CN113219303B - 一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法，包括如下步骤：S1.调度主站向所有的变电站采集历史数据，并将该历史数据根据数据标识号分类成各变电站历史调度数据；S2.将所述各变电站历史调度数据中的无用数据剔除，并填补空缺数据，得到处理后的历史调度数据；S3.利用空间亚线性算法，对所述处理后的历史调度数据进行单相接地故障片段筛选，得到故障片段；S4.对所述故障片段进行标签标记，并生成样本集。本发明可从海量发电站历史调度数据中，提取故障片段，最终获取结构化的有标签样本集，实现流程化、高效率地获取单相接地故障数据。

Description

一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法。

背景技术

在我国，66kV及以下的中低压配电网广泛采用小电流接地方式。而单相接地故障在中低压配电网中广泛存在。由于小电流发生单相接地故障时故障特征不明显，故障选线一直以来都是未能很好解决的难题。

目前主要的故障选线理论根据是否利用故障电气量可以大致分为2类：第一类包括零序电压电流工频分量法、小波法、高次谐波法等；第二类包括信号注入法及其衍生方法等。目前，以上所提及的方法均由于选线判据单一、抗干扰能力差等缺陷，而难以考虑复杂的故障情况，技术已经达到了瓶颈，精度难以令人满意。

因此，已有部分选线方法采用特征提取能力更强的数据驱动模型，结合大数据进行故障选线。中国专利“一种小电流接地系统单相接地故障选线方法”(公开号CN109581137)提出了使用深度信念网络进行故障选线，提高了选线算法的实用性和准确性。

基于数据驱动模型的故障选线方法比传统故障选线方法特征提取能力更强，分类精度高，且无需对目标系统进行建模，具有极大的有效性和便利性。但是，数据驱动方法需要获得海量的故障样本，样本的获取与标签标记的人工成本极大，这不利于数据驱动方法的广泛使用。

此外，由于配网绝大多数时间处于正常运行状态，故障发生概率极低。少量故障数据混在海量的历史数据中时，仅有少量的时间存在故障数据。目前尚无针对小电流接地系统单相接地故障数据的流程化、自动化数据提取方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述问题，提供一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法，可从海量发电站历史调度数据中，提取故障片段，最终获取结构化的有标签样本集，实现流程化、高效率地获取单相接地故障数据。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法，包括如下步骤：

S1.调度主站向所有的变电站采集历史数据，并将该历史数据根据数据标识号分类成各变电站历史调度数据；

S2.将所述各变电站历史调度数据中的无用数据剔除，并填补空缺数据，得到处理后的历史调度数据；

S3.利用空间亚线性算法，对所述处理后的历史调度数据进行单相接地故障片段筛选，得到故障片段；

S4.对所述故障片段进行标签标记，并生成样本集。

更进一步地，所述步骤S1中将该历史数据根据数据标识号分类成各变电站历史调度数据的方法具体如下：

设变电站n的数据标识号库为ID_n，ID_n＝[l₁ l₂ ... l_a]；a为变电站n所需传输的数据点的数量；l_b表示变电站n的数据点b的数据识别号，b＝1,2,…,a；

识别所述历史数据中的数据点i的数据标识号l_i，若l_i∈ID_n，则数据点i被分类为变电站n的历史调度数据。

更进一步地，所述步骤S2的方法具体如下：

S2.1剔除所述各变电站历史调度数据中的无用数据：

设无用数据的数据标识号库为PID_useless，PID_useless＝[u₁ u₂ … u_c]；c为无用数据的数据点的数量；u_d为无用数据的数据点d的数据识别号，d＝1,2,…,c；

识别所述各变电站历史调度数据中数据点x的数据标识号u_x，若

则存储数据点x；否则剔除该数据点；

S2.2填充所述各变电站历史调度数据中的空缺数据：

若t时刻存在空缺数据x_t，t-1时刻的调度数据为x_t-1，则有：

x_t＝x_t-1，并存储该空缺数据x_t的值。

更进一步地，所述无用数据为不包含单相接地故障信息的数据。

更进一步地，所述步骤S3的方法具体如下：

S3.1为数组[x’,y’]申请一个固定大小的内存，用于存储故障片段，其中x’为数组行的维数，表示电气特征量轴的维数；y’为数组列的维数，表示时间轴的维数；

S3.2从所述处理后的历史调度数据中沿着时间轴读取一个新的时间断面数据进入数组[x’,y’]；当读取的时间断面个数大于数组容量y’时，由新读取的数据依次覆盖之前存入内存的数据；

