CN114113879B - 一种基于小波变换的低压线路故障定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于小波变换的低压线路故障定位方法及系统，属于故障定位技术领域。该方法包括以下步骤：采集线路发生故障时A、B、C三相的相电流：对相电流故障分量进行相模变换，得到相电流的模故障分量行波信号；S3：利用db4小波对模故障分量进行小波分析，得到模极大值；S4：根据获得的模极大值，确定模极大值点，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，然后采用行波测距法进行故障定位。本发明通过引入Clarke相模变换、小波分析、行波测距法等方法，消除过渡电阻、行波波速和线路参数等因素对线路故障定位精度的影响，有效提高线路故障定位精度，将故障定位误差缩小到1%以内，保障电网稳定运行，易于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于故障定位技术领域，具体涉及一种基于小波变换的低压线路故障定位方法及系统。
背景技术
低压配电网是电力系统的重要组成部分，低压配电网能否安全的运行会对用户的生活、工作及生产造成直接的影响。及时发现低压配电网中存在的故障并进行故障定位检修是保证低压配电网安全有序运行的关键。
目前，对于低压配电网中故障的定位主要是通过人工排查。这种方法需要电力检修人员花费大量的时间往返于各个台区之间，往往不能及时对故障进行定位，直接影响用户的生产生活，在一定程度上也存在安全隐患。因此如何克服现有技术的不足是目前故障定位技术领域亟需解决的问题。
现有的故障定位方法主要有故障分析法和行波法。故障分析法是一种通过检测电气量求解电压平衡方程的定位方法，在原理上可以消除过渡电阻的影响，但在数据同步以及线路不均匀换位方面容易造成定位出现误差。行波法定位精度高且计算原理简单，不受线路参数、故障电阻和故障类型的影响，但在检测故障行波到达检测点时间和行波波速不确定性方面容易造成定位精度降低。
本发明提出一种基于小波变换的低压线路故障定位方法，能够消除过渡电阻、行波波速和线路参数等因素对故障定位精度的影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于小波变换的低压线路故障定位方法及系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于小波变换的低压线路故障定位方法，包括以下步骤：
S1：采集线路发生故障时A、B、C三相的相电流，得到相电流故障分量IA、IB、IC；
S2：对相电流故障分量进行相模变换，得到相电流IA、IB、IC，的模故障分量行波信号；
S3：利用db4小波对α模故障分量进行小波分析，得到模极大值；
S4：根据获得的模极大值，确定模极大值点，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，然后采用行波测距法进行故障定位。
进一步，优选的是，所述步骤S2具体方法为：
相电流故障分量IA、IB、IC进行Clarke相模变换解耦合，得到相电流模故障分量I0、Iα、Iβ、Iγ；Clarke相模变换采用以下公式：
式(1)中，IA、IB、IC分别为A、B、C三相相电流故障分量，对其进行Clarke相模变换之后，I0为相电流的零模分量，Iα、Iβ、Iγ是相电流故障分量IA、IB、IC的模故障分量。
进一步，优选的是，所述步骤S3具体方法为：
将模故障分量Iα进行db4小波变换，分别提取M端和N端的小波变换模极大值Wf(s，x0M)和Wf(s，x0N)；
设函数ψ(x)满足：
其中，R为实数，则ψ(x)为母小波；令ψs(x)表示ψ(x)对尺度S的伸缩；
任意信号f(x)∈L2(R)的连续小波变换Wf(s，x)表示为
Wf(s，x)＝f*ψ(x) (4)
其中，L2(R)指R上平方可积函数构成的函数空间；也常被称为能量有限的信号空间。
设该小波函数在尺度S下，在x0的某一邻域，对一切x有|Wf(s，x)|≤|Wf(s，x0)|，则x0为小波模极大值点，Wf(s，x0)为小波变换的模极大值。
进一步，优选的是，所述步骤S4具体方法为：
根据模极大值Wf(s，x0M)和Wf(s，x0N)，确定模极大值点x0M和x0N，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，然后采用行波测距法进行故障定位；
假定在t时间点线路上出现的故障，从故障点产生的初始行波达到两侧母线的时间分别由表示，通过下面的公式能够计算出故障点的距离：
式中X为故障点到母线M端的距离，tM、tN为行波波头到达母线M、N的时刻，tM＝x0M，tN＝x0N，V是行波波速，L是故障线路长度。
本发明同时提供基于小波变换的低压线路故障定位系统，包括：
相电流采集模块，用于采集线路发生故障时A、B、C三相的相电流，得到相电流故障分量IA、IB、IC；
第一处理模块，用于对相电流故障分量进行相模变换，得到相电流IA、IB、IC的模故障分量行波信号；
第二处理模块，用于利用db4小波对α模故障分量进行小波分析，得到模极大值；
