專利名稱：利用小波能量相對熵的配電網(wǎng)纜－線混合線路故障選線方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)繼電保護技術領域，具體地說是利用小波能量相對熵的配電網(wǎng)纜-線混合線路故障選線方法。
背景技術：
隨著配電網(wǎng)的發(fā)展，諧振接地系統(tǒng)中電纜線路的比例越來越大。諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，電纜線路的對地電容較大，暫態(tài)量較純架空線路更為豐富，充分利用纜-線混合線路暫態(tài)特征進行選線，能大大提高選線的可靠性。
諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，線電壓仍對稱且故障電流較小，對負荷的供電影響很小，規(guī)程規(guī)定系統(tǒng)可以繼續(xù)運行1～2h。但是非故障相對地電壓升高，長時間運行會容易導致故障擴大為兩點或多點短路；弧光接地還會引起全系統(tǒng)過電壓，危害設備的絕緣及系統(tǒng)的安全運行，因此必須及時確定故障線路，盡快排除故障。為此，許多學者進行了大量研究，提出了基于穩(wěn)態(tài)量、基于暫態(tài)量的多種故障選線方法，并相繼開發(fā)了幾代故障選線裝置。但現(xiàn)場運行經(jīng)驗表明，現(xiàn)有的故障選線裝置選線準確率不高，更為完善的選線算法還有待研究。近年來，有學者著眼于利用故障行波實現(xiàn)選線的研究，但行波傳播速度很快，需要1MHz左右的采樣頻率，對硬件要求較高；諧振接地系統(tǒng)線路較短，非線性負荷干擾較大，行波波頭不易檢測，此亦降低了基于行波分析的故障選線方法的可靠性。對于纜-線混合線路，發(fā)生單相接地故障，會引起較大的暫態(tài)對地電容電流，與純架空線路相比，健全線路之間零序電流的相似性變差，因此基于相關分析的選線方法準確性會降低。
小波分析作為一種較為精細的暫態(tài)信號分析方法，被廣泛應用于電流系統(tǒng)故障信號分析。以往利用小波分析的諧振接地系統(tǒng)故障選線方法，大多是通過比較故障信號暫態(tài)分量的幅值大小和極性來實現(xiàn)選線。近年來，有學者著眼于利用小波分析，根據(jù)能量最大原理確定故障特征頻帶，用特征頻帶的故障特征實現(xiàn)選線。由于電纜線路與架空線路的線路分布參數(shù)差異較大且依頻特性不同等因素影響，各線路能量最集中的頻帶不一定相同，同時利用特征頻帶的故障信息進行選線，損失了其余頻帶的故障特征。
熵是表征信息量的一個普適量，小波能量相對熵能將小波分析與相對熵相結合，充分利用二者的優(yōu)點，來描述信號的特征量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為了克服上述現(xiàn)有小電流接地系統(tǒng)選線方法的不足，發(fā)明一種充分小波能量相對熵能細化故障能量分布特征，采用全頻帶的小波能量特征，通過比較各線路綜合小波能量相對熵實現(xiàn)故障選線，其選線的結果準確、可靠。本發(fā)明能有效避開CT飽和間斷角對選線的影響，是一種對于纜-線混合線路、純電纜線路和純架空線路，均適用的利用綜合小波能量相對熵的配電網(wǎng)纜-線混合線路故障選線方法。
本發(fā)明一種利用全頻帶小波能量相對熵的配電網(wǎng)纜-線混合線路故障選線方法技術方案是出現(xiàn)母線零序電壓瞬時值越限時，故障選線裝置立即啟動，采集各線路故障后1/4周期的零序電流，進行小波分解，并對各尺度下的小波分解系數(shù)進行單支重構，利用重構系數(shù)計算各線路零序電流在各個頻帶下的小波能量；結合相對熵對信號間細微差別的超強識別能力，計算各線路在各個頻帶下的小波能量相對熵，并求取每條線路的綜合小波能量相對熵，通過比較各線路全頻帶的綜合小波能量相對熵大小，自適應地選出配電網(wǎng)故障線路，輸出選線結果。
