本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)故障診斷技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)突變時(shí)刻檢測方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù):
故障錄波數(shù)據(jù)提供故障狀態(tài)下的暫態(tài)數(shù)據(jù),為電力系統(tǒng)故障分析及對各種保護(hù)動(dòng)作行為的分析和評價(jià)提供了主要依據(jù)。由于不同的廠商生產(chǎn)的故障錄波裝置一般都帶有不同的故障錄波數(shù)據(jù)格式,其所包含的內(nèi)容也不盡相同,但都提供COMTRADE格式的錄波數(shù)據(jù)生成接口用于保存和傳輸。COMTRADE格式文件主要包括頭文件(*.HDR)、配置文件(*.CFG)、數(shù)據(jù)文件(*.DAT)、信息文件(*.INF)。
通常情況下,當(dāng)電力系統(tǒng)線路發(fā)生故障時(shí),一個(gè)典型的故障過程波形對應(yīng)不同性質(zhì)的故障應(yīng)有相應(yīng)的劇烈變動(dòng)的時(shí)刻,這些波形突變時(shí)刻亦即信號(hào)的奇異點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí),由于重合閘成功,波形應(yīng)具有三個(gè)突變時(shí)刻:故障時(shí)刻T1,故障切除時(shí)刻T2,重合閘時(shí)刻T3;當(dāng)發(fā)生永久性故障時(shí),由于重合閘不成功,在重合閘之后應(yīng)還有故障再切除時(shí)刻T4。同時(shí),對于非故障過程比如開關(guān)誤動(dòng)并重合成功應(yīng)有兩個(gè)突變時(shí)刻。通過分析故障錄波波形突變時(shí)刻以及突變時(shí)刻間的電流特征,并考慮開關(guān)、保護(hù)、重合閘等動(dòng)作時(shí)間,不僅能夠確定出故障設(shè)備,而且能夠確定保護(hù)、斷路器等動(dòng)作情況是否正確以及重合閘是否成功等裝置動(dòng)作行為信息。
某一函數(shù)的奇異性程度可由Lipschitz指數(shù)來表征,其數(shù)值大小可通過對其進(jìn)行小波變換的模極大值在不同尺度下的值計(jì)算出來。也就是說,信號(hào)經(jīng)小波變換的模極大值與原信號(hào)的突變點(diǎn)之間存在著一一對應(yīng)的關(guān)系,即小波變換模極大值的大小表示信號(hào)突變的強(qiáng)弱程度,極性代表信號(hào)突變的方向,信號(hào)的奇異性檢測理論將具有突變性質(zhì)的信號(hào)在什么時(shí)間發(fā)生突變以及發(fā)生突變的劇烈程度用小波變換模極大值這個(gè)數(shù)學(xué)描述來表示。
由于現(xiàn)場故障錄波數(shù)據(jù)存在擾動(dòng)等因素,奇異點(diǎn)并不孤立存在,在其鄰域內(nèi)存在干擾的奇異點(diǎn)。雖然無法精確定位到故障特征時(shí)刻,卻可以通過小波變換先檢測出可疑奇異點(diǎn)集,大大減少需要判斷的采樣點(diǎn)數(shù),縮小奇異點(diǎn)所在的范圍。觀察電力系統(tǒng)故障過程的電流波形可以看出,在波形突變點(diǎn)附近前后,波形幅值相差很大,亦即存在較大的突變量。通過比較一個(gè)采樣點(diǎn)前后的1周波基波有效值,可以很好的判斷出該采樣點(diǎn)是否為突變點(diǎn)。但是,若對所有采樣點(diǎn)進(jìn)行前后基波有效值比較,數(shù)據(jù)處理的工作量相當(dāng)大,降低了數(shù)據(jù)處理的速度。且現(xiàn)有技術(shù)中對故障錄波數(shù)據(jù)的奇異點(diǎn)檢測具有實(shí)用化缺陷,且故障錄波波形奇異點(diǎn)檢測的精確度較低,不能滿足實(shí)用化需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對上述問題,本發(fā)明提出了一種電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)突變時(shí)刻檢測方法和系統(tǒng)。具體如下:
