鬼佬大哥大
  • / 19
  • 下載費用:30 金幣  

一種基于形態譜分析和形態學峰谷檢測可拓融合的配網故障選線方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410159695.8

申請日:

2014.04.21

公開號:

CN103954884A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01R 31/08申請日:20140421|||公開
IPC分類號: G01R31/08 主分類號: G01R31/08
申請人: 昆明理工大學
發明人: 束洪春; 高利; 段瑞敏; 朱夢夢
地址: 650093 云南省昆明市五華區學府路253號
優先權:
專利代理機構: 代理人:
PDF完整版下載: PDF下載
法律狀態
申請(專利)號:

CN201410159695.8

授權公告號:

103954884B||||||

法律狀態公告日:

2017.05.10|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種基于形態譜分析和形態學峰谷檢測可拓融合的配網故障選線方法,屬電力系統繼電保護技術領域。諧振接地的配電網發生單相接地故障時,利用形態譜分析的故障選線方法對較小初始相角的故障有很好的選線效果,而利用特征頻帶內饋線零序電流峰谷檢測的故障選線方法則對較大初始相角的故障有較好的選線效果。計算故障初始相角的大小,結合可拓理論,將上述兩種選線方法以故障初始相角為權重分配因素進行可拓融合,將關聯置信度的符號作為判據實現故障選線。具體算例和大量的仿真實驗表明,該方法針對不同的故障線路、故障距離、過渡電阻和故障初始相角具有適用性和可靠性。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于形態譜分析和形態學峰谷檢測可拓融合的配網故障選線方法,其特征在于:諧振接地系統發生單相接地故障后,首先確定單相接地故障的物元三要素,其次是按形態譜分析的選線方法和形態學峰谷檢測的選線方法的選線判據確定形態譜和峰谷檢測的特征量域,然后在單相接地故障物元模型的基礎上分別確定形態譜和峰谷檢測特征量域的節域;基于特征量域、故障物元模型、節域和現狀物元模型等信息建立關聯函數,計算故障初始相角并根據相角的大小分配權重系數;將關聯函數和權重系數的乘積視為關聯置信度,將關聯置信度的數值符號作為判據實現故障選線。

2.  根據權利要求1所述的基于形態譜分析和形態學峰谷檢測可拓融合的配網故障選線方法,其特征在于具體步驟如下:
A:諧振接地的配電網發生單相接地故障后,利用形態譜分析技術求解系統各饋線零序電流在正負刻度下的形態譜值之和及其比值                                                ,選出三個最大的值依次設為、、;
B:利用峰谷檢測技術求解特征頻帶內系統各饋線零序電流的峰谷綜合特性和首個峰谷的幅值,選出三個絕對值最大的值依次設為、、;
C:確定單相接地故障的物元三要素,建立單相接地故障物元模型和待定故障線路的現狀物元模型,建立關聯函數;
D:計算故障初始相角、確定權重系數,計算饋線的關聯置信度;
E:根據關聯置信度的符號判斷發生故障的線路。

3.  根據權利要求1所述的基于形態譜分析和形態學峰谷檢測可拓融合的配網故障選線方法,其特征在于:
F:將單相接地故障的物元三要素確定為、和,將事物名稱定義為可能發生故障的饋線集合,則與事物對應的特征定義為,其中特征為各饋線零序電流正負刻度下形態譜值和的比值,特征為特征頻帶下各饋線零序電流首波頭峰谷幅值;
G:故障選線裝置啟動后,截取啟動前2個周期及啟動后3個周期母線的零序電壓;
從裝置啟動時刻起沿時間軸向前追朔,在母線的零序電壓上找到第一個幅值小于0.01的采樣點,為母線的額定電壓,將其對應的時刻作為故障發生的時刻;以為起點,選取母線零序電壓一個周期內的采樣點,利用其計算相角。

