CN113820566B - 一种煤矿电网选漏方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿电网选漏方法,包括步骤:一、获取煤矿电网中各条线路的暂态零序电流;二、采用牛顿插值法求取各条线路暂态零序电流的包络线;三、采用可变遗忘因子递推最小二乘法进行各条线路暂态零序电流的包络线辨识,计算出煤矿电网中各条线路的拟合斜率;四、采用健全线路与故障线路包络线拟合斜率值正负相反的特点选择出故障线路。本发明能够在各种单相接地故障条件下准确选出故障线路,有利于提高漏电保护的灵敏性、可靠性和快速性,便于应用于实际漏电保护中。
Description
技术领域
本发明属于煤矿电网漏电保护技术领域,具体涉及一种煤矿电网选漏方法。
背景技术
我国是煤炭生产大国,煤炭生产为我国经济建设做出巨大贡献,因此需要保证煤煤矿下的安全。煤煤矿下空气潮湿,湿度普遍在95%左右,散热条件差,线路会受到井下矿石的挤压,使得对电气设备与电缆参数的要求更加苛刻,存在易爆的瓦斯煤尘且工作人员比较集中。在此恶劣环境下,电网的漏电有可能导致人身伤害、瓦斯煤尘爆炸和电雷管的先期爆发。因此,一旦漏电发生,保护装置必须迅速判断出漏电线路,动作于跳闸。这一要求比中压电网单相接地保护的要求严格,一般煤矿电网的漏电保护必须满足人身触电安全电流30mA·s的速动要求。
目前,应用于煤煤矿下的漏电保护主要有附加直流源式和零序功率方向保护。附加直流源式保护无选择性,它能快速地检测出漏电故障,但漏电时跳闸造成的停电范围大,从而造成更大的损失,且动作时间较长(一般大于50ms)。零序功率方向保护具有选择性,是利用基频零序电流电压的稳态特征保护法,稳态漏电信号一般比较微弱,又由于受到漏电过渡电阻和线路参数的影响,这些原本微弱的稳态信号幅值和相位的测量就更加困难,直接影响选漏的灵敏性和可靠性。现有技术还无法很好的保障煤矿电网供电的安全性、可靠性和稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种煤矿电网选漏方法,其能够在各种单相接地故障条件下准确选出故障线路,有利于提高漏电保护的灵敏性、可靠性和快速性,便于应用于实际漏电保护中。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种煤矿电网选漏方法,该方法包括以下步骤:
步骤一、获取煤矿电网中各条线路的暂态零序电流;
步骤二、采用牛顿插值法求取各条线路暂态零序电流的包络线;
步骤三、采用可变遗忘因子递推最小二乘法进行各条线路暂态零序电流的包络线辨识,计算出煤矿电网中各条线路的拟合斜率;
步骤四、采用健全线路与故障线路包络线拟合斜率值正负相反的特点选择出故障线路。
上述的一种煤矿电网选漏方法,步骤二中所述采用牛顿插值法求取各条线路暂态零序电流的包络线时,其中采用牛顿插值法求取任意一条线路暂态零序电流的包络线的具体过程为:
步骤201、对该条线路的暂态零序电流进行挑选,挑选出S个暂态零序电流的极值点,并将第s个暂态零序电流的极值点表示为i(ts),s的取值为1~S的自然数;
步骤202、对S个暂态零序电流的极值点进行筛选,求取每个极值点两侧相邻两个极值的均值,并对该均值设置裕度d,按照中间极值点在该均值裕度d的范围内则保留的原则进行筛选,得到P个插值极点,并将第p个插值极点表示为i(tp),p的取值为1~P的自然数;
步骤203、根据牛顿插值法得到插值极点关于采样时刻的各阶均差为:
其中,i[t1,t2]为插值极点关于采样时刻t1、t2的一阶均差,i(t1)为采样时刻t1的插值极点,i(t2)为采样时刻t2的插值极点;i[t1,t2,t3]为插值极点关于采样时刻t1、t2、t3的二阶均差,i[t2,t3]为插值极点关于采样时刻t2、t3的一阶均差,且i(t3)为采样时刻t3的插值极点;i[t1,…,tP]为插值极点关于采样时刻t1、…、tP的P-1阶均差,i[t2,…,tP]为插值极点关于采样时刻t2、…、tP的P-2阶均差,且i[t1,…,tP-1]为插值极点关于采样时刻t1、t2、…、tP-1的P-2阶均差且i[tx,tx+1,…,tP]为插值极点关于采样时刻tx、tx+1、…、tP的P-x阶均差,且i[tx,tx+1,…,tP-1]为插值极点关于采样时刻tx、tx+1、…、tP-1的P-1-x阶均差,且i[t1,…,tP-y]为插值极点关于采样时刻t1、t2、…、tP-y的P-y-1阶均差且x和y的取值为1~P-1的自然数,P的取值为大于等于2的自然数;