一種電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)突變時(shí)刻檢測方法,包括如下步驟:
S1,選取供檢測的線路電流波形,得到故障錄波采樣序列;
S2,對所述故障錄波采樣序列進(jìn)行小波分解和重構(gòu),得到篩選之后的采樣序列;
S3,在所述篩選之后的采樣序列中選取奇異點(diǎn)集。
所述步驟S1還包括:
以COMTRADE格式標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)故障錄波數(shù)據(jù);以故障時(shí)刻之后電流方向?yàn)檎较?,并采用基于正序分量的算法進(jìn)行故障電流方向的判斷。
所述步驟S2具體包括:
S21,根據(jù)所述故障錄波數(shù)據(jù)獲取分段采樣頻率數(shù)N,并將采樣序列分為N段;
S22,對所述N段采樣序列采用DB4小波進(jìn)行離散小波分解;
S23,選取第二解析度序列D,對D進(jìn)行細(xì)節(jié)重構(gòu),得到篩選之后的采樣序列Y(n);
S24,取所述采樣序列Y(n)所有序列值的平均值,根據(jù)所述平均值對所述采樣序列Y(n)進(jìn)行進(jìn)一步篩選,得到進(jìn)一步篩選之后采樣序列Z(n)。
所述步驟S3具體包括:
S31,對所述序列Z(n)按半基波周期分段取模極大值,清除其中為零的采樣點(diǎn),并存入可疑奇異點(diǎn)集S;
S32,對所述可疑奇異點(diǎn)集S中的每一采樣點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步判斷,判斷公式為:并將滿足所述判斷公式的采樣點(diǎn)存入突變集T,
其中,Ia和Ib為采樣點(diǎn)前后基波有效值,ε2為基波有效值零值判斷閾值,ε3、ε4為判斷采樣點(diǎn)前后是否突變比例閾值。
所述步驟S1還包括:
所述故障錄波采樣序列為線路三相及中性點(diǎn)的采樣序列。
一種電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)突變時(shí)刻檢測系統(tǒng),包括如下模塊:
故障錄波采樣模塊,用于選取供檢測的線路電流波形,得到故障錄波采樣序列;
小波分解和重構(gòu)模塊,用于對所述故障錄波采樣序列進(jìn)行小波分解和重構(gòu),得到篩選之后的采樣序列;
奇異點(diǎn)集選取模塊,用于在所述篩選之后的采樣序列中選取奇異點(diǎn)集。
所述故障錄波采樣模塊還包括:
故障錄波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,用于以COMTRADE格式標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)故障錄波數(shù)據(jù);
故障電流方向判斷模塊,用于以故障時(shí)刻之后電流方向?yàn)檎较颍⒉捎没谡蚍至康乃惴ㄟM(jìn)行故障電流方向的判斷。
所述小波分解和重構(gòu)模塊具體包括:
采樣序列劃分模塊,用于根據(jù)所述故障錄波數(shù)據(jù)獲取分段采樣頻率數(shù)N,并將采樣序列分為N段;
離散小波分解模塊,用于對所述N段采樣序列采用DB4小波進(jìn)行離散小波分解;
第一篩選模塊,用于選取第二解析度序列D,對D進(jìn)行細(xì)節(jié)重構(gòu),得到篩選之后的采樣序列Y(n);
第二篩選模塊,用于取所述采樣序列Y(n)所有序列值的平均值,根據(jù)所述平均值對所述采樣序列Y(n)進(jìn)行進(jìn)一步篩選,得到進(jìn)一步篩選之后采樣序列Z(n)。
所述奇異點(diǎn)集選取模塊具體包括:
可疑奇異點(diǎn)集生成模塊,用于對所述序列Z(n)按半基波周期分段取模極大值,清除其中為零的采樣點(diǎn),并存入可疑奇異點(diǎn)集S;
突變集生成模塊,用于對所述可疑奇異點(diǎn)集S中的每一采樣點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步判斷,判斷公式為:并將滿足所述判斷公式的采樣點(diǎn)存入突變集T,
其中,Ia和Ib為采樣點(diǎn)前后基波有效值,ε2為基波有效值零值判斷閾值,ε3、ε4為判斷采樣點(diǎn)前后是否突變比例閾值。
所述故障錄波采樣模塊還包括:
所述故障錄波采樣序列為線路三相及中性點(diǎn)的采樣序列。
本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明先對故障錄波數(shù)據(jù)采用小波變換奇異點(diǎn)檢測方法檢測出波形可疑奇異點(diǎn)集,進(jìn)而利用可疑奇異點(diǎn)前后基波有效值比較確定波形突變點(diǎn),確定故障特征時(shí)刻。兩者結(jié)合經(jīng)驗(yàn)證不但能夠較為精確的定位到故障特征時(shí)刻,保證誤差在可允許范圍內(nèi),檢測精度高,為進(jìn)一步利用故障錄波時(shí)序信息進(jìn)行故障診斷提供了技術(shù)支持;而且計(jì)算速度能滿足快速計(jì)算的要求,具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
附圖說明
圖1是高壟變電站網(wǎng)絡(luò)接線圖;
圖2是大高Ⅱ路B相故障錄波采樣序列圖;
圖3是分段采樣波形圖;
圖4是重構(gòu)后的采樣序列波形圖;
圖5是本發(fā)明的電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)突變時(shí)刻檢測方法流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖,對實(shí)施例作詳細(xì)說明。
實(shí)施例一:
一種電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)突變時(shí)刻檢測方法,流程如圖5所示,包括以下步驟:
(1)選取供檢測的線路電流波形。其具體過程為:
a)按COMTRADE格式標(biāo)準(zhǔn),雖然故障錄波數(shù)據(jù)記錄觸發(fā)時(shí)刻是可選字段,但目前故障錄波裝置廠家通常都能提供標(biāo)準(zhǔn)中的所有字段,而故障錄波數(shù)據(jù)提供故障錄波觸發(fā)時(shí)刻可以作為T1時(shí)刻直接使用。
b)考慮當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障后,根據(jù)電網(wǎng)故障電流流向特點(diǎn),如果某線路上的故障電流方向與該線路保護(hù)規(guī)定正方向相反的,那么該線路以及下游設(shè)備肯定不是故障設(shè)備。故而,若線路發(fā)生故障,則其故障方向必由母線指向線路,亦即故障方向是正方向?;诖?,在T1故障時(shí)刻已知的情況下,在進(jìn)行奇異點(diǎn)檢測時(shí),只選取T1時(shí)刻之后電流方向?yàn)檎较虻木€路進(jìn)行分析。其中,采用基于正序分量的算法進(jìn)行故障電流方向的判斷,其反向判據(jù)為
正向判據(jù)為
其中,θ為反向判據(jù)的閉鎖角,根據(jù)實(shí)際工程情況可設(shè)定為0°<θ<30°。
c)由于線路一般有三相以及中性點(diǎn)四個(gè)故障錄波采樣序列,考慮到單相接地故障時(shí)有時(shí)采用單相重合閘技術(shù),相對于故障相,其他兩相故障特征不甚明顯,故本發(fā)明對線路三相及中性點(diǎn)采樣序列進(jìn)行奇異點(diǎn)檢測,并選取奇異點(diǎn)最多的序列進(jìn)行主要分析,其余用于輔助分析。
(2)對所選采樣序列進(jìn)行小波分解和重構(gòu)。其具體過程如下:
