一种多判据综合投票配电网故障选线方法

摘要

本发明公开了一种多判据综合投票配电网故障选线方法，具体按照如下步骤进行：步骤1：零序电流数据预处理：步骤2：进行互补集合经验模态分解；步骤3：构建故障选线判据1—IMF1分量特征瞬时相位判据；步骤4：构建故障选线判据2—IMF1分量瞬时能量相对熵判据；步骤5：构建故障选线判据3—特征零序电流值极性判据；步骤6：根据步骤3、步骤4以及步骤5中的三个故障选线判据，三个故障选线判据同时进行计算判定，采用少数服从多数的原则进行综合投票；若3个选线判据的判定结果不一致，则均返回重新计算，再进行投票。本发明不受初相角、接地电阻值、补偿度、噪声强度等的影响，故障选线的准确率较高。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统配电网继电保护技术领域，具体涉及一种多判据综合投票配电网故障选线方法。

背景技术

中国6kV～66kV配电网多为小电流接地方式，因此，该类配电网系统也称之为小电流接地系统，其中66kV和35kV电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式；6kV～10kV电网部分采用中性点不接地方式，部分采用中性点经消弧线圈接地方式。配电网密布城乡及山区，终年处于户外，经受风雨冰雹、雷电及日益严酷的环境污染等恶劣环境影响，加上不可预测的人为因素，发生故障的概率很高，尤其是架空线路。统计数据表明，电网的故障大多发生在配电网，而配电网故障中80％是单相接地故障。配电网发生单相永久接地后，由于故障信号微弱、工况状况复杂等问题导致选线困难，因此，在这一领域大力开展研究工作具有重要而深远的意义。

发生单相接地故障时，非故障相对地电压升高，如果发生间歇性弧光接地时，能够引起弧光过电压，系统绝缘受到威胁，容易扩大为相间短路，应尽快找到故障线路，尽快排除故障。即使恒定电阻接地，工频过电压也会对设备产生损失，这种损失积累到一定程度会破坏设备绝缘性能。虽然，中国配电网规程规定单相接地后可以带故障运行1～2小时，但实际多数供电部门均要求尽快切除故障线路。目前，配网单相接地故障保护问题仍是电力企业运行中的一个技术难题，长期以来没有得到满意的解决。

故障选线的研究重点是小电流接地配电网发生单相接地故障时故障线路的识别判断，此时，故障电流微弱，经消弧线圈接地方式下更是如此，仅利用传统的电流幅值大小等信息的常规方法难以取得令人满意的结果。近年来，国内外众多学者开始将现代信号处理技术应用于小电流接地系统的故障选线中，涌现出大量的故障选线方法，概括起来主要采用小波变换、S变换、数学形态学、希尔伯特—黄变化(HHT)、普罗尼算法等。

尽管已有大量选线方法被提出并应用到现场，但实际效果并不理想，究其原因，存在的问题首先有故障特征不明显。小电流接地系统单相接地时故障稳态电流微弱，故障暂态信号虽然幅值比稳态信号大，但持续时间短。其次是不稳定故障电弧的影响。现场的单相接地故障中，对于弧光接地，特别是间歇性电弧接地，没有一个稳定的接地电流(包括注入的电流)信号。还有随机因素的影响。中国配电网运行方式多样，变电站出线长度和数量频繁改变；因此，由于这些因素的影响，导致目前的选线方法存在故障选线的准确率有待进一步提高的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种多判据综合投票配电网故障选线方法，解决了目前选线方法存在故障选线的准确率有待进一步提高的问题。

