CN113156331A - 一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法，包括：采集故障信息，根据故障信息判断故障原因；若故障为单相接地故障，对各条馈线故障时间前后的零序电流信号进行提取，建立零序电流与时间的变化曲线；基于离散FréchetDistance算法，比较各条馈线在同一时间段的电流值，在同一时刻与其它馈线电流值差距最大的馈线既为故障线。本发明相对于现有技术，选线方法可有效解决高阻接地情况下选线率低的问题，满足对于准确性的要求；可以同时应用在电缆线路和架空线路，具有广泛的应用性。

Description

一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法

技术领域

本发明涉及一种接地故障选线方法，特别是涉及一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法。

背景技术

传统的接地系统分为小电流接地系统和大电流接地系统，而小电流接地系统又分为中性点不接地系统、中性点经消弧线圈系统和高阻抗接地系统，大电流接地系统分为中性点直接接地系统或者经小阻抗接地系统。在10-66kV的电力系统中，主要采用的是小电流接地系统。对于电力系统来说，在所有的故障中，发生单相接地故障的概率大约为百分之七十，因此如何识别单相接地故障成为目前故障识别的主流。对于大电流接地系统来说，由于发生单相故障时，电流较大，零序保护能够直接动作切断线路，因此该系统较为安全。对于小电流接地系统而言，由于接地电流较小，故障线路不易识别。如果再发生高阻接地故障，电流会更小，更加不易选择。如果故障不及时进行切除，会危及系统的运行。

目前选线方法主要分为三种：基于稳态量选线方法、基于暂态量选线方法和注入信号法。基于稳态量选线方法主要有零序电流幅值法、零序电流比相法和零序有功功率法等；基于暂态量选线方法主要有小波分析法和小波包变换。零序电流幅值法，通过比较各零序电流值，零序电流幅值最大的为故障线路。零序电流比相法，利用非故障线路零序电流流向与故障线路流向相反来选出故障线路。有功功率法，利用故障线路的零序有功功率最大这一特征来选取故障线路。小波分析法，利用小波分析提取暂态特征中的故障特征量，利用分解后的小波系数的大小和极性来判断故障线路。上述基于稳态量和暂态量的选线方法都存在着共同的缺点，面对高阻接地故障时，由于零序电流较小并且变化幅度不明显，容易导致误选。“S”信号注入法，当发生接地故障时，从二次侧注入高频信号，当发生接地故障时，该信号会通过接地点产生回路，通过追踪该高频信号的轨迹来判断故障线路。信号注入法方法效果较好，但是原理和实现较为复杂，需要注入新的信号，对系统会产生一定的扰动性。

发明内容

本发明提供了一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法，以至少解决现有选线方法应用于柔性系统存在的不足之处。

本发明提供了一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法，包括：

采集故障信息，根据故障信息判断故障原因；

若故障为单相接地故障，对各条馈线故障时间前后的零序电流信号进行提取，建立零序电流与时间的变化曲线；

基于FréchetDistance，比较各条馈线在同一时间段的电流值，在同一时刻与其它馈线电流值差距最大的馈线既为故障线。

进一步地，所述采集故障信息，根据故障信息判断故障原因包括：

采集用电系统的零序电压和零序电流；

比较零序电压和零序电压的设定阈值，若零序电压的瞬时电压超过设定阈值，则确定用电系统发生单相接地故障。

进一步地，所述若故障为单相接地故障，对各条馈线故障时间前后的电流信号进行提取，建立电流与时间的变化曲线包括：

对电流信号进行小波包分解；

以模极大值点对应的时间点设为实际故障时间，并提取实际故障时间前后周期的暂态电流信号。

更进一步地，所述对电流信号进行小波包分解具体为，选用db4小波，对电流信号进行小波包变换，并确定模极大值点。

更进一步地，所述电流信号为零序电流，所述提取实际故障时间前后周期的暂态电流信号具体为：提取实际故障时间前1/4和后3/4个周期的暂态电流信号。

更进一步地，所述提取实际故障时间前后周期的暂态电流信号还包括：

对故障时刻前后各1/4和3/4个周期的馈线零序电流信号进行≧4层的小波包分解。

更进一步地，所述以模极大值点对应的时间点设为实际故障时间，并提取实际故障时间前后周期的暂态电流信号，建立电流与时间的变化曲线还包括：

对提取的暂态电流信号进行波形重构，完成暂态特征量的提取。

进一步地，所述基于FréchetDistance，比较各条馈线在同一时间段的电流值，在同一时刻与其它馈线电流值差距最大的馈线既为故障线包括：

利用Fréchet Distance对提取出来各条馈线的电流信号进行波形相似度计算，获取同一时刻与其它馈线电流值差距最大的馈线，此馈线既为故障线。

更进一步地，所述利用Fréchet Distance对提取出来各条馈线的电流信号进行波形相似度计算包括：

S11建立曲线P＝{u₁,u₂,...,u_n}，Q＝{v₁,v₂,...,v_n}，设定所述P和Q之间存在配对L＝{(u_a1,v_b1),(u_a2,v_b2),...,(u_am,v_bm)}，其中a₁＝1.b₁＝1,a_m＝p,b_m＝q，设定i可选为1,2,...,m，建立公式如下：