计算第n’个时间断面的数据在数组[x’,y’]中的索引INDEX1：

INDEX1＝n’mod y’；

式中，n’为已处理的时间断面数；此时数组[x’,y’]中存储的数据并不完全按时序排列；

S3.3判断沿时间轴排序后的数组中第p个时间断面的数据是否为单相接地故障，若是，则执行步骤S3.4；若否，则执行步骤s3.5，p为数组中故障判定点前包含的时间断面个数；

则计算故障判定点在数组[x’,y’]中的索引INDEX2：

INDEX2＝(n’+p)mod y’；

S3.4将数组[x’,y’]沿着时间轴排列后，写入故障记录文件中，按照步骤S3.2连续读取y’-p个时间断面的数据进入数组[x’,y’]；

S3.5判断所述处理后的历史调度数据中是否还有尚未处理的数据，若是，则执行步骤S3.3；若否，则结束计算，每个故障记录文件记录着一个完整的故障片段。

更进一步地，所述步骤S4的方法具体如下：

S4.1输入一个新的故障片段，为该故障片段生产一个标签；

S4.2从故障发生时刻开始，沿着时间轴每f个时间断面作为一个故障信息段；S4.3将f个时间断面与故障片段的标签组合，生成一个带标签的样本；

S4.4判断所述故障片段是否处理完成，若是，则执行步骤S4.5；若否，则执行步骤S4.2；

S4.5判断所有的故障片段是否都处理完成，若是，则生成样本集，结束计算；若否，则执行步骤S4.1。

更进一步地，所述步骤S4.3中生成一个带标签的样本的方法具体如下：

生成样本的关键点的实用判据包括：

(1)故障存在实用判据

若在连续3个时刻：t-1时刻、t时刻、t+1时刻，母线三相电压值V均满足小电流接地系统故障判定条件要求，则判定故障存在，生成一个带故障存在标签的样本；

(2)故障结束实用判据

若有连续2个时刻：t-1时刻、t时刻，在t-1时刻，母线三相电压值V满足小电流接地系统故障判定条件要求；且在t-1时刻，母线三相电压值V与额定电压值V_n的偏差e满足：

式中，V分别取母线的三相电压值；

则判定故障结束，生成一个带故障结束标签的样本；

(3)故障所在线路实用判据

若有连续2个时刻：t时刻、t+1时刻，在t时刻，母线三相电压值V满足小电流接地系统故障判定条件要求；在t+1时刻，线路m电流|I|≤0.5A，同时V与额定电压值V_n的偏差e满足：

式中，V分别取母线的三相电压值；

则判定故障发生在线路m上，生成一个带故障发生在线路m标签的样本。

相比于现有技术，本发明的优势在于：

本发明所提供的一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法，该算法在数据提取过程中使用了空间亚线性数据提取算法，在保证数据处理速度要求的前提下，减少了对计算机内存的占用，具有良好的实践应用效果，解决了故障数据提取困难、人工标记标签成本极大等问题。

相比于以往人工处理方法而言，本发明的数据提取方法计算速度更快、获取的样本质量更高，对大规模数据进行处理时，还可进行分布式处理，大大提高样本获取效率；此外，本方法不仅可用于处理海量的历史数据，同样可用于处理实施到来的数据流。

附图说明

图1是本发明一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法流程图。

图2是本发明中小电流接地系统电路图。

图3是本发明中各发电站调度数据分类示意图。

图4变电站n的历史调度数据。

图5剔除变电站n的历史调度数据中的无用数据之后的调度数据。

图6填充空缺数据后的调度数据。

图7是本发明中新读取的数据依次覆盖之前存入内存的数据示意图。

图8是本发明中样本生成方法和标签标记方法流程图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。

本发明一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法，用于对大量历史数据进行处理并生成故障样本的数据处理。数据处理算法的原始数据为调度系统主站获取的历史调度数据，调度系统的主站和子站之间的通讯协议采用IEC60870-5-104规约，以下简称104规约。经104规约传输的有效值调度数据并非实时上传，只有当数据变动量超过阈值后，数据才会从子站传输到主站。

