CN116338381A - 基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法，包括：对故障行波数据进行小波变换分解和重构，从而得到重构的1层高频细节系数的波形；将重构到1层高频细节系数波形的时间横轴划分为若干等长时间段，每个时间段包含相同数量的时间点，并依次标注每个时间段中重构的1层高频细节系数波形的最大幅值。以原始重构波形0时刻点的幅值为起点，依次连接每个时间段的最大幅值，得到原始重构波形的上包络线。在此基础上，提取上包络线中所有模极大值及其对应的时间点。最后，设置浮动门槛值，将所有模极大值与浮动门槛值进行比较，根据模极大值对应的时间点获取各个故障波头到达的时刻，从而完成标定。

Description

基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法

技术领域

本发明属于配电网继电保护技术领域，尤其涉及基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法。

背景技术

目前，在配电网线路故障定位方法中，最常见的是行波法。它主要利用故障点产生的暂态行波在接近光速的行波速度下沿配网线路到达行波检测装置的时刻，以及行波特征和配电网拓扑结构来确定行波传播路径，从而准确地定位故障位置。影响故障行波定位方法定位精度的关键因素在于各次行波到达测量点的时间标定准确性；仅有0.1μs的标定误差就能导致几十米的故障定位误差。而小波变换能够快速并准确地识别波头到达时刻。

当故障行波到达检测点，行波暂态分量会在此刻发生不规则突变。而对行波信号进行小波变换分解与重构后的高频细节系数波形与暂态分量的突变点附近对应的时刻具有较大幅值，因此可以通过标定小波变换模极大值来确定初始故障行波和各个反射波的到达时刻。随着小波变换分解层数的增多和尺度的增大，表征行波到达时刻的行波信号细微突变特征变得越来越不明显。为了准确地标定各次行波到达时刻的细微突变点，通常采用暂态行波经过小波分解与重构到1层高频细节系数的波形来标定其模极大值序列。

过去，人们通过观察小波变换高频系数中各个浪涌小波模极大值点所对应的时刻，即可确定行波到达时刻。然而，实际情况是，并非所有对应行波到达时刻的模极大值点都能被精确地标定出来。

由于配电网多为分支多、区段短、节点多的架空线-电缆混联的复杂放射型线路结构，区段的长度大多在几百米到两千米之间。在这种情况下，行波在阻抗不连续点频繁的折反射容易导致行波衰减快，致使检测到的故障点反射波到达特征不明显、信号混叠。此外，接地电阻、故障初相角和故障距离等因素的影响也会导致奇异性特征不明显而造成故障行波到达检测点的时刻难以标定。且配电网检测点众多，标定工作量巨大。

当行波经过小波分解与重构到1层高频细节系数时，由于区段短引起的信号混叠使得各个浪涌的模极大值对应的行波到达时刻非常接近。同时，这些时刻之间还夹杂着大量幅值较浪涌低的时间点，这可能导致与波头到达时刻对应的模极大值出现被漏标或误标的情况。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法，对行波经过小波分解与重构到1层的高频细节系数作进一步处理，使故障行波无论在不同故障距离、故障初相角和接地电阻等故障因素，还是在分支多且短的配电网频繁的折反射的情况下都能被精准的标定出各次故障行波到达时刻，尤其是单端定位所需的第二次行波到达时刻。

为实现上述目的，本发明提供了基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法，包括以下步骤：

采集故障行波数据，对所述故障行波数据进行小波变换分解与重构到1层高频细节系数，获取重构到1层高频细节系数波形；

将所述重构到1层高频细节系数波形的时间横轴划分为等长的若干个时间段，每个时间段包含等长的若干个时间点，依次标注所述重构到1层高频细节系数波形中每个时间段的最大幅值；

以原始重构波形0时刻点的幅值为起点，将所述每个时间段的最大幅值依次连接，获取所述原始重构波形的上包络线；

基于所述原始重构波形的上包络线，提取所述上包络线中所有模极大值及对应的时间点；

设置浮动门槛值，提取高于浮动门槛值的所有模极大值，基于所述高于浮动门槛值的所有模极大值及对应的时间点获取各个故障波头到达时刻，完成新型小波变换模极大值标定。

可选的，所述小波变换分解的层数不小于3。

可选的，获取若干个所述时间点的方法包括：

T＝s×f＝m×n

其中，s为采集的故障行波的时长，f为采样频率，m为时间段的数量，n为每个时间段包含的时间点数量，T为采集的故障行波数据的时间点总数。

可选的，时间点、时间段和每个时间段标注的最大幅值的关系包括：每n个时间点的时间轴为一个时间段，共标记出m个最大幅值。

可选的，获取所述原始重构波形的上包络线的方法为：

d_b(t)＝[max(d(1)，d(2)，…d(n)),…,max(d(1+(m-1)×n)，d(2+(m-1)×n)，…d(m×n))]_1×m

其中，d(t)为以实时采集的故障行波数据的时间点t为横轴的原始重构波形函数，m为时间段的数量，n为每个时间段包含的时间点数量，d_b(t)为由m个最大幅值组成的以m个最大幅值对应的时间点t为横轴的上包络线波形函数。