确保i至少满足其中一个公式；

S12设定两个曲线欧式距离为dist(u_ai,v_bi)，获得曲线P、Q之间的离散FréchetDistance为

S13设定k条馈线的电流信号分别定义为P₁,P₂,…,P_k，根据离散FréchetDistance确定 P₁,P₂,…,P_k两两之间的距离为：

S14将提取出的k条曲线输入到

中，计算出各条波形之间的距离，根据i＝j时，两条相同的曲线之间距离为0，设定d_F(P_i,P_j)＝d_F(P_j,P_i)，建立矩阵T如下：

S15获得第i条馈线与其他k-1条馈线之间的相对平均距离为：

比较k条馈线之间的平均距离，平均距离最大的馈线即为故障线路。

更进一步地，所述S15还包括：设定阈值λ_set，若λ_k<λ_set，则为母线发生故障；若λ_k>λ_set，则第k条馈线发生单相接地故障。

本发明相对于现有技术，具有如下优点：

(1)本发明的选线方法可有效解决高阻接地情况下选线率低的问题，满足对于准确性的要求；

(2)本发明的选线方法可以同时应用在电缆线路和架空线路，具有广泛的应用性；

(3)本发明的选线方法将小波包变换和离散Fréchet Distance有机结合起来，利用小波包变换能够快速提取暂态分量，离散Fréchet Distance可以准确选出故障馈线，能够同时满足快速性和准确性的要求。

附图说明

图1为本发明实施例选线方法示意图；

图2为本发明实施例基于离散Fréchet Distance算法的选线流程示意图；

图3为本发明实施例仿真模型图；

图4为本发明实施例馈线和母线发生单相接地故障时的零序电流波形图；

图5为本发明实施例某馈线发生单相接地故障条件下，经小波包处理后的馈线零序电流暂态信号。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。

本发明实施例提供了一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法，如图1所示，通过采集故障时的零序电压和零序电流，根据零序电压判别系统是否单相接地故障。利用小波包变换提取单相接地故障时的零序电流的特征量，再利用FréchetDistance对提取出来的特征量曲线进行波形相似度的计算；最后根据各条曲线的相似度进行比较，选出故障线路。

其中，图2为本发明基于离散Fréchet Distance算法的选线流程示意图，按照如下步骤进行：

步骤一：故障信息采集：当系统发生单相接地故障时，采集系统的零序电压和零序电流。当零序电压瞬时值超过阈值时，则该系统发生了单相接地故障；

步骤二：暂态特征量提取：选用db4小波，对零序电流进行小波包变换，利用模极大值原理，判断故障发生时间。选定采样频率为6400Hz，提取故障前1/4周期和3/4个周期的零序电流信号进行≧4层的小波包分解，并在对提取的暂态电流波形进行重构，完成暂态特征量的提取；

步骤三：故障选线：将提取出的k条曲线输入到离散FréchetDistance算法中计算出各条波形之间的距离；

其中，故障选线具体运行过程如下：

S1建立FréchetDistance运行模块，包括过程如下：

S11离散Fréchet Distance是一种描述曲线之间相似程度的一种算法，通过计算两条曲线之间的距离来衡量两条曲线之间的相似程度，设曲线P＝{u₁,u₂,...,u_n}，Q＝{v₁,v₂,...,v_n}，P和Q 之间存在一种配对L＝{(u_a1,v_b1),(u_a2,v_b2),...,(u_am,v_bm)}，其中a₁＝1.b₁＝1,a_m＝p,b_m＝q，对所有的i ＝1,2,...,m，且确保i的选值至少满足下面3个公式中的1个成立：

S12设定dist(u_ai,v_bi)为两点间欧式距离，则曲线P、Q之间的离散FréchetDistance为：

该距离值越大，曲线P和Q就越不相似；

S13将k条线路的零序电流利用db4小波包分解重构提取出的k条馈线零序电流特征信号分别定义为P₁,P₂,…,P_k，利用离散Fréchet距离分别计算出P₁,P₂,…,P_k两两之间的距离为：

S14设定当i＝j时，两条相同的曲线之间距离为0；d_F(P_i,P_j)与d_F(P_i,P_j)表示两条曲线之间的距离一样，既d_F(P_i,P_j)＝d_F(P_j,P_i)；将上述距离用矩阵T表示：

定义第i条馈线与其他k-1条馈线之间的相对平均距离为：

根据

建立FréchetDistance运行模块；

S2所述FréchetDistance运行模块采集各个馈线的暂态电流波形，并进行计算，给定λ_set阈值，当λ_k<λ_set时，认为母线发生故障；当λ_k>λ_set,认为第k条馈线发生单相接地故障。

图3为本发明的仿真模型示意图，系统电源电压等级为110kV，变压器为Y/D11联结，变比为110/10。L1-L4为线路，其中L1设置为架空线路，长度为20km；L2为电缆线，长度为15km；L3位架空线路和电缆线路的混联，其中架空线路长度为10km，电缆线路为10km； L4为电缆线，长度为20km。L5位架空线和电缆线路的混联，其中电缆线和架空线路长度都为15km。架空线路和电缆线路的参数如图表1所示。