历史数据并非可以直接用于神经网络模型的训练，它仍包含许多对故障选线来说无用的数据，又由于其数据量巨大，根据传统程序设计方法编写数据处理程序会产生令人难以接受的时间、空间开销。本发明将利用大数据算法对调度系统的原始数据进行逐步处理，获取单相接地故障的故障片段图像进行分析，最终生成可供数据驱动模型训练的有标签样本集。

图2为小电流接地系统电路图，该系统的母线装设有三相对地电压测量设备，各条馈线上装设有三相电流、有功、无功与功率因数测量设备。以上涉及的数据通过104规约传输到调度主站，被存储作为历史数据。

如图1所示，一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法，包括如下步骤：

1.一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.调度主站向所有的变电站采集历史数据，并将该历史数据根据数据标识号分类成各变电站历史调度数据；

S2.将所述各变电站历史调度数据中的无用数据剔除，并填补空缺数据，得到处理后的历史调度数据；

S3.利用空间亚线性算法，对所述处理后的历史调度数据进行单相接地故障片段筛选，得到故障片段；

S4.对所述故障片段进行标签标记，并生成样本集。

其中：

如图3所示，步骤S1中将该历史数据根据数据标识号分类成各变电站历史调度数据的方法具体如下：

设变电站n的数据标识号库为ID_n，ID_n＝[l₁ l₂ ... l_a]；a为变电站n所需传输的数据点的数量；l_b表示变电站n的数据点b的数据识别号，b＝1,2,…,a；

识别所述历史数据中的数据点i的数据标识号l_i，若l_i∈ID_n，则数据点i被分类为变电站n的历史调度数据。

历史数据中存在许多与故障选线无关的遥测值，这些信息不包含单相接地故障信息，需要予以剔除。此外，根据104规约的传输规律可知，数据并非实时上传，而是其变化量过阈值后才上传，因此历史数据中存在许多数据空缺，需进行填补。未经处理的变电站n的历史调度数据如图4所示，无用数据指的是不包含单相接地故障信息的数据，即右虚框内的数据，左虚框中的数据为包含单相接地故障信息的数据。

步骤S2的方法具体如下：

S2.1剔除各变电站历史调度数据中的无用数据：

设无用数据的数据标识号库为PID_useless，PID_useless＝[u₁ u₂ … u_c]；c为无用数据的数据点的数量；u_d为无用数据的数据点d的数据识别号，d＝1,2,…,c；

识别所述各变电站历史调度数据中数据点x的数据标识号u_x，若

则存储数据点x；否则剔除该数据点；

剔除变电站n的历史调度数据中的无用数据之后的调度数据如图5所示，图中的空格为空缺数据；

S2.2填充各变电站历史调度数据中的空缺数据：

若t时刻存在空缺数据x_t，t-1时刻的调度数据为x_t-1，则有：

x_t＝x_t-1，并存储该空缺数据x_t的值；

填充空缺数据后的调度数据如图6所示。

根据电路理论基础可知，小电流接地系统发生单相接地故障时，故障相电压下降为0，非故障相电压上升为原来的

倍。根据这样的故障特征，可以设定故障的判定条件。如表1所示为小电流接地系统故障判定条件。由于电网运行时遭遇的故障状况往往十分复杂，大概率存在过渡电阻。这样的设置是为了尽可能多地将提取到故障数据。母线三相电压值分别为V_a、V_b、V_c。

表1小电流接地系统故障判定条件

一般而言，小电流接地系统原始调度数据时间跨度长，数据总量大。可以预见的是，在处理更大规模系统、更长时间跨度的历史数据时，计算和存储压力会急剧上升。此时利用传统程序设计方法将所有数据读取到内存中再进行处理是不现实的。因此必须考虑空间亚线性的大数据算法，算法需满足以下3个特征：

1)每个数据仅读取1次，使I/O操作的开销最小化；

2)算法所需内存不应随原始数据量的增加而线性增加，满足时间亚线性特征，甚至仅需要固定内存；

3)能够精确地筛选出所有故障片段，且片段包含该故障从产生到结束期间的完整数据信息。

步骤S3的方法具体如下：

S3.1为数组[x’,y’]申请一个固定大小的内存(即图7中标号2)，用于存储故障片段，其中x’为数组行的维数，表示电气特征量轴的维数；y’为数组列的维数，表示时间轴的维数；图7中水平箭头为时间轴，竖直箭头为电气特征量轴；

