利用s變換能量相對熵的配電網故障選線方法

2023-05-30 09:45:46 2

專利名稱：利用s變換能量相對熵的配電網故障選線方法
技術領域：
本發明涉及一種利用s變換能量相對熵的配電網故障選線方法，屬電力系統繼
電保護技術領域。
背景技術：
諧振接地系統發生單相接地故障時，線電壓仍對稱而且故障電流較小，可以繼 續運行1 2h，有利於提高供電的可靠性。但是非故障相對地電壓升高，長時間運 行會容易導致故障擴大為兩點或多點短路；弧光接ite會引起全系統過電壓，危害 設備的絕緣及系統的安全運行，因此必須及時確定故障線路，儘快排除故障。然而 諧振接地系統接地J膽非常複雜，發生單相接地故障時，由於消弧線圈的補償作用， 故障線路和健全線路的故障電流在幅值和相位上均接近。
為解決這一問題，許多學者進行了大量的研究，提出了基於穩態量的選線方法、 基於暫態量的選線方法和信號注入法。基於穩態量的選線方法易受過渡電阻和不穩 定電弧的影響，靈敏度低，容易發生誤判；信號注入法利用向系統注入外部信號的 方法進，m線，但是存在明顯的缺點①經高阻接地時，注入信號微弱而不易檢測； ②弧光接地時諧波含量豐富，注入信號極易受到幹擾。dM用的電壓等級較低(通 常是10kV)，運行和維護工作量較大。i皆振接地系統發生^S接i也時，故障相電容 放電及非故障相電容充電，產生幅值比穩劍直大幾倍到幾十倍的暫態電流，基於暫
態量的選線方法靈icS高且受消弧線圈影響小，但現有的方法的選線效果大多不能
令人滿意，主要表現為選線的保護欲度不大，準確'股可靠性較低。 發明內容:
本發明的目的在於克服上述現有小電流接地系統選線方法的不足，發明一種利 用故障後1/4周期的零序電、臓行分析，綜合禾傭各頻率的故障能量特徵，其選線 準確、可靠的利用S變換能量相對熵的配電網故障選線方法。本發明避開了CT飽和間斷角對故障選線準確性的影響；中性點運行方式的影響較小；在短線故障時， 倉g克服健全長線對地電容電流的影響；有很強的抗噪聲能力；在高阻接地時也能正 確選線；除選線裝置啟動外，整1^線過程不需要用到母線零序電壓，有效克服了 電壓互感器傳變特1W選線結果影響。本發明是一種對纜-線混合線路、純電纜線 路和純架空線路均適用的利用S變換育讀相對熵的配電網故障選線方法。
本發明一種利用S變換能量相對熵的配電網單相接地故障選線方法的技術方案 如下
母線零序電壓瞬時繊限時，故障選線裝置立即啟動，採集各線路故障後1/4 周期的零序電糹艦行S變換，利用S變換所得的復矩陣計算各線路零序電流在各個 頻率下的能量；結合相對熵對信號間細微差別的超強識別能力，計算各線路在各個 頻率下的S變換能量相對熵並求取每條線路的綜合S變換能量相對熵，通過比較各 線路在所有頻率下的綜合S變換能量相對熵大小，自適應地選出故障線路，輸出選 線結果，指導配電網運行管理。
該方法的具體步驟如下
(1) 當母線零序電壓瞬時值Wn(0大於&Un，故障選線裝置立即啟動，記錄下 故障後1/4個周期各線路的零序電流，其中《u—般取值為0.15， Un表示母線額定電
壓；
(2) 根據下列方法對線路/零序電流故障後1/4周期的採樣數據進行S變換， 得到復矩陣&[m,w];
線路/零序電流用x,諷表示，M)， 1，…，AM， 7V為採樣點數，/=0， 1，…， K， K為配電網線路總數，x,閱的S變換的離散表示形式S[M"]為formula see original document page 5上式中《["〗=會各#一
(3) 根據下式計算線路i零序電流在頻率《下的暫態能量^ ;
(4) 根據下式計算頻率/"下系統暫態能量和；
(5) 根據下式求取頻率/ 下線路/的暫態能量在該頻率下系統暫態能量中所 佔的比重，即權重係數艮 ;
(6) 根據下式計算線路/相對線路/的S變換能量相對熵場；
似,,=SlP, "ln&l / = 1,2，-"，A:;/ = 1,2,-",A:
式中，^為在頻率《下線路2的暫態能量在該頻率下系統暫態能量中所佔的比 重； .