表1：架空线路和电缆线路参数

图4为馈线和母线发生单相接地故障时的零序电流波形图；从图中可以看出，当馈线发生故障时，故障线路和非故障线路幅值差异明显；当母线发生故障时，相当于每条馈线都发生了单相接地故障，各条线路波形相似，但是幅值较小。

图5为某馈线发生单相接地故障条件下，经小波包分解并重构后的馈线零序电流暂态信号。用db4小波包变换提取的暂态电流特征量的曲线更加平滑，特征更加显著，可以初步判断出故障线路。与离散FréchetDistance算法结合，可以准确地选出故障线路。此外，不管是架空线路还是电缆线路，甚至是二者的混联，该算法都适用于上述线路，说明了该算法适用的普遍性。从表格2可以得出，该算法在高阻接地时仍然能够正确选出线路。

表格2：R_d＝1000Ω时的选线结果

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法，其特征在于，所述接地故障选线方法包括：

采集故障信息，根据故障信息判断故障原因；

若故障为单相接地故障，对各条馈线故障时间前后的零序电流信号进行提取，建立零序电流与时间的变化曲线；

基于离散FréchetDistance算法，比较各条馈线在同一时间段的电流值，在同一时刻与其它馈线电流值差距最大的馈线既为故障线。

2.根据权利要求1所述一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法，其特征在于，所述采集故障信息，根据故障信息判断故障原因包括：

采集用电系统的零序电压和零序电流；

比较零序电压和零序电压的设定阈值，若零序电压的瞬时电压超过设定阈值，则确定用电系统发生单相接地故障。

3.根据权利要求1所述一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法，其特征在于，所述若故障为单相接地故障，对各条馈线故障时间前后的零序电流信号进行提取，建立零序电流与时间的变化曲线包括：

对电流信号进行小波包分解；

以模极大值点对应的时间点设为实际故障时间，并提取实际故障时间前后周期的暂态电流信号。

4.根据权利要求3所述一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法，其特征在于，所述对零序电流信号进行小波包分解具体为，选用db4小波，对零序电流信号进行小波包变换，并确定模极大值点。

5.根据权利要求3所述一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法，其特征在于，所述电流信号为零序电流，所述提取实际故障时间前后周期的暂态电流信号具体为：提取实际故障时间前1/4和后3/4个周期的暂态电流信号。

6.根据权利要求5所述一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法，其特征在于，所述提取实际故障时间前后周期的暂态电流信号还包括：

对故障时刻前后各1/4和3/4个周期的馈线零序电流信号进行≧4层的小波包分解。

7.根据权利要求3所述一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法，其特征在于，所述以模极大值点对应的时间点设为实际故障时间，并提取实际故障时间前后周期的暂态电流信号，建立电流与时间的变化曲线还包括：

对提取的暂态电流信号进行波形重构，完成暂态特征量的提取。

8.根据权利要求1所述一种基于离散FréchetDistance的接地故障选线方法，其特征在于，所述基于FréchetDistance，比较各条馈线在同一时间段的电流值，在同一时刻与其它馈线电流值差距最大的馈线既为故障线包括：

利用Fréchet Distance对提取出来各条馈线的电流信号进行波形相似度计算，获取同一时刻与其它馈线电流值差距最大的馈线，此馈线既为故障线。

9.根据权利要求8所述一种基于离散Fréchet Distance的接地故障选线方法，其特征在于，所述利用Fréchet Distance对提取出来各条馈线的电流信号进行波形相似度计算包括：

S11建立曲线P＝{u₁,u₂,...,u_n}，Q＝{v₁,v₂,...,v_n}，设定所述P和Q之间存在配对L＝{(u_a1,v_b1),(u_a2,v_b2),...,(u_am,v_bm)}，其中a₁＝1.b₁＝1,a_m＝p,b_m＝q，设定i可选为1,2,...,m，建立公式如下：

确保i至少满足其中一个公式；

S12设定两个曲线欧式距离为dist(u_ai,v_bi)，获得曲线P、Q之间的离散FréchetDistance为

S13设定k条馈线的电流信号分别定义为P₁,P₂,…,P_k，根据离散FréchetDistance确定P₁,P₂,…,P_k两两之间的距离为：

S14将提取出的k条曲线输入到

中，计算出各条波形之间的距离，根据i＝j时，两条相同的曲线之间距离为0，设定d_F(P_i,P_j)＝d_F(P_j,P_i)，建立矩阵T如下：

S15获得第i条馈线与其他k-1条馈线之间的相对平均距离为：

比较k条馈线之间的平均距离，平均距离最大的馈线即为故障线路。

10.根据权利要求9所述一种基于离散Fréchet Distance的接地故障选线方法，其特征在于，所述S15还包括：设定阈值λ_set，若λ_k<λ_set，则为母线发生故障；若λ_k>λ_set，则第k条馈线发生单相接地故障。

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