利用粗集理論分類的補償接地電網自適應選線方法與流程
2023-12-01 05:38:11
本發明屬於電力系統繼電保護中的故障選線方法領域，涉及補償接地電網自適應選線方法，特別是一種利用粗集理論分類的補償接地電網自適應選線方法。
背景技術：
在我國6~66kv的配電網中，中性點主要採用非有效接地方式，即中性點不接地或中性點經消弧線圈接地方式。而隨著經濟的發展，使得系統容量不斷增大，饋出線數目不斷增加，導致發生單相接地故障時的接地電容電流也越來越大。為了遏制接地電流，配電網中，中性點經消弧線圈接地方式越來越受到青睞。中性點經消弧線圈接地電網也被稱為補償接地電網。
補償接地電網中，單相接地故障時，由於接地電流較小且三相線電壓仍保持對稱，因此仍可運行1~2小時。但是，單相接地故障後，非故障相電壓會升高為線電壓，從而對線路的絕緣產生了較大的威脅。若不能及時找出故障線路，會引發相間短路或多點故障，產生更大的危害。因此，及時準確地選出故障線路對於系統的安全是非常必要的。
現有技術中，主要分為單判據選線方法和多判據融合選線方法。單判據選線方法的適用範圍有限，如基於穩態量的選線方法適用於暫態信息弱的故障情況，基於暫態量的選線方法對於暫態信息強的故障情況準確性較強；多判據融合的選線方法，諸如：神經網絡、支持向量機等融合方法，在一定程度上解決了單判據適用性有限的問題，但同時出現了數據處理量大、信息冗餘及需要大量訓練樣本的問題。
技術實現要素：
本發明的目的是針對上述不足之處提供一種利用粗集理論分類的補償接地電網的自適應選線方法，利用粗集理論將頻帶能量因子和暫態因子融合將故障分為強、中、弱三種接地故障類型。然後，根據不同的故障類型選擇不同的選線方法。
本發明是採取以下技術方案實現的，一種利用粗集理論分類的補償接地電網的自適應選線方法，包括如下步驟：
1）監測零序電壓的大小判斷是否發生單相接地故障；
2）發生單相接地故障時採集各線路零序電流；
3）計算各線路零序電流暫態分量；
4）計算本次單相接地故障的暫態因子；
5）計算本次單相接地故障的頻帶能量因子；
6）用粗集理論融合步驟4）的暫態因子和步驟5）的頻帶能量因子，形成決策規則，從而將故障分為強、中、弱三種類型；
7）根據確定的故障類型，選擇處理方法；對於強故障類型，由於暫態信息較為豐富，選擇暫態能量法；對於弱故障類型，由於暫態信息較弱，不易提取暫態特徵量，則選擇穩態方法—有功分量法；對於中等故障類型，則用證據理論將兩種選線方法進行融合；從而確定故障線路。
步驟1）中監測零序電壓的大小，當零序電壓大於整定值時認為系統發生單相接地故障;
步驟2）~步驟5）中，採集各線路故障後一個周期的零序電流，分別計算各線路前半個周期和後半個周期的零序電流絕對值之和，用s1(k)表示第k條線路前半個周期的零序電流絕對值之和，用s2(k)表示第k條線路後半個周期的零序電流絕對值之和；選取各線路零序電流前半個周期零序電流絕對值之和最大值和後半個周期零序電流絕對值之和最大值，定義暫態因子az：
式中，k表示第k條線路，l表示線路總數，n表示各線路故障後一個周期的採樣點個數，表示第m個採樣點的零序電流，暫態因子az用來衡量過渡電阻對於暫態特性的影響；
採集各線路故障後半個周期的零序電流，選擇零序電流幅值最大的線路，用db15小波對該線路採集到的零序電流進行5尺度分解，得到第i尺度高頻係數di(k)和低頻係數ai(k)；從而計算頻帶能量因子ap：
式中，k表示的是在尺度i下小波係數的長度。頻帶能量因子ap用來衡量故障初相角對於暫態特性的影響。
在所述步驟6）中，用粗集理論融合暫態因子az和頻帶能量因子ap，形成決策規則，從而將故障分為強、中、弱三種類型；
具體步驟如下:
6-1）給定故障類型判別系統k=(u，a)，論域u為不同故障情況下零序電流暫態特性，a=c∪d，其中，c為條件屬性集，定義為c={azap}；d為決策屬性集，定義為d={d}，其中，d表示的是單相接地時的故障類型；
6-2）暫態因子az和頻帶能量因子ap的離散化；用等距離劃分法將az和ap離散化，即將az和ap的取值範圍劃分為k級，這裡k取3，即，f(u,az)=k，f(u,ap)=k，k=1,2,3；
6-3）建立決策規則，將故障分為強、中、弱三種類型；具體規則如下，
f(u,az)=3，f(u,ap)=3，→f(u,d)=3；f(u,az)=3，f(u,ap)=2，→f(u,d)=3；
f(u,az)=2，f(u,ap)=3，→f(u,d)=3；f(u,az)=2，f(u,ap)=2，→f(u,d)=2；
f(u,az)=3，f(u,ap)=1，→f(u,d)=1；f(u,az)=1，f(u,ap)=3，→f(u,d)=1；
f(u,az)=2，f(u,ap)=1，→f(u,d)=1；f(u,az)=1，f(u,ap)=2，→f(u,d)=1；
f(u,az)=1，f(u,ap)=1，→f(u,d)=1；
其中，f(u,d)=1,2,3分別表示弱、中、強三種故障類型。
對於強接地故障，由於暫態信息較強，僅用暫態能量法便可準確選出故障線路；
暫態能量法的計算公式為：
式中，表示的是零序電壓；表示的是第k條饋出線的零序電流；t表示的是電網工頻周期；計算出來的各線路中的絕對值最大且與其它反相的線路，即為故障線路。
對於弱接地故障，由於暫態信息較弱，再利用暫態信息就容易出現誤判，本發明採用穩態選線方法中的有功分量法，計算各線路零序電流的有功分量，計算得出零序電流有功分量最大的即為故障線路。
對於中等接地故障，採用證據理論將暫、穩態選線方法進行融合。
下面介紹證據理論的基本原理:
對於故障選線問題而言，證據理論的識別框架為：
。
基本信度分配函數的構造是證據理論的重要環節，基本信度分配函數是由相對信度分配函數和可確定信度係數的乘積構成，即
式中，體現的是某條線路的故障測度與其他線路故障測度的相對比較值，定義為：
其中，
，
式中，表示的是相對故障測度，表示的是線路的故障測度。
體現的是一個故障樣本的特徵量的明顯程度，可定義為：
對於不同的兩個判據，需要經過證據的融合，使得兩證據共同支持的結果突出出來。設表示的暫態能量法判據，表示的是有功分量法判據。各線路在兩種判據下的基本信度分配可表示為：
暫態能量法判據：
有功分量法判據：
其中，
可依次求得，，，；其中最大的即為故障線路；而兩證據融合後的不確定度表示成。
與現有技術相比，本發明的有益效果如下：本發明所提供的一種利用粗集理論分類的補償接地電網自適應選線方法，從暫態信息的豐富程度出發，將故障分為強、中、弱三種類型後分別採取對應的選線方法。相較於單判據的選線方法而言，其適用性更強，準確率更高；相較於直接進行多判據融合的選線方法而言，不僅減少了不必要的融合，使得數據處理量大大減小，而且又能保證選線的準確性。
附圖說明
圖1是本發明方法的流程圖;
圖2是本發明方法的驗證系統圖。
具體實施方式
以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明:
含分布式電源配電網的故障定位新方法，如圖1所示，包括以下步驟：
（1）監測零序電壓的大小，當零序電壓大於整定值時認為系統發生單相接地故障；
（2）記錄和採集各線路的零序電流，並根據零序電壓的突變點確定故障的起始時刻；
