一種基于隨機(jī)共振和暫態(tài)電流信號的三維故障選線方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種配電網(wǎng)故障選線方法，尤其是涉及一種基于隨機(jī)共振和暫態(tài)電流 信號的三維故障選線方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國電力系統(tǒng)的發(fā)展，龐大的電網(wǎng)不可避免會引起供電中斷。停電將會給國 民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失?？煽俊⒊掷m(xù)的供電是我國電力系統(tǒng)發(fā)展的目標(biāo)。
[0003] 配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，與用戶的聯(lián)系最為緊密，對用戶的影響也 最為直接。我國3~60kV配電網(wǎng)廣泛采用中性點(diǎn)非有效接地方式，又稱為小電流接地系統(tǒng)， 小電流接地系統(tǒng)的故障絕大多數(shù)是單相接地故障。發(fā)生單相接地故障時，接地電流很小，線 電壓仍然是對稱的，故障電流較弱，可以在故障情況下繼續(xù)運(yùn)行1~2個小時，然而，在單相 接地故障期間，非故障相對地電壓的上升會使系統(tǒng)絕緣受到威脅，易致使單相接地短路故 障發(fā)展為相間短路，線路保護(hù)跳鬧、供電中斷等問題。此外，由于故障信號微弱、工況狀況復(fù) 雜等問題易導(dǎo)致選線困難。因此，在這一領(lǐng)域大力開展研究工作具有重要而深遠(yuǎn)的意義。
[0004] 目前，許多學(xué)者對此做了大量的研究工作，提出了諸多選線方法?；谒罁?jù)的特 征量的不同，目前，單相接地故障選線方法可分為3類：信號注入法、穩(wěn)態(tài)量選線法和暫態(tài) 量選線法。其中：信號注入法需要附加信號裝置，工程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；穩(wěn)態(tài)量選線法存在特征信 號微弱，選線結(jié)果不可靠的問題；暫態(tài)量選線法所依據(jù)的暫態(tài)特征比穩(wěn)態(tài)值大幾倍甚至幾 十倍，且不受消弧線圈的影響，無需添加額外設(shè)備，因此具有更高的可靠性及應(yīng)用價值。暫 態(tài)量選線法也提出了多種方法，其中：已有文獻(xiàn)使用小波變換提取特征信息構(gòu)造判據(jù)以實(shí) 現(xiàn)故障選線，但小波變換易受噪聲影響，所選取的特征頻帶有可能是非有效的故障暫態(tài)量； 中國專利申請CN103135037B利用Prony分段擬合故障后T/4周期內(nèi)的暫態(tài)零序電流信號， 不僅有效避開了電流互感器磁密飽和對采集信號的影響，而且在一定程度上提高了 Prony 整體擬合精度，但是此算法計算量大，且擬合階數(shù)確定困難，抗噪能力不強(qiáng)；支持向量機(jī)在 解決小樣本、非線性及高維模式識別問題中具有優(yōu)勢，但識別能力易受自身參數(shù)的影響；中 國專利申請CN103901323A利用小波包分解故障暫態(tài)零序電流，以能量最大原則提取特征 頻帶，并將其輸入到改進(jìn)Duffing振子中，通過系統(tǒng)相圖變化及距離進(jìn)行選線，但在小阻值 故障時，選線準(zhǔn)確率較低，選線可靠性差；此外，已有文獻(xiàn)也有依據(jù)故障線和非故障線之間 的幅值、波形以及極性等方面進(jìn)行選線，但此方法特別容易受外界干擾噪聲影響，選線的準(zhǔn) 確率及可靠性不高。
