验系统配电线路架构图。
[0016] 图3为本发明的短路故障控制与保护模块框图。
[0017] 图4为电源柜一次线路图。
[0018] 图5为电源柜二次线路图。
[0019] 图6为控制柜一次线路图。
[0020] 图7为控制柜二次线路图。
[0021] 图8为短路柜一次线路图。
[0022] 图9为短路柜二次线路图。
[0023] 图10为本发明的操作流程图。
[0024] 图11为前端设备架构图。
[0025] 图12为小波包细节分解算法示意图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0027] 本发明的一种多层级选择性低压短路保护实验系统，包括具有三层级且可供短路 故障的实验配电系统、前端设备、多层级短路故障测控系统； 所述实验配电系统，包括电源柜、配电实型线路、控制柜、短路柜，所述配电实型线路分 别连接至电源柜、控制柜及短路柜；所述实验配电系统用于模拟实际低压配电系统的正常 运行状态，并可发生和控制各层级不同位置的任意类型短路故障； 所述前端设备包括柔性罗氏线圈、与柔性罗氏线圈连接的积分器、电压传感器；所述前 端设备用于对所述实验配电系统正常运行和发生短路故障时相应支路电流及电压信号的 采集，并将信号输入所述多层级短路故障测控系统； 所述多层级短路故障测控系统包括Compact-RIO嵌入式数据采集分析系统、上位机 Labview图形化程序编译平台，所述上位机Labview图形化程序编译平台内部集成了包括 用于实现数据采样、滤波、短路故障早期检测、向保护电器发送跳闸指令的功能程序，用于 短路实验过程测控，实现各类负载不同层级部位的单相、双相、三相短路发生控制及其早期 检测技术以及短路故障的选择性保护。
[0028] 所述上位机Labview图形化程序编译平台用于实现滤波功能的算法为形态小波 滤波算法，采用不同形状或尺寸的结构元素构成具有多结构元素的广义形态开滤波器ΕΧ0， 用于滤除白噪声以及正负脉冲噪声，其数学模型为：
上述，公式（1)为|_^关于__的腐蚀变换模型；公式（2)为_^::关于的膨 胀变换模型，其中，_>:是定义域为f的一维原始信号序列，|_是定义域为 的结构元素，M彡N，并定义其原点在〇处；公式 （3)为广义形态开滤波器 EXO的数学模型，其中是定义域为:pi-的一维原始信号序列，：
和
分别为腐蚀运算和膨胀运算的结构元素，％和0是整数集Z的两个有限子 集，且l:c嚷。
[0029] 所述上位机Labview图形化程序编译平台用于实现短路故障早期检测的算法是 通过小波分解结合小波包细节分解算法加以实现，其仅对经多尺度小波分解得到的第四尺 度细节分量::_胃_做进一步的分解，得到高阶细节分量||#，其数学模型如下：
上述，公式（4)为三次B样条分解的数学模型，其中，HgSft为输入信号，g__|
分别为第一到第三尺度小波分解得到的平滑分量，莎为小波 分解得到的第四尺度细节分量，~、?Γ,分别为相应低通、高通滤波器的有限脉冲响应系数； 公式（5)为小波包细节分解的数学模型，其中，；
为将进一步分解得 到的平滑分量与细节分量，分别为相应低通、高通滤波器的有限脉冲响应系数。
[0030] 所述小波包细节分解算法用于检测所述实验配电系统从正常运行到短路故障发 生时刻的采样信号的突变特征量；短路故障早期检测算法通过判断当前分解得到的高阶细 节分量是否超过设定的短路故障阈值来判定是否发生短路故障；若超过，判定线路上发生 了短路故障，并向相应位置的保护电器发送跳闸指令。
[0031] 以下结合附图具体讲述本发明的具体实施过程。
