CN113534006B - 基于ceemd与自相关阈值去噪的单相接地故障选线法 - Google Patents

基于ceemd与自相关阈值去噪的单相接地故障选线法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CEEMD与自相关阈值去噪的单相接地故障选线法，所述方法首先通过CEEMD算法对各条线路的零序电流进行模态分解，然后通过自相关函数分析，将分解得到的固有模态函数分量分为信号主导分量和噪声主导分量两部分，分别利用不同的小波阈值降噪并重构，最后根据幅值、能量以及瞬时相位多判据进行故障选线，本发明采用CEEMD分解以及自相关阈值去噪，不受噪声信号的影响，具有更好的去噪效果；进行Hilbert变换，在复杂故障情况下拥有较高的自适应性，有效地提高了选线准确率，实现更高效的运行。

Description

基于CEEMD与自相关阈值去噪的单相接地故障选线法
技术领域
本发明涉及一种中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障选线法，属于电力系统故障选线技术领域。
背景技术
近年来，随着煤矿现代化综采技术的快速发展，矿井供电系统结构不断复杂、运行方式多变、工作条件恶劣，由于单相接地故障是矿井供电系统最容易发生的故障，如果不能快速准确识别出故障线路并进行处理，就很可能会对设备造成危害以及引发火灾，严重影响矿井安全生产和人员安全，因此提高选线准确性和可靠性具有非常重要的现实意义。
我国矿井供电系统大多采用中性点经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈的补偿作用，基于故障工频电流的五次谐波保护法、零序电流有功分量保护法、首半波法、注入信号法等选线方法大多不再适用。
由于单相接地故障时故障电流很小，并且受系统随机因素的影响，单一的选线判据无法适应各种复杂故障问题，因此故障选线准确率仍然不高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的缺陷，提供一种小电流接地故障选线方法，基于CEEMD分解，采用自适应阈值去噪后，利用幅值、相位和能量多判据进行选线。
本发明是通过如下的技术方案来实现的。
一种基于CEEMD与自相关阈值去噪的单相接地故障选线法，其特征在于，所述单相接地故障选线法是按下列步骤进行的：
（1）采用CEEMD算法对各条线路的零序电流信号进行模态分解，得到由高频到低频的一系列IMF分量；
（2）对每个IMF分量进行自相关函数分析，将自相关系数大于等于0.3的分量归为信号主导分量，小于0.3的为噪声主导分量；
（3）分别利用不同的小波阈值降噪，信号主导分量采用自适应阈值去噪，噪声主导分量采用软阈值去噪，并分别求出去噪后的两种分量的能量在相应线路信号总能量中的占比，即为两种分量的权重系数，计算公式为：
Figure 342455DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 777853DEST_PATH_IMAGE002
分别为信号主导分量和噪声主导分量的权重系数，
Figure 734308DEST_PATH_IMAGE003
分别为去噪后信号主导分量和噪声主导分量的能量，
Figure 84518DEST_PATH_IMAGE004
为相应线路信号的能量；
（4）将去噪后的信号进行累加重构；
（5）对重构信号进行Hilbert变换，并提取瞬时相位及瞬时幅值；
（6）根据幅值判据，将幅值最大的三条线路设为疑似故障线路；
（7）求出各条疑似故障线路在故障发生时刻的瞬时相位角与其余所有线路相位角的绝对差，根据相位判据，若疑似故障线路中存在一条线路与其余所有线路的瞬时相角的绝对差均大于等于90°，则判定该线路为故障线路；若不存在，则计算各条疑似故障线路的信号能量是否大于等于其余所有线路信号能量之和，根据能量判据，若存在一条线路信号能量大于等于其余线路信号能量之和，则该线路为故障线路；反之即为母线故障。
一种基于CEEMD与自相关阈值去噪的单相接地故障选线法，其特征在于，幅值判据公式为：
Figure 315779DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 939439DEST_PATH_IMAGE006
。
一种基于CEEMD与自相关阈值去噪的单相接地故障选线法，其特征在于，相位判据公式为：
Figure 66795DEST_PATH_IMAGE007
。
一种基于CEEMD与自相关阈值去噪的单相接地故障选线法，其特征在于，线路的能量计算公式为：
Figure 904301DEST_PATH_IMAGE008
能量判据公式为：
Figure 408095DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 349244DEST_PATH_IMAGE010
为线路n的能量；
能量判据公式为：
Figure 647501DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 972303DEST_PATH_IMAGE012
分别为不同线路的能量，且
Figure 545367DEST_PATH_IMAGE013
。
