CN113325271A - 基于小波奇异性检测理论的含iidg配电网故障检测方法 - Google Patents

基于小波奇异性检测理论的含iidg配电网故障检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于小波奇异性检测理论的含IIDG配电网故障检测方法，其步骤主要为：利用PSCAD建立搭建含IIDG的配电网的模型，采集各相故障电流信号至Matlab中；选择母小波db5，确定分解、重构层数；基于db5小波，将故障电流信号分解到不同尺度下，获得各层小波系数：W1f(k)、W2f(k)、…、Wjf(k)；分析[Wjf(k)]，j＝1，2，…，J模极大值情况，判断有无故障出现；提取故障开始与结束时刻附近采样点db5小波分解细节系数，通过对其故障相和非故障相电流经过小波分解后的高频信号的奇异性分析判别故障的类型，从采样总点数和仿真时间可以得到仿真故障开始与结束时间，计算与模拟故障点的误差。

Description

基于小波奇异性检测理论的含IIDG配电网故障检测方法
技术领域
本发明属于电力系统领域，涉及一种基于小波奇异性检测理论的含IIDG配电网故障检测方法。
背景技术
随着全球环境问题的加重，传统能源已经不足以满足用户的需求，而分布式电源(Distributed Generation，DG)由于其环保、清洁、经济的特点，受到了推广。随着越来越多的分布式电源接入配电网中，传统配电网单一电源供电的拓扑结构就会发生改变，使得配电网故障检测与分类就变得更加困难，而现有的故障检测技术就有可能不再适用。因此，需要对含有分布式电源的配电网的故障检测技术进行深入研究，对其短路故障快速准确地检测，并划分其故障类型。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
随着越来越多的分布式电源接入配电网中，传统配电网单一电源供电的拓扑结构就会发生改变，使得配电网故障检测与分类就变得更加困难，而现有的故障检测技术就有可能不再适用
2、技术方案：
为了解决以上问题，本发明提供了一种基于小波奇异性检测理论的含IIDG配电网故障检测方法，包括以下步骤：步骤S01：利用PSCAD建立搭建含IIDG的配电网的模型，采集各相故障电流信号至Matlab中；步骤S02：选择母小波db5，确定分解、重构层数；步骤S03:基于db5小波，将故障电流信号分解到不同尺度下，获得各层小波系数：W1f(k)、W2f(k)、…、Wjf(k)；步骤S04：分析[Wjf(k)]，j＝1，2，…，J模极大值情况，判断有无故障出现；步骤S05：提取故障开始与结束时刻附近采样点db5小波分解细节系数，通过对其故障相和非故障相电流经过小波分解后的高频信号的奇异性分析判别故障的类型，从采样总点数和仿真时间得到仿真故障开始与结束时间，计算与模拟故障点的误差。
所述小波系统的大小由f(x)在x0的邻域内的特征和小波变换的分解层数所决定的，x0为小波变换中的奇异点。
运用小波变换进行局部奇异性检测的方法包括以下步骤：步骤一：设f(x)∈L2(R)；步骤二：如果f(x)对任意的x∈δx0，若小波
Figure BDA0003118819800000011
满足实数且连续可微的条件，同时具有n阶消失矩，n为正整数，那么|Wf(s,x)|≤Ksα，其中K为常数，α为x0处的奇异性指数，s为尺度；步骤三：若在区间(a，b)上函数有一个奇异点x0，f(x)在x0处Lip指数为α，0<α<1，Wf(s,t)→0的速度在x0点为sα，小于其他点趋于0的速度，在s趋于0时孤立奇异点在小波变换中取极大值。
对
Figure BDA0003118819800000021
如果|Wf(s,x)|≤|Wf(x,x0)|，那么，x0记为小波变换在尺度s下的局部极大值点。
所述奇异点位置的检测的方法为：首先对信号f(x)利用小波作离散小波变换，利用mallat算法求出{W(xj,s,ψ)|j＝1,2,…,N}，然后求出数据{W(xj,s,ψ)|j＝1,2,…,N}的模极大值{W2 jf(xj 0)}，并记录相应的极大值点，则极大值点就是所求的奇异信号的奇异点。
3、有益效果：
与现有技术相比，本发明可以实现：在发生各种不同短路故障时，故障相和非故障相电流经过小波分解后的高频信号的奇异性会呈现不同的规律，根据这点可以对含IIDG配电网故障类别进行划分。
附图说明
图1为含逆变型分布式电源的两馈线的配网图，馈线末端为负荷。
图2为PSCAD搭建的含逆变型分布式电源的配电网模型图。
图3为图2中f点发生单相短路接地故障时，并网点电压和额定电压波形。
图4为图2中f点发生单相短路接地故障时，a、b、c三相电压波形。
图5为图2中f点发生单相短路接地故障时，故障点处电压波形。
图6为图2中f点发生单相短路接地故障时，a、b、c三相电流波形。
图7为图2中f点发生单相短路接地故障时，IIDG等效为电流源电流波形。
图8为图2中a相电流小波变换波形图。
图9为图2中b相电流小波变换波形图。
图10为图2中c相电流小波变换波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明实施例提出了一种基于小波奇异性检测理论的含IIDG配电网故障检测方法，其步骤包括：
步骤S01：利用PSCAD建立搭建含IIDG的配电网的模型，采集各相故障电流信号至Matlab中；
步骤S02：选择母小波db5，确定分解、重构层数；
步骤S03：基于db5小波，将故障电流信号分解到不同尺度下，获得各层小波系数：W1f(k)、W2f(k)、…、Wjf(k)；
步骤S04：分析[Wjf(k)]，j＝1，2，…，J模极大值情况，判断有无故障出现；
步骤S05：提取故障开始与结束时刻附近采样点db5小波分解细节系数，通过对其故障相和非故障相电流经过小波分解后的高频信号的奇异性分析判别故障的类型，从采样总点数和仿真时间可以得到仿真故障开始与结束时间，计算与模拟故障点的误差。
本发明可以实现：