可选的，所述上包络线中所有模极大值满足的条件为：

d_b(i)＞d_b(i-1)，d_b(i)＞d_b(i+1)，(i＝2,3,4,…,m-1)

其中，m为时间段的数量，i为若干个时间段的序号，i表示第2至第m-1个时间段，d_b(t)为上包络线波形函数。

可选的，设置浮动门槛值，提取高于浮动门槛值的所有模极大值，基于所述高于浮动门槛值的所有模极大值及对应的时间点获取各个故障波头到达时刻的方法包括：设置浮动门槛值，依次将所有模极大值与浮动门槛值比较并进行过滤处理，过滤掉低于浮动门槛值的模极大值，提取高于浮动门槛值的模极大值及对应的时刻，并将高于浮动门槛值的模极大值及对应的时刻标定为各个故障波头到达时刻。

可选的，所述浮动门槛值为原始重构波形的最大幅值的0.45％。

本发明技术效果：本发明公开了基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法，本发明在原始小波变换模极大值标定方法的基础上，通过调节n值来处理重构到1层的高频细节系数波形，将原始重构波形中各个浪涌小波夹杂的幅值较低的干扰模极大值点经过画包络线处理，滤除干扰值，使各个浪涌小波模极大值点更为明显地被标定出来。这样一来，可能存在混叠的前几次行波到达时刻，特别是单端定位所需的第二次行波到达时刻对应的小波变换模极大值都能被更明显、更精准地标定出来；这种方法避免了原始标定法由于配电网分支多、区段短等复杂网络结构和各种故障因素的干扰而导致行波衰减、信号混叠、奇异性特征不明显的问题，进而解决了各个浪涌的模极大值对应的行波到达时刻非常接近、模极大值幅值小而造成对模极大值的漏标或误标的问题，从而提高配电网故障行波定位的准确性和效率。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例线模电压行波数据及其进行小波变换分解与重构到1层高频细节系数示意图，其中(a)为线模电压行波，(b)对线模电压行波进行小波变换分解与重构到1层高频细节系数的波形；

图3为本发明实施例经过新型小波变换模极大值标定的过程示意图，其中(a)为原始重构波形及其上包络线波形图，(b)为上包络线柱状图，(c)为原始重构波形的各个模极大值及其对应的波头到达时刻。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1-3所示，本实施例中提供基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法，包括以下步骤：

采集故障行波数据，对故障行波数据进行小波变换分解与重构到1层高频细节系数，获取重构到1层高频细节系数波形；

将重构到1层高频细节系数波形的时间横轴划分为等长的若干个时间段，每个时间段包含等长的若干个时间点，依次标注重构到1层高频细节系数波形中每个时间段的最大幅值；

以原始重构波形0时刻点的幅值为起点，将每个时间段的最大幅值依次连接，获取原始重构波形的上包络线；

基于原始重构波形的上包络线，提取上包络线中所有模极大值及对应的时间点；

设置浮动门槛值，提取高于浮动门槛值的所有模极大值，基于高于浮动门槛值的所有模极大值及对应的时间点获取各个故障波头到达时刻，完成新型小波变换模极大值标定。

小波变换分解的层数不小于3。

每n个时间点的时间轴为一个时间段，共标记出m个最大幅值。m的取值范围与采样频率和采集的离散的故障行波数据长度有关。n的取值范围决定了行波到达时刻标定的准确性，不宜过大也不宜过小，n取值过大可能导致模极大值漏标，过小可能导致模极大值误标。经过大量的仿真实验验证，由n个时间点组成的时间段取0.5μs。则采集的故障行波数据的时间点总数满足如下关系