說明書

說明書一種基于形態譜分析和形態學峰谷檢測可拓融合的配網故障選線方法
技術領域
本發明涉及一種基于形態譜分析和形態學峰谷檢測可拓融合的配網故障選線方法。屬于電力系統繼電保護技術領域。
背景技術
諧振接地系統單相接地故障邊界條件復雜,所表現出來的故障特征隨初始相角、故障距離、過渡電阻及負荷等因素的變化而表現出較大的差異性。因此單純使用故障特征量中的某一分量作為故障選線判據的特征量均存在誤判的風險,故障特征不明顯時,誤判風險更高。當諧振接地系統發生單相接地故障且故障發生在電壓過峰值附近(大故障初始相角)時,暫態零序電流的主要成分是高頻的容性分量,此時的暫態特征比較明顯;若單相接地故障發生在電壓過零點附近時(小故障初始相角),暫態零序電流的主要成分是感性分量,此時的暫態特征不明顯。針對大故障初始相角的故障選線以行波法最具標志性,該方法主要是利用小波變換模極大值的大小和極性進行選線,又稱小波法。小波法選線技術的難點在于小波基函數及小波分解尺度的選擇,另外當接地電阻過大時,暫態電流的高頻分量較小,易發生誤選,且隨機噪聲對該方法的準確性也會造成一定的影響,針對大故障初始相角一種利用形態峰谷檢測的配電網故障選線方法有較好的實現效果。對于小故障初始相角的故障選線問題一直是配網故障選線的難點,利用形態譜的諧振接地電網故障選線方法選線效果較明顯,但每種選線方法均存在一定的適用范圍。
信息融合技術為多種選線方法的綜合利用提供了理論和技術保障。信息融合是針對特定系統處理源于多種傳感器信息的一種方法,又稱為多傳感器融合(MSF),其基本思路是充分利用多傳感器的信息資源,依據某種準則在時間或空間上把多傳感器可冗余或互補的信息進行組合獲得被檢測對象的一致性描述或解釋。從結構層次上來分,信息融合可分為數據層融合、特征層融合和決策層的融合。信息融合的理論和方法較多,常見的有可拓理論、D-S證據理論、模糊理論、協同學、人工神經網絡等。
發明內容
本發明的目的是利用可拓理論將適用于小故障初始相角的形態譜分析的選線方法和適用于大故障初始相角的形態學峰谷檢測的選線方法進行融合而形成一種新的智能選線方法,以降低單純使用上述某種選線方法而存在的誤判的風險。
本發明的技術方案是:一種基于形態譜分析和形態學峰谷檢測可拓融合的配網故障選線方法,諧振接地系統發生單相接地故障后,首先確定單相接地故障的物元三要素,其次是按形態譜分析的選線方法和形態學峰谷檢測的選線方法的選線判據確定形態譜和峰谷檢測的特征量域,然后在單相接地故障物元模型的基礎上分別確定形態譜和峰谷檢測特征量域的節域。基于特征量域、故障物元模型、節域和現狀物元模型等信息建立關聯函數,計算故障初始相角并根據相角的大小分配權重系數。將關聯函數和權重系數的乘積視為關聯置信度,將關聯置信度的數值符號作為判據實現故障選線。
具體步驟如下:
A:諧振接地的配電網發生單相接地故障后,利用形態譜分析技術求解系統各饋線零序電流在正負刻度下的形態譜值之和及其比值                                                ,選出三個最大的值依次設為、、;
B:利用峰谷檢測技術求解特征頻帶內系統各饋線零序電流的峰谷綜合特性和首個峰谷的幅值,選出三個絕對值最大的值依次設為、、;
C:確定單相接地故障的物元三要素,建立單相接地故障物元模型和待定故障線路的現狀物元模型,建立關聯函數;
D:計算故障初始相角、確定權重系數,計算饋線的關聯置信度;
E:根據關聯置信度的符號判斷發生故障的線路;
F:將單相接地故障的物元三要素確定為、和,將事物名稱定義為可能發生故障的饋線集合,則與事物對應的特征定義為,其中特征為各饋線零序電流正負刻度下形態譜值和的比值,特征為特征頻帶下各饋線零序電流首波頭峰谷幅值;
G:故障選線裝置啟動后,截取啟動前2個周期及啟動后3個周期母線的零序電壓。從裝置啟動時刻起沿時間軸向前追朔,在母線的零序電壓上找到第一個幅值小于0.01的采樣點,為母線的額定電壓,將其對應的時刻作為故障發生的時刻。以為起點,選取母線零序電壓一個周期內的采樣點,利用其計算相角。
本發明的原理是:
1. 基于零序電流形態譜的選線方法基本過程:采集各饋線故障零序電流,截取故障后一定時窗的零序電流波形進行多刻度形態運算,然后對其求導得到各饋線零序電流的形態譜,由于形態譜正刻度數據表征的是目標信號與結構元素進行開運算后面積的變化,因此正刻度是波峰的表現區域;相反形態譜負刻度數據表征的是目標信號與結構元素進行閉運算后面積的變化,因此負刻度是波谷的表現區域。所以對各饋線零序電流形態譜正負刻度上譜值分別求和,然后求其比值λ,選出三個最大的λ值依次設為、、,若滿足>+,則可判定第條饋線發生故障,否則判定母線故障。
2.基于特征頻帶下零序電流形態學峰谷檢測的諧振接地系統故障選線方法基本過程:截取故障后一定時窗內各饋線零序電流數據利用小波進行分解,計算各頻帶下各饋線的能量和,剔除工頻所在頻帶后,依據能量和最大原則選取能量第二大頻帶作為特征頻帶。在特征頻帶下,對各饋線零序電流進行小波系數重構。對特征頻帶下的小波重構系數進行峰谷檢測,求解峰谷綜合特性并計算各饋線零序電流首波頭峰谷幅值。構建故障選線判據,作以下定義:
                             (1)
式中,表示所有饋線零序電流首波頭整體的突變方向;表示第條饋線零序電流首波頭的極性,當檢測結果為波峰時,當檢測結果為波谷時。
當時,判定第饋線為故障饋線;當時,判定第條饋線為健全饋線;當所有的時,判定母線故障。單純使用形態學峰谷檢測方法時,該判據較為直觀。但為了滿足可拓融合的條件要求,必須構建新的判據方式。
從計算求得的各饋線零序電流首波頭峰谷幅值中,選出三個絕對值最大的值依次設為、、,當時,判定第條饋線發生故障,否則判定母線故障。
3. 基于形態譜分析和形態學峰谷檢測可拓融合的配網故障選線方法的基本原理:確定單相接地故障的物元三要素、和。將事物名稱定義為可能發生故障的饋線集合,則,式中分別表示饋線發生故障。與事物對應的特征定義為,其中特征為各饋線零序電流正負刻度下形態譜值和的比值,特征為特征頻帶下各饋線零序電流首波頭峰谷幅值。
首先,由前述基于零序電流形態譜的選線方法可知,當故障初始相角較小時,形態譜這一特征的量域為兩個部分。
(1) 若不成立,則母線故障,形態譜這一特征的量域為
                   (2)
(2) 若成立,則饋線故障,形態譜特征的另一量域為
                   (3)
由前述基于零序電流峰谷檢測的選線方法可知,當故障初始相角較大時,峰谷檢測這一特征的量域也為兩個部分。
(1) 若不成立,則母線故障,關于峰谷檢測這一特征的量域為
            (4)
(2) 若成立,則饋線故障,關于峰谷檢測特征的另一量域為
            (5)
上述各式中的、、、和、、、分別為量域的可拓系數,針對特定的諧振接地系統,通過大量的歷史數據或仿真實驗數據來確定。
其次,建立單相接地故障物元模型。饋線發生單相接地故障的物元模型為,
               (6)
式中,為饋線故障關于特征容許的量域。由此可知,每個特征的量域取值可分為兩個部分,即的量域取為和,的量域取為和。在此基礎上確定特征量的節域為,
                  (7)
                  (8)
            (9)
           (10)
上述各式中的、、、和、、、分別為節域的可拓系數,針對特定的諧振接地系統,通過大量的歷史數據或仿真實驗數據來確定。
然后,建立待定故障線路的現狀物元模型。
                         (11)
式中,為系統發生單相接地故障時,饋線各特征的實際狀態值。
建立如下關聯函數,
        (12)
式中,                 ,               (13)
                (14)
為點與區域的距,為點與節域的距。為關于區間、的關聯函數。當時,表示屬于;當時,表示不屬于;當時,稱為可拓域,表示有機會屬于且數值越大,轉化到中的機會就越大。