S3.2从所述处理后的历史调度数据中沿着时间轴读取一个新的时间断面数据进入数组[x’,y’]；当读取的时间断面个数大于数组容量y’时，由新读取的数据(即图7中标号1)依次覆盖之前存入内存的数据；

计算第n’个时间断面的数据在数组[x’,y’]中的索引INDEX1：

INDEX1＝n’mod y’；

式中，n’为已处理的时间断面数；此时数组[x’,y’]中存储的数据并不完全按时序排列；

S3.3判断沿时间轴排序后的数组中第p个时间断面的数据是否为单相接地故障，若是，则执行步骤S3.4；若否，则执行步骤s3.5，p为数组中故障判定点前包含的时间断面个数；

则计算故障判定点在数组[x’,y’]中的索引INDEX2：

INDEX2＝(n’+p)mod y’；

S3.4将数组[x’,y’]沿着时间轴排列后，写入故障记录文件中，按照步骤S3.2连续读取y’-p个时间断面的数据进入数组[x’,y’]；

S3.5判断所述处理后的历史调度数据中是否还有尚未处理的数据，若是，则执行步骤S3.3；若否，则结束计算，每个故障记录文件记录着一个完整的故障片段。

如图8所示，步骤S4的方法具体如下：

S4.1输入一个新的故障片段，为该故障片段生产一个标签；

S4.2从故障发生时刻开始，沿着时间轴每f个时间断面作为一个故障信息段，一般而言，10≦f≦100，例如取f＝15；

S4.3将15个时间断面与故障片段的标签组合，生成一个带标签的样本；

S4.4判断所述故障片段是否处理完成，若是，则执行步骤S4.5；若否，则执行步骤S4.2；

S4.5判断所有的故障片段是否都处理完成，若是，则生成样本集，结束计算；若否，则执行步骤S4.1。

当单相接地故障发生时，电流与电压的突变、各电气量之间的比例改变等更是十分重要的故障选线信息。为了完整地利用以上信息，基于全时段故障信息的样本生成方法可将完整的故障片段用于样本的生成，可帮助模型更好地提取故障的深度信息，用于故障选线。

经过处理所获得的每个样本均是一个二维数组，分别为电气特征量轴和时间轴，并且均包含15个连续的时间断面内母线三相电压、各线路的三相电流，以及各路线的功率和功率因数的数据。

S4.3中生成一个带标签的样本的方法具体如下：

生成样本的关键点的实用判据包括：

(1)故障存在实用判据

若在连续3个时刻：t-1时刻、t时刻、t+1时刻，母线三相电压值V均满足小电流接地系统故障判定条件要求，则判定故障存在，生成一个带故障存在标签的样本；

(2)故障结束实用判据

若有连续2个时刻：t-1时刻、t时刻，在t-1时刻，母线三相电压值V满足小电流接地系统故障判定条件要求；且在t-1时刻，母线三相电压值V与额定电压值V_n的偏差e满足：

式中，V分别取母线的三相电压值(即V_a、V_b、V_c的电压值)；

则判定故障结束，生成一个带故障结束标签的样本；

(3)故障所在线路实用判据

若有连续2个时刻：t时刻、t+1时刻，在t时刻，母线三相电压值V均满足小电流接地系统故障判定条件要求；在t+1时刻时，线路m电流|I|≤0.5A(线路m切断)，同时V与额定电压值V_n的偏差e满足：

式中，V分别取母线的三相电压值；

则判定故障发生在线路m上，生成一个带故障发生在线路m标签的样本。以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.调度主站向所有的变电站采集历史数据，并将该历史数据根据数据标识号分类成各变电站历史调度数据；

