本發(fā)明涉及故障定位領(lǐng)域，具體為一種基于集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾呐潆娋W(wǎng)高阻故障定位方法和定位模擬方法。

背景技術(shù)：

配電系統(tǒng)中，單相接地故障是電網(wǎng)運(yùn)行故障的主要形式，甚至大部分的相間故障也是由單相故障發(fā)展而來的。單相接地故障的類型分為金屬性接地和高阻接地，其中高阻接地故障發(fā)生時，三相線電壓幾乎還是對稱，同時故障電流很小，故障特征不明顯，很難對特征量進(jìn)行準(zhǔn)確的提取，從而加大了高阻故障檢測的難度。高阻接地故障會影響輸配電系統(tǒng)正常運(yùn)行，對弧光接地故障來說由于空氣游離的緣故，接地阻抗變化很大，使現(xiàn)有保護(hù)反復(fù)啟動、恢復(fù)，可能會導(dǎo)致相鄰線路、設(shè)備的保護(hù)越級跳閘，使電力系統(tǒng)出現(xiàn)更嚴(yán)重的故障。在故障停電對用戶恢復(fù)供電時，高阻故障會造成火災(zāi)、人身觸電等嚴(yán)重后果，給生命財產(chǎn)帶來損失，因此，高阻抗故障的檢測十分重要。

目前對高阻接地故障的研究主要集中于線路高阻接地保護(hù)，有文獻(xiàn)采用線電流的三次諧波來檢測伴隨有電弧的高阻抗故障，也有利用卡爾曼濾波方法研究高阻接地故障的方法，此外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也被嘗試用于高阻故障檢測，但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量訓(xùn)練樣本，目前難以應(yīng)用于電力系統(tǒng)實(shí)際中。

集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸馀cfft、小波分解等不同，集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒o需選擇基函數(shù)，其分解完全基于信號本身極值點(diǎn)分布，通過多次篩選，將信號分解為多個表征信號中某種單一模態(tài)的本征模式分量(instrinsicmodefunction,imf)與一個趨勢項，得到國內(nèi)外廣泛關(guān)注，然而，當(dāng)信號的極值點(diǎn)分布不均時，集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥纸饨Y(jié)果會出現(xiàn)“過沖”、“欠沖”現(xiàn)象，導(dǎo)致模式混淆。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出了一種基于集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾呐潆娋W(wǎng)高阻故障定位方法，該方法基于信號本身極值點(diǎn)分布，采用加、減法對信號進(jìn)行處理，計算速度快，不僅能夠靈敏、有選擇性地檢測高阻接地故障，而且?guī)缀醪皇苓^渡電阻和故障時刻等隨機(jī)因素影響。

本發(fā)明采用下面的技術(shù)方案：

一種基于集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾呐潆娋W(wǎng)高阻故障定位方法，包括以下步驟：

(1)采集測量點(diǎn)的相電壓和相電流，計算零序電壓和零序電流；

(2)采用集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒▽λ隽阈螂妷汉土阈螂娏鬟M(jìn)行分解，篩選反映暫態(tài)故障特征的一系列本征模式分量；

(3)根據(jù)所述本證模式分量，分別計算零序電壓量譜和零序電流量譜，選擇零序電壓量譜中的最大值，確定故障母線所在的位置；選擇零序電流量譜中的最大值，確定故障分支的位置；實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)高阻故障定位的確定。

進(jìn)一步的，在步驟(2)中，首先對所述零序電壓和零序電流的信號加入高斯白噪聲，然后再采用集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒ǚ纸馑隽阈螂妷汉土阈螂娏鳌?/p>

進(jìn)一步的，根據(jù)下式確定高斯白噪聲的幅值：

或者

式中α為加入幅值為e的高斯白噪聲平均n次后分解誤差，n＝100，e取值為0.05倍的信號標(biāo)準(zhǔn)差。

進(jìn)一步的，對所述本征模式分量的絕對值進(jìn)行設(shè)定時間的固定浮動時間窗的計算，得到零序電壓量譜和零序電流量譜。

進(jìn)一步的，步驟(4)中采用下式計算零序電壓量譜和零序電流量譜：

n是浮動時間窗所覆蓋的采樣點(diǎn)數(shù)，imfi(k)是零序電壓或零序電流的第i個本征模式分量，i是本征模式分量的階。

進(jìn)一步的，所述固定浮動時間窗的設(shè)定時間范圍在10ms至30ms之間。

進(jìn)一步的，所述一系列本征模式分量包括一階本征模式分量或二階本征模式分量，或一階本征模式分量與二階本征模式分量之和。

本發(fā)明還提出了一種基于集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾呐潆娋W(wǎng)高阻故障定位模擬方法，包括以下步驟：