該方法具體步驟如下 (1)當母線零序電壓瞬時值un(t)大于KuUn，故障選線裝置立即啟動，記錄下故障后1/4個周期各線路的零序電流，其中Ku一般取值為0.15，Un表示母線額定電壓； (2)利用采集的db10小波對各線路故障后1/4個周期的零序電流進行多分辨分析，得到各尺度下的小波系數(shù)，在分解尺度j下n時刻的高頻分量系數(shù)為
低頻分量的系數(shù)為
并對各尺度下的小波分解系數(shù)進行單支重構，得到的信號分量
所包含信息的頻帶范圍為 上式中Dj(n)為高頻分量；Aj(n)為低頻分量；fs為信號的采樣頻率；J為最大分解尺度； (3)根據(jù)以下公式計算各線路零序電流在各個頻帶的小波能量； 各線路零序電流i0(n)可表示為小波分解，并單支重構后各分量的和，即 令DJ+1(n)＝AJ(n)，則有 對于正交小波變換，各線路零序電流變換后各尺度的能量可直接由其小波系數(shù)的平方得到，即 上式中，Ej(n)為各線路零序電流經(jīng)小波變換后的能量； (4)根據(jù)下列公式計算尺度j下各線路零序電流的權重系數(shù)pij； 定義線路i在尺度j下的小波能量和為 上式中，Dij(n)為線路i的零序電流在尺度j下小波系數(shù)，L為配電網(wǎng)線路總數(shù)，由此可得尺度j下所有線路的總能量為 定義尺度j下各線路i的能量和在總能量中所占的比重，即權重系數(shù)pij為 由上公式可知， (5)計算各線路i的綜合小波能量相對熵Mi； 根據(jù)相對熵理論，結合上述故障零序電流小波能量的分析，定義線路i相對于線路l的小波能量相對熵Mil為 上式中，p1j為尺度j下各線路l的能量和在總能量中所占的比重； 定義線路i相對于其余線路的綜合小波能量相對熵為 上式中，Mlj為線路l相對于線路i的小波能量相對熵。
(6)故障選線判據(jù)選出綜合小波能量相對熵最大的三個，按照大小排序分別為Ma、Mb、Mc，當滿足Ma>Mb+Mc時，綜合小波能量相對熵最大的Ma對應的線路為故障線路，否則，判為母線故障。
本發(fā)明工作基本原理 一、故障暫態(tài)分析 我國配電網(wǎng)大多采用由架空線和電纜線構成的輻射狀網(wǎng)絡。隨著配電網(wǎng)的改造、建設，電纜線的使用量大大增加，分布電容增大，導致接地容性電流大大超過運行規(guī)程規(guī)定，中性點必須經(jīng)消弧線圈接地。由此，建立含有纜-線混合線路的諧振接地系統(tǒng)模型如圖1所示。圖1所示系統(tǒng)為一個有6條出線的110kV/35kV變電所，Z字型變壓器中性點通過消弧線圈串聯(lián)電阻接地，采用LSJC-35型電流互感器。線路L1、L3、L5采用架空線路，線路L4采用纜-線混合線路，線路L2、L6采用電纜線路，其中，架空線路采用JS1桿型，LGJ—70型導線，檔距為80m，電纜線路采用YJV23-35/95型電纜。圖1中，T為降壓變壓器，Tz為接地變壓器，K為開關，L為消弧線圈電感，R為消弧線圈串聯(lián)電阻，Rf為接地故障過渡電阻，i01、i04、i06分別為線路L1、L4、L6的零序電流。
諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，暫態(tài)接地電流由暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電感電流疊加而成。系統(tǒng)結構、大小和運行方式不同，暫態(tài)過程也有所不同。暫態(tài)電容電流具有周期性的衰減振蕩特性。對于中壓諧振接地系統(tǒng)，其故障暫態(tài)電容電流的變化范圍一般為300～3000H[z。線路越長，自振蕩頻率越低，暫態(tài)電容電流的自由振蕩分量幅值也會降低。當單相接地故障合閘角較小時，暫態(tài)接地電流中會產(chǎn)生較大的感性衰減直流分量，它雖不會改變接地電流1/4周期的極性，但對幅值卻帶來了明顯的影響。
小波變換為暫態(tài)信號提供了一種精細的分析方法。設離散信號x(n)經(jīng)小波變換后，在分解尺度j下n時刻的高頻分量系數(shù)為
低頻分量的系數(shù)為
對各尺度下的小波分解系數(shù)進行單支重構，(因小波分解和對小波分解系數(shù)進行單支重構的方法在公開刊物上有詳細描述，本專利中不再做詳細介紹)，得到的信號分量