a)根據(jù)COMTRADE格式故障錄波配置文件獲取分段采樣頻率數(shù)N,并按配置文件中的采樣頻率對應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)將采樣序列分為N段X1,X2,…,Xi,…,XN。
b)對Xi段序列采用DB4小波進(jìn)行離散小波分解,DB4小波系數(shù)如表1所示。為解決離散卷積邊界問題,采用周期對稱延拓進(jìn)行邊界采樣點(diǎn)拓延。
表1 DB4小波系數(shù)
c)選取第二解析度序列D,對D進(jìn)行細(xì)節(jié)重構(gòu)。重構(gòu)之后的序列R(n)長度與原序列相同,但只保留了序列的細(xì)節(jié)部分。對R(n)中的每一序列值進(jìn)行篩選,選取一定閾值進(jìn)行判斷,其形式如下:
|R(i)|<ε1 (3)
其中,ε1為零值判斷閾值。若滿足公式(3)則序列值置零,否則保留原值,篩選之后的采樣序列記為Y(n)。
d)取Y(n)序列所有序列值的平均值
根據(jù)對序列Y(n)進(jìn)行進(jìn)一步篩選,篩選之后的采樣序列記為Z(n)。篩選公式為
其中,k為比例系數(shù),一般選取為1/10~1/6。
3)選取奇異點(diǎn)集。具體過程如下:
a)由于實(shí)際信號(hào)存在干擾,在非奇異點(diǎn)處小波變換值不為零,無法通過對序列值取模最大值來檢測奇異點(diǎn)。本發(fā)明先對序列Z(n)按半基波周期分段取模極大值,清除其中為零的采樣點(diǎn),置入可疑奇異點(diǎn)集S。
b)對S中的每一采樣點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步判斷。計(jì)算采樣點(diǎn)前后基波有效值Ib和Ia,如果計(jì)算出的Ia和Ib的值皆小于一定閾值,據(jù)此可判斷出該采樣點(diǎn)前后皆處于為零狀態(tài),該采樣點(diǎn)并非突變點(diǎn);如果計(jì)算出的Ia和Ib的值不都小于一定閾值,則根據(jù)Ib和Ia的比值縮小奇異點(diǎn)集。判斷公式為
其中,ε2為基波有效值零值判斷閾值,ε3、ε4為判斷采樣點(diǎn)前后是否突變比例閾值。滿足公式(6)的采樣點(diǎn)存入突變集T。突變點(diǎn)集T中可能存在小于半基頻周期的采樣點(diǎn)都滿足條件,根據(jù)裝置動(dòng)作實(shí)際情況可知不存在如此短時(shí)間內(nèi)的裝置動(dòng)作情況,這些點(diǎn)應(yīng)是同一個(gè)突變點(diǎn)周圍的干擾點(diǎn),故對這些采樣點(diǎn)取均值并取整。
實(shí)施例二:
一種電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)突變時(shí)刻檢測系統(tǒng),該包括以下模塊:
(1)故障錄波采樣模塊,用于選取供檢測的線路電流波形,得到故障錄波采樣序列。其具體為:
a)故障錄波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊:按COMTRADE格式標(biāo)準(zhǔn),雖然故障錄波數(shù)據(jù)記錄觸發(fā)時(shí)刻是可選字段,但目前故障錄波裝置廠家通常都能提供標(biāo)準(zhǔn)中的所有字段,而故障錄波數(shù)據(jù)提供故障錄波觸發(fā)時(shí)刻可以作為T1時(shí)刻直接使用。
b)故障電流方向判斷模塊:考慮當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障后,根據(jù)電網(wǎng)故障電流流向特點(diǎn),如果某線路上的故障電流方向與該線路保護(hù)規(guī)定正方向相反的,那么該線路以及下游設(shè)備肯定不是故障設(shè)備。故而,若線路發(fā)生故障,則其故障方向必由母線指向線路,亦即故障方向是正方向?;诖?,在T1故障時(shí)刻已知的情況下,在進(jìn)行奇異點(diǎn)檢測時(shí),只選取T1時(shí)刻之后電流方向?yàn)檎较虻木€路進(jìn)行分析。其中,采用基于正序分量的算法進(jìn)行故障電流方向的判斷,其反向判據(jù)為
