阵Yx相同，而不同于其他线路的样本矩阵；测试矩阵C与线路x故障所对应的样本矩阵Yx之间的汉明距离即可称为线路x的汉明距离dx表示为：
Figure BDA0002817035470000054
当谐振接地系统中线路x发生单相接地故障时线路x的汉明距离dx为0，其他线路的汉明距离为2l+2。
当谐振接地系统中母线故障时，各线路之间的汉明距离为2l-2。
经过上述步骤，当用于结构复杂的谐振接地系统故障选线时，消除了某些异常突变点的影响，拉大了故障保护判据边界，具有较好的可靠性。
实施例二
本实施例为实施例一应用于10kV配网谐振接地系统的实施例，10kV配网谐振接地系统如图2所示，共有6条出线，含有架空线路及电缆线路，其中架空线路零序参数分别为0.23Ω·km-1、5.48mH·km-1、0.009μF·km-1，架空线路正序参数分别为0.096Ω·km-1、1.21mH·km-1、0.011μF·km-1，电缆线路零序参数分别为0.35Ω·km-1、1.54mH·km-1、0.19μF·km-1，电缆线路正序参数分别为0.12Ω·km-1、0.52mH·km-1、0.29μF·km-1。消弧线圈补偿度设为8％，其电感值为1.09H，各线路末端负荷设为400+20jΩ；各线路的原始零序电流信号如图3所示。
首先通过上述分析可将线路1～线路6分别发生故障时对应的样本矩阵如下所示：
Figure BDA0002817035470000061
Figure BDA0002817035470000062
Figure BDA0002817035470000063
利用谐振接地系统在线路1A相的10％处模拟一组故障合闸角为0°、故障电阻为5Ω的单相接地故障实验，以便清晰展示此选线法的正确性。本发明将使用db12小波基进行5层小波包分解，因此可分解出32个频带信号，其中将取能量最大的频带信号所在的频带作为特征频带，因此可确定出第2频带为特征频带。然后利用相关系数公式可得出各线路特征频带信号的相关系数矩阵如下所示：
Figure BDA0002817035470000071
然后通过测试矩阵公式可计算得到此时各线路的测试矩阵如下所示：
Figure BDA0002817035470000072
通过测试矩阵可知故障线路与健全线路之间的相关系数标量为-1，健全线路之间的相关系数标量为1，测试矩阵C第1行第1列c11为1，其余为-1，而测试矩阵C中非第1行第1列的元素为1，满足上述理论分析。现利用汉明距离公式计算测试矩阵与各样本矩阵的汉明距离，可得出各线路的汉明距离分别为0、16、16、16、16，因此可知线路1的汉明距离为0，其余线路的汉明距离为16，此时可设定判据值为6.5，可判定出线路1为故障线路。
另外，为证明本发明的适用程度，本实施例模拟不同种类的单向接地故障进行分析，故障条件及各线路对应的汉明距离如表1所示。
由表1的结果可知，在发生单相接地故障时，故障线路的的汉明距离为0，健全线路的汉明距离为16，而当母线发生故障时各线路汉明距离均为10，因此可知故障线路的汉明距离均不大于设定判据值，健全线路的汉明距离均远大于设定判据值，很大程度上将会消除了某些异常突变点的影响，也极大地拉大了故障保护判据边界，非常适用于结构较复杂的谐振接地系统故障选线。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
表1不同故障条件下的判别结果
Figure BDA0002817035470000081

Claims (10)

1.基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.提取谐振接地系统变电站母线处的零序电压U0；
S2.当步骤S1中母线处的零序电压U0低于系统额定电压Um的0.15倍时提取所述谐振接地系统中各线路原始零序电流；
S3.基于信号特征提取工具小波包分析法，从设定时段内的原始零序电流提取出各线路特征频带电流信号；
S4.基于步骤S3中各线路特征频带电流信号计算出所述谐振接地系统中各线路的特征频带电流信号相关系数矩阵；
S5.在步骤S4之后，通过数据变换计算得到各线路的测试矩阵；
S6.在步骤S5之后，通过汉明距离计算各线路测试矩阵与各样本矩阵之间的相似维度：若线路汉明距离dx不大于设定判据值dset，则判定所述线路上发生了单相接地故障，否则为健全线路；若所有线路均为健全线路，则判定为母线故障。
2.根据权利要求1所述的基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，其特征在于，步骤S3中，采用小波包分析法将原始零序电流进行n层分解，分解成2n个频带电流信号，然后通过能量最大原理从各频带电流信号中选取特征频带电流信号。
3.根据权利要求1所述的基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，其特征在于，步骤S4中，相关系数按以下公式计算：
Figure FDA0002817035460000011
式中，sxy为线路x的特征频带电流信号Ix与线路y的特征频带电流信号Iy之间的相关系数，N为采集电流信号点总数。
4.根据权利要求3所述的基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，其特征在于，步骤S4中，所述谐振接地系统包括l条线路，则相关系数矩阵s表示为：
Figure FDA0002817035460000021
式中，sxy为线路x的特征频带电流信号Ix与线路y的特征频带电流信号Iy之间的相关系数。
5.根据权利要求3所述的基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，其特征在于，步骤S4中，故障线路与健全线路之间的相关系数在-0.8至-1之间，则判断为近似于-1，健全线路之间的相关系数在0.8至1之间，则判断为近似于1。
6.根据权利要求5所述的基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，其特征在于，步骤S5中，对所述相关系数矩阵进行数据处理，将近似于-1的元素设置为-1，将近似于1的元素设置为1，得到测试矩阵C；所述测试矩阵C表示为：
Figure FDA0002817035460000022
Figure FDA0002817035460000023
式中，cxy为线路x与线路y征频带电流信号之间的相关系数数据处理值，表示相关系数标量值。
7.根据权利要求1至6任一项所述的基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，其特征在于，所述样本矩阵按以下方法进行推导：当线路x发生单相接地故障时测试矩阵C第x行第x列cxx为1，其余为-1，非第x行第x列的元素为1；则谐振接地系统l条线路分别发生单相接地故障时常态化所推导出对应的l个测试矩阵作为l个样本矩阵Y。
8.根据权利要求7所述的基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，其特征在于，当线路x发生单相接地故障时，测试矩阵Cx与样本矩阵Yx相同，而不同于其他线路的样本矩阵；测试矩阵C与线路x故障所对应的样本矩阵Yx之间的汉明距离即可称为线路x的汉明距离dx，表示为：
dx＝∑C⊕Yx。
9.根据权利要求8所述的基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，其特征在于，当谐振接地系统中线路x发生单相接地故障时线路x的汉明距离dx为0，其他线路的汉明距离为2l+2。
10.根据权利要求8所述的基于矩阵相似性的配电网谐振接地系统故障选线方法，其特征在于，当谐振接地系统中母线故障时，各线路之间的汉明距离为2l-2。
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