在发生各种不同短路故障时，故障相和非故障相电流经过小波分解后的高频信号的奇异性会呈现不同的规律，根据这点可以对含IIDG配电网故障类别进行划分。其变化规律具体分析如下：
(1)单相短路接地
发生单相短路接地时，故障相和非故障相小波奇异性的变化规律为：有一相的电流，即故障相电流经过小波分解后的高频信号在故障初始和结束时刻均表现出奇异性，而另外两相的电流，即非故障相电流经过小波分解后的高频信号在故障初始和结束时刻均基本不表现出奇异性。
(2)两相短路接地
发生两相短路接地时，有两相的电流，即故障相电流经过小波分解后的高频信号在故障初始和结束时刻均表现出奇异性，而另外一相的电流，即非故障相的电流经过小波分解后的高频信号在故障初始和结束时刻均基本不表现出奇异性。
(3)两相短路
发生两相短路时，有两相的电流，即故障相电流经过小波分解后的高频信号在故障初始和结束时刻均表现出奇异性，而另外一相的电流，即非故障相的电流经过小波分解后的高频信号在故障初始和结束时刻均基本不表现出奇异性。
(4)三相短路
故障相和非故障相小波奇异性的变化规律为：三相电流，即故障相电流经过小波分解后的高频信号在故障初始和结束时刻均表现出奇异性。
通过上述4种故障类型下故障相和非故障相电流经过小波分解后的高频信号的奇异性分析得出，故障相电流经过小波分解后的高频信号在故障初始和结束时刻均表现出奇异性，而非故障相的电流经过小波分解后的高频信号在故障初始和结束时刻均基本不表现出奇异性。
上述步骤中，采用小波变换理论来研究信号的局部奇异特性时，小波系数的大小是由f(x)在x0的邻域内的特征和小波变换的分解层数所决定的。在运用小波变换进行局部奇异性检测时，需进行以下定义:
设f(x)∈L2(R)，如果f(x)对任意的x∈δx0，若小波
Figure BDA0003118819800000041
满足实数且连续可微的条件，同时具有n阶消失矩(n为正整数)，那么：
|Wf(s,x)|≤Ksα(其中K为常数)
则称α为x0处的奇异性指数。
由上式可知，若在区间(a，b)上函数有一个孤立奇异点x0，f(x)在x0处Lip指数为α，0<α<1，s→0时小波变换Wf(s,t)→0的速度在x0点为sα，小于其他点趋于0的速度，可见在s很小时孤立奇异点在小波变换中取极大值，根据小波变换模极大值可找到信号奇异点。
对
Figure BDA0003118819800000042
如果|Wf(s,x)|≤|Wf(x,x0)|，那么，x0记为小波变换在尺度s下的局部极值点。
选择信号和噪声具有不同能量分布及能量变化趋势的几个连续尺度为特征尺度。由于在较大尺度上的小波变换模极大值点主要属于有效信号的奇异点，因此从所选取的最大尺度开始寻找奇异点。如果(J+1)尺度上的某一模极大值是由J尺度传来的(即满足两个连续二进制尺度上的模极大值位置接近，符号相同，幅值大小相差不多)。则这个可传播的模极大值点对应的最小尺度模极大值点即为相应奇异点的位置。
小波变换的模极大值能够刻划非稳定信号的奇异点和奇异性，而且可以由其小波变换的模极大值重构信号。对缓变奇异信号f(x)在尺度j和点{xj n}取得模极大值{W2 jf(xj 0)}。奇异点位置的检测算法的基本思想是：首先对信号f(x)利用小波作离散小波变换，利用mallat算法求出{W(xj,s,ψ)|j＝1,2,…,N}，然后求出数据{W(xj,s,ψ)|j＝1,2,…,N}的模极大值{W2 jf(xj 0)}，并记录相应的极大值点，则极大值点就是所求的缓变奇异信号的奇异点。
实施例
图1中馈线2的AE段长度为2公里长的架空线路；馈线1的AB段长为1.372km，Bf长度为18km，fC长度为4km，CD长度为6km。
IIDG在母线B处接入电网。结合单位线路参数，可以得出各段线路参数表1。
表1各段线路的阻抗参数表。
Figure BDA0003118819800000043
Figure BDA0003118819800000051
当f点发生单相短路接地故障时，故障时间仍然设置在0.1s，持续时间为0.05s，采样频率20kHz，仿真时长T＝0.2s，设置4000个采样点，由于单相短路接地属于非对称故障，并网点电压将是对称分量法分离出来的正序电压，当发生单相短路接地时，并网点不同电压等级时，可以得到图3-图7。
当f点发生单相短路接地故障时，虽然是非对称故障，但是因对称分量法的运用，得到的正序电压是对称的，此时接入并网点的电流、电压仍然是对称的，由图3可以看出，额定电压UN为5.78kV，并网点电压U有效值为5.58kV，由5.58/5.78＝0.965可知并网点电压大于90％UN。
由图4可以看出故障相故障点处电压跌落为0。
由图5可以看出故障相的电流在故障开始时刻陡然升高，非故障相电流基本不变。
由图7可以看出，IIDG运行于恒功率状态。
由图8-图10可以看到，模拟时系统电源电压上升时间设置为了0.06s，故在1200采样点之前的奇异性是由于电源电压突变导致，而主要是看在模拟故障开始与结束时刻的奇异性。
可知U≥0.9UN时，a相的故障电流信号经小波变换后，其细节部分在2000采样点和3050采样点附近剧烈震荡，是|Wf(s,k)|的极大值点，即故障信号经小波分解的高频信号的奇异点。具体来看，提取在2000采样点和3050采样点前后的db5小波分解d5高频小波系数。数据表明故障初始时刻和结束时刻b，c两相的小波系数基本不表现出奇异性；故障初始时刻a相的小波系数在1996点表现出奇异性，故障结束时刻a相的小波系数在3059点表现出奇异性；故障初始时刻可以由采样总点数以及仿真时间计算得到，为
Figure BDA0003118819800000052
与故障模拟开始时间t0＝0.1s相比，误差为0.2％，故障结束时刻同理可得，为
Figure BDA0003118819800000053
与故障模拟结束时间t1＝0.15s相比，误差为1.97％，由此根据a相的电流经过小波分解后的高频信号在故障初始和结束时刻均表现出奇异性，而b，c两相的电流经过小波分解后的高频信号在故障初始和结束时刻均基本不表现出奇异性，可以断定系统发生了单相短路接地故障。