本发明所采用的技术方案是，

一种多判据综合投票配电网故障选线方法，具体按照如下步骤进行：

步骤1：零序电流数据预处理：具体表达式如下公式(9)：

i

其中，i

步骤2：进行互补集合经验模态分解；

步骤3：构建故障选线判据1—IMF

步骤4：构建故障选线判据2—IMF

步骤5：构建故障选线判据3—特征零序电流值极性判据；

步骤6：根据步骤3、步骤4以及步骤5中的三个故障选线判据，当配电网发生单相接地故障时，三个故障选线判据同时进行计算判定，采用少数服从多数的原则进行综合投票，当2个及以上判据判定某条分支馈线发生故障时，则投票该分支馈线故障；当2个及以上判据判定母线发生故障时，则投票母线故障；若3个选线判据的判定结果不一致，则均返回重新计算，再进行投票。

本发明的特点还在于，

步骤2中，互补集合经验模态分解具体为：

步骤2.1：对i

步骤2.2：对Hi

模：

相角：θ[Hi

其中，Hi

步骤2.3：对IMF

步骤3中，构建故障选线判据1—IMF

步骤3.1：采用瞬时幅值a

其中，λ

步骤3.2：为构建具有量化表征信心度的选线判据1，对馈线m的3个最大瞬时幅值a

步骤3.3：以IMF

也即，λ

构建出修正后的分支馈线1故障选线判据，如下不等式(20)：

当满足以上不等式时，判定馈线1发生单相接地故障；其他分支馈线是否发生单相接地故障的选线判据与分支馈线1判据类似；

步骤3.4：在母线发生故障时，未修正前，特征瞬时相位θ

构建出修正后的母线故障选线判据，如下不等式(22)：

当以上不等式满足时，判定母线发生单相接地故障。

步骤4中，构建故障选线判据2—IMF

步骤4.1：对各馈线的IMF

E

进而，分别构造3个能量和，

其次，计算瞬时能量比值，如下公式(28)：

步骤4.2：计算各馈线相对于其它馈线的瞬时能量相对熵，如下公式 (29)：

步骤4.3：计算各馈线综合相对能量熵值，其中，IMF

步骤4.4：采用以下计算式修正各馈线的综合相对能量熵，其中，瞬时幅值最大、次大值、第3大值的修正计算式如下公式(30)：

步骤4.5：计算修正综合相对能量熵的平均值，计算式如下公式(31)：

也即，每条馈线有一个

步骤5中，构建故障选线判据3—特征零序电流值极性判据，具体为：

步骤5.1：根据遴选出的3个特征瞬时幅值a

其中，k＝1，2，3时，d

其中，矩阵R中对角线元素均为1，非对角线的各元素为各条馈线特征零序电流幅值两两极性比较结果；

步骤5.2：构建出故障选线判据3，具体为：比较矩阵R中各行元素为“-1”的个数进行故障馈线判定；若第l行中“-1”的个数为m-1，则判定馈线l为故障馈线，同时，判定其它馈线为健全馈线；若矩阵R中各行元素均为“1”，则判定母线为故障馈线，同时，判定其它馈线为健全馈线。

本发明的有益效果是，一种多判据综合投票配电网故障选线方法，基于互补集合经验模态分解与Hilbert变换理论，提出了基于第1个本征模态分量特征瞬时相位判据、瞬时能量相对熵判据、特征零序电流值极性判据的多判据综合投票故障选线法。大量仿真及现场实验表明，本发明的方法在一定程度上不受初相角、接地电阻值、补偿度、噪声强度等的影响，故障选线的准确率较高。

附图说明

图1是本发明一种多判据综合投票配电网故障选线方法的实施例中 10kV辐射状配电网仿真模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种多判据综合投票配电网故障选线方法进行详细说明。

如图1所示，一种多判据综合投票配电网故障选线方法，具体按照如下步骤进行：

步骤1：零序电流数据预处理：具体表达式如下公式(9)：

i

其中，i

步骤2：进行互补集合经验模态分解(Complete Ensemble Empirical ModeDecomposition with Adaptive Noise,CEEMDAN)：