[0005] 近年來，隨機(jī)共振理論的研究取得了較大的進(jìn)展。所謂隨機(jī)共振，就是應(yīng)用隨機(jī)共 振原理進(jìn)行微弱信號增強(qiáng)檢測的一種具有實(shí)際應(yīng)用價值的新技術(shù)，其研究和應(yīng)用己涉及到 物理、信號處理、機(jī)械故障診斷、生物、化學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，但是在電力系統(tǒng)中的研究相對 較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可靠性高、不易 受外界干擾的基于隨機(jī)共振和暫態(tài)電流信號的三維故障選線方法。
[0007] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種基于隨機(jī)共振和暫態(tài)電流信號 的三維故障選線方法，包括以下步驟：
[0008] (1)當(dāng)配電網(wǎng)零序電壓uQ(t)大于0. 15倍的母線額定電壓仏時，同時電壓互感器 TV未發(fā)生斷線且消弧線圈未發(fā)生串聯(lián)諧振，記錄零序電流乞的和故障相電流⑴，并計 算暫態(tài)零序電流k (0和暫態(tài)故障相電流其中，故障時刻為〇. 〇2s，心(0和^(0的時 間長度為Os~0. 04s，t為采樣點(diǎn)，η為線路編號，η = 1，2, 3, 4 ; (2)分別對步驟（1)中的 暫態(tài)零序電流和暫態(tài)故障相電流&進(jìn)行變尺度雙穩(wěn)態(tài)處理，得到暫態(tài)特征零序電 流和暫態(tài)特征故障相電流;
[0009] (3)計算各分支線路暫態(tài)特征零序電流之間的互相關(guān)系數(shù)矩陣M和綜合相 關(guān)系數(shù)Mn，選擇M n最小的線路I n，并令I(lǐng)n的極性參數(shù)p "為1，其他線路的p "為-1 ;
[0010] (4)對各分支線路的暫態(tài)特征相電流進(jìn)行7層dblO小波包分解，并計算簡 化能量<"和簡化重心頻率;
[0011] (5)以簡化重心頻率/^"為橫坐標(biāo)，簡化能量為縱坐標(biāo)，極性參數(shù)值為豎坐 標(biāo)構(gòu)成三維坐標(biāo)系，以特征啟
來表示線路的暫態(tài)特征In，并計算特征點(diǎn)
和固定點(diǎn)（〇, 1，1)之間的平方距離dn，并判定dn最小的線路為故障線路。
[0012] (6)切除dn最小的線路，并判斷故障狀態(tài)是否消除，如果仍為故障狀態(tài)，則為母線 故障，否則程序結(jié)束。
[0013] 所述的步驟（1)具體為：
[0014] (101)判斷配電網(wǎng)零序電壓uQ(t)是否大于0· 15倍的母線額定電壓Un，若uQ(t) > 0. 15UN，則執(zhí)行步驟（102)，否則，返回步驟（101);
[0015] (102)判斷電壓互感器TV是否斷線，若斷線，則發(fā)出電壓互感器TV斷線警告，否 貝丨J，執(zhí)行步驟（103);
[0016] (103)判斷消弧線圈是否發(fā)生串聯(lián)諧振，若發(fā)生串聯(lián)諧振，則調(diào)節(jié)消弧線圈消除串 聯(lián)諧振，否則，判定配電網(wǎng)發(fā)生故障，同時啟動采樣裝置，記錄各分支線路故障發(fā)生上一周 期到故障發(fā)生下一個周期之間的零序電流和故障相電流并計算暫態(tài)零序電流 匕,(0和暫態(tài)故障相電流心" (0;
[0017] (104)根據(jù)故障相電壓降低、非故障相電壓升高確定故障相，同時啟動采樣裝置， 記錄各分支線路故障發(fā)生上一周期到故障發(fā)生下一個周期之間的零序電流匕"(〇和故障相 電流. ?1._(〇，并計算暫態(tài)零序電流4"眾)和暫態(tài)故障相電流。.