Claims (5)

1.一种基于小波奇异性检测理论的含IIDG配电网故障检测方法，包括以下步骤：步骤S01：利用PSCAD建立搭建含IIDG的配电网的模型，采集各相故障电流信号至Matlab中；步骤S02：选择母小波db5，确定分解、重构层数；步骤S03:基于db5小波，将故障电流信号分解到不同尺度下，获得各层小波系数：W1f(k)、W2f(k)、…、Wjf(k)；步骤S04：分析[Wjf(k)]，j＝1，2，…，J模极大值情况，判断有无故障出现；步骤S05：提取故障开始与结束时刻附近采样点db5小波分解细节系数，通过对其故障相和非故障相电流经过小波分解后的高频信号的奇异性分析判别故障的类型，从采样总点数和仿真时间得到仿真故障开始与结束时间，计算与模拟故障点的误差。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述小波系统的大小由f(x)在x0的邻域内的特征和小波变换的分解层数所决定的，x0为小波变换中的奇异点。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：运用小波变换进行局部奇异性检测的方法包括以下步骤：步骤一：设f(x)∈L2(R)；步骤二：如果f(x)对任意的x∈δx0，若小波
Figure FDA0003118819790000011
满足实数且连续可微的条件，同时具有n阶消失矩，n为正整数，那么|Wf(s,x)|≤Ksα，其中K为常数，α为x0处的奇异性指数，s为尺度；步骤三：若在区间(a，b)上函数有一个奇异点x0，f(x)在x0处Lip指数为α，0<α<1，Wf(s,t)→0的速度在x0点为sα，小于其他点趋于0的速度，在s趋于0时孤立奇异点在小波变换中取极大值。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：对
Figure FDA0003118819790000012
如果|Wf(s,x)|≤|Wf(x,x0)|，那么，x0记为小波变换在尺度s下的局部极大值点。
5.如权利要求2-4任一项权利要求所述的方法，其特征在于：所述奇异点位置的检测的方法为：首先对信号f(x)利用小波作离散小波变换，利用mallat算法求出{W(xj,s,ψ)|j＝1,2,…,N}，然后求出数据{W(xj,s,ψ)|j＝1,2,…,N}的模极大值{W2 jf(xj 0)}，并记录相应的极大值点，则极大值点就是所求的奇异信号的奇异点。
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