步骤2.1：首先，对i

步骤2.2：对Hi

模：

相角：θ[Hi

其中，Hi

步骤2.3：对IMF

步骤3：构建故障选线判据1—IMF

步骤3.1：采用瞬时幅值a

其中，λ

步骤3.2：为构建具有量化表征信心度的选线判据1，对馈线m的3个最大瞬时幅值a

步骤3.3：其次，为方便说明，以IMF

也即，λ

由此，构建出修正后的分支馈线1故障选线判据，如下不等式(20)：

当满足以上不等式时，判定馈线1发生单相接地故障；其他分支馈线是否发生单相接地故障的选线判据与分支馈线1判据类似；

步骤3.4：最后，在母线发生故障时，未修正前，特征瞬时相位θ

构建出修正后的母线故障选线判据，如下不等式(22)：

当以上不等式满足时，判定母线发生单相接地故障。

需要注意的是：上述是以IMF

步骤4，构建故障选线判据2—IMF

步骤4.1：对各馈线的IMF

E

进而，分别构造3个能量和，

其次，计算瞬时能量比值，如下公式(28)：

步骤4.2：计算各馈线相对于其它馈线的瞬时能量相对熵，如下公式 (29)：

步骤4.3：计算各馈线综合相对能量熵值，其中，IMF

步骤4.4：采用以下计算式修正各馈线的综合相对能量熵，其中，瞬时幅值最大、次大值、第3大值的修正计算式如下公式(30)：

步骤4.5：计算修正综合相对能量熵的平均值，计算式如下公式(31)：

也即，每条馈线有一个

步骤5，构建故障选线判据3—特征零序电流值极性判据，具体步骤为：

步骤5.1：根据遴选出的3个特征瞬时幅值a

其中，k＝1，2，3时，d

其中，矩阵R中对角线元素均为1，非对角线的各元素为各条馈线特征零序电流幅值两两极性比较结果；

步骤5.2：构建出故障选线判据3，具体为：比较矩阵R中各行元素为“-1”的个数进行故障馈线判定；若第l行中“-1”的个数为m-1，则判定馈线l为故障馈线，同时，判定其它馈线为健全馈线；若矩阵R中各行元素均为“1”，则判定母线为故障馈线，同时，判定其它馈线为健全馈线。

步骤6：综合投票：综合以上3个判据，本发明提出一种多判据综合投票法，采用的原则为“少数服从多数”，也即，当配电网发生单相接地故障时，3个故障选线判据同时进行计算判定，进而，当2个及以上判据判定某条分支馈线发生故障时，则投票该分支馈线故障；同理，当2个及以上判据判定母线发生故障时，则投票母线故障；反之，若3个选线判据的判定结果不一致，则均返回重新计算，再进行投票。

本发明一种多判据综合投票配电网故障选线方法的工作原理为：

一、互补集合经验模态分解理论：

互补集合经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decompositionwith Adaptive Noise,CEEMDAN)算法不仅可以减少传统经验模态分解(empirical modedecomposition,EMD)算法的计算量，还可有效降低模态混叠现象。在此，定义E

步骤1：定义ε

其中，

步骤2：计算分解余项r

r

步骤3：分解r

步骤4：当k＝2,…,K时，计算第k阶余项。定义第k+1阶模态为：

步骤5：重复步骤4，直至所得的余项不能够再被分解(余项包含不超过2个极点)，余项表示为：

因此，信号f(t)可以表示为：

二、Hilbert变换理论；

对于一个时间信号x(t)，能得到它的Hilbert变换y(t)：

其中，P为柯西主值，在使用中一般取P＝1。根据这个定义，x(t)和y(t) 可组成一个解析信号Z(t)：

Z(t)＝x(t)+jy(t)＝a(t)e

其中，a(t)表示信号的幅值，

三、基于Hilbert变换的多判据综合投票故障选线方法；

本发明从特征IMF分量相角信息、整体波形变化趋势信息，以及零序电流特征点极性信息3方面入手，分别构造相位判别、计算相对熵、特征点极性判别相结合的综合故障选线判据，具体如下：