故障定位模块，用于根据获得的模极大值，确定模极大值点，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，然后采用行波测距法进行故障定位。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述基于小波变换的低压线路故障定位方法的步骤。
本发明另外提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述基于小波变换的低压线路故障定位方法的步骤。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
本发明通过对低压线路三相相电流的故障模分量行波信号进行深入分析，提出一种基于小波变换的低压线路故障定位方法及系统，以提高低压线路故障定位精度。在实践过程中，通过引入Clarke相模变换、小波分析、行波测距法等方法，与现有的故障分析法和行波法相比，本发明能够消除过渡电阻、行波波速和线路参数等因素对线路故障定位精度的影响，有效提高线路故障定位精度，将故障定位误差缩小到1％以内，保障电网稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于小波变换的低压线路故障定位方法流程图；
图2为行波测距法的示意图；
图3为本发明基于小波变换的低压线路故障定位系统的结构示意图；
图4为本发明电子设备结构示意图；
图5为应用实例中α模分量小波变换结果，其中，(a)为M端α模分量小波变换结果；(b)为N端α模分量小波变换结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
实施例1
一种基于小波变换的低压线路故障定位方法，包括以下步骤：
S1：采集线路发生故障时A、B、C三相的相电流，得到相电流故障分量IA、IB、IC；
S2：对相电流故障分量进行相模变换，得到相电流IA、IB、IC的模故障分量行波信号；
S3：利用db4小波对α模故障分量进行小波分析，得到模极大值；
S4：根据获得的模极大值，确定模极大值点，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，然后采用行波测距法进行故障定位。
实施例2
一种基于小波变换的低压线路故障定位方法，包括以下步骤：
S1：采集线路发生故障时A、B、C三相的相电流，得到相电流故障分量IA、IB、IC；
S2：对相电流故障分量进行相模变换，得到相电流IA、IB、IC的模故障分量行波信号；
S3：利用db4小波对α模故障分量进行小波分析，得到模极大值；
S4：根据获得的模极大值，确定模极大值点，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，然后采用行波测距法进行故障定位。
所述步骤S2具体方法为：
相电流故障分量IA、IB、IC进行Clarke相模变换解耦合，得到相电流模故障分量I0、Iα、Iβ、Iγ；Clarke相模变换采用以下公式：
式(1)中，IA、IB、IC分别为A、B、C三相相电流故障分量，对其进行Clarke相模变换之后，I0为相电流的零模分量，Iα、Iβ、Iγ是相电流故障分量IA、IB、IC的模故障分量。
所述步骤S3具体方法为：
将模故障分量Iα进行db4小波变换，分别提取M端和N端的小波变换模极大值Wf(s，x0M)和Wf(s，x0N)；
设函数ψ(x)满足：
其中，R为实数，则ψ(x)为母小波；令ψs(x)表示ψ(x)对尺度S的伸缩；
任意信号f(x)∈L2(R)的连续小波变换Wf(s，x)表示为
Wf(s，x)＝f*ψ(x) (4)
其中，L2(R)指R上平方可积函数构成的函数空间；也常被称为能量有限的信号空间。
设该小波函数在尺度S下，在x0的某一邻域，对一切x有|Wf(s，x)|≤|Wf(s，x0)|，则x0为小波模极大值点，Wf(s，x0)为小波变换的模极大值。
所述步骤S4具体方法为：
根据模极大值Wf(s，x0M)和Wf(s，x0N)，确定模极大值点x0M和x0N，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，然后采用行波测距法进行故障定位；
假定在t时间点线路上出现的故障，从故障点产生的初始行波达到两侧母线的时间分别由表示，通过下面的公式能够计算出故障点的距离：
式中X为故障点到母线M端的距离，tM、tN为行波波头到达母线M、N的时刻，tM＝x0M，tN＝x0N，V是行波波速，L是故障线路长度。
实施例3
如图3所示，基于小波变换的低压线路故障定位系统，包括：
相电流采集模块101，用于采集线路发生故障时A、B、C三相的相电流，得到相电流故障分量IA、IB、Ic；
第一处理模块102，用于对相电流故障分量进行相模变换，得到相电流IA、IB、IC的模故障分量行波信号；
第二处理模块103，用于利用db4小波对α模故障分量进行小波分析，得到模极大值；
故障定位模块104，用于根据获得的模极大值，确定模极大值点，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，然后采用行波测距法进行故障定位。