[0032] 如图10所示，本实施例提供一种多层级选择性低压短路保护实验系统的操作方 法，先通过控制柜接入负载，然后通过短路柜选定短路点和短路类型，之后通过计时器设置 好短路故障发生的延时时间和短路故障持续时间，最后接通主回路电源，利用遥控触发延 时继电器计时，计时时间到则发生短路故障。再利用前端设备采集故障电流或电压，输入多 层级短路故障测控系统，利用软件滤波算法滤除白噪声和脉冲噪声干扰，进而利用短路故 障早期检测算法提取经滤波后的信号中的特征量，最后将该特征量与事先设定好的短路故 障阈值进行比较，若超过故障阈值，则判定该短路点发生短路故障，并向相应位置的保护电 器发送跳闸信号，从而实现多层级短路故障的测控、短路故障早期检测与辨识以及短路故 障的选择性保护。其中，滤波算法采用形态小波滤波算法；特征量的提取算法采用小波包细 节分解算法；所提取的特征量为电流信号经小波包细节分解后得到的高阶细节分量 (dd5)的瞬时值，通过判断dd5的瞬时值是否超过设定的短路故障阈值来判别相应短路点 上是否发生了短路故障。
[0033] 下面结合附图对本发明中三层级且可供短路故障的实验配电系统的工作原理做 进一步说明。
[0034] 如图1-9所示，从电源侧到干线再到负载侧的每个层级的线路上都选取适当位置 设置短路点，配以短路柜设置要发生的短路故障类型以及进行短路故障的保护，再以控制 柜实现短路故障的发生与控制。此外，控制柜还可实现负载类型的转换，使该实验配电系统 能真正地模拟实际低压配电系统的正常运行及故障发生时的状态。但为了使短路实验顺利 进行并获得多个完整周波的故障波形，本发明将不在电源侧设置短路点，以免引起电源侧 主断路器保护动作。本发明在第二层级的中部（45m处）为三种规格的线缆各设置一个短 路点，再以同等规格的线缆引接至短路柜中以设置短路故障的类型，同时在第三层级负载 侧也始端设置一个短路点，达到不同层级均有短路点的效果。本发明通过短路柜实现单相、 两相、三相等各类短路故障，短路类型1、2、3为三种不同规格线缆的三相线路，实验时通过 QS1、QS2、QS3选择一种线路发生短路故障。真空交流接触器KM5用以启停短路故障并保护 线路和设备不受短路故障侵害。QS4~QS8用于控制和切换短路类型，需要单相对中线短路则 闭合QS4、QS8 (A相）或QS5、QS8 (B相）或QS7、QS8 (C相），两相相间短路则闭合QS4、QS5 (八、8相）或036、037(8、(：相）或035、037(4、(：相），两相对中线短路则闭合034、035、038 (A、B 相）或 QS6、QS7、QS8 (B、C 相）或 QS5、QS7、QS8 (A、C 相），三相短路则闭合 QS4、QS5、 QS7。通过不同的开关组合以实现对单相、两相、三相短路故障的模拟。
[0035] 本发明将短路故障的发生与控制、短路类型的转换、负载的投入与类型的转换以 及选择性保护等功能一并集成于电源柜、控制柜与短路柜中。在控制柜中，KTl为短路开始 延时时间继电器，KT2为短路持续时间继电器，实验开始前在该柜柜门的操作盘上设定好适 当的延时时间并将旋钮（SB4)转至闭合状态。实验系统以遥控器来触发KTl延时，实验系 统上电运行后，遥控器启动KTl延时，使KM4内部开关打至"5"，投入指示灯亮，KTl线圈得 电，开始延时。当KTl延时结束时，其辅助触点闭合。时间继电器KT2内部带有一个瞬动型 常开触点以及一个通电延时型常闭触点，在KTl辅助触点闭合的同时，KT2线圈得电，瞬动 型常开触点瞬间闭合，并且继电器开始延时。此时两个触点处于同时闭合状态，它们的一端 分别连至端子排XT3上的5、6号端子，并将这两个端子导通。由于这两个端子与短路柜内 XT2端子排上的5、6号端子相连，因而短路柜中KM5线圈得电，真空交流接触器KM5主触头 合闸，常开触点1、2闭合，常闭触点1断开，动作指示灯亮起，短路故障开始投入实验线路。 当KTl延时结束时，通电延时型常闭触点断开，KM5线圈失电，真空交流接触器KM5主触头 分闸，短路故障被分断。
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