S2.将所述各变电站历史调度数据中的无用数据剔除，并填补空缺数据，得到处理后的历史调度数据；

S3.利用空间亚线性算法，对所述处理后的历史调度数据进行单相接地故障片段筛选，得到故障片段；

S4.对所述故障片段进行标签标记，并生成样本集；所述步骤S4的方法具体如下：

S4.1输入一个新的故障片段，为该故障片段生产一个标签；

S4.2从故障发生时刻开始，沿着时间轴每f个时间断面作为一个故障信息段；

S4.3将f个时间断面与故障片段的标签组合，生成一个带标签的样本，生成样本的关键点的实用判据包括：

(1)故障存在实用判据

若在连续3个时刻：t-1时刻、t时刻、t+1时刻，母线三相电压值V均满足小电流接地系统故障判定条件要求，则判定故障存在，生成一个带故障存在标签的样本；

(2)故障结束实用判据

若有连续2个时刻：t-1时刻、t时刻，在t-1时刻，母线三相电压值V满足小电流接地系统故障判定条件要求；且在t-1时刻，母线三相电压值V与额定电压值V_n的偏差e满足：

式中，V分别取母线的三相电压值；

则判定故障结束，生成一个带故障结束标签的样本；

(3)故障所在线路实用判据

若有连续2个时刻：t时刻、t+1时刻，在t时刻，母线三相电压值V满足小电流接地系统故障判定条件要求；在t+1时刻，线路m电流I|≤0.5A，同时V与额定电压值V_n的偏差e满足：

式中，V分别取母线的三相电压值；

则判定故障发生在线路m上，生成一个带故障发生在线路m标签的样本；

S4.4判断所述故障片段是否处理完成，若是，则执行步骤S4.5；若否，则执行步骤S4.2；

S4.5判断所有的故障片段是否都处理完成，若是，则生成样本集，结束计算；

若否，则执行步骤S4.1。

2.根据权利要求1所述的一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法，其特征在于，所述步骤S1中将该历史数据根据数据标识号分类成各变电站历史调度数据的方法具体如下：

设变电站n的数据标识号库为ID_n，ID_n＝[l₁ l₂...l_a]；a为变电站n所需传输的数据点的数量；l_b表示变电站n的数据点b的数据识别号，b＝1,2,…,a；

识别所述历史数据中的数据点i的数据标识号l_i，若l_i∈ID_n，则数据点i被分类为变电站n的历史调度数据。

3.根据权利要求1所述的一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法，其特征在于，所述步骤S2的方法具体如下：

S2.1剔除所述各变电站历史调度数据中的无用数据：

设无用数据的数据标识号库为PID_useless，PID_useless＝[u₁ u₂…u_c]；c为无用数据的数据点的数量；u_d为无用数据的数据点d的数据识别号，d＝1,2,…,c；

识别所述各变电站历史调度数据中数据点x的数据标识号u_x，若

则存储数据点x；否则剔除该数据点；

S2.2填充所述各变电站历史调度数据中的空缺数据：

若t时刻存在空缺数据x_t，t-1时刻的调度数据为x_t-1，则有：

x_t＝x_t-1，并存储该空缺数据x_t的值。

4.根据权利要求3所述的一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法，其特征在于：所述无用数据为不包含单相接地故障信息的数据。

5.根据权利要求1所述的一种小电流接地系统单相接地故障数据的提取方法，其特征在于：所述步骤S3的方法具体如下：

S3.1为数组[x’,y’]申请一个固定大小的内存，用于存储故障片段，其中x’为数组行的维数，表示电气特征量轴的维数；y’为数组列的维数，表示时间轴的维数；

S3.2从所述处理后的历史调度数据中沿着时间轴读取一个新的时间断面数据进入数组[x’,y’]；当读取的时间断面个数大于数组容量y’时，由新读取的数据依次覆盖之前存入内存的数据；

计算第n’个时间断面的数据在数组[x’,y’]中的索引INDEX1：

INDEX1＝n’mod y’；

式中，n’为已处理的时间断面数；此时数组[x’,y’]中存储的数据并不完全按时序排列；

S3.3判断沿时间轴排序后的数组中第p个时间断面的数据是否为单相接地故障，若是，则执行步骤S3.4；若否，则执行步骤s3.5，p为数组中故障判定点前包含的时间断面个数；

则计算故障判定点在数组[x’,y’]中的索引INDEX 2：

INDEX 2＝(n’+p)mod y’；

S3.4将数组[x’,y’]沿着时间轴排列后，写入故障记录文件中，按照步骤S3.2连续读取y’-p个时间断面的数据进入数组[x’,y’]；

S3.5判断所述处理后的历史调度数据中是否还有尚未处理的数据，若是，则执行步骤S3.3；若否，则结束计算，每个故障记录文件记录着一个完整的故障片段。

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