(1)采用matlab建立配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)模型以及高阻故障模型；

(2)通過改變高阻故障模型中的電氣參數(shù)，預(yù)設(shè)配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)模型中的故障點(diǎn)；

(3)采用如權(quán)利要求1所述的方法定位配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)模型中的高阻故障。

進(jìn)一步的，基于三饋線中性點(diǎn)非有效接地的l0kv配網(wǎng)系統(tǒng)建立配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)模型，該模型由單電源供電，饋線接線模式使用單輻射接線。

進(jìn)一步的，所述高阻故障模型包括直流電源vp、vn、二極管dp、dn以及電阻rp、rn，所述直流電源vp、vn、二極管dp、dn以及電阻rp、rn組成了正負(fù)半周電流的通路。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明利用集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒▽Σ杉儞Q得到的各母線零序電壓和各饋線零序電流進(jìn)行離散分析，抽取故障信號的本證模式分量，對所選本征模式分量的絕對值進(jìn)行浮動時間窗覆蓋的疊加，構(gòu)成故障識別的判據(jù)。并進(jìn)一步的建立matlab/simlink仿真模型，通過仿真結(jié)果表明，該方法無需選擇基函數(shù)，其分解完全基于信號本身極值點(diǎn)分布，采用加、減法對信號進(jìn)行處理，計算速度快，不僅能夠靈敏、有選擇性地檢測高阻接地故障，而且不受過渡電阻和故障時刻等隨機(jī)因素影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的配電網(wǎng)高阻故障定位方法流程圖；

圖2為本發(fā)明的集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒鞒虉D；

圖3為本發(fā)明的集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒ǖ暮Y選示意圖；

圖4為本發(fā)明的集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒ǖ暮Y選結(jié)果示意圖；

圖5為本發(fā)明的配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)模型示意圖；

圖6為本發(fā)明的高阻故障模型示意圖；

圖7為本發(fā)明的高阻故障仿真模型系統(tǒng)示意圖；

圖8為本發(fā)明的故障發(fā)生在bf段時的零序電壓波形；

圖9為本發(fā)明的故障發(fā)生在bf段時的零序電流波形；

圖10為本發(fā)明的a段母線零序電壓的本征模式分量imf2波形圖；

圖11為本發(fā)明的b段母線零序電壓的本征模式分量imf2波形圖；

圖12為本發(fā)明的c段母線零序電壓的本征模式分量imf2波形圖；

圖13為本發(fā)明的ab支路零序電流的模態(tài)分量imf2波形圖；

圖14為本發(fā)明的bc支路零序電流的模態(tài)分量imf2波形圖；

圖15為本發(fā)明的cd支路零序電流的模態(tài)分量imf2波形圖；

圖16為本發(fā)明的ce支路零序電流的模態(tài)分量imf2波形圖；

圖17為本發(fā)明的bf支路零序電流的模態(tài)分量imf2波形圖；

圖18為本發(fā)明的各段母線零序電壓的eimf2(u)波形圖；

圖19為本發(fā)明的各分支線路零序電流的eimf2(i)波形圖；

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

emd是指集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒ā?/p>

本發(fā)明的一種典型實(shí)施例是一種基于集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾呐潆娋W(wǎng)高阻故障定位方法，如圖1所示，包括以下步驟：

(1)采集每個測量點(diǎn)的相電壓ua、ub、uc，相電流ia、ib、ic；

(2)計算出零序電壓和零序電流u0＝1/3(ua+ub+uc),i0＝1/3(ia+ib+ic)；

由于暫態(tài)信號中包含了大量反映故障性質(zhì)的信息，電壓、電流中不同頻率分量所含能量的差異，為故障特征分析提供了依據(jù)。中性點(diǎn)不接地配網(wǎng)的接地故障識別可以使用故障發(fā)生時各線路的零序電壓和零序電流。

u0＝1/3(ua+ub+uc),i0＝1/3(ia+ib+ic)

其中：u0、i0分別是零序電壓和零序電流；ua、ub、uc為相電壓；ia、ib、ic為相電流。

(3)采用集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒▽λ隽阈螂妷汉土阈螂娏鬟M(jìn)行分解，如圖2所示，篩選反映暫態(tài)故障特征的一系列本征模式分量；一般是imf1或imf2或兩者之和。