1.数据预处理；

在以上分析的基础上，本发明认为在利用Hilbert提取相角信息进行选线时，可以利用幅值信息刻画相角信息的可靠性；另外，若能充分利用多个采样点的相角信息，将能够避免个别采样点出现错误对算法的影响，提高选线方法的可靠性。

对原始零序电流数据进行预处理：故障后一个周期减去故障前一个周期，表达式如下：

i

式(9)中：m为馈线编号；t

对i

对Hi

θ[Hi

上式中，Hi

对IMF

2.判据1：IMF1分量特征瞬时相位判据；

在故障选线研究领域中，当分支馈线发生单相接地故障时，故障馈线与非故障馈线的零序电流在初始首半波的极性相反；当母线发生单相接地故障时，所有分支馈线的零序电流初始首半波极性均相同。由此，可做进一步拓展，当分支馈线故障时，故障馈线的特征瞬时相位与非故障馈线的特征瞬时相位反相；当母线发生故障时，所有分支馈线的特征瞬时相位均同相。但这一规律，会随着在馈线末端发生高阻接地故障，强噪声干扰时故障、或在电压过零点故障时，基于这一特性所构造的选线判据经常出现误判现象，基于此，本发明构造出具备表征信心度的特征瞬时相位判据，具体分析如下：

由前面分析可知，瞬时幅值的大小能反映其相角的准确性，因此，定义修正信心度计算式，如式(12)～(14)：

上式中，λ

为构建具有量化表征信心度的选线判据，对馈线m的3个最大瞬时幅值所对应的3个特征瞬时相位θ

为分析各馈线修正后的特征瞬时相位之间的差值存在的规律，以

第1种情况：以IMF

也即，λ

以馈线1发生单相接地故障为例，在未修正前，特征瞬时相位θ

由此，可推导出本发明修正后的分支馈线故障判据，如不等式(20)：

由此，当以上不等式(20)满足时，判定馈线1发生单相接地故障。

同理，母线发生故障时，在未修正前，特征瞬时相位θ

由此，可推导出本发明修正后的母线故障判据，如不等式(22)：

因此，当以上不等式(22)满足时，判定母线发生单相接地故障。

上述是以IMF

进一步分析第2种，第3种情况可以发现，第2种，第3种情况在配电网故障选线方面不具有实际的物理意义，因此，不能作为故障判据，具体的推导如下：

第2种情况：当各馈线IMF

则推导有：

分析可知，式(24)没有物理意义，因此不适用。

第3种情况：当各馈线IMF

则推导有：

分析可知，式(26)没有物理意义，因此不适用。

同理，IMF

3.判据2：IMF1分量瞬时能量相对熵判据；

相对熵可用来度量两个波形的差异。相对熵越小，说明两个波形差异越小；相对熵越大，说明两个波形差异越大。采用IMF

步骤1：对各馈线的IMF

E

进而，分别构造3个能量和，

最后，计算瞬时能量比值，见式(28)：

步骤2：计算各馈线相对于其它馈线的瞬时能量相对熵，如式(29)：

步骤3：计算各馈线综合相对能量熵值，其中，IMF

步骤4：采用计算式(30)的修正计算式，修正各馈线的综合相对能量熵。其中，瞬时幅值最大、次大值、第3大值的修正计算式如式(30)：

步骤5：计算修正综合相对能量熵的平均值，计算式如式(31)，

也即每条馈线有一个

4.判据3：特征零序电流值极性判据；

根据前面分析可知，发生接地故障后，仅利用首半波极性的选线判据会在电压过零点故障、高阻接地故障等工况时，发生误判别，且首半波不易界定、也不易获取。因此，在此基础上，根据遴选出的3个特征瞬时幅值，找出每条馈线各自零序电流中所对应的3个零序电流幅值点，依次定义为最大、次大、第3大特征零序电流值，分别表示为：d