下面,計算故障初始相角。當母線零序電壓瞬時值大于時,故障選線路裝置就會啟動,裝置記下啟動前2個周期及啟動后3個周期母線的零序電壓。這里的一般取為0.15,為母線的額定電壓。從裝置啟動時刻起沿時間軸向前追朔,在母線的零序電壓上找到第一個幅值小于0.01的采樣點,將其對應的時刻作為故障發生的時刻。以為起點,選取母線零序電壓一個周期內的采樣點,利用其計算相角,這里假設零序電壓為正弦函數且。因為越大,故障初始相角越小,此時特征所占的權重較大,特征所占的權重較小。反之,越小,故障初始相角越大,此時特征所占的權重較大,特征所占的權重較小。因此可根據故障初始相角的大小來分配權重系數分別為,
                         (15)
                       (16)
因此,關聯置信度為,
                          (17)
若諧振接地系統饋線發生單相接地故障,當饋線的在區間內時,,也就是,說明饋線在特征條件下處于關聯置信度內,判定饋線為故障饋線;否則判定饋線為健全饋線。若系統母線發生故障,各饋線的都不在區間內,,,所有饋線的特征在條件下均不在關聯置信度內。因此可構建選線判據如下,
(1) 若存在一個使得,,則判斷發生故障;
(2) 若所有的使得均不成立,,則判斷母線發生故障。
本發明與現有技術相比具有如下優點:
1、基于零序電流形態譜的選線方法利用多刻度形態學運算提取故障零序電流波形特征,具有較強的抗干擾能力,且不受過渡電阻大小的影響,該方法主要針對零序電流的時域波形進行特征辨識,信號采樣頻率的要求低,因此具有成本低廉的特點。
2、基于特征頻帶下零序電流形態學峰谷檢測的選線方法,也是針對零序電流的時域波形進行特征辨識的,因此也具備采樣頻率要求低和成本低廉的特點,另外該方法采用在特征頻帶下對零序電流進行形態學峰谷檢測,進一步增加了該方法的魯棒性和抗干擾能力。
3、本發明通過可拓理論將形態譜分析選線方法和特征頻帶下零序電流形態學峰谷檢測選線方法進行了融合,因此該方法不僅同時具備上述兩種選線方法的優點,而且還克服了單純使用一種選線方法而存在的選線可靠性不高的缺點;該方法還具備不受故障初始相角大小影響的顯著優點。
附圖說明
圖1為本發明實施例1和2的配電網諧振接地系統仿真模型;
圖2為本發明實施例1和2的選線流程圖;
圖3為本發明實施例1故障發生后饋線的零序電流波形圖;
圖4為本發明實施例1故障發生后饋線的零序電流波形圖;
圖5為本發明實施例1饋線零序電流的形態譜;
圖6為本發明實施例1饋線零序電流的形態譜;
圖7為本發明實施例1特征頻帶下饋線零序電流的小波重構系數;
圖8為本發明實施例1特征頻帶下饋線零序電流的小波重構系數;
圖9為本發明實施例1特征頻帶下饋線零序電流小波重構系數的峰谷綜合特性;
圖10為本發明實施例1特征頻帶下饋線零序電流小波重構系數的峰谷綜合特性。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例,對本發明作進一步說明。
實施例1:建立如圖1所示的配電網諧振接地系統。系統含有6條饋線,Z字形變壓器的中性點通過消弧線圈并串聯電阻接地,電源為G(無窮大),主變壓器為T、接線形式為YN和d11、變比為110 kV /35 kV,TZ為Z字形變壓器,消弧線圈電感值為L,消弧線圈的阻尼電阻為R。系統饋線由架空線路、架空線-電纜混合線路和電纜線路3種線路組成。負荷為恒定功率負荷。各饋線的參數分別為:km,為架空線;km,為電纜饋線;km, 為架空線;km,為線纜混合饋線,其中架空線12km,電纜5km;km,為架空線;km,為電纜饋線。其中,所有架空饋線為JS1桿型和LGJ-70型導線,檔距為m,所有電纜饋線為YJV型電纜。針對該系統的基于形態譜分析和形態學峰谷檢測可拓融合的配網故障選線方法流程圖如圖2所示。
現假設距離始端5km處饋線發生單相接地故障,故障時刻ms,故障初始相角為15°(小故障初始角),故障過渡電阻為20Ω,時窗長度選取5ms,采樣頻率為10kHz。通過仿真得到各饋線零序電流的波形如圖3-4所示(以饋線和的波形圖為代表)。使用扁平結構元素對各饋線零序電流故障后首個1/4周期內的波形進行形態運算并求其正負五個刻度下形態譜,歸一化處理后,得到各條饋線零序電流的形態譜如圖5-6所示(以饋線和的形態譜為代表)。對各饋線零序電流正負刻度下的形態譜值分別求和,然后求其比值,結果如表1所示
表1饋線故障時各饋線正負刻度下的譜值和及譜值比