本发明上述所提供的一种基于CEEMD与自相关阈值去噪的单相接地故障选线法，与现有技术相比，其有益效果在于：本发明通过CEEMD算法对各条线路的零序电流进行模态分解，利用自相关函数分析，将分解得到的固有模态函数分量分为信号主导分量和噪声主导分量两部分，分别利用不同的小波阈值降噪并重构，最后根据幅值、能量以及瞬时相位多判据进行故障选线，解决了小波抗干扰能力差、EMD模态混叠以及原始暂态信号利用不充分的问题。
本发明较CEEMD算法拥有更优的除噪效果、更优的重构拟合；对不同故障情况下的零序电流均有较好的适应性，在不同接地电阻、故障初相角、消弧线圈补偿度、故障位置等因素影响下均能够快速进行正确选线，完全适用于中性点经消弧线圈接地的供配电系统。
附图说明
图1是本发明中性点经消弧线圈接地的供电系统仿真模型。
图2是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路1的零序电流波形。
图3是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路2的零序电流波形。
图4是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路3的零序电流波形。
图5是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路4的零序电流波形。
图6是本发明具体实施例中故障线路4经CEEMD分解后前6个IMF分量图。
图7是本发明具体实施例中故障线路4前6个IMF分量自相关函数图。
图8是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时各条线路的重构零序电流波形。
图9是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路1的重构信号经Hilbert变换得到的瞬时幅值。
图10是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路2的重构信号经Hilbert变换得到的瞬时幅值。
图11是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路3的重构信号经Hilbert变换得到的瞬时幅值。
图12是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路4的重构信号经Hilbert变换得到的瞬时幅值。
图13是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路1的重构信号经Hilbert变换得到的瞬时相位。
图14是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路2的重构信号经Hilbert变换得到的瞬时相位。
图15是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路3的重构信号经Hilbert变换得到的瞬时相位。
图16是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路4的重构信号经Hilbert变换得到的瞬时相位。
图17是本发明具体实施例中单相接地故障选线结果表图。
图18是本发明具体实施例中不同故障条件下的选线结果表图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面将结合附图及具体实施例对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施本发明上述所提供的一种基于CEEMD与自相关阈值去噪的单相接地故障选线法，本法是按照如下具体步骤进行的：
（1）采用CEEMD算法对各条线路的零序电流信号进行模态分解，得到高频到低频的一系列IMF分量（IMF1、IMF2、…、IMFn）。
（2）对每个IMF分量进行自相关函数分析，将系数大于等于0.3的分量归为信号主导分量，小于0.3的为噪声主导分量。
（3）分别利用不同的小波阈值降噪，信号主导分量采用自适应阈值去噪，噪声主导分量采用软阈值去噪，并分别求出去噪后的两种分量的能量在相应线路信号总能量中的占比，即为两种分量的权重系数，计算公式为：
Figure 872181DEST_PATH_IMAGE014
Figure 606919DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 153438DEST_PATH_IMAGE002
分别为信号主导分量和噪声主导分量的权重系数，
Figure 264613DEST_PATH_IMAGE003
分别为去噪后信号主导分量和噪声主导分量的能量，
Figure 540874DEST_PATH_IMAGE004
为相应线路信号的能量；
（4）将去噪后的信号进行累加重构得到重构信号
Figure 945048DEST_PATH_IMAGE016
。
（5）对重构信号
Figure 244442DEST_PATH_IMAGE016
进行Hilbert变换得到重构信号
Figure 893729DEST_PATH_IMAGE016
的瞬时相位