(7) 根據下式求取線路/相對於其餘各條線路的綜合S變換能量相對熵為
乾=Z + A/,i) = 1，2，." 'A:;/ = 1,2，…，K
-式中，晃為線路7相對線路i的S變換能量相對熵；
(8) 故障選線判據選出綜合S變換能量相對熵最大的三個，按照大小排序 分別為Ma、風、Mc，當滿足M。〉M,M時，綜合小波能量相對熵最大的M。對 應的線路為故障線路，否則，判為母線故障。
本發明工作原理
1、 s變換理論
s變換是一種可逆的局部時頻分析方法，其思想^t連續小波變換和短時傅立葉
變換的發展。信號刈的S變換外，/)定義如下' /) = r W)w(r — f, /) d, (1)
Loo ，
式(1)中
V2龍
(2)
式(1)和式(2)中，PT( n， /)為高斯窗口； r為控制高斯窗口在時間軸t的位
置參數；/為頻率；j為虛數單位。
對式(1)右邊先作傳統的傅立葉變換，再作傅立葉反變換，最後進行變量代 換將S變換轉換成信號i")的傅立葉變換J(力的函數，艮P:
2ffV
S(r,/)= r^> + /)e 7ej2『c/v (3)
式(3)， /#0。這樣，S變換就可以利用FFT實現'^I計算。由式(3)可以得到 信號z ")的S變換的離散表示形式6Tm 77]為
s[w，"] = |^["+*K2"2/"V2J*"'w ",0 (4)
式(4)，
s[附,"]"U小]* 77=0 (5)
義["卜丄i!小K"摘 (6)
於，採集到的樸離散信號點x[A] (M)， 1，…，f 1)採用式(4) 、 (5) 進行S變換，變換結果為一復時頻矩陣，記作S矩陣，其行對應採樣時間點，列對應 頻率，相鄰行之間的頻率差A/為
a/ = A (7)
式(7)，《為採樣頻率，7y為採樣點數c
第/7列對應的頻率/ 為
厶 w
左" (8)
2、 S變換能量相對熵
配電網單相接地故障網絡如圖1所示。圖1所示為一個有6條線^的110kV/35kV變電所，Z字型變壓器中性點通過消弧線圈串聯電阻接地，採用LSJC-35型電流互 感器。線路採用架空線路(L、 L3、 L5)、線-纜混合線路(L4)和電纜線路(U L6)，其中，架空線路採用JSi杆型，LGJ—70型導線，檔距為80m，電纜線路採用 YJV23-35/95型電纜。圖1中，T為降壓變壓器，Tz為接地變壓器，K為開關，丄
為消弧線圈電感，及為消弧線圈串聯電阻，及/為接地故障過渡電阻，/01、 /04、 /06分
別為線路L" L4、 U的零序電流。
根據疊加原理，故障配電網可分解為由三相電壓、源和供電線路及負載組成的正 常運行系統和由發生故障後故障點故障附加電壓源與線路組成的故障分量系統。定 義線路的零序能量函數為
式(9)，《")為故障後第i條線路的零序能量函數；O)")為母線零序電壓；^U) 為第i條線路的零序電流；^為配電網線路總數。
正常情況下，電流互感器(CT)鐵芯的磁通密度較低，流入勵磁迴路的電流很
小，二次電流能夠真實傳變一次電流。當諧振接地系統發生對目接地故障時，故障
零序電流中含有豐富的非周期暫態分量和高次諧波分量，這些分量極易造成CT鐵 芯飽和。CT鐵芯磁密飽和有一過程，理論分析和大量仿真表明，CT飽和通常出J見 在單相接地故障發生1/4周期之後。為避開CT飽和間斷角的影響，選用故障零序 電流的1/4周期進行分析。根據公式(9)可得線路i故障後1/4個周期內的暫態 能量恥為
T
『'=f "。(f)!。々)df !.=1,2,…，《 (10) 式(10)， T為工頻周期。
s變換集中了短時傅立葉變換和小波變換的優點，具有良好的時頻局部化特性，
能夠有效地提取信號在各個頻率下的特徵。忽略公共零序電壓的影響，聯立公式
(4)、 (5)和(10)可定義線路i零序電流在頻率/n下的暫態能量^為
^ =S[s,(w,w)]2z-i，2,…，a: (11)式(11)中，Sk"]為線路i零序電流根據公式(4)、 (5)計算得到的S變換 的離散表示形式。
根據上述分析，圖1所示系統線路U發生發生單相接地故障，故障合閘角9(T， 過渡電阻200Q，計算各條線路零序電流在頻率《下的暫態能量，結果如圖2所示。