所包含信息的頻帶范圍為 式(1)中Dj(n)為高頻分量；Aj(n)為低頻分量；fs為信號的采樣頻率；J為最大分解尺度。原始信號序列x(n)可表示為各分量的和，即 (2) 令DJ+1(n)＝AJ(n)，則有 對于正交小波變換，變換后各尺度的能量可直接由其小波系數(shù)的平方得到。即 式中，Ej(n)為信號經(jīng)小波變換后的能量。
小波變換是在尺度空間上對電流能量的劃分，多尺度能量統(tǒng)計分布能同時反應暫態(tài)電流頻帶的能量分布特性。諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，故障線路對地電容放電，而健全線路對地電容充電，故障線路與健全線路具有不同的充放電回路。由此，采用上述小波分析方法，分析各線路零序電流在各個頻帶的能量分布，能細化故障能量分布特性。
正常情況下，電流互感器(CT)鐵芯的磁通密度較低，流入勵磁回路的電流很小，二次電流能夠真實傳變一次電流。當諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，故障零序電流中含有豐富的非周期暫態(tài)分量和高次諧波分量，這些分量極易造成CT鐵芯飽和。CT鐵芯飽和有一過程，理論分析和大量仿真表明，CT飽和通常出現(xiàn)在單相接地故障發(fā)生1/4周期之后。為避開CT飽和間斷角的影響，選用故障零序電流的1/4周期進行分析。
由于線路類型、長度和分布參數(shù)等不同，各健全線路零序電流在各個頻帶的小波能量有所不同，但故障線路零序電流在各個頻帶的小波能量與健全線路差異較大。在不同的頻帶，故障線路的小波能量在所有線路總能量中所占比重較大。據(jù)此，參照公式(4)，定義線路i在尺度j下的小波能量和為 式(5)中，Dij(n)為線路i的零序電流在尺度j下小波系數(shù)，L為配電網(wǎng)線路總數(shù)。由此可得尺度j下所有線路的總能量為 根據(jù)公式(5)和(6)，定義尺度j下各線路i的能量和在總能量中所占的比重，即權重系數(shù)pij為 由公式(7)可知， 在信息論中，熵表示每個符號所提供的平均信息量的不確定性，它能提供關于信號潛在動態(tài)過程的有用信息。相對熵又稱為概率分布散度，可用來度量兩個波形的差異。相對熵越小，說明兩個波形差異越小，相對熵越大，說明兩個波形差異越大。小波變換可以放大某一局部的特性，因此計算小波能量相對熵能夠發(fā)現(xiàn)能量信號中微小而短促的差別。
根據(jù)相對熵理論，結合上述故障零序電流小波能量的分析，定義線路i相對于線路l的小波能量相對熵Mil為 式(8)中，plj為尺度j下各線路l的能量和在總能量中所占的比重。
根據(jù)公式(8)，定義線路i相對于其余線路的綜合小波能量相對熵為 式(9)中，Mlj為線路l相對于線路i的小波能量相對熵。
單相接地發(fā)生在線路上時，故障線路的綜合小波能量相對熵遠大于其余線路，而單相接地發(fā)生在母線上時，綜合小波能量相對熵較大的幾條線路熵值相差不大。由此，可形成選線判據(jù) 選出綜合小波能量相對熵最大的三個，按照大小排序分別為Ma、Mb、Mc，當滿足Ma>Mb+Mc時，綜合小波能量相對熵最大的Ma對應的線路為故障線路，否則，判為母線故障。Ma為配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，各線路零序電流的綜合小波能量相對熵的最大值，Mb為配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，各線路零序電流的綜合小波能量相對熵的第二大的值，Mc為配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，各線路零序電流的綜合小波能量相對熵的第三大的值。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點 1)本發(fā)明采用小波分析構造各個頻帶的故障能量，綜合利用全頻帶的小波能量實現(xiàn)選線。
2)本發(fā)明利用綜合小波能量相對熵實現(xiàn)選線，克服了長線電容電流對選線的影響，對電弧故障具有較強的適應性。選線算法具有自適應性。
