基于共生多元泛函计算的单相接地故障检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于共生多元泛函计算的单相接地故障检测方法，包括以下步骤：与投影操作主信号相关的信号选取、采集以及初步运算处理；与投影操作基底信号相关的信号选取、采集以及初步运算处理；信号滤波；时窗安排；共生多元泛函计算；系统正常时线路对地电容精确测量；线路短时故障度量计算；SPEF检测。具有广泛的适应性，可用于任何类型、任何配置的中性点非有效接地中压电力系统中的任何类型的SPEF检测。既解决时长低至数毫秒的瞬间SPEF检测问题，对于无论何种线路配置的中压电力系统，故障线路识别的正确率达到100％，也解决了高阻SPEF检测问题，对于无论何种线路配置的中压电力系统，即使SPEF的接地电阻高达500千欧姆，故障线路识别的正确率达到100％。

【技术实现步骤摘要】
基于共生多元泛函计算的单相接地故障检测方法
本专利技术涉及电力系统自动化及故障检测
，尤其是涉及一种基于共生多元泛函计算的单相接地故障检测方法。
技术介绍
中压等级的交流电，例如我国66KV、35KV及10KV电压等级，经各条中压线路(电缆或架空线)向各个中压用户或设备供电，这就是供电部门为数众多的中压电力系统。中压电力系统中性点接地方式分为有效接地方式与非有效接地方式两大类。中性点有效接地，又包括中性点直接接地与中性点经低电阻接地两种方式。中性点非有效接地，又包括中性点不接地，中性点经高电阻接地以及中性点经消弧线圈接地(也称谐振接地)等3种方式。电力系统发生单相接地故障(singlephaseearthfault，SPEF)，是指三相线路其中一相与大地直接连接，或经一定数值的接地电阻与大地连接。SPEF有两个重要的参数，一为接地持续时间或时长，一为接地电阻，也称接地过渡电阻。接地时长短至数毫秒的SPEF称为瞬间SPEF，例如弧光接地从起弧到弧光熄灭为一次瞬间SPEF。接地时长在数个工频周期以上的SPEF称为长时SPEF，包括所谓稳定SPEF，永久SPEF以及随机断续SPEF其中的一次SPEF(随机断续接地可看作随机时长、随机出现的SPEF的组合)。接地电阻在10千欧姆以下的SPEF为中低阻SPEF，而在10千欧姆以上则称为高阻SPEF。中性点非有效接地方式优点在于：当电力系统发生SPEF时，系统可继续工作一段时间，例如我国规定可继续工作2小时。若在这段时间内SPEF得以排除，则电力系统的连续可靠供电得以保持，可靠供电指标不受SPEF的影响。因此，中性点非有效接地方式，尤其时谐振接地方式，在全世界范围内被越来越多的采用。但是，中性点非有效接地方式，尤其是谐振接地方式，带来SPEF检测的技术难题，至今未得到妥善解决。而统计表明，电力系统故障中，SPEF占80％以上。因此该类故障的检测又是迫切需要解决的问题。SPEF检测是电力系统自动化及智能电网构建的重要方面，具体来说，SPEF检测应包含3个方面的内容：1)故障监测。意即当电力系统发生SPEF时，给出故障指示(当然若系统未发生SPEF时也给出系统正常的指示)。2)故障线路判别。即确定SPEF发生在哪一条用户线路上。3)故障点定位。即确定故障接地点的确切位置。目前的SPEF检测技术主要关注1)、2)项内容。至于故障点定位，因具有较大挑战性而尚未有成熟至得到普遍应用的方案。以下所讨论的单相接地检测技术，只涉及故障监测及故障线路判别。目前，中压电力系统SPEF检测主要包括以下几种方法。利用稳态信号的SPEF检测方法：在已有的众多SPEF检测技术方案中，静态DESIR、动态DESIR和DDA等3种方案[1]较为成熟，其理论基础是时域信号的傅里叶变换。这些方法的有效性业已为实际应用所证明。但是它们也存在着非常显著的缺陷或局限性，如下。1)它们利用的是电力系统自身的稳态工频基波信号，因而只能检测时长较长的SPEF。在信号的暂态过程中，由于暂态信号对工频基波产生干扰而无法准确识别接地线路。对于弧光SPEF等瞬间SPEF则完全失效，因瞬间SPEF的情况下不可能出现稳态故障信号。