由圖2可見，配電網發生糊接地故障時，故障線路對地電容放電，健全線路 對地電容充電，故障線路與健全線路具有不同的充放電迴路，因此故障線路與健全 線路在各個頻率點的能量分布也不盡相同。利用S變換可以放大某一局部的能*# 性，相對熵可用來度量兩個波形的差異，相對婢越小，說明兩個波形差異越小，相 對熵越大，說明兩個波形差異越大。因此計算各線路零序電流S變換後各頻率點的 能量做相對熵能夠發現各線路零序電流中微小而短促的差別。'
對所有線路在各頻率上的暫態能量分別求和，可得頻率《下系統暫態能量和
為
『,ZHs(附,")]2 z=i,u (12)
f 附
由此可得在頻率尤下線路i的暫態能量在該頻率下系統暫態能量中所佔的比 重，即權重係數;^為:
a =^ / = i，2,"-，a: (13) 根據相對熵理論，定義線路湘對線路7的S變換能量相對熵尾為
似,SlA"111^1^1 '、i，2，…，/:;/"，2,…,a: (14)
" — p,—
式(14)中，A^為在頻率iTF線路7的暫態能量在該頻率下系統暫態能量中所 佔的比重。
根據式(14)，定義線路i相對於其餘各條線路的綜合S變換能量相對熵必為
M,. = f(M" + A/,,) " l,2，.-'，K;/= 1,2，…，K (15)流的差別。綜合s變換能量相對熵值越大的線路，其零序電流與其餘各線路零序電
流的差異越大；反之，綜合S變換能量相對熵值越小的線路，其零序電流與其餘各 線路零序電流越相近。當母線發生斜目接地故障時，各線路零序電流充放電迴路相 同，因此各線路零序電流的綜合S變換能量相對熵值差異不大。由此可形成選線判
據
選出綜合S變換能量相對熵最大的三個，按照大小排序分別為l必、必，當 滿^〉必+鄉寸，綜合小波能量相對熵最大的城應的線路為故障線路，否則，判 為母線故障。M。為配電網發生單相接地故障時，各線路零序電流的綜合S變換能量 相對熵的最大值，J14為配電網發生單相接地故障時，各線路零序電流的綜合s變換 會g量相對熵的第二大的值，Mc為配電網發生單相接地故障時，各線路零序電流的綜
合s變換能i相對熵的第三大的值。
本發明與現有技 目比具有如下優點-
1、 本發明利用故障後1/4周期的零序電流進行分析，避開了 CT飽和間斷角對 故障選線準確性的影響；採用S變換能量相對熵實il^線，綜合利用了各頻率的故 障能量特徵。
2、 本發明具有較強的抗電弧接地能力；中性點運行方式的影響較小；在短線故 障時，能克服健全長線對地電容電流的影響；有很強的抗噪聲能力;高阻接地時也 能正確選線。
3、 本發明除選線裝置啟動外，選線過程不需要用到母線零序電壓，有效克服了 電壓互感制專變特性對選線結果的影響。


圖1輻射狀i皆振接地系統。
圖2線路在各頻率點的能量分布(a)線路L ; (b)線路L ; (C)線路U; (d)線路U ; (e)線路U ; (f)線路U。 圖3故障選線算法流程圖。
圖4各線路的綜合S變換能量相對熵。具體實肪式基於上述分析，配電網發生單相接地故障時，記錄故障後l/4周期各線路的零 序電流，通過比較各線路的綜合S變換能量相對熵可以實現完善的故障選線算法。 故障選線算法的具體實現流程如圖3所示。1、 當母線零序電壓瞬時值"")大於願 ，故障選線裝置立即啟動，記錄下故 障後1/4個周期各線路的零序電流，其中《一般取值為0.15， IL表示母線額定電壓;2、 利用公式(4)、 (5)、 (6)對各線路零序電流故障後1/4周期的採樣數據 進行S變換，並根據公式(11)計算各條線路零序電流在頻率《下的暫態能量( 。3、 根據公式(12)計算頻率《下系統暫態能量和，並根據公式(13)求取頻 率《下各線路的暫態能量在該頻率下系統暫態能量中所佔的比重，即權重係數&。4、 根據公式(14)計算線路i相對線路7的S7變換能量相對熵私;，根據公式(15 )求取線路i相對於其餘各條線路的綜合S變換能量相對熵為必。5、 選出綜合S變換能量相對熵最大的三個，按照大小排序分別為l必、必，當滿足^>必+處時，綜合小波能量相對熵最大的^對應的線路為故障線路，否 則，判為母線故障。線路U鄉巨母線5km處發生單相接地故障，故障合閘角90°，，過渡電阻200Q。 對採樣獲得的故障後T/4內6條線路的零序電流進行S變換，原始信號的採樣頻率 為10kHz，採樣序列長度為50個採樣點，經S變換得到6個50X26的復矩陣，對 該矩陣求模。根據公式(11) (14)求取各條線路的S變換能量相對熵仏，由此 構成的6 X 6的S變換能量相)^t熵矩陣#為實施例:formula see original document page 11formula see original document page 12