T＝s×f＝m×n

其中，s为故障行波的时长，f为采样频率，m为时间段的数量，n为时间点的数量，T为采集的故障行波数据的时间点总数。

本发明将N设为200，即每5个时间点里标注一个最大值点。进一步的，所述步骤3中，设d(t)为原始重构波形。它的上包络线波形函数d_b(t)由以下m个值组成：

d_b(t)＝[max(d(1)，d(2)，…d(n)),…,max(d(1+(m-1)×n)，d(2+(m-1)×n)，…d(m×n))]_1×m

其中，d(t)为以实时采集的故障行波数据的时间点t为横轴的原始重构波形函数，m为时间段的数量，n为每个时间段包含的时间点数量，d_b(t)为由m个最大幅值组成的以m个最大幅值对应的时间点t为横轴的上包络线波形函数。

上包络线波形中某时间点的幅值均比其前一个时间段和后一个时间段的最大幅值都大，则该时间点对应的幅值即为初步的模极大值。原始重构波形中的各个浪涌小波可能混杂着幅值较低的干扰模极大值点，经过上包络线处理，这些干扰值已经被滤除，同时各个浪涌小波模极大值点更明显的被标定出来，从而避免了因复杂网络结构和外在故障因素的干扰导致的模极大值的漏标或误标。满足上包络线中所有模极大值的条件包括：

d_b(i)＞d_b(i-1)，d_b(i)＞d_b(i+1)，(i＝2,3,4,…,m-1)

其中，m为时间段的数量，i为若干个时间段的序号，i表示第2至第m-1个时间段，d_b(t)为上包络线波形函数。

设置浮动门槛值，将所有模极大值与浮动门槛值进行比较，基于模极大值对应的时间点获取各个故障波头到达时刻的方法包括：基于浮动门槛值，依次将所有模极大值与浮动门槛值比较，过滤掉低于浮动门槛值的模极大值，提取高于浮动门槛值的模极大值及对应的时刻，并将高于浮动门槛值的模极大值及对应的时刻标定为各个故障波头到达时刻。

根据图1的步骤进行模极大值标定，图2为本申请的一个具体实施例，图2(a)为仿真平台搭建的接地电阻为1000Ω、初始行波比第二次反射波在线路上的传输距离小0.2×2km的配电网线路接地故障时所采集的线模电压行波数据。图2(b)为该线模电压行波进行小波变换分解与重构到1层高频细节系数，图中选用db9小波函数对线模电压行波进行5层分解与重构到1层高频细节系数，故障行波的采集时长为s＝0.1ms，采样频率为f＝10MHz，则采集的故障行波数据的时间点总数为T＝s×f＝1000。将原始重构波形的1000个时间点分成每段长度为0.5μs的m个时间段，即每五个时间点为一段，共分成200段。依次标注出每个时间段波形的最大幅值，以原始重构波形0时刻点的幅值为起点(如图2(b)起点为d(1)＝6.164×10^-5)，将第1至第200个时间段中标注的最大幅值依次连接起来，形成以这200个最大幅值为序列的原始重构波形的上包络线波形，如图3(a)，上包络线表示如下：

d_b(t)＝[max(d(1),d(2),…,d(5)),…,max(d(996),d(997),…,d(1000))]_1×200即d_b(t)＝[d(1),d(8),…d(35),d(37),d(41),…,d(73)d(77),d(81),d(87),d(91),d(97),…,d(999)]_1×200

如图3(b)为上包络线的柱状图，对比图2(b)可以明显看出，在图2(b)中，各个浪涌小波中混杂着幅值较低的干扰模极大值点，经过绘制包络线处理后，如图3(b)，其干扰值已经被滤除，同时各个浪涌小波模极大值点被更明显地标定出来，避免了因复杂网络结构和外在故障因素的干扰导致模极大值的漏标或误标。因此，在上包络线序列中，提取比其前一个时间段和后一个时间段的最大幅值都大的初步模极大值及其对应的时间点。提取的初步模极大值及其满足的条件如下：

d_b(37)＝2.505×10^-6＞d_b(35)，d_b(37)＞d_b(41)；d_b(77)＝19.808＞d_b(73)，d_b(77)＞d_b(81)；

d_b(91)＝1.001＞d_b(87)，d_b(91)＞d_b(97)；…d_b(983)＝0.056＞d_b(977)，d_b(983)＞d_b(989)；

最后取原始重构波形的最大幅值d(77)＝19.81的0.45％，即0.089设为浮动门槛值，对小于门槛值的初步模极大值进行滤除，进一步去除其它非故障行波到达检测点所对应的干扰模极大值，高于门槛值的各个模极大值对应的时刻，即为各个故障波头到达时刻，如图3(c)所示，滤除后的模极大值及其对应的各次故障波头到达时刻序列表示如下：

d_m(t)＝[d(77),d(91),d(130),…]