本发明实施例提供的基于小波变换的低压线路故障定位系统，该系统能能够消除过渡电阻、行波波速和线路参数等因素对线路故障定位精度的影响，有效提高线路故障定位精度，将故障定位误差缩小到1％以内，保障电网稳定运行。本发明实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
图4为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，参照图4，该电子设备可以包括：处理器(processor)201、通信接口(Communications Interface)202、存储器(memory)203和通信总线204，其中，处理器201，通信接口202，存储器203通过通信总线204完成相互间的通信。处理器201可以调用存储器203中的逻辑指令，以执行如下方法：采集线路发生故障时A、B、C三相的相电流，得到相电流故障分量IA、IB、IC；对相电流故障分量进行相模变换，得到相电流IA、IB、IC的模故障分量行波信号；利用db4小波对α模故障分量进行小波分析，得到模极大值；根据获得的模极大值，确定模极大值点，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，然后采用行波测距法进行故障定位。
此外，上述的存储器203中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的基于小波变换的低压线路故障定位方法，例如包括：采集线路发生故障时A、B、C三相的相电流，得到相电流故障分量IA、IB、IC；对相电流故障分量进行相模变换，得到相电流IA、IB、IC的模故障分量行波信号；利用db4小波对α模故障分量进行小波分析，得到模极大值；根据获得的模极大值，确定模极大值点，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，然后采用行波测距法进行故障定位。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如RQM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
应用实例
1、采集故障相电压和故障相电流。
采集线路发生故障时A、B、C三相的相电流，得到相电流分别为IA、IB、IC。
2、进行相模变换之后得到故障模分量行波信号。
当低压三相配电线路发生故障时，各相之间存在的电磁耦合作用会影响故障定位的精确性。为了将三相不独立的行波分量转换为相互独立的行波分量，将相电流分量进行Clarke相模变换解耦合，得到相电流模故障分量I0、Iα、Iβ、Iγ；Clarke相模变换采用以下公式：
上式中，IA、IB、IC分别为A、B、C三相相电流，对其进行Clarke相模变换之后，I0为相电流的零模分量，Iα、Iβ、Iγ是相电流IA、IB、IC的模故障分量。
3、利用db4小波对α模分量进行小波分析，得到模极大值。
(1)研究各种类型的故障发生时的边界条件，将边界条件代入模故障分量Iα、Iβ、Iγ中，选取合适的模故障分量；
其中，0模分量受零序电阻和零序电感影响比较大，β、γ模分量在电流行波信号传播过程中衰减较大，故选取α模分量进行故障定位。
(2)选取合适的小波变化阶数；
dbN小波满足如下基本特征：
假设式中/>为二项式系数，则有：
其中，N是小波的阶数，k为平移参数，hk为转换函数，e为自然底数，/>为角频率；
1)对于db小波，支撑长度和消失矩阶数分别为2N-1和N，db4小波支撑长度为7，消失矩为4阶；
2)dbN小波为正交小波基，满足正交性；
3)阶数N越大，在小波分析和重构时的稳定性和准确性越好，且能够更好的进行局部化分析；
故选择db4小波分析配电线路故障信号。
(3)将模故障分量Iα进行db4小波变换，分别提取M端和N端的小波变换模极大值Wf(s，x0M)和Wf(s，x0N)。
设函数ψ(x)满足：
其中，R为实数，则ψ(x)为母小波。令ψs(x)表示ψ(x)对尺度S的伸缩。
任意信号f(x)∈L2(R)的连续小波变换Wf(s，x)可以表示为
Wf(s，x)＝f*ψ(x) (4)
其中，L2(R)指R上平方可积函数构或的函数空间，也常被称为能量有限的信号空间。
设该小波函数在尺度S下，在x0的某一邻域，对一切x有|Wf(s，x)|≤|Wf(s，x0)|，则x0为小波模极大值点，Wf(s，x0)为小波变换的模极大值。
信号通过小波变换得到的模极大值点与信号突变点的位置是一一对应的关系。由于小波变换对突变信号的敏感性，行波信号到达母线的时间可以被准确检测到，采用小波变换的配电线路故障定位具有限高的准确性。
4、根据模极大值Wf(s，x0M)和Wf(s，x0N)，确定模极大值点x0M和x0N，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，然后采用行波测距法进行故障定位。
线路发生故障以后，故障点产生的暂态行波会沿着线路向两侧的母线继续传播，这个时候观察暂态行波的传播波形就很容易获得行波第一次到达两侧母线的时间点，同时能够清楚的了解到时间点的数值大小与线路的结构类型、系统的运行方法以及线路参数的改变是相互独立的。