集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒ū举|(zhì)上是基于極值點(diǎn)的篩選過程。以仿真信號為例，采用集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸鈺r，如圖3所示，利用信號的極大值與極小值，通過三次樣條擬合出極大值包絡(luò)與極小值包絡(luò)，得到局部均值。將信號減去局部均值，重復(fù)以上過程，直到篩選出的成分滿足imf條件。最后，信號依次被分解為若干個頻率由高到低的imf與一個趨勢項，如圖4所示。

當(dāng)極值點(diǎn)分布不均時，通過插值得到的局部均值發(fā)生扭曲，導(dǎo)致篩選結(jié)果出現(xiàn)模式混淆現(xiàn)象。因此，極值點(diǎn)分布特性是集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸饨Y(jié)果的決定性因素。針對極值點(diǎn)分布問題，本實(shí)施例對信號加入高斯白噪聲，利用白噪聲的頻率均勻分布特性，改善信號極值點(diǎn)分布，通過多次分解取平均，減小加入噪聲對分解結(jié)果的影響，得到集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾淖罱K結(jié)果。其流程如圖2所示。

針對對信號加入高斯白噪聲的原理是：當(dāng)信號不連續(xù)時，極值點(diǎn)分布不均，集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸饨Y(jié)果會出現(xiàn)模式混淆現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為：①不同尺度的振動信號被分解在同一個imf中；②同一尺度的信號被分解在不同imf中。本實(shí)施例首先對信號加入高斯白噪聲，改善信號的極值點(diǎn)分布，通過借助高斯白噪聲的頻率均勻分布特性，在頻域內(nèi)為信號構(gòu)建頻率均勻分布的尺度，信號中的相應(yīng)成分自動映射到高斯白噪聲建立的不同尺度中，克服模式混淆。然而，加入的噪聲幅值大小需要人為經(jīng)驗(yàn)決定。

當(dāng)噪聲幅值較小時，由于噪聲振動微弱，難以改善信號高頻成分的極值點(diǎn)分布，無法克服模式混淆不足。另一方面，為了避免同一尺度的振動信號被分解在不同imf中應(yīng)避免加入的高斯白噪聲幅值較大，噪聲幅值較大時，噪聲振動劇烈，劇烈振動的噪聲破壞了低頻成分的極值點(diǎn)分布，噪聲協(xié)助信號xm(t)的極值點(diǎn)均由高斯白噪聲誘發(fā)，導(dǎo)致集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸饨Y(jié)果會產(chǎn)生多余成分，出現(xiàn)模式混淆。

本實(shí)施例采用基于下式確定加入的高斯白噪聲幅值：

或者

式中α為加入幅值為e的高斯白噪聲平均n次后分解誤差。通過大量仿真驗(yàn)證，一般建議在n＝100時，e取為0.01～0.5倍信號的標(biāo)準(zhǔn)差較為合適。以上范圍仍偏大，然而更準(zhǔn)確的參考值很難具有一般性只有對e多次嘗試比較，才能獲得較好的結(jié)果，而大多數(shù)情況下n取為100是可以接受的。本文中取n＝100，e取值0.05倍信號標(biāo)準(zhǔn)差。

(3)根據(jù)所述本證模式分量，對所選模態(tài)分量的絕對值進(jìn)行20ms固定浮動時間窗的計算，得到零序電壓量譜和零序電流量譜，選擇零序電壓量譜中的最大值，確定故障母線所在的位置；選擇零序電流量譜中的最大值，確定故障分支的位置；實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)高阻故障定位的確定。

運(yùn)用上式對集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夂蟮谋菊髂Ｊ椒至窟M(jìn)行計算，得到各分量的的量譜eimf1(k)、eimf2(k)......eimfi(k)分別表征imf1(k)、imf2(k)......imfi(k)的特征量，該特征量相對于幅值微小的暫態(tài)信號具有較強(qiáng)的表征能力。其中imfi(k)是零序電壓或零序電流的第i個本征模式分量。n是20ms浮動時間窗所覆蓋的采樣點(diǎn)數(shù)，由于采樣頻率為100khz，采樣周期為0.00001s，因此浮動窗所覆蓋的采樣點(diǎn)n＝2000。

本發(fā)明的再一實(shí)施例是一種基于集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾呐潆娋W(wǎng)高阻故障定位模擬方法，包括以下步驟：

(1)采用matlab建立配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)模型以及高阻故障模型；

(2)通過改變高阻故障模型中的電氣參數(shù)，預(yù)設(shè)配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)模型中的故障點(diǎn)；

(3)采用上述實(shí)施例所述的方法定位配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)模型中的高阻故障。