3)本發(fā)明利用故障后1/4周期的零序電流進行分析，避開了CT飽和間斷角對故障選線準確性的影響。
圖1輻射狀諧振接地系統(tǒng)。
圖2故障選線算法流程圖。
圖3各線路零序電流。
圖4各頻帶的小波能量，(a)尺度5下的低頻能量；(b)尺度5下的高頻能量； (c)尺度4下的高頻能量；(d)尺度3下的高頻能量；(e)尺度2下的高頻能量；(f)尺度1下的高頻能量。
圖5各頻帶的權重系數(shù)，(a)尺度5下的低頻權重系數(shù)；(b)尺度5下的高頻權重系數(shù)；(c)尺度4下的高頻權重系數(shù)；(d)尺度3下的高頻權重系數(shù)；(e)尺度2下的高頻權重系數(shù)；(f)尺度1下的高頻權重系數(shù) 圖6線路L6故障的綜合小波能量相對熵。
圖7母線故障的綜合小波能量相對熵。
具體實施例方式 基于上述分析，含纜-線混合線路的配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，記錄故障后1/4周期各線路的零序電流，通過比較各線路的綜合小波能量相對熵可以實現(xiàn)完善的故障選線算法。故障選線算法的具體實現(xiàn)流程如圖2所示。
1、當母線零序電壓瞬時值un(t)大于KuUn，故障選線裝置立即啟動，記錄下故障后1/4個周期各線路的零序電流，其中Ku一般取值為0.15，Un表示母線額定電壓； 2、利用db10小波對各線路故障后1/4個周期的零序電流進行多分辨分析，得到各尺度下的小波系數(shù)； 3、根據(jù)公式(1)、(2)、(3)、(4)，計算各線路零序電流在各個頻帶的小波能量； 4、根據(jù)公式(5)、(6)、(7)計算尺度j下各線路零序電流的權重系數(shù)pij； 5、根據(jù)公式(8)、(9)，計算各線路i的綜合小波能量相對熵Mi； 6、選出綜合小波能量相對熵最大的三個，按照大小排序分別為Ma、Mb、Mc，當滿足Ma>Mb+Mc時，綜合小波能量相對熵最大的Ma對應的線路為故障線路，否則，判為母線故障。
實施例1圖1所示系統(tǒng)，線路L6在距離母線2km出處，故障合閘角為60°，過渡電阻200Ω，發(fā)生單相接地故障。采用10kHz采樣頻率進行錄波，得到故障線路和各健全線路故障前、后1/4周期的零序電流波形如圖3所示，圖3中故障線路的零序電流波形在圖中標出，其余為各健全線路零序電流波形。
采用db10小波對圖3所示各線路零序電流的1/4周期數(shù)據(jù)進行多分辨分析，根據(jù)公式(1)～(4)，得到各線路零序電流在各個頻帶的能量分布如圖4所示。圖4中故障線路的零序電流在各個頻帶的能量在圖中標出，其余為各健全線路零序電流在各個頻帶的能量。圖4中，尺度5下的低頻能量，其頻率范圍為0～312.5Hz；尺度5下的高頻能量，其頻率范圍為312.5～625Hz；尺度4下的高頻能量，其頻率范圍為0.625～1.25kHHz；尺度3下的高頻能量，其頻率范圍為1.25～2.5kHz；尺度2下的高頻能量，其頻率范圍為2.5～5kHz；尺度1下的高頻能量，其頻率范圍為5～10kHz。
在圖4所示各線路零序電流在各頻帶的小波能量的分析基礎上，根據(jù)公式(5)～(7)計算尺度j下各線路零序電流的權重系數(shù)pij如圖5所示。
由圖5可見，不論在哪個頻帶，故障線路L6的權重系數(shù)都最大。
利用公式(8)計算上述故障的小波能量相對熵，由此構成的6×6矩陣為 上式中，M11為利用公式(8)，當i＝1，l＝1時計算得到的結果，同理，可得到矩陣中的其它元素。
由公式(9)，根據(jù)以上矩陣計算綜合小波能量相對熵，得到各線路i的綜合小波能量相對熵Mi。各線路i的綜合小波能量相對熵如圖6所示。
Mi＝[37.54 18.30 3.36 18.72 37.71 95.84] 可見，故障線路L6的綜合小波能量相對熵很大。采用綜合小波能量相對熵算法能有效地區(qū)分故障線路和健全線路。
母線發(fā)生單相接地故障，故障合閘角90°，過渡電阻20Ω，采用上述定義的綜合小波能量相對熵進行分析，得到各線路i的綜合小波能量相對熵Mi(如圖7所示)。