步骤204、根据插值极点关于采样时刻的各阶均差得到暂态零序电流包络线的表达式为:
i'(t)=i(t1)+i[t1,t2](t-t1)+i[t1,t2,t3](t-t1)(t-t2)+…+i[t1,…,tP](t-t1)…(t-tP-1)(t-tP) (F4)。
上述的一种煤矿电网选漏方法,步骤三中所述采用可变遗忘因子递推最小二乘法进行各条线路暂态零序电流的包络线辨识,计算出煤矿电网中各条线路的拟合斜率的具体过程为:
步骤301、将可变遗忘因子的递推最小二乘法目标函数W表示为:
其中,L为总迭代次数,r为迭代次数且r的取值为1~L的自然数;tr′为第r次迭代时数据窗内的时间样本向量且t′r=[t′r,1,t′r,2,…t′r,J],t′r,j为第r次迭代时数据窗内的第j个时间样本,j的取值为1~J的自然数,J为第r次迭代时数据窗内的时间样本总数量,为t'r的转置;i'(t′r)为第r次迭代时数据窗内的包络线曲线函数值向量;k′r为第r次迭代时M条线路被辨识的斜率参数向量且k′r=[k′r,1,k′r,2,…,k′r,M],k′r,m为第r次迭代时第m条线路被辨识的斜率参数,m的取值为1~M的自然数,M为线路总条数;λ为遗忘因子;每迭代一次数据窗向后推移一次;
具体实施时,J与M的取值相等;
步骤302、带可变遗忘因子的递推最小二乘法参数估计迭代公式为公式(F6)~(F9):
其中,Qr为第r次迭代时的卡尔曼滤波增益矩阵,Pr为迭代至第r次时的协方差矩阵,Pr-1为迭代至第r-1次时的协方差矩阵,I为单位矩阵;k′r-1为第r-1次迭代时M条线路被辨识的斜率参数向量且k′r-1=[k′r-1,1,k′r-1,2,…,k′r-1,M],k′r-1,m为第r-1次迭代时第m条线路被辨识的斜率参数;er为先验误差,为k′r-1的转置;
步骤303、在0<λ≤1的取值范围内,将λ的取值公式表示为:
其中,λmax为λ的最大取值,λmax=1;ε(r)为后验误差,E{ε2(r)}为ε(r)的能量,为系统噪声的功率;E{e2(r)}为er的能量,为误差信号的功率;E{q2(r)}为q(r)的能量,q(r)为中间变量,为系统功率;ξ为常数;
上述的一种煤矿电网选漏方法,步骤四中所述采用健全线路与故障线路包络线拟合斜率值正负相反的特点选择出故障线路的具体过程为:
步骤401、将各条线路的拟合斜率构造出故障选线向量表示为:
K=[k1,k2,…,kM] (F16)
其中,km为第m条线路的斜率参数,m的取值为1~M的自然数,M为线路总条数;
步骤402、当故障选线向量K中只有第f条线路对应的暂态零序电流包络线拟合斜率kf与其他线路的暂态零序电流包络线拟合斜率正负相反时,判断为第f条线路为故障线路;当所有线路的暂态零序电流包络线拟合斜率正负都相同时,判断为母线发生了单相接地故障。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明提出的煤矿电网选漏方法,对故障零序电流利用牛顿插值得到包络线,采用可变遗忘因子的递推最小二乘法计算包络线的拟合斜率作为特征值,再根据各条线路拟合斜率的正负判断故障线路,能够在各种单相接地故障条件下准确选出故障线路。
2、本发明提出的煤矿电网选漏方法,利用暂态过程特征选漏;煤矿电网发生漏电时,煤矿电网要经暂态过渡过程进入故障稳态过程,漏电暂态过程的信号由于含有比稳态分量大十几倍到几十倍的暂态分量,所以暂态过程的信号瞬时值很大;本发明利用暂态过程特征选漏,有利于提高漏电保护的灵敏性和可靠性,而且,利用暂态过程特征选漏,可能在暂态过程尚未结束之前就切除漏电故障,提高漏电保护的快速性。
3、本发明提出的煤矿电网选漏方法,能够解决已有方法在高阻及小故障合闸角条件下选线困难的问题,且方法实施简单,便于应用于实际漏电保护中。