選取三個最大的值,依次設為、、,則==2.1612、==0.6086、==0.5900。
提取故障后5ms時窗內各饋線零序電流數據利用db4小波進行6層分解,利用小波系數計算各頻帶下各饋線的能量和,如表2所示,頻帶0Hz~78.125Hz對應的能量和最大,頻帶312.5~625 Hz對應的能量和次之。
表2饋線故障時各頻帶能量

剔除工頻所在頻帶(即能量和最大的頻帶0Hz~78.125Hz)后,依據能量和最大原則選取能量第二大頻帶作為特征頻帶,即312.5~625 Hz。特征頻帶下,各饋線零序電流的小波重構系數如圖7-8所示(以饋線和的波形圖為代表)。
以特征頻帶下零序電流的小波重構系數為研究對象進行峰谷檢測,采用長度為3的扁平結構元素可求出特征頻帶下零序電流的小波重構系數的峰谷綜合特性,結果如圖9-10所示(以饋線和的峰谷綜合特性為代表)。
通過特征頻帶下零序電流峰谷綜合特性求解各饋線首個峰谷的幅值,結果如表3所示。
表3饋線故障時峰谷檢測后各饋線特征頻帶下零序電流首個峰谷的幅值

選取三個絕對值最大的值,依次設為、、,則==1.872、==-0.467、==-0.433。
確定單相接地故障的物元三要素、和。將事物名稱定義為可能發生故障的饋線集合,則,式中分別表示饋線發生故障。與事物對應的特征定義為,其中特征為各饋線零序電流正負刻度下形態普值和的比值,特征為特征頻帶下各饋線零序電流首波頭峰谷幅值。
由前述基于零序電流形態譜的選線方法可知,形態譜這一特征的量其域為兩個部分。
(1) 若不成立,則母線故障。針對該系統通過大量的仿真實驗確定量域的可拓系數后得到形態譜這一特征的量域為

(2) 若成立,則饋線故障。針對該系統通過大量的仿真實驗確定量域的可拓系數后得到形態譜特征的另一量域為

由前述基于零序電流峰谷檢測的選線方法可知,峰谷檢測這一特征的量域也為兩個部分。
(1) 若不成立,則母線故障。針對該系統通過大量的仿真實驗確定量域的可拓系數后得到關于峰谷檢測這一特征的量域為

(2) 若成立,則饋線故障。針對該系統通過大量的仿真實驗確定量域的可拓系數后得到關于峰谷檢測特征的另一量域為

建立單相接地故障物元模型。饋線發生單相接地故障的物元模型為,

式中,為饋線故障關于特征容許的量域。由此可知,每個特征的量域取值可分為兩個部分,即的量域取為和,的量域取為和。在此基礎上,針對該系統,通過大量仿真實驗確定節域可拓系數后得到節域為,




