专利名称：一种应用非工频暂态分量的配电网故障选线方法
技术领域：
本发明涉及一种配电网故障选线方法，特别是应用Hilbert-Huang变换(HHT)提取非工频暂态故障零序电流分量进行故障选线的方法。
背景技术：
长期以来，小电流接地故障检测问题一直是电力系统中的一大难题。传统的小电流接地系统的选线方法有幅值比较法、极性比较法、群体比幅比相法、零序电流无功功率方向法等，这些方法只能基本满足小电流不接地系统的选线要求，而不适用谐振接地系统。
目前应用于谐振接地系统的选线方法主要有有功分量比较法和谐波比较法两种。有功分量比较法主要包括故障电流有功电流分量的幅值和极性比较法、有功电流方向比较法、有功功率方向比较法，但由于接地电流的有功分量小(一般小于1A)，并且受电压互感器和电流互感器相角传遍误差影响较大，造成该方法可靠性低，不能满足目前供电电网对可靠性的要求。谐波比较法受系统中谐波源的含量及故障位置影响较大，方法可靠性比较低，同样达不到实用要求。
发明内容
本发明的目的旨在克服上述现有小电流接地系统故障选线方法的不足，根据小电流接地系统单相接地故障初期具有暂态分量的明显特点，提出一种应用HHT提取单相故障零序电流非工频暂态故障分量特征的选线方法，该选线方法不受消弧线圈影响，可适用于不接地、经消弧线圈(谐振)接地和经高阻接地系统；可适用架空线路或电缆线路，也可适用电缆架空混合线路，以达到满足目前供电可靠性的要求。暂态电流幅值大，抗干扰能力强，过零故障仍有明显的暂态信号，剔除了暂态信号中不支持选线要求的分量，原理更先进。不受不稳定电弧影响，且弧光接地和间歇性接地时检测更可靠。
本发明为实现其目的所采取的技术方案是利用HHT提取零序电流故障后的非工频暂态故障特征分量，根据故障后故障线路的非工频暂态分量与非故障线路非工频暂态分量极性相反，故障线路非工频暂态分量幅值明显大于非故障线路的故障特征，对小电流接地系统单相接地故障进行快速选线，按如下步骤实现 (1)当母线零序电压瞬时值u(t)大于KU，故障选线装置立即启动，记录故障后1个周期波形各馈线零序电流x(t)，其中K取值0.15，U表示母线额定电压； (2)应用HHT对各个馈线故障后1/10周波内零序电流x(t)进行经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，简称EMD)，分解出本征模态函数(Intrinsic ModeFunction，简称IMF)。具体的分解过程如下 1)根据零序电流信号x(t)的局部极大值和局部极小值求出其上包络线和下包络线的平均值m1。
2)将原数据序列减去平均包络后即可得到一个去掉低频的新数据序列h1＝x(t)-m1；判断h1是否为IMF条件，若不满足，将h1看作新的x(t)，重复上述处理过程，直到h1满足IMF条件时，记c1＝h1，视为IMF1。
3)将r＝x(t)-h1看作新的x(t)，重复以上(1)和(2)步骤，即可依次得到IMF2，IMF3，…，直到cn或r满足给定的终止条件时筛选结束；最后，原始的数据序列x(t)即可由这些IMF分量以及一个均值或趋势项r表示。
(3)对故障零序电流分解出的IMF进行Hilbert变换求取各种瞬时频率成分对于任一连续的时间信号X(t)，其Hilbert变换定义为 X(t)和Y(t)形成复共轭对，由其构成的解析信号为 Z(t)＝X(t)+jY(t)＝a(t)ejθ(t) θ(t)＝arctan[Y(t)/X(t)] 式中a(t)为瞬时振幅；θ(t)为相位。根据
求取瞬时频率。
(4)根据所得各种瞬时频率成分剔除工频分量，得各馈线故障后1/10周波内零序电流非工频暂态分量。