Mi＝[26.3 24.8 2.4 17.3 19.8 43.7] 通過顯示器，將選線結果輸出，提供配電網(wǎng)運行人員使用，完成發(fā)明目的。
權利要求
1、一種利用全頻帶小波能量相對熵的配電網(wǎng)纜—線混合線路故障選線方法，其特征在于出現(xiàn)母線零序電壓瞬時值越限時，故障選線裝置立即啟動，采集各線路故障后1/4周期的零序電流，進行小波分解，并對各尺度下的小波分解系數(shù)進行單支重構，利用重構系數(shù)計算各線路零序電流在各個頻帶下的小波能量；結合相對熵對信號間細微差別的超強識別能力，計算各線路在各個頻帶下的小波能量相對熵，并求取每條線路的綜合小波能量相對熵，通過比較各線路全頻帶的綜合小波能量相對熵大小，自適應地選出配電網(wǎng)故障線路，輸出選線結果。
2、根據(jù)權利要求1所述的利用全頻帶小波能量相對熵的配電網(wǎng)纜-線混合線路故障選線方法，其特征在于該方法具體步驟如下
(1)當母線零序電壓瞬時值un(t)大于KuUn，故障選線裝置立即啟動，記錄下故障后1/4個周期各線路的零序電流，其中Ku一般取值為0.15，Un表示母線額定電壓；
(2)利用采集的db10小波對各線路故障后1/4個周期的零序電流進行多分辨分析，得到各尺度下的小波系數(shù)，在分解尺度j下n時刻的高頻分量系數(shù)為
低頻分量的系數(shù)為
并對各尺度下的小波分解系數(shù)進行單支重構，得到的信號分量
所包含信息的頻帶范圍為
j＝1，2，…，J
上式中Dj(n)為高頻分量；Aj(n)為低頻分量；fs為信號的采樣頻率；J為最大分解尺度；
(3)根據(jù)以下公式計算各線路零序電流在各個頻帶的小波能量；
各線路零序電流i0(n)可表示為小波分解，并單支重構后各分量的和，即
令DJ+1(n)＝AJ(n)，則有
對于正交小波變換，各線路零序電流變換后各尺度的能量可直接由其小波系數(shù)的平方得到，即
上式中，Ej(n)為各線路零序電流經(jīng)小波變換后的能量；
(4)根據(jù)下列公式計算尺度j下各線路零序電流的權重系數(shù)pij；
定義線路i在尺度j下的小波能量和為
i＝1，2，…，L
上式中，Dij(n)為線路i的零序電流在尺度j下小波系數(shù)，L為配電網(wǎng)線路總數(shù)，由此可得尺度j下所有線路的總能量為
定義尺度j下各線路i的能量和在總能量中所占的比重，即權重系數(shù)pij為
由上公式可知，
(5)計算各線路i的綜合小波能量相對熵Mi；
根據(jù)相對熵理論，結合上述故障零序電流小波能量的分析，定義線路i相對于線路1的小波能量相對熵Mil為
上式中，plj為尺度j下各線路1的能量和在總能量中所占的比重；
定義線路i相對于其余線路的綜合小波能量相對熵為
上式中，Mlj為線路l相對于線路i的小波能量相對熵。
(6)故障選線判據(jù)選出綜合小波能量相對熵最大的三個，按照大小排序分別為Ma、Mb、Mc，當滿足Ma>Mb+Mc時，綜合小波能量相對熵最大的Ma對應的線路為故障線路，否則，判為母線故障。
全文摘要
本發(fā)明是利用全頻帶小波能量相對熵的配電網(wǎng)纜-線混合線路故障選線自適應方法。本方法為當母線零序電壓瞬時值越限時，故障選線裝置立即啟動；對各線路故障后1/4周期的零序電流進行小波分解，并對各尺度下的小波分解系數(shù)進行單支重構，利用重構系數(shù)計算各線路零序電流在各個頻帶下的小波能量。結合相對熵對信號間細微差別的超強識別能力，計算各線路在各個頻帶下的小波能量相對熵并求取每條線路的綜合小波能量相對熵，通過比較各線路全頻帶的綜合小波能量相對熵大小自適應地選出故障線路。理論分析和大量仿真表明，該方法有效避開了CT飽和間斷角對選線的影響，對于纜-線混合線路、純電纜線路和純架空線路，該方法均適用。
文檔編號G01R31/08GK101545943SQ200910094430
公開日2009年9月30日 申請日期2009年5月5日 優(yōu)先權日2009年5月5日
發(fā)明者束洪春, 彭仕欣, 孫士云, 劉可真, 嵐 唐, 劉志堅, 孫向飛, 邱革非, 毅 楊, 勇 常, 單節(jié)杉, 劉永泰 申請人:昆明理工大學