这是这类方法的致命缺点，因为电力系统的SPEF故障，绝大部分属于弧光自熄灭的瞬间SPEF。检测出这类故障，能够及早发现和消除线路的薄弱环节，因而有着重要意义。2)在发生稳定SPEF，且接地电阻恒定的条件下，这类方法能够检测接地电阻高至100千欧姆的高阻SPEF。然而实际当中，由于线路对地绝缘性能变差而引起的高阻SPEF，具有更高的接地电阻。对于因树木等物体触碰引起的SPEF，其接地电阻随时变化。对于这些情况，这类检测方法也是失效的。3)DDA检测方法不仅用到中性点电压，各线路剩余电流等信号，而且还用到三相电压信号，这增加了检测器的复杂度。利用暂态信号的SPEF检测方法：由于上述基于稳态信号分析的检测方法具有明显的局限性，基于暂态信号分析的检测方法逐渐成为研究热点。这类检测方法主要包括：1)小波分析法，2)Prony分析法，3)S变换法，4)希尔伯特黄变换(HHT)法，5)信号灰相关度分析法，6)信号峰态分布特征分析法，7)经验模式分解法，等等。这些方法的出发点是分析发生SPEF之后的电力系统暂态信号中的高频成分，以期找到故障线路与正常线路的区别。实际上，这类方法只在特定的条件下有效，从理论到实践都不能证明它们是普遍适用的、有效的SPEF检测方法。其原因是：1)各线路的剩余电流中的暂态高频成分取决于线路参数、故障时相电压的相角以及接地电阻等诸多因素，具有很强的随机性。在某些情况下，暂态信号中并不包含高频成分，例如故障时相电压相角等于或接近0时，以及接地电阻值较高时。2)即使暂态信号中存在高频成分，且能够分析其中某种特定成分的某种特征，但要断定这种特征在故障线路上必与正常线路有显著区别，则缺乏理论依据，不能证明是否存在例外的情况。利用现代信号分析工具的SPEF检测方法：SPEF检测尚有模型参数识别法、人工智能法以及信息融合法等方面的尝试。这些方法利用了现代分析工具，但仅在一般的信号处理层面上做出改进，在极大增加处理运算复杂度的同时，回避了对特定信号内在根本规律的揭示和把握，技术路线存疑，实际作用有限。现有技术存在的问题总结：对于中性点非有效接地，尤其是中性点谐振接地的电力系统，其SPEF检测这一迫切需要解决的问题尚没有完善的解决方案，突出表现在，对于瞬间SPEF以及高阻SPEF的检测问题，缺乏理论方面的突破，目前已提出方案的技术路线存在一定的盲目性，实际效果不理想。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服
技术介绍
的不足，本专利技术公开了一种基于共生多元泛函计算的单相接地故障检测方法，使用了基于多元共生泛函计算的信号分析与处理方法，在此基础上，利用电力系统自身特定信号间的短时投影进一步定义了线路的短时故障度量STFM，从而较完善地解决了中性点非有效接地电力系统，特别是谐振接地电力系统的SPEF检测问题。技术方案：本专利技术的基于共生多元泛函计算的单相接地故障检测方法，包括以下步骤：步骤1信号选取、采集以及初步运算处理得到投影操作的主信号x(t)(1)选取与主信号x(t)对应的基本信号α1(t),…,αM(t)：选取多个投影操作的主信号xk(t),k＝1,…,K其中，K为电力系统中线路数量、x∑(t)所对应的各组基本信号：α1k(t),…,αMk(t),k＝1,…,K、α1∑（t）,…,αM∑(t）；(2)采集得到与主信号x（t）对应的采集信号sx(t)＝fsx(α1(t),…,αM(t))：采集得到与上述多组基本信号对应的采集信号：sxk(t)＝fsxk(α1k(t),…,αMk(t)),k＝1,…,K、sx∑(t)＝fsx∑(α1∑(t),…,αM∑(t))；(3)对采集信号sx(t)进行初步运算处理得到主信号x(t)＝fx(α1(t),…,αM(t)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于共生多元泛函计算的单相接地故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1 信号选取、采集以及初步运算处理得到投影操作的主信号x(t)/n(1)选取与主信号x(t)对应的基本信号α