发明原理 1、应用HHT提取非工频故障分量 HHT是一种全新的非线性、非平稳数据分析方法，包括EMD和Hilbert变换两部分组成，其核心部分是经验模式分解(EMD)。根据已有的研究成果，EMD可直接采用。HHT通过EMD将信号分解为若干个本征模态函数(IMF)，IMF的特点是具有合理的瞬时频率定义，然后对IMF进行Hilbert变换得到每个IMF随时间变化的瞬时频率和瞬时幅值。小电流接地故障电流信号包含丰富的瞬时频率成分，适合应用HHT对零序电流信号进行分解变换得零序电流的故障特征。
2、非工频故障分量暂态特征分析 配电网零序电流故障特征受很多因素的影响，如故障合闸角的大小、故障位置(故障点距离母线的位置)、接地电阻的大小、消弧线圈补偿度等。故障线路的零序暂态电流是由全部非故障线路的容性暂态电感电流和消弧线圈的暂态电感电流组成。暂态电流幅值具有比稳态幅值大，便于检测，并且包含丰富的故障频率成分，适合与进行选线研究。
本发明方法首先分别针对不同故障合闸角、故障位置、接地电阻、消弧线圈补偿度，进行大量仿真，并对仿真所得各个线路零序电流进行HHT分析，得到各个线路非工频暂态电流分量。通过总结分析发现在短路后的1/10周波内(0～20个采样点)，故障线路和非故障线路的非工频暂态电流特性显著不同，故障线路和非故障线路的非工频暂态电流极性相反，并且故障线路非工频暂态电流分量幅值明显大于非故障线路，此为选线判据基础。
基于上述分析，实现选线步骤为 1、根据所记录母线零序电压瞬时值情况，当零序电压大于设定值时，自动启动选线装置。
2、利用HHT对各馈线故障零序电流进行EMD分解，得到各个馈线零序电流的IMF分量。
3、根据希尔伯特变换构造解析信号，求取各个馈线零序电流瞬时幅值和频率。
4、剔除各馈线零序电流瞬时频率中工频分量，得到非工频故障分量。
5、根据故障线路非工频故障分量幅值大于非故障线路，极性与非故障线路相反的特征形成选线判据。
Hilbert-Huang变换(HHT)是Huang提出的一种全新的完全自适应时频分析方法，它具有良好的局部时频特性，因此更能够准确地反映原信号的特性。HHT从信号本身的尺度特征出发对信号进行EMD分解得到固有模态函数(intrinsic mode function，IMF)，通过对IMF进行Hilbert变换，得到解析信号，求取具有真正物理意义的瞬时频率。
本发明与现有技术相比具有如下优点 1、该方法利用非工频暂态电流，幅值大，抗干扰能力强，并且过零故障仍有明显的暂态信号，选线成功率高。
2、剔除了暂态信号中各馈线都包含的工频分量，得到适合选线要求的分量，故障线路和非故障线路特征区别更加明显，原理更先进。
3、不受不稳定电弧影响，且弧光接地和间歇性接地时检测更可靠 4、通过对不同模型进行仿真，该选线方法不受消弧线圈影响，可适用于不接地、经消弧线圈接地和经高阻接地系统；可适用架空线路或电缆线路，也可适用电缆架空混合线路。
5、利用HHT提取非工频暂态故障分量进行选线，对硬件的要求较低，具有一定经济性。
6、该方法不受故障线路零序电流倒相和CT饱和的影响，故障选线精度较高。
图1、图2为对比不同故障时刻的非工频故障分量波形图 图3、图4为对比不同故障距离的非工频故障分量波形图 图5、图6为对比不同补偿度的非工频故障分量波形图 图7、图8为对比不同接地电阻的非工频故障分量波形图 图9为本发明的故障选线方法流程图 图10为辐射状谐振接地系统
具体实施例方式 小电流接地系统发生单相接地故障时，利用上述发明方法可以实现完善的故障选线。具体实施流程图如图所示。
具体实施步骤如下 1、当母线零序电压瞬时值u(t)大于KU，故障选线装置自动启动，记录下故障后一个周波各馈线零序电流，K取值0.15，U表示母线额定电压； 2、利用HHT对各馈线1/10周波内零序电流进行EMD分解，分别得到各线路零序电流的IMF分量。
3、根据希尔伯特变换，求取各个IMF的解析信号，进而计算各个馈线故障零序电流的幅值和瞬时频率成分。
4、根据计算所得各馈线瞬时频率信号，剔除其中工频分量，得到各个馈线零序电流非工频暂态分量。