正向判據(jù)為
其中,θ為反向判據(jù)的閉鎖角,根據(jù)實(shí)際工程情況可設(shè)定為0°<θ<30°。
c)故障錄波采樣模塊還包括:由于線路一般有三相以及中性點(diǎn)四個(gè)故障錄波采樣序列,考慮到單相接地故障時(shí)有時(shí)采用單相重合閘技術(shù),相對于故障相,其他兩相故障特征不甚明顯,故本發(fā)明對線路三相及中性點(diǎn)采樣序列進(jìn)行奇異點(diǎn)檢測,并選取奇異點(diǎn)最多的序列進(jìn)行主要分析,其余用于輔助分析。
(2)小波分解和重構(gòu)模塊:對所選采樣序列進(jìn)行小波分解和重構(gòu)。具體包括如下子模塊:
a)采樣序列劃分模塊:根據(jù)COMTRADE格式故障錄波配置文件獲取分段采樣頻率數(shù)N,并按配置文件中的采樣頻率對應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)將采樣序列分為N段X1,X2,…,Xi,…,XN。
b)離散小波分解模塊:對Xi段序列采用DB4小波進(jìn)行離散小波分解,DB4小波系數(shù)如表1所示。為解決離散卷積邊界問題,采用周期對稱延拓進(jìn)行邊界采樣點(diǎn)拓延。
c)第一篩選模塊:選取第二解析度序列D,對D進(jìn)行細(xì)節(jié)重構(gòu)。重構(gòu)之后的序列R(n)長度與原序列相同,但只保留了序列的細(xì)節(jié)部分。對R(n)中的每一序列值進(jìn)行篩選,選取一定閾值進(jìn)行判斷,其形式如下:
|R(i)|<ε1 (9)
其中,ε1為采樣值零值判斷閾值。若滿足公式(9)則序列值置零,否則保留原值,篩選之后的采樣序列記為Y(n)。
d)第二篩選模塊:取Y(n)序列所有序列值的平均值
根據(jù)對序列Y(n)進(jìn)行進(jìn)一步篩選,篩選之后的采樣序列記為Z(n)。篩選公式為
其中,k為比例系數(shù),一般選取為1/10~1/6。
3)奇異點(diǎn)集選取模塊:選取奇異點(diǎn)集。具體包括如下子模塊:
a)可疑奇異點(diǎn)集生成模塊:由于實(shí)際信號(hào)存在干擾,在非奇異點(diǎn)處小波變換值不為零,無法通過對序列值取模最大值來檢測奇異點(diǎn)。本發(fā)明先對序列Z(n)按半基波周期分段取模極大值,清除其中為零的采樣點(diǎn),置入可疑奇異點(diǎn)集S。
b)突變集生成模塊:對S中的每一采樣點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步判斷。計(jì)算采樣點(diǎn)前后基波有效值Ib和Ia,如果計(jì)算出的Ia和Ib的值皆小于一定閾值,據(jù)此可判斷出該采樣點(diǎn)前后皆處于為零狀態(tài),該采樣點(diǎn)并非突變點(diǎn);如果計(jì)算出的Ia和Ib的值不都小于一定閾值,則根據(jù)Ib和Ia的比值縮小奇異點(diǎn)集。判斷公式為
其中,ε2為基波有效值零值判斷閾值,ε3、ε4為判斷采樣點(diǎn)前后是否突變比例閾值。滿足公式(12)的采樣點(diǎn)存入突變集T。突變點(diǎn)集T中可能存在小于半基頻周期的采樣點(diǎn)都滿足條件,根據(jù)裝置動(dòng)作實(shí)際情況可知不存在如此短時(shí)間內(nèi)的裝置動(dòng)作情況,這些點(diǎn)應(yīng)是同一個(gè)突變點(diǎn)周圍的干擾點(diǎn),故對這些采樣點(diǎn)取均值并取整。
實(shí)施例三:
下面結(jié)合圖表對優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是,下述說明僅僅是示例性的,而不是為了限制本發(fā)明的范圍及應(yīng)用。