【技术特征摘要】
1.一种基于共生多元泛函计算的单相接地故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1信号选取、采集以及初步运算处理得到投影操作的主信号x(t)
(1)选取与主信号x(t)对应的基本信号α1(t),…,αM(t)：
选取多个投影操作的主信号xk(t),k＝1,…,K其中，K为电力系统中线路数量、x∑(t)所对应的各组基本信号：α1k(t),…,αMk(t),k＝1,…,K、α1∑(t),…,αM∑(t)；
(2)采集得到与主信号x(t)对应的采集信号sx(t)＝fsx(α1(t),…,αM(t))：
采集得到与上述多组基本信号对应的采集信号：sxk(t)＝fsxk(α1k(t),…,αMk(t)),k＝1,…,K、sx∑(t)＝fsx∑(α1∑(t),…,αM∑(t))；
(3)对采集信号sx(t)进行初步运算处理得到主信号x(t)＝fx(α1(t),…,αM(t))：
对各采集信号sxk(t),k＝1,…,K、sx∑(t)进行初步运算处理，得到各主信号xk(t)＝fxk(α1k(t),…,αMk(t)),k＝1,…,K和x∑(t)＝fx∑(α1∑(t),…,αM∑(t))；
步骤2信号选取、采集以及初步运算处理得到投影操作的基底信号y(t)
(1)选取与基底信号y(t)对应的基本信号β1(t),…,βN(t)；
(2)采集得到与基底信号y(t)对应的采集信号sy(t)＝fsy(β1(t),…,βN(t))；
(3)对采集信号sy(t)进行初步运算处理得到基底信号y(t)＝fy(β1(t),…,βN(t))；
步骤3对主信号xk(t),k＝1,…,K、x∑(t)和基底信号y(t)在选取后或者采集后进行信号滤波；
步骤4将时间域0≤t＜∞分割成一系列的等宽的且邻接排布的时窗：
w(t-τm,Tw)＝w(t-mTw,Tw),m＝0,1,…
w(t-τm,Tw)表示了邻接排布时窗中的第m个时窗，m＝0,1,…，其起始时刻为τm＝mTw，结束时刻为(m+1)Tw，宽度为Tw，其中τm＝mTw,m＝0,1,…，基本时窗函数w(t,Tw)定义为



其起始时刻为0，宽度为Tw；
步骤5共生多元泛函SMF计算
在时窗w(t-τm,Tw)＝w(t-mTw,Tw),m＝0,1,…内，分别将输出的主信号xk(t),k＝1,…,K、x∑(t)正交投影到输出的基底信号y(t)上，计算出对应的共生多元泛函SMF，包括：P(xk,y,Tw,τm),k＝1,…,K；m＝0,1,…、P(x∑,y,Tw,τm)；m＝0,1,…；
步骤6系统正常时线路参数的精确测量
所得的共生多元泛函P(xk,y,Tw,τm),k＝1,…,K；m＝0,1,…、P(x∑,y,Tw,τm)；m＝0,1,…为电力系统线路的某种线路参数ξk,k＝1,…,K、ξ∑的实时监测值，对该线路参数ξk,k＝1,…,K、ξ∑进行精确的测量，分别表示为
步骤7线路短时故障度量STFM计算
时窗w(t-τm,Tw),τm＝mTw,m＝0,1,…内，计算线路k＝1,…,K的短时故障度量STFM：