综上所述,本发明能够在各种单相接地故障条件下准确选出故障线路,有利于提高漏电保护的灵敏性、可靠性和快速性,便于应用于实际漏电保护中。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图;
图2为本发明进行实验验证时故障选线实验系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,本发明的煤矿电网选漏方法,该方法包括以下步骤:
步骤一、获取煤矿电网中各条线路的暂态零序电流;
步骤二、采用牛顿插值法求取各条线路暂态零序电流的包络线;
步骤三、采用可变遗忘因子递推最小二乘法进行各条线路暂态零序电流的包络线辨识,计算出煤矿电网中各条线路的拟合斜率;
步骤四、采用健全线路与故障线路包络线拟合斜率值正负相反的特点选择出故障线路。
本实施例中,步骤二中所述采用牛顿插值法求取各条线路暂态零序电流的包络线时,其中采用牛顿插值法求取任意一条线路暂态零序电流的包络线的具体过程为:
步骤201、对该条线路的暂态零序电流进行挑选,挑选出S个暂态零序电流的极值点,并将第s个暂态零序电流的极值点表示为i(ts),s的取值为1~S的自然数;
步骤202、对S个暂态零序电流的极值点进行筛选,求取每个极值点两侧相邻两个极值的均值,并对该均值设置裕度d,按照中间极值点在该均值裕度d的范围内则保留的原则进行筛选,得到P个插值极点,并将第p个插值极点表示为i(tp),p的取值为1~P的自然数;
具体实施时,每条线路插值极点的个数P不一定相等。
步骤203、根据牛顿插值法得到插值极点关于采样时刻的各阶均差为:
其中,i[t1,t2]为插值极点关于采样时刻t1、t2的一阶均差,i(t1)为采样时刻t1的插值极点,i(t2)为采样时刻t2的插值极点;i[t1,t2,t3]为插值极点关于采样时刻t1、t2、t3的二阶均差,i[t2,t3]为插值极点关于采样时刻t2、t3的一阶均差,且i(t3)为采样时刻t3的插值极点;i[t1,…,tP]为插值极点关于采样时刻t1、…、tP的P-1阶均差,i[t2,…,tP]为插值极点关于采样时刻t2、…、tP的P-2阶均差,且i[t1,…,tP-1]为插值极点关于采样时刻t1、t2、…、tP-1的P-2阶均差且i[tx,tx+1,…,tP]为插值极点关于采样时刻tx、tx+1、…、tP的P-x阶均差,且i[tx,tx+1,…,tP-1]为插值极点关于采样时刻tx、tx+1、…、tP-1的P-1-x阶均差,且i[t1,…,tP-y]为插值极点关于采样时刻t1、t2、…、tP-y的P-y-1阶均差且x和y的取值为1~P-1的自然数,P的取值为大于等于2的自然数;
步骤204、根据插值极点关于采样时刻的各阶均差得到暂态零序电流包络线的表达式为:
i'(t)=i(t1)+i[t1,t2](t-t1)+i[t1,t2,t3](t-t1)(t-t2)+…+i[t1,…,tP](t-t1)…(t-tP-1)(t-tP) (F4)。
本实施例中,步骤三中所述采用可变遗忘因子递推最小二乘法进行各条线路暂态零序电流的包络线辨识,计算出煤矿电网中各条线路的拟合斜率的具体过程为:
步骤301、将可变遗忘因子的递推最小二乘法目标函数W表示为:
其中,L为总迭代次数,r为迭代次数且r的取值为1~L的自然数;t′r为第r次迭代时数据窗内的时间样本向量且t′r=[t′r,1,t′r,2,…t′r,J,t′r,j为第r次迭代时数据窗内的第j个时间样本,j的取值为1~J的自然数,J为第r次迭代时数据窗内的时间样本总数量,为t'r的转置;i'(t′r)为第r次迭代时数据窗内的包络线曲线函数值向量;k′r为第r次迭代时M条线路被辨识的斜率参数向量且k′r=[k′r,1,k′r,2,…,k′r,M],k′r,m为第r次迭代时第m条线路被辨识的斜率参数,m的取值为1~M的自然数,M为线路总条数;λ为遗忘因子;每迭代一次数据窗向后推移一次;
具体实施时,J与M的取值相等;
步骤302、带可变遗忘因子的递推最小二乘法参数估计迭代公式为公式(F6)~(F9):
其中,Qr为第r次迭代时的卡尔曼滤波增益矩阵,Pr为迭代至第r次时的协方差矩阵,Pr-1为迭代至第r-1次时的协方差矩阵,I为单位矩阵;k′r-1为第r-1次迭代时M条线路被辨识的斜率参数向量且k′r-1=[k′r-1,1,k′r-1,2,…,kr′-1,M],k′r-1,m为第r-1次迭代时第m条线路被辨识的斜率参数;er为先验误差,为k′r-1的转置;