计算初始行波与第二次反射波在线路上的传输距离的差值：

L＝(91-77)×10^-7×v＝0.204×2km

其中v＝2.92×10⁵km/s，是根据依频特性参数等得到的故障行波波速。因此，该实施例使用新型小波变换模极大值标定法标定故障波头到达时刻而计算出的故障距离误差仅4×2m。

通过这种方法，测试了在不同的故障距离、故障类型和故障电阻下的影响。在电缆和架空线上发生不同故障距离的单相接地故障时，利用新型小波变换模极大值标定法标定初始波头到达时刻t₁和第二次波头到达时刻t₂，以进行单端定位故障距离L。仿真结果如表1所示，在故障距离为0.4km时发生不同故障类型以及不同故障电阻的定位结果如表1～3所示，其中表1为不同故障距离单相接地定位结果，表2为0.4km处不同故障类型的定位结果，表3为0.4km处不同故障电阻的定位结果。

表1

表2

表3

由表1～3可见，在不同故障距离、故障类型以及故障电阻的情况下，该方法都可以通过新型小波变换模极大值标定法精准地标定出初始故障行波以及第二次故障行波到达时刻，得到的定位结果误差基本在50米以内，定位精度较高，且满足实际工程需求。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集故障行波数据，对所述故障行波数据进行小波变换分解与重构到1层高频细节系数，获取重构到1层高频细节系数波形；

将所述重构到1层高频细节系数波形的时间横轴划分为等长的若干个时间段，每个时间段包含等长的若干个时间点，依次标注所述重构到1层高频细节系数波形中每个时间段的最大幅值；

以原始重构波形0时刻点的幅值为起点，将所述每个时间段的最大幅值依次连接，获取所述原始重构波形的上包络线；

基于所述原始重构波形的上包络线，提取所述上包络线中所有模极大值及对应的时间点；

设置浮动门槛值，提取高于浮动门槛值的所有模极大值，基于所述高于浮动门槛值的所有模极大值及对应的时间点获取各个故障波头到达时刻，完成新型小波变换模极大值标定。

2.如权利要求1所述的基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法，其特征在于，所述小波变换分解的层数不小于3。

3.如权利要求1所述的基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法，其特征在于，获取若干个所述时间点的方法包括：

T＝s×f＝m×n

其中，s为采集的故障行波的时长，f为采样频率，m为时间段的数量，n为每个时间段包含的时间点数量，T为采集的故障行波数据的时间点总数。

4.如权利要求3所述的基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法，其特征在于，时间点、时间段和每个时间段标注的最大幅值的关系包括：每n个时间点的时间轴为一个时间段，共标记出m个最大幅值。

5.如权利要求1所述的基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法，其特征在于，获取所述原始重构波形的上包络线的方法为：

d_b(t)＝[max(d(1)，d(2)，…d(n)),…,max(d(1+(m-1)×n)，d(2+(m-1)×n)，…d(m×n))]_1×m

其中，d(t)为以实时采集的故障行波数据的时间点t为横轴的原始重构波形函数，m为时间段的数量，n为每个时间段包含的时间点数量，d_b(t)为由m个最大幅值组成的以m个最大幅值对应的时间点t为横轴的上包络线波形函数。

6.如权利要求1所述的基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法，其特征在于，所述上包络线中所有模极大值满足的条件为：

d_b(i)＞d_b(i-1)，d_b(i)＞d_b(i+1)，(i＝2,3,4,…,m-1)

其中，m为时间段的数量，i为若干个时间段的序号，i表示第2至第m-1个时间段，d_b(t)为上包络线波形函数。

7.如权利要求1所述的基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法，其特征在于，设置浮动门槛值，提取高于浮动门槛值的所有模极大值，基于所述高于浮动门槛值的所有模极大值及对应的时间点获取各个故障波头到达时刻的方法包括：设置所述浮动门槛值，依次将所述所有模极大值与浮动门槛值比较并进行过滤处理，过滤掉低于所述浮动门槛值的模极大值，提取高于所述浮动门槛值的模极大值及对应的时刻，并将高于所述浮动门槛值的模极大值及对应的时刻标定为各个故障波头到达时刻。

8.如权利要求1所述的基于配电故障行波定位的新型小波变换模极大值标定方法，其特征在于，所述浮动门槛值为原始重构波形的最大幅值的0.45％。

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