以泉州地區(qū)電網(wǎng)高壟變電站220kV大高Ⅱ路發(fā)生B相接地故障為例,對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明?;贑OMTRADE格式的故障錄波數(shù)據(jù)取自泉州故障錄波聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),高壟變電站網(wǎng)絡(luò)接線圖如圖1所示,不同電壓等級線路配置不同故障錄波裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,其中220kV線路共有7條,分別連接于三段母線上。
結(jié)合突變量法和小波分析的故障錄波波形突變時(shí)刻檢測方法,該方法的步驟為:
步驟1)的具體過程為:
由故障錄波配置文件獲取采樣信息,采樣信息如表2所示。
表2 220kV高壟變電站故障錄波裝置采樣配置信息
記采樣開始開始時(shí)刻為0時(shí)刻,則可知T1為100ms,計(jì)算各線路在T1時(shí)刻之后的電流方向,電流方向如表3所示。
表3 各線路電流方向
如表所示,電流方向?yàn)檎虻木€路只有大高Ⅱ路,由故障錄波數(shù)據(jù)文件獲取大高Ⅱ路的A、B、C、N相采樣序列值,分別對其進(jìn)行突變時(shí)刻提取。以下以B相數(shù)據(jù)為例進(jìn)行余下步驟說明,其余三相提取方法相同。
步驟2)的具體過程為:
圖2為大高Ⅱ路B相故障錄波采樣序列,由表1可知采樣序列根據(jù)不同采樣頻率可分為四段X1,X2,X3,X4,分段采樣波形如圖3所示。首先對X1進(jìn)行突變時(shí)刻提取,對X1利用DB4小波進(jìn)行分解和重構(gòu),重構(gòu)后的采樣序列波形如圖4所示。對序列中模值小于閾值的采樣點(diǎn)置零,閾值設(shè)為5,進(jìn)而計(jì)算均值,小于均值1/6的直接置零,可得到如表4所示的可疑奇異點(diǎn)序列集Z(n),其中小波變換值為絕對值。
表4 可疑奇異點(diǎn)序列集Z(n)表
步驟3)的具體過程為:
從Z(n)中的第一個(gè)采樣點(diǎn)開始,以半周波10ms為時(shí)間亦即50個(gè)采樣點(diǎn)為間隔選取間隔內(nèi)的序列模極大值存入可疑奇異點(diǎn)集S,如表5所示。
表5 可疑奇異點(diǎn)集S表
其中采樣點(diǎn)921前后基波有效值過小,直接判定為切除狀態(tài),不參與計(jì)算。由表5可以看出,當(dāng)取ε3、ε4(ε3、ε4為判斷采樣點(diǎn)前后是否突變比例閾值)分別取0.1和10時(shí),突變點(diǎn)有496、509、717三個(gè)點(diǎn),其中496與509之間間隔小于50點(diǎn),取其均值并取整為503。因此可以得到第一段采樣序列的突變時(shí)刻如表6所示,可以看出,與實(shí)際值存在一定偏差,但均在允許范圍內(nèi)。其他三段類似可獲取突變時(shí)刻。對A、C、N相采取相同步驟進(jìn)行突變時(shí)刻提取,最終可得到如表6所示突變時(shí)刻。
表6 大高Ⅱ路三相突變時(shí)刻表
如表6所示,B相和N相突變時(shí)刻皆有3個(gè),取均值為100ms,143.2ms,929.9ms。與實(shí)際突變時(shí)刻對比如表7所示,可知誤差都在毫秒以內(nèi),符合實(shí)際工程應(yīng)用需求。
表7 突變時(shí)刻檢測值與實(shí)際值對比
以上實(shí)施例僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式,但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此,任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi),可輕易想到的變化或替換,都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此,本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。