Figure 899863DEST_PATH_IMAGE017
与瞬时幅值
Figure 492516DEST_PATH_IMAGE018
（6）根据幅值判据，将幅值最大的三条线路设为疑似故障线路。
（7）求出各条疑似故障线路在故障发生时刻的瞬时相位角与其余所有线路相位角的绝对差，根据相位判据，若疑似故障线路中存在一条线路与其余所有线路的瞬时相角的绝对差均大于等于90°，则判定该线路为故障线路，可表示为：
Figure 13628DEST_PATH_IMAGE019
；
在本发明实施例中，设定故障线路为4条。
若上述不存在，则计算各条疑似故障线路的信号能量，可表示为：
Figure 201026DEST_PATH_IMAGE008
且
Figure 389562DEST_PATH_IMAGE020
。
根据能量判据，若存在一条线路信号能量大于等于其余线路信号能量之和，则该线路为故障线路，反之即为母线故障，可表示为：
Figure 964900DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 737422DEST_PATH_IMAGE012
分别为不同线路的能量，
Figure 728512DEST_PATH_IMAGE013
且
Figure DEST_PATH_IMAGE022A
。
在具体实施时，利用RTDS搭建实际供电系统仿真模型，设置不同的故障条件，得到所有线路的零序电流信号，通过CEEMD算法对各条线路的零序电流进行模态分解，然后通过自相关函数分析，将分解得到的固有模态函数分量分为信号主导分量和噪声主导分量两部分，分别利用不同的小波阈值降噪并重构，最后进行Hilbert变换，提取瞬时相位与幅值，根据幅值判据找出疑似故障线路，若存在某条疑似故障线路满足相角判据时，则该线路为故障线路；若不存在，则计算各条疑似故障线路的信号能量，若存在某条疑似故障线路满足能量判据时，则该线路为故障线路；反之则为母线故障。
本发明的具体实施例为中性点经消弧线圈接地的供电系统，为叙述方便，设定1条母线和4条出线，发生单相接地故障时，利用上述发明方法，可以实现完善的单相接地故障选线，具体实施例过程如下所示。
附图1为中性点经消弧线圈接地的供电系统仿真模型，消弧线圈采用过补偿方式，补偿度设定为5%，消弧线圈损耗设定为3%；采样频率设定为10kHz，线路4为单相接地故障线路，发生单相接地故障时线路1、2、3、4的零序电流如附图2、图3、图4、图5所示。
以故障线路4为例，采用CEEMD算法对该线路的零序电流信号进行模态分解，得到如附图6所示由高频到低频的一系列IMF分量（本发明实施例中只列举了前6个IMF分量）；
对每个IMF分量进行自相关函数分析，得到如附图7所示自相关函数图，将系数大于等于0.3的分量归为信号主导分量，小于0.3的为噪声主导分量；
分别利用不同的小波阈值降噪，信号主导分量采用自适应阈值去噪，噪声主导分量采用软阈值去噪。
将去噪后的信号进行累加重构，各条线路的重构零序电流波形如附图8所示；
对各条线路的重构信号进行Hilbert变换，得到各条线路的瞬时幅值和瞬时相角，其中在故障发生时：线路1的是瞬时相角
Figure 20822DEST_PATH_IMAGE023
，线路2的是瞬时相角
Figure 704744DEST_PATH_IMAGE024
°，线路3的是瞬时相角
Figure 934868DEST_PATH_IMAGE025
，线路4的是瞬时相角
Figure 57545DEST_PATH_IMAGE026
°，如附图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16所示。
根据幅值判据，将幅值最大的三条线路设为疑似故障线路，幅值最大的三条线路分别为线路4、线路3、线路2 ，此三条线路为疑似故障线路。
求出各条疑似故障线路在故障发生时刻的瞬时相位角与其余所有线路相位角的绝对差，根据相位判据，若疑似故障线路中存在一条线路与其余所有线路的瞬时相角的绝对差均大于等于90°，则判定该线路为故障线路，可表示为：
Figure 188049DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 42873DEST_PATH_IMAGE028
分别为不同线路的相位角，且
Figure 25873DEST_PATH_IMAGE029
；
若上述不存在，则计算各条疑似故障线路的信号能量，可表示为：
Figure 562027DEST_PATH_IMAGE030
其中，
Figure 552898DEST_PATH_IMAGE031
为线路n的能量，且
Figure 844202DEST_PATH_IMAGE020
。
根据能量判据，若存在一条线路信号能量大于等于其余线路信号能量之和，则该线路为故障线路，反之即为母线故障，可表示为：
Figure 376814DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 513398DEST_PATH_IMAGE010
为线路n的能量；
能量判据公式为：
Figure 119960DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 18383DEST_PATH_IMAGE012
分别为不同线路的能量，