步骤303、在0<λ≤1的取值范围内,将λ的取值公式表示为:
其中,λmax为λ的最大取值,λmax=1;ε(r)为后验误差,E{ε2(r)}为ε(r)的能量,为系统噪声的功率;E{e2(r)}为er的能量,为误差信号的功率;E{q2(r)}为q(r)的能量,q(r)为中间变量,为系统功率;ξ为常数;
具体实施时,ξ为一个取值很小的常数,防止分母为零;
具体实施时,λ的初值可以取为0.98;
本实施例中,步骤四中所述采用健全线路与故障线路包络线拟合斜率值正负相反的特点选择出故障线路的具体过程为:
步骤401、将各条线路的拟合斜率构造出故障选线向量表示为:
K=[k1,k2,…,kM] (F16)
其中,km为第m条线路的斜率参数,m的取值为1~M的自然数,M为线路总条数;
步骤402、当故障选线向量K中只有第f条线路对应的暂态零序电流包络线拟合斜率kf与其他线路的暂态零序电流包络线拟合斜率正负相反时,判断为第f条线路为故障线路;当所有线路的暂态零序电流包络线拟合斜率正负都相同时,判断为母线发生了单相接地故障。
为了验证本发明的方法应用于煤矿电网漏电保护中的技术效果,进行了如下实验:
利用380V煤矿低压配电系统漏模拟平台,模拟一具有四条馈线路路的配电系统并设置单相接地故障,搭建的故障选线实验系统如图2所示;图2中,ES表示电源,Lk表示消弧线圈,TA1~TA4表示4个零序电流采样传感器,线路l1-l4对地电容分别为C1=0.44μF、C2=0.2μF、C3=0.32μF、C4=0.1μF;线路l1-l4的等效电感分别为L1=6mH、L2=6mH、L3=6mH、L4=6mH;线路l1-l4的等效电阻分别为R1=2Ω、R2=2Ω、R3=2Ω、R4=2Ω;得到的不同过渡电阻故障选漏结果如表1所示:
表1不同过渡电阻故障选漏结果(P=10%,l3)
得到的不同运行方式故障选漏结果如表2所示:
表2不同运行方式故障选漏结果(Rg=1000Ω,l3)
得到的不同故障位置故障选漏结果如表3所示:
表3不同故障位置故障选漏结果(Rg=1000Ω,P=10%)
表1和表3中,P为补偿度,Rg为故障过渡电阻;
从表1、表2和表3可以看出,本发明的煤矿电网选漏方法,能够在不同过渡电阻、不同运行方式、不同故障位置情况下,准确地进行选漏。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式,并且很显然,根据上述教导,可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (3)
1.一种煤矿电网选漏方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一、获取煤矿电网中各条线路的暂态零序电流;
步骤二、采用牛顿插值法求取各条线路暂态零序电流的包络线;
步骤二中所述采用牛顿插值法求取各条线路暂态零序电流的包络线时,其中采用牛顿插值法求取任意一条线路暂态零序电流的包络线的具体过程为:
步骤201、对该条线路的暂态零序电流进行挑选,挑选出S个暂态零序电流的极值点,并将第s个暂态零序电流的极值点表示为i(ts),s的取值为1~S的自然数;
步骤202、对S个暂态零序电流的极值点进行筛选,求取每个极值点两侧相邻两个极值的均值,并对该均值设置裕度d,按照中间极值点在该均值裕度d的范围内则保留的原则进行筛选,得到P个插值极点,并将第p个插值极点表示为i(tp),p的取值为1~P的自然数;
步骤203、根据牛顿插值法得到插值极点关于采样时刻的各阶均差为:
其中,i[t1,t2]为插值极点关于采样时刻t1、t2的一阶均差,i(t1)为采样时刻t1的插值极点,i(t2)为采样时刻t2的插值极点;i[t1,t2,t3]为插值极点关于采样时刻t1、t2、t3的二阶均差,i[t2,t3]为插值极点关于采样时刻t2、t3的一阶均差,且i(t3)为采样时刻t3的插值极点;i[t1,…,tP]为插值极点关于采样时刻t1、…、tP的P-1阶均差,i[t2,…,tP]为插值极点关于采样时刻t2、…、tP的P-2阶均差,且i[t1,…,tP-1]为插值极点关于采样时刻t1、t2、…、tP-1的P-2阶均差且i[tx,tx+1,…,tP]为插值极点关于采样时刻tx、tx+1、…、tP的P-x阶均差,且i[tx,tx+1,…,tP-1]为插值极点关于采样时刻tx、tx+1、…、tP-1的P-1-x阶均差,且i[t1,…,tP-y]为插值极点关于采样时刻t1、t2、…、tP-y的P-y-1阶均差且x和y的取值为1~P-1的自然数,P的取值为大于等于2的自然数;
步骤204、根据插值极点关于采样时刻的各阶均差得到暂态零序电流包络线的表达式为:
i'(t)=i(t1)+i[t1,t2](t-t1)+i[t1,t2,t3](t-t1)(t-t2)+…+i[t1,…,tP](t-t1)…(t-tP-1)(t-tP) (F4);
步骤三、采用可变遗忘因子递推最小二乘法进行各条线路暂态零序电流的包络线辨识,计算出煤矿电网中各条线路的拟合斜率;
步骤三中所述采用可变遗忘因子递推最小二乘法进行各条线路暂态零序电流的包络线辨识,计算出煤矿电网中各条线路的拟合斜率的具体过程为:
步骤301、将可变遗忘因子的递推最小二乘法目标函数W表示为:
其中,L为总迭代次数,r为迭代次数且r的取值为1~L的自然数;t′r为第r次迭代时数据窗内的时间样本向量且t′r=[t′r,1,t′r,2,…t′r,J],t′r,j为第r次迭代时数据窗内的第j个时间样本,j的取值为1~J的自然数,J为第r次迭代时数据窗内的时间样本总数量,t'r T为t'r的转置;i'(t′r)为第r次迭代时数据窗内的包络线曲线函数值向量;k′r为第r次迭代时M条线路被辨识的斜率参数向量且k′r=[k′r,1,k′r,2,…,kr,M],k′r,m为第r次迭代时第m条线路被辨识的斜率参数,m的取值为1~M的自然数,M为线路总条数;λ为遗忘因子;每迭代一次数据窗向后推移一次;
步骤302、带可变遗忘因子的递推最小二乘法参数估计迭代公式为公式(F6)~(F9):
k'r=k'r-1+Qr[i′(t′r)-t'r Tk'r-1] (F8)
er=i′(t′r)-k'r-1 Tt'r (F9)
其中,Qr为第r次迭代时的卡尔曼滤波增益矩阵,Pr为迭代至第r次时的协方差矩阵,Pr-1为迭代至第r-1次时的协方差矩阵,I为单位矩阵;k′r-1为第r-1次迭代时M条线路被辨识的斜率参数向量且k′r-1=[k′r-1,1,k′r-1,2,…,k′r-1,M],k′r-1,m为第r-1次迭代时第m条线路被辨识的斜率参数;er为先验误差,k'r-1 T为k′r-1的转置;
步骤303、在0<λ≤1的取值范围内,将λ的取值公式表示为:
ε(r)=i′(tr)-k'r Tt'r (F11)
q(r)=t'r TPrt'r (F14)
其中,λmax为λ的最大取值,λmax=1;ε(r)为后验误差,E{ε2(r)}为ε(r)的能量,为系统噪声的功率;E{e2(r)}为er的能量,为误差信号的功率;E{q2(r)}为q(r)的能量,q(r)为中间变量,为系统功率;ξ为常数;
步骤304、给带可变遗忘因子的递推最小二乘法参数估计迭代公式赋初值,P1=(t'1 Tt'1)-1,e1=0;根据初值和λ的取值公式对公式(F6)~(F9)进行迭代,得到煤矿电网中各条线路的拟合斜率;
步骤四、采用健全线路与故障线路包络线拟合斜率值正负相反的特点选择出故障线路。
3.按照权利要求1所述的一种煤矿电网选漏方法,其特征在于:步骤四中所述采用健全线路与故障线路包络线拟合斜率值正负相反的特点选择出故障线路的具体过程为:
步骤401、将各条线路的拟合斜率构造出故障选线向量表示为:
K=[k1,k2,…,kM] (F16)
其中,km为第m条线路的斜率参数,m的取值为1~M的自然数,M为线路总条数;
步骤402、当故障选线向量K中只有第f条线路对应的暂态零序电流包络线拟合斜率kf与其他线路的暂态零序电流包络线拟合斜率正负相反时,判断为第f条线路为故障线路;当所有线路的暂态零序电流包络线拟合斜率正负都相同时,判断为母线发生了单相接地故障。
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