建立待定故障線路的現狀物元模型,

式中,為系統發生單相接地故障時,饋線各特征的實際狀態值。
建立如下關聯函數,

式中,   ,
為點與區域的距,為點與節域的距。為關于區間、的關聯函數。
根據故障初始相角的大小來分配權重系數分別為,
,。
這里的=15°。定義關聯置信度為,

所以,對于該系統,關聯置信度計算公式為,


各饋線的關聯置性度計算結果和選線結果如表4所示。
表4饋線故障時各饋線的關聯置性度計算結果和選線結果

選線結果與假設的故障饋線一致,選線正確。
實施例2:針對如圖1所示的配電網諧振接地系統,現假設距離始端10km處饋線發生單相接地故障,故障時刻ms,故障初始相角為75°(大故障初始角),故障過渡電阻為30Ω,時窗長度選取5ms,采樣頻率為10kHz。故障選線流程如圖2所示。
通過仿真得到各饋線零序電流波形,使用扁平結構元素對各饋線零序電流故障后首個1/4周期內的波形進行形態運算并求其正負五個刻度下形態譜,歸一化處理后,得到各條饋線零序電流的形態譜。對各饋線零序電流正負刻度下的形態譜值分別求和,然后求其比值,結果如表5所示。
表5饋線故障時各饋線正負刻度下的譜值和及譜值比

選取三個最大的值,依次設為、、,則==3.1324、==0.6894、==0.5845。
提取故障后5ms時窗內各饋線零序電流數據利用db4小波進行6層分解,利用小波系數計算各頻帶下各饋線的能量和。剔除工頻所在頻帶(即能量和最大的頻帶0Hz~78.125Hz)后,依據能量和最大原則選取能量第二大頻帶作為特征頻帶,即312.5~625 Hz。在特征頻帶下,對各饋線零序電流的小波系數進行重構。以特征頻帶下零序電流的小波重構系數為研究對象進行峰谷檢測,采用長度為3的扁平結構元素可求出特征頻帶下零序電流的小波重構系數的峰谷綜合特性,并峰谷綜合特性求解各饋線首個峰谷的幅值,結果如表6所示
表6饋線故障時峰谷檢測后各饋線特征頻帶下零序電流首個峰谷的幅值

選取三個絕對值最大的值,依次設為、、,則==2.3874、==-0.567、==-0.473。
確定單相接地故障的物元三要素、和。將事物名稱定義為可能發生故障的饋線集合,則,式中分別表示饋線發生故障。與事物對應的特征定義為,其中特征為各饋線零序電流正負刻度下形態普值和的比值,特征為特征頻帶下各饋線零序電流首波頭峰谷幅值。
由實施例1可知,該系統的形態譜特征的量域和為


峰谷檢測特征的量域和為


建立單相接地故障物元模型。饋線發生單相接地故障的物元模型為,

式中,為饋線故障關于特征容許的量域。由此可知,每個特征的量域取值可分為兩個部分,即的量域取為和,的量域取為和。由實施例1可知該系統的特征量的節域為,




建立待定故障線路的現狀物元模型,

式中,為系統發生單相接地故障時,饋線各特征的實際狀態值。
根據關聯函數公式、權重系數分配公式和關聯置信度公式求得各饋線的關聯置性度結果和選線結果如表7所示。這里的初始相角=75°。
表7饋線故障時各饋線的關聯置性度計算結果和選線結果

選線結果與假設的故障饋線一致,選線正確。

關 鍵 詞:
一種 基于 形態 譜分析 形態學 檢測 融合 故障 方法
  專利查詢網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
關于本文
本文標題:一種基于形態譜分析和形態學峰谷檢測可拓融合的配網故障選線方法.pdf
鏈接地址:http://www.wwszu.club/p-6140548.html
關于我們 - 網站聲明 - 網站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網站客服客服 - 聯系我們

[email protected] 2017-2018 zhuanlichaxun.net網站版權所有
經營許可證編號:粵ICP備17046363號-1 
 


收起
展開
鬼佬大哥大