[0018] 所述的暫態(tài)零序電流& 和暫態(tài)故障相電流&0)的計算公式分別如下：

[0021] 其中，Q為每一個工頻周期的采樣點(diǎn)數(shù)。
[0022] 所述的步驟（2)具體為：
[0023] (201)設(shè)定經(jīng)優(yōu)化后的變尺度雙穩(wěn)態(tài)中勢函數(shù)的參數(shù)a、b和4階龍格-庫塔方程 的數(shù)值計算步長11 ；3，其中，3 = -0.7926，& = 0.0072，11；3=〇?/匕(匕=105抱，為采樣頻率， CR = 2000為頻率壓縮比）；
[0024] 變尺度雙穩(wěn)態(tài)表達(dá)式為：
[0025] dx/dt = -dV (x) /dx+s (t)
[0026] 式中：V(x)為勢函數(shù)，V(x) = _ax2/2+bx4/4 ;a和b為勢函數(shù)參數(shù)；s (t)代表暫態(tài) 零序電流1的或暫態(tài)故障相電流f);
[0027] (202)用暫態(tài)零序電流'(Ο替換變尺度雙穩(wěn)態(tài)表達(dá)式中的s⑴，經(jīng)4階龍格-庫 塔方程求解得暫態(tài)特征零序電流(0，用暫態(tài)故障相電流匕(0替換變尺度雙穩(wěn)態(tài)表達(dá)式 中的s (t)，經(jīng)4階龍格-庫塔方程求解得暫態(tài)特征故障相電流Gh
[0028] 所述的步驟（3)具體為：計算各分支線路暫態(tài)特征零序電流(0之間的互相關(guān) 系數(shù)矩陣Μ，并計算綜合相關(guān)系數(shù)Mn，選擇Mn最小的線路I η，并令I(lǐng)n的極性參數(shù)pnS 1，其 他線路的極性參數(shù)隊為-1，互相關(guān)系數(shù)矩陣M表達(dá)式為：

[0030] 式中：P η]表示線路1 "的k⑴和線路1,的(0 ; n，j為線路編號，j = 1,2, 3,4 ；
[0031] 綜合相關(guān)系數(shù)1為：
[0032] 所述的步驟（4)具體為：對各分支線路的暫態(tài)特征故障相電流進(jìn)行7層 dblO小波包分解，在剔除第一個頻帶后，計算其簡化能量五^和簡化重心頻率/^，其中，簡 化能量計算如下：
[0035] 式中，frn(t)為線路1"的小波包分解后第r個頻段的小波包重構(gòu)系數(shù)，r頻 帶編號，r = 2, ...，128 ;k為重構(gòu)系數(shù)樣本長度；Esn為各經(jīng)小波包分解后各頻帶的總 能量；
[0036] 簡化重心頻率.(6,如下：
[0039] 式中，fgn為暫態(tài)重心頻率；r為頻帶編號。
[0040] 本發(fā)明工作原理如下：
[0041] 1暫態(tài)零序電流故障特征
[0042] 利用單相接地零序暫態(tài)等值電路及零序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行暫態(tài)零序電流分析，如圖2所 示。其中，C。為線路零序電容；L。為線路零序等值電感；R gS接地點(diǎn)的過渡電阻；Rp和Lp分 別為消弧線圈的等效電阻和電感；e(t)為零序電壓。在補(bǔ)償電網(wǎng)發(fā)生故障的瞬間，由圖2和 圖3可得流過故障點(diǎn)的暫態(tài)零序電流1。.,為：
[0044] 式中：i^t為暫態(tài)零序電流中的電感電量；i 為暫態(tài)零序電流的電容電流分量； L和I a分別為電感電流和電容電流的初值（I a= Uphni?C，Ibll= Uphni/c〇L) ;Uphni為相電壓 的幅值；ω為工頻角頻率；ω#Ρ δ分別為暫態(tài)零序電流容性分量的振蕩角頻率和衰減系 數(shù)；h為電感電流的衰減時間常數(shù)；伊為接地時故障線路相電壓的初始相位。
[0045] 由式（1)可知，當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，暫態(tài)電容電流具有周期 性的衰減振蕩特性。此外，一般架空線路的自由振蕩頻率為300~1500Hz，電纜線路的電感 遠(yuǎn)小于架空線路，而對地電容卻較后者大許多倍，故電容電流暫態(tài)過程的振蕩頻率很高，持 續(xù)時間很短，其自由振蕩頻率一般為1500~3000Hz。因此，經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)故障 暫態(tài)零序電流的頻率范圍約為〇~3000Hz，在實(shí)際配電網(wǎng)中線路的零序阻抗遠(yuǎn)小于電容的 容抗，可以忽略不計，單相接地故障時零序網(wǎng)絡(luò)可以簡化為圖3所示，進(jìn)而可得到故障線路 η零