上式中，齓為利用公式(14),當#1， 7=1時計算得到的結果，同理，可得到 矩陣中的其它元素。根據公式(15)求取各條線路的S變換綜合能量相對熵必如圖4所示。 必=[1125.42 561.45 83.11 430.92 2807.22 516.29]S變換綜合能量相對熵最大的前三個按照大小順序排列分別為厲=2807.22， 浙=1125.42，必=561.45，因此，厲>必+厲成立，處對應的線路U為故障線路。自適應地選出故障線路，輸出選線結果，指導配電網運行管理。理論分析和大 量仿真表明，該方法有效避開了CT飽和間斷角對選線的影響，對於纜-線混合線路、 純電纜線路和純架空線路，該方法均適用。
權利要求
1、一種利用S變換能量相對熵的配電網單相接地故障選線方法，其特徵在於母線零序電壓瞬時值越限時，故障選線裝置立即啟動，採集各線路故障後1/4周期的零序電流進行S變換，利用S變換所得的復矩陣計算各線路零序電流在各個頻率下的能量；結合相對熵對信號間細微差別的超強識別能力，計算各線路在各個頻率下的S變換能量相對熵並求取每條線路的綜合S變換能量相對熵，通過比較各線路在所有頻率下的綜合S變換能量相對熵大小，自適應地選出故障線路，輸出選線結果，指導配電網運行管理。
2、 根據權利要求1所述的禾U用全頻帶小波能量相對熵的配電網線-纜混合線路 故障選線方法，該方法的具體步驟如下(1) 當母線零序電壓瞬時值M^)大於^Un，故障選線裝置立即啟動，記錄下故障後1/4個周期各線路的零序電流，其中i^u—般取值為0.15， Un表示母線額定電 壓；(2) 根據下列方法對線路/零序電流故障後1/4周期的採樣數據進行S變換， 得到復矩陣&[w,w];線路/零序電流用x,閱表示，AH)， 1，…，7V-1， 7V為採樣點數，M)， 1，…， K，尺為配電網線路總數，x諷的S變換的離散表示形式Sk"]為s [附,wv'"2ec #0 s[加，"卜^、,w 77=0上式中(3) 根據下式計算線路i零序電流在頻率《下的暫態能量^— ;(4) 根據下式計算頻率/ 下系統暫態能量和；『"=ZBS,—)]2 z=iu(5) 根據下式求取頻率/ 下線路/的暫態能量在該頻率下系統暫態能量中所 佔的比重，即權重係數/^;(6)| i = l,2,...,iC;/ = l，2，"-，K 式中，^為在頻率《下線路J的暫態能量在該頻率下系統暫態能量中所佔的比重；(7) 根據下式求取線路/相對於其餘各條線路的綜合S變換能量相對熵為M, = + M',) ; = 1，2,…，K;/ = 1,2,."，夂式中，晃為線路7相對線路i的S變換能量相對熵；(8) 故障選線判據選出綜合S變換能量相對熵最大的三個，按照大小排序 分別為714、 ^4、 JK，當滿足Af。〉A^+A^時，綜合小波能量相對熵最大的^14對 應的線路為故障線路，否則，判為母線故障。
全文摘要
本發明涉及一種利用S變換能量相對熵的配電網單相接地故障選線自適應方法。本方法為當母線零序電壓瞬時值越限時，故障選線裝置立即啟動；對各線路故障後1/4周期的零序電流進行S變換，並利用S變換所得的復矩陣計算各線路零序電流在各個頻率下的暫態能量。利用相對熵對信號間細微差別的超強識別能力，計算各線路在各個頻率下的S變換能量相對熵並求取每條線路的綜合S變換能量相對熵，通過比較各線路在所有頻率下的綜合S變換能量相對熵大小自適應地選出故障線路。理論分析和大量仿真表明，該方法有效避開了CT飽和間斷角對選線的影響，對於纜-線混合線路、純電纜線路和純架空線路，該方法均適用。
文檔編號H02H7/26GK101546906SQ20091009443
公開日2009年9月30日 申請日期2009年5月5日 優先權日2009年5月5日
發明者劉可真, 劉志堅, 劉永泰, 單節杉, 嵐 唐, 孫向飛, 孫士雲, 勇 常, 彭仕欣, 束洪春, 毅 楊, 邱革非 申請人:昆明理工大學