其中ρ为常数；
时窗w(t-τm,Tw),τm＝mTw,m＝0,1,…内母线的STFMμ0(m)，以k＝0表示母线的序号，按照如下方法计算：



其中表示μk(m),k＝1,…,K中的绝对值最大者，即
步骤8单相接地故障SPEF检测
综合考察至少1个或多个时窗之内各线路的STFM，依据一定的判别准则，对电力系统的状态以及发生SPEF时的故障线路进行实时地、连续不间断地判别，得到准确的检测结果。


2.根据权利要求1所述的基于共生多元泛函计算的单相接地故障检测方法，其特征在于，所述步骤1分步(1)中：






其中iak(t),ibk(t),ick(t)分别是电力系统中线路k首端的三相电流，k＝1,…,K表示电力系统连接在母线上的K条线路的序号，ia(t),ib(t),ic(t)表示电源变压器输出端口的三相电流；
分步(2)中：
sxk(t)＝fsxk(α1k(t),…,αMk(t))
＝iρk(t)
＝α1k(t)+α2k(t)+α3k(t)
＝iak(t)+ibk(t)+ick(t),k＝1,…,K
sx∑(t)＝fsx∑(α1∑(t),…,αM∑(t))
＝iρ∑(t)
＝α1∑(t)+α2∑(t)+α3∑(t)
＝ia(t)+ib(t)+ic(t)
其中，线路剩余电流iρk(t)定义为iρk(t)＝iak(t)+ibk(t)+ick(t),k＝1,…,K，即线路k首端的三相电流之和；总剩余电流定义为iρ∑(t)＝ia(t)+ib(t)+ic(t)，即电源变压器输出端口的三相电流之和；
分步(3)的运算处理方案为：
基于所采集的原信号运算处理
xk(t)＝fxk(α1k(t),…,αMk(t))
＝sxk(t)＝iρk(t)
＝α1k(t)+α2k(t)+α3k(t),k＝1,…,K
x∑(t)＝fx∑(α1∑(t),…,αM∑(t))
＝sx∑(t)＝iρ∑(t)
＝α1∑(t)+α2∑(t)+α3∑(t)
或者，基于所采集信号的差分信号运算处理：
xk(t)＝fxk(α1k(t),…,αMk(t))
＝sxk(t)-sxk(t-JT)
＝iρk(t)-iρk(t-JT)
＝α1k(t)+α2k(t)+α3k(t)-[α1k(t-JT)+α2k(t-JT)+α3k(t-JT)],k＝1,…,K
x∑(t)＝fx∑(α1∑(t),…,αM∑(t))
＝sx∑(t)-sx∑(t-JT)
＝iρ∑(t)-iρ∑(t-JT)
＝α1∑(t)+α2∑(t)+α3∑(t)-[α1∑(t-JT)+α2∑(t-JT)+α3∑(t-JT)]
其中，J为整数，J≥1，T为工频周期，信号与其前J个工频周期的波形相减，得到的信号为差分信号。


3.根据权利要求1所述的基于共生多元泛函计算的单相接地故障检测方法，其特征在于，所述步骤2包括4种具体方案：
方案1：
选取与基底信号y(t)对应的基本信号β1(t),…,βN(t)：



其中ua(t),ub(t),uc(t)分别是三相电源输出端口的三相电压，
采集得到与基底信号y(t)对应的采集信号sy(t)＝fsy(β1(t),…,βN(t))：



其中un(t)为电力系统中性点电压，u0(t)为零序电压，un(t)＝u0(t)＝[ua(t)+ub(t)+uc(t)]/3，
对采集信号sy(t)进行初步运算处理得到基底信号y(t)＝fy(β1(t),…,βN(t))：
基于所采集的原信号运算处理：



或者，基于所采集信号的差分信号运算处理：



其中J为整数，J≥1，T为工频周期，信号与其前J个工频周期的波形相减，得到的信号为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金铸，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32