Figure 975975DEST_PATH_IMAGE013
且
Figure DEST_PATH_IMAGE022AA
。
根据瞬时幅值，瞬时相角的绝对差以及线路能量可知选线结果。本发明实施例中，补偿度为5%，接地点过渡电阻值
Figure 119511DEST_PATH_IMAGE032
；故障初相角
Figure 79115DEST_PATH_IMAGE033
；故障线路长度
Figure 649905DEST_PATH_IMAGE034
；故障点距离母线的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE035
km，在此故障条件下选线结果如表图17所示：
选线结果与仿真设定的故障线路一致。
为验证在各种随机故障条件下选线准确率，分别在不同的故障线路，不同接地电阻、不同故障初相角和不同故障位置条件下做单相接地故障实验，选线结果如附表图18所示。
经验证，在各种随机故障条件下，无论是线路还是母线发生单相接地故障，该选线方法均能够正确的选出故障线路。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述说明，应理解本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于CEEMD与自相关阈值去噪的单相接地故障选线法，其特征在于：所述单相接地故障选线法是按下列步骤进行的：
（1）采用CEEMD算法对各条线路的零序电流信号进行模态分解，得到由高频到低频的一系列IMF分量；
（2）对每个IMF分量进行自相关函数分析，将自相关系数大于等于0.3的分量归为信号主导分量，小于0.3的为噪声主导分量；
（3）分别利用不同的小波阈值降噪，信号主导分量采用自适应阈值去噪，噪声主导分量采用软阈值去噪，并分别求出去噪后的两种分量的能量在相应线路信号总能量中的占比，即为两种分量的权重系数，计算公式为：
Figure 577245DEST_PATH_IMAGE001
Figure 819745DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 400899DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 1645DEST_PATH_IMAGE004
分别为信号主导分量和噪声主导分量的权重系数，
Figure 933829DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 153589DEST_PATH_IMAGE006
分别为去噪后信号主导分量和噪声主导分量的能量，
Figure 87784DEST_PATH_IMAGE007
为相应线路信号的能量；
（4）将去噪后的信号进行累加重构；
（5）对重构信号进行Hilbert变换，并提取瞬时相位及瞬时幅值；
（6）根据幅值判据，将幅值最大的三条线路设为疑似故障线路；
（7）求出各条疑似故障线路在故障发生时刻的瞬时相位角与其余所有线路相位角的绝对差，根据相位判据，若疑似故障线路中存在一条线路与其余所有线路的瞬时相角的绝对差均大于等于90°，则判定该线路为故障线路；若不存在，则计算各条疑似故障线路的信号能量是否大于等于其余所有线路信号能量之和，根据能量判据，若存在一条线路信号能量大于等于其余线路信号能量之和，则该线路为故障线路；反之即为母线故障。
2.根据权利要求1所述的基于CEEMD与自相关阈值去噪的单相接地故障选线法，其特征在于，幅值判据公式为：
Figure 125010DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 278911DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 213281DEST_PATH_IMAGE010
分别为不同线路的幅值，且
Figure 831344DEST_PATH_IMAGE011
。
3.根据权利要求1所述的基于CEEMD与自相关阈值去噪的单相接地故障选线法，其特征在于，相位判据公式为：
Figure 977155DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 556035DEST_PATH_IMAGE013
分别为不同线路的相位角，且
Figure 179914DEST_PATH_IMAGE014
。
4.根据权利要求1所述的基于CEEMD与自相关阈值去噪的单相接地故障选线法，其特征在于，线路的能量计算公式为：
Figure 918063DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 467731DEST_PATH_IMAGE016
为线路n的能量；
能量判据公式为：
Figure 2749DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 335379DEST_PATH_IMAGE018
分别为不同线路的能量，且
Figure 928034DEST_PATH_IMAGE019
。
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