极性计算表达式如式(32)：

当k＝1，2，3时，d

矩阵R中对角线元素均为1，非对角线的各元素为各条馈线特征零序电流幅值两两极性比较结果。

据此构建判据3：特征零序电流值极性判据，具体为：比较矩阵R中各行元素为“-1”的个数即可判断出故障馈线；若第l行中“-1”的个数为m-1，则馈线l发生了故障，其它馈线为非故障馈线；若矩阵R中各行元素均为“1”，则判断为母线故障。

5.综合投票；

综合以上3个判据，本发明提出一种综合投票法，所采用的原则为“少数服从多数”，也即，当2个及以上判据判定某条分支馈线发生故障时，则投票该分支馈线故障；同理，当2个及以上判据判定母线发生故障时，则投票母线故障；反之，若3个选线判据的输出判定不一致，则均返回重新计算，再进行投票。

下面通过具体的实施例对本发明一种多判据综合投票配电网故障选线方法进行进一步详细说明:

实施例

采用ATP-EMTP软件建立10kV辐射状配电网仿真模型，如图1所示，其中，架空线与电缆线的参数如表1所示：

表1线路参数

采用恒定负荷Z等效各条馈线负荷，其中，Z＝100+j20Ω，消弧线圈补偿度按过补偿8％计，经计算，消弧线圈电感L＝0.61633H；另外，消弧线圈的有功损耗一般占感性损耗的2.5％～5.0％，本仿真算例取为3％，经计算，消弧线圈电阻r

为验证本发明所述选线方法的正确性，分别从故障初相角、接地电阻值、补偿度大小、噪声强度几个方面分别进行验证，具体测试如下：

不同故障初相角：为测试单相接地故障发生在不同电压初相角时本发明所述方法的准确性，分别给出在架空线l

不同接地电阻值：对于馈线l

不同补偿度：由于消弧线圈过补偿左右，导致故障电流进一步减小，由此，分别仿真过补偿度为5％，8％，10％，判定结果见表2，可以看出，本发明所述方法适用于不同过补偿度时的故障馈线判定，判定结果准确。

不同噪声强度：实际应用时，需要考虑外界工况噪声的影响，由此，分别测试信噪比为10dB，7dB，5dB，3dB，测试结果见表2所示。可以看出，本发明所述方法具有较强的抗外界工况噪声干扰能力，可在噪声干扰下准备判定出故障馈线。

其中，给出的表2(a)为特征瞬时幅值最大值采用判据1进行判别的结果，设定相位阈值为40°，可以看出判据1可准确判定出故障馈线；同理，可以看出，表2(b)的判据2，表2(c)的判据3均可准确判定出故障馈线；进而，结合故障选线综合投票机制，本发明一种多判据综合投票配电网故障选线方法的综合投票法判定结果准确。

表2不同工况下故障判定结果

(a)最大值采用判据1判定结果

(b)判据2判定结果

(c)判据3判定结果

因此，综合来看，本发明一种多判据综合投票配电网故障选线方法，采用互补集合经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with AdaptiveNoise,CEEMDAN)算法对各馈线零序电流进行特征提取，获取各馈线第1个本征模态分量(The First Intrinsic Mode Function,IMF

基于以上结论，本发明构造了配电网综合投票法，以期提高故障选线的准确性，具体为：综合以上3个选线判据，本发明提出一种综合投票法，所采用的原则为“少数服从多数”，也即，当2个及以上判据判定某条分支馈线发生故障时，则投票该分支馈线故障；同理，当2个及以上判据判定母线发生故障时，则投票母线故障；反之，若3个选线判据的输出判定不一致，则均返回重新计算，再进行投票。在经过大量的仿真及现场实验表明，本发明一种多判据综合投票配电网故障选线方法不受初相角、接地电阻值、补偿度、噪声强度等的影响，故障选线准确率高。