（3）利用各線路故障後一個周期（n個採樣點）的零序電流採樣值，分別計算各線路前半個周期和後半個周期的零序電流絕對值之和，分別用s1(k)和s2(k)表示；選取各線路零序電流前半個周期零序電流絕對值之和最大值和後半個周期零序電流絕對值之和最大值，定義暫態因子az：
式中，k表示第k條線路，l表示線路總數，n表示各線路故障後一個周期的採樣點個數，表示第m個採樣點的零序電流，暫態因子az用來衡量過渡電阻對於暫態特性的影響；
（4）利用各線路故障後半個周期的零序電流採樣值，選擇零序電流幅值最大的線路，用db15小波對該線路採集到的零序電流進行5尺度分解，得到第i尺度高頻係數di(k)和低頻係數ai(k)；從而計算頻帶能量因子ap：
式中，k表示的是在尺度i下小波係數的長度。頻帶能量因子ap用來衡量故障初相角對於暫態特性的影響；
（5）用粗集理論融合暫態因子az和頻帶能量因子ap，形成決策規則，從而將故障分為強、中、弱三種類型；
給定故障類型判別系統k=(u,a)，論域u為不同故障情況下零序電流暫態特性，a=c∪d，其中，c為條件屬性集，定義為c={az,ap}；d為決策屬性集，定義為d={d}，其中，d表示的是單相接地時的故障類型；
暫態因子az和頻帶能量因子ap的離散化。用等距離劃分法將az和ap離散化，即將az和ap的取值範圍劃分為k級，這裡k取3。即，f(u,az)=k，f(u,ap)=k，k=1,2,3；
決策規則的建立，具體決策規則為：
f(u,az)=3，f(u,ap)=3，→f(u,d)=3；f(u,az)=3，f(u,ap)=2，→f(u,d)=3；
f(u,az)=2，f(u,ap)=3，→f(u,d)=3；f(u,az)=2，f(u,ap)=2，→f(u,d)=2；
f(u,az)=3，f(u,ap)=1，→f(u,d)=1；f(u,az)=1，f(u,ap)=3，→f(u,d)=1；
f(u,az)=2，f(u,ap)=1，→f(u,d)=1；f(u,az)=1，f(u,ap)=2，→f(u,d)=1；
f(u,az)=1，f(u,ap)=1，→f(u,d)=1；
其中，f(u,d)=1,2,3分別表示弱、中、強三種故障類型;
（6）根據故障類型選擇合適的選線方法，對於強故障類型，由於暫態信息較為豐富，選擇暫態能量法；對於弱故障類型，由於暫態信息較弱，不易提取暫態特徵量，則選擇穩態方法—有功分量法；對於中等故障類型，則用證據理論將兩種選線方法進行融合;
（7）根據確定的故障類型，確定故障線路,對於強接地故障，由於暫態信息較強，僅用暫態能量法便可準確選出故障線路；
暫態能量法的計算公式為：
式中，表示的是零序電壓；表示的是第k條饋出線的零序電流；t表示的是電網工頻周期。各線路中絕對值最大且與其它反相的線路即為故障線路。
對於弱接地故障，由於暫態信息較弱，再利用暫態信息就容易出現誤判，這裡利用穩態選線方法—有功分量法，計算各線路零序電流的有功分量，其中零序電流有功分量最大的為故障線路。
對於中等接地故障，則要用證據理論將暫、穩態選線方法進行融合。下面介紹證據理論的基本原理。
對於故障選線問題而言，證據理論的識別框架為：
基本信度分配函數的構造是證據理論的重要環節。基本信度分配函數是由相對信度分配函數和可確定信度係數的乘積構成，即
式中，體現的是某條線路的故障測度與其他線路故障測度的相對比較值，可定義為：
其中，
，
式中，表示的是相對故障測度，表示的是線路的故障測度。
體現的是一個故障樣本的特徵量的明顯程度，可定義為：
對於不同的兩個判據，需要經過證據的融合，使得兩證據共同支持的結果突出出來。設表示的暫態能量法判據，表示的是有功分量法判據。各線路在兩種判據下的基本信度分配可表示為：
暫態能量法判據：
有功分量法判據：
將兩證據進行融合，即
其中，