基本思路基于故障点的初始行波到达线路两头母线的时间差，通过时间差的值得出故障点到线路两端母线之间的距离。假定在t时间点线路上出现的故障，从故障点产生的初始行波达到两侧母线的时间分别由tM和tN表示，通过下面的公式能够计算出故障点的距离：
式中X为故障点到母线M端的距离，tM、tN为行波波头到达母线M、N的时刻，tM＝x0M，tN＝x0N，V是行波波速，L是故障线路长度。
如图2所示，本实施例使用Matlab/Simulink建立线路仿真模型，该模型为双侧电源供电系统，三相电压电流采集装置安装在M、N处，线路参数设置为：
r1＝0.01273Ω/km r0＝0.3864Ω/km
l1＝0.9337mH/km l0＝4.1264mH/km
c1＝0.01274uF/km c0＝0.007751uF/km
仿真模型中，线路全长设置为23km，设置故障类型设置为u相接地故障，故障位置距M端的距离设置为13km，过渡电阻设置为0.01Ω，采样频率设置为1MHz。
首先，将经相模变换得到的M端、N端电流的α模分量进行小波变换，找到第一个模极大值点，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，运用公式(5)可以进行故障测距。
由图5可知，波头到达M端、N端的时刻为第一个模极大值点，到达M端、N端时刻分别记为tM、tN，其中，tM＝0.035048s，tN＝0.035038s，波速V＝280800km/s，用公式(5)求得X＝12.904km，误差为0.096km，定位误差小于1％，与现有技术相比，具有较高的定位精度，能够消除过渡电阻、行波波速和线路参数等干扰因素，满足线路故障定位的要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种基于小波变换的低压线路故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集线路发生故障时A、B、C三相的相电流，得到相电流故障分量IA、IB、IC；
S2：对相电流故障分量进行相模变换，得到相电流IA、IB、IC的模故障分量行波信号；
S3：利用db4小波对α模故障分量进行小波分析，得到模极大值；
S4：根据获得的模极大值，确定模极大值点，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，然后采用行波测距法进行故障定位；
所述步骤S3具体方法为：
将模故障分量Iα进行db4小波变换，分别提取M端和N端的小波变换模极大值Wf(s,x0M)和Wf(s,x0N)；
设函数ψ(x)满足：
其中，R为实数，则ψ(x)为母小波；令ψs(x)表示ψ(x)对尺度S的伸缩；
任意信号f(x)∈L2(R)的连续小波变换Wf(s,x)表示为
Wf(s,x)＝f*ψ(x) (4)
其中，L2(R)指R上平方可积函数构成的函数空间；
设该小波函数在尺度S下，在x0的某一邻域，对一切x有|Wf(s,x)|≤|Wf(s,x0)|，则x0为小波模极大值点，Wf(s,x0)为小波变换的模极大值；
所述步骤S4具体方法为：
根据模极大值Wf(s,x0M)和Wf(s,x0N)，确定模极大值点x0M和x0N，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，然后采用行波测距法进行故障定位；
假定在t时间点线路上出现的故障，从故障点产生的初始行波达到两侧母线的时间分别由表示，通过下面的公式能够计算出故障点的距离：
式中X为故障点到母线M端的距离，tM、tN为行波波头到达母线M、N的时刻，tM＝x0M，tN＝x0N，V是行波波速，L是故障线路长度；
所述步骤S2具体方法为：
相电流故障分量IA、IB、IC进行Clarke相模变换解耦合，得到相电流模故障分量I0、Iα、Iβ、Iγ；Clarke相模变换采用以下公式：
式(1)中，IA、IB、IC分别为A、B、C三相相电流故障分量，对其进行Clarke相模变换之后，I0为相电流的零模分量，Iα、Iβ、Iγ是相电流故障分量IA、IB、IC的模故障分量。
2.基于小波变换的低压线路故障定位系统，采用权利要求1所述的基于小波变换的低压线路故障定位方法，其特征在于，包括：
相电流采集模块，用于采集线路发生故障时A、B、C三相的相电流，得到相电流故障分量IA、IB、IC；
第一处理模块，用于对相电流故障分量进行相模变换，得到相电流IA、IB、IC的模故障分量行波信号；
第二处理模块，用于利用db4小波对α模故障分量进行小波分析，得到模极大值；
故障定位模块，用于根据获得的模极大值，确定模极大值点，此点即为行波波头到达M端、N端的时刻，然后采用行波测距法进行故障定位。
3.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1所述基于小波变换的低压线路故障定位方法的步骤。
4.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述基于小波变换的低压线路故障定位方法的步骤。
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