下面就采用該實(shí)施例對第一實(shí)施例的方法進(jìn)行模擬：首先本發(fā)明擬對配電網(wǎng)相關(guān)的高阻抗弧光故障進(jìn)行仿真，仿真系統(tǒng)可以分為兩個主要部分：配電網(wǎng)線路模型和故障模型。

圖5是三饋線中性點(diǎn)非有效接地的l0kv配網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由單電源供電，饋線接線模式使用的是單輻射接線，這種接線模式是中國配電系統(tǒng)中尤其是農(nóng)村電網(wǎng)廣泛使用的接線方式，由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，供電可靠性不高，容易發(fā)生典型性故障。利用matlab/simlink搭建仿真模型，并進(jìn)行仿真。

仿真系統(tǒng)中故障模型的建立對仿真結(jié)果有比較大的影響，本實(shí)施例所用的故障模型如圖6所示，模型包括兩個直流電源vp和vn，它們和相應(yīng)的dp、dn組成了正負(fù)半周電流的通路，通過改變直流vp、vn的值，就可以使電流正負(fù)半周不對稱。rp和rn可以控制高阻抗故障時接地電流的大小和相位。當(dāng)線電壓大于正直流電壓vp時，故障電流就流向大地。當(dāng)線電壓低于負(fù)直流電壓vn時，故障電流反向流動；當(dāng)線電壓的值介于vp和vn之間時，線電壓被vp或vn抵消，此時沒有故障電流流過。

圖5所示的配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)中，故障發(fā)生在分支線路bf段的末端，高阻故障模型中參數(shù)rp＝rn＝10kω，vp＝1.5kv，vn＝2kv，故障發(fā)生的時刻是0.105s，相對應(yīng)的零序電壓和零序電流的波形如圖8和圖9所示。從圖8中可以看出當(dāng)故障發(fā)生前，母線a、b、c三段的零序電壓趨近于0，說明各段母線處趨近于三相對稱運(yùn)行，也就是沒有故障的狀態(tài)。當(dāng)0.105s時故障發(fā)生，此時a、b、c三段母線的零序電壓發(fā)生了躍變，三相電壓成不對稱運(yùn)行狀態(tài)。從圖中可以看出該故障狀態(tài)下，母線b側(cè)的零序電壓值躍變最大，母線a、c側(cè)的零序電壓幅值相對小很多。圖9是故障發(fā)生在bf段時，各個分支線路的零序電流波形。故障本身所在的bf分支，零序電流值最大，其次是與其相連接的上一級分支線路ab段的零序電流也比較大，這符合故障狀態(tài)下線路分支電流的分布規(guī)律。

本實(shí)施例對數(shù)據(jù)進(jìn)行集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸馓幚?，仿真模型的采樣頻率為f＝100khz。當(dāng)bf段故障時，采集到的各段母線電壓和支路電流并合成零序電壓和零序電流，經(jīng)過集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾玫礁鞅菊髂Ｊ椒至浚?jīng)篩選選擇噪聲干擾少而又能反應(yīng)暫態(tài)信息的本征模式分量imf2，如圖10至12和圖13至圖17分別是各段母線零序電壓和各個支路零序電流的本征模式分量。

經(jīng)過集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾玫搅肆阈螂妷汉土阈螂娏鞯谋菊髂Ｊ椒至縤mf2，用下述離散形式對各模態(tài)分量進(jìn)行處理：

圖18是母線a、b、c段量譜eimf2(u)特征波形。從圖上可以清楚地識別最大值是eb，也就是故障發(fā)生時母線b段的零序電壓值最大，由此可以得出故障發(fā)生在母線b段側(cè)。圖19是分支線路ab、bc、cd、ce、bf的eimf2(i)量譜特征波形，從圖中可以看出bf段的零序電流最大由此可以判斷故障發(fā)生在bf段。綜合零序電壓和零序電流的模態(tài)分量特征波形，可以判斷故障發(fā)生在母線b側(cè)和線路分支bf上，與仿真設(shè)定的故障位置相同。

本發(fā)明利用集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒▽Σ杉儞Q得到的各母線零序電壓和各饋線零序電流進(jìn)行離散分析，抽取故障信號的本證模式分量，對所選本征模式分量的絕對值進(jìn)行浮動時間窗覆蓋的疊加，構(gòu)成故障識別的判據(jù)。并進(jìn)一步的建立matlab/simlink仿真模型，通過仿真結(jié)果表明，該方法無需選擇基函數(shù)，其分解完全基于信號本身極值點(diǎn)分布，采用加、減法對信號進(jìn)行處理，計算速度快，不僅能夠靈敏、有選擇性地檢測高阻接地故障，而且不受過渡電阻和故障時刻等隨機(jī)因素影響。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。