5、单相接地故障时，在短路后的1/10周波内(0～20个采样点)，故障线路非工频暂态分量幅值明显大于非故障线路，故障线路和非故障线路的非工频暂态电流极性相反，因此形成选线判据。
具体实施例1 图8为辐射状谐振接地系统，G为电源，T为变压器，变比为110Kv/11kV，联接组别为YN/d11，其中中性点经消弧线圈串联电阻接地，采用过补偿10％；R为消弧线圈阻尼电阻，Rf为接地电阻；消弧线圈通过隔离开关K投切；线路为缆线混合线路。
系统发生单相接地故障，采样装置采样频率为10000Hz，记录线路零序电流和母线零序电压。
对各个馈线故障后零序电流进行HHT变换得到非工频暂态故障分量，结果如图1。
对如图1中各个馈线非工频暂态分量进行幅值与极性比较，结果如表1 表1谐振接地缆线混合系统仿真变换选线结果
选线结果与仿真设定故障线路一致。
权利要求
1.一种应用非工频暂态分量的配电网故障选线方法，利用希尔伯特黄变换(HHT)提取零序电流故障后的非工频暂态故障特征分量，根据故障后故障线路的非工频暂态分量与非故障线路非工频暂态分量极性相反，故障线路非工频暂态分量幅值明显大于非故障线路的故障特征，对小电流接地系统单相接地故障进行快速选线，按如下步骤实现
(1)当母线零序电压瞬时值u(t)大于KU，故障选线装置立即启动，记录故障后1个周期波形各馈线零序电流x(t)，其中K取值0.15，U表示母线额定电压；
(2)应用HHT对各个馈线故障后1/10周波内零序电流x(t)进行经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，简称EMD)，分解出本征模态函数(Intrinsic ModeFunction，简称IMF)。具体的分解过程如下
a.根据零序电流信号x(t)的局部极大值和局部极小值求出其上包络线和下包络线的平均值m1；
b.将原数据序列减去平均包络后即可得到一个去掉低频的新数据序列h1＝x(t)-m1；判断h1是否为IMF条件，若不满足，将h1看作新的x(t)，重复上述处理过程，直到h1满足IMF条件时，记c1＝h1，视为IMF1；
c.将r＝x(t)-h1看作新的x(t)，重复以上(1)和(2)步骤，即可依次得到IMF2，IMF3，…，直到cn或r满足给定的终止条件时筛选结束；最后，原始的数据序列x(t)即可由这些IMF分量以及一个均值或趋势项r表示；
(3)对故障零序电流分解出的IMF进行Hilbert变换求取各种瞬时频率成分对于任一连续的时间信号X(t)，其Hilbert变换定义为
X(t)和Y(t)形成复共轭对，由其构成的解析信号为
Z(t)＝X(t)+jY(t)＝a(t)ejθ(t)
θ(t)＝arctan[Y(t)/X(t)]
式中a(t)为瞬时振幅；θ(t)为相位，根据
求取瞬时频率；
(4)根据所得各种瞬时频率成分剔除工频分量，得各馈线故障后1/10周波内零序电流非工频暂态分量。
全文摘要
本发明公开了一种应用希尔伯特黄变换变换(HHT)提取单相故障零序电流非工频暂态故障分量特征进行故障选线的新方法。该方法利用HHT对各馈线故障零序电流进行EMD分解，得到各个馈线零序电流的IMF分量。进而根据希尔伯特变换构造解析信号，求取各个馈线零序电流瞬时幅值和频率，通过剔除各馈线零序电流瞬时频率中工频分量，得到非工频故障分量。根据故障线路非工频故障分量幅值大于非故障线路，极性与非故障线路相反的特征形成选线判据。该选线方法不受消弧线圈影响，可适用于不接地、经消弧线圈接地和经高阻接地系统；可适用架空线路或电缆线路，也可适用电缆架空混合线路选线结果表明该方法应用于小电流单相接地故障选线准确可靠。
文档编号H02H7/26GK101814731SQ20101015182
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者康忠健, 李丹丹 申请人:中国石油大学(华东)