可依次求得，，，。其中最大的即為故障線路；而兩證據融合後的不確定度可表示成。
實例：
下面從模型建立、依據原理、有效性驗證幾個方面具體說明:
(1)模型建立
如附圖2所示為在atp-emtp中所建立的10kv的配電網模型，線路均為架空線路。架空線路參數為：正序電阻r1=0.17ω/km，正序電感l1=1.36×10-3h/km，正序電容c1=6.1×10-8f/km；零序電阻r0=0.23ω/km，零序電感l0=3.872×10-3h/km，零序電容c0=2.278×10-8f/km；饋線長度分別為10km，18km，20km，16km。消弧線圈電感值按照過補償10%來整定，所求得的電感值為l=2.13h，電阻值按照感抗值的10%來整定，得r=66.9ω;
(2)依據原理
定義頻帶能量因子和暫態因子的依據,
當單相接地故障發生時，接地點的暫態零序電流為：
式中，ilm，icm分別表示的是暫態電感電流和暫態電容電流的幅值；ωf和δ分別表示暫態電容電流的振蕩角頻率和衰減係數；ω表示工頻角頻率；表示故障發生時故障相電壓的相角，也稱為故障初相角；τl表示暫態電感電流的時間常數。其中，
；
；
式中，l0，c0，r0分別表示系統等效的零序電感，零序電容和零序電阻，其是由系統參數決定的，rg表示接地點的過渡電阻,
通過上式，經分析可以得到，影響零序電流暫態特性的因素主要是故障初相角和過渡電阻,
當故障發生在故障初相角為90°附近時，暫態電容電流佔主要成分，頻率較高；當故障發生在故障初相角為0°附近時，暫態電感電流佔主要成分，頻率較低。用頻帶能量因子ap來衡量故障初相角對零序電流暫態特性的影響,
暫態電容電流的振蕩角頻率和衰減係數主要受過渡電阻的影響。過渡電阻較小時，振蕩角頻率較大，衰減係數較小，暫態過渡過程較長；過渡電阻較大時，振蕩角頻率較小，衰減係數較大，暫態過渡過程較短。用暫態因子az來衡量過渡電阻對零序電流暫態特性的影響,
據以上分析，可將將單相接地故障分為三類:
a、弱接地故障
當故障初相角較小，或過渡電阻值較大時，暫態信息含量較少，此時發生的單相接地故障，在這裡被稱為弱接地故障，其具體表現為頻帶能量因子ap較小或暫態因子az較小;
b、強接地故障
當故障初相角較大，過渡電阻值較小時，暫態信息含量較豐富，此時發生的單相接地故障，在這裡被稱為發生的單相接地故障被稱為強接地故障，其具體表現為頻帶能量因子ap和暫態因子az都較大;
c、中等接地故障
當故障既不為弱接地故障也不為強接地故障時，稱此時的故障為中等接地故障;
(3)有效性驗證
選取線路4作為故障線路，線路4在不同過渡電阻、不同故障初相角下發生的單相接地故障來驗證一種利用粗集理論分類的補償接地電網自適應選線方法的有效性,
表1
註：表中z-表示暫態能量法；w-表示有功分量法；m-表示證據理論融合後的結果。
從表1可以看到，用粗集理論將頻帶能量因子和暫態因子融合後，將故障分為了強、中、弱三種故障類型。對於暫態信息含量較少的弱接地故障，僅採用有功分量法即可準確選出故障線路；對於暫態信息含量較多的強接地故障，僅採用暫態能量法便可準確選出故障線路。對於中等接地故障，綜合利用兩種選線方法，若選出的是同一條線路則表明該線路故障。對於表1中，不同的故障工況下發生的故障，將其分流為強、中、弱三種類型，且判別為中等類型故障較少。這樣就減少了選線判據不必要的融合，使得選線算法更加簡潔有效。
綜上所述，以上僅為本發明的某些特殊實例，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發明技術思想的範圍內，進行多樣的變更以及修改。本項發明的技術性範圍並不局限於說明書上的內容，必須要根據權利要求範圍來確定其技術範圍。