基于eemd与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法
【专利摘要】本发明涉及提供一种基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法。该方法首先确定故障的起始时刻，然后取故障起始时刻前、后各1/2工频周期的各出线的零序电流进行EEMD分解，再取出各电流的高频IMF分量和剩余分量，然后分别求取各线路的高频IMF分量和剩余分量的能量和，再求出各线路的能量权重系数，通过分析比较能量权重系数的大小可以判别出故障元件，该方法不易受过渡电阻的影响，抗干扰能力强，判别故障时无需人工操作，当发生不同类型的单相接地故障时，都能够准确判别出故障元件。
【专利说明】基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线 方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种谐振接地配电网单相接地故障选线方法，特别是一种基于EEMD 与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法。
【背景技术】
[0002] 随着城市的发展和电力系统容量的不断增加，当配网发生单相短路故障时，故障 电流也较W前大很多倍，严重时系统中会产生弧光过电压，其值为相电压的2. 5?3倍，严 重威胁着系统的绝缘，而且极易使故障范围扩大。为了限制短路点电流的大小，防止上述危 害的发生，配电网广泛采用中性点谐振接地运行方式。在谐振接地配电网中，当某一出线发 生单相接地故障时，则在暂态过程中，感性电流的频率主要集中在0?50化，而容性电流 的频率为300?3000化，由于频率相差很大，二者不能相互抵消，又由于所有健全相的电容 电流都通过接地点流入故障线路的故障相中，因而故障线路比健全线路含有的高频分量丰 富；当母线发生单相接地故障时，暂态过程中所有出线只流经自身的暂态容性电流，其大小 相差不大。
[0003] 适用于谐振接地配电网的单相接地故障选线方法主要有小波分析法、首半波法、 注入信号跟踪法、拉路法、五次谐波分量法等。其中对于小波分析法，选线准确度较高，但是 小波变换的分解结果由预先确定的基函数所决定，因而小波变换不能够根据信号的特征进 行自适应分解；首半波法易受过渡电阻的影响而引起误判；注入信号跟踪法也易受过渡电 阻的影响，当过渡电阻较大时，信号非常微弱，同时注入的信号易受干扰；拉路法虽已改进， 但仍需要人工操作，判别故障的时间仍较长；对于五次谐波分量法，由于五次谐波的含量比 基波含量小很多，且容易受到负荷的五次谐波源、过渡电阻的影响，在实际应用中效果不理 想。
[0004] 美籍华人黄鳄（Norden E.化ang)等人在2009年提出了集合经验模态分解 巧nsemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)。EEMD 能根据信号本身的特点对信号 进行分解，且EEMD适用于分析瞬时性出现的信号。利用EEMD可把任何信号分解成若干个 固有模态函数（IM巧分量和一个剩余分量。也就是说，原始信号中不同频率的交流分量被 分解成不同尺度的IMF分量，直流分量被包含在剩余分量中。所W通过EEMD分解各线路的 零序电流，可得到各零序电流的高频谐波分量和衰减的直流分量。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障 选线方法，该方法抗干扰能力强，不易受过渡电阻的影响，判别故障时无需人工操作，能准 确的、可靠的选出当发生不同类型的单相接地故障时的故障线路。
[0006] 本发明采用W下方案进行实现；基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地 故障选线方法，其特征在于，包括W下步骤：步骤SOl ;获取母线各相相电压Ui、零序电压U。、 零序电流i。及各条出线的零序电流icu，并对上述电量进行滤波和离散化处理；步骤S02 ;判 断配电网是否发生永久性单相接地故障，若配电网发生永久性单相接地故障，则执行步骤 S03 ;步骤S03 ;利用EEMD法分解母线零序电压U。，提取U。最高频率的固有模态函数IMF分 量C。，并对U。最高频率的IMF分量Cii求一阶向前差分；Z似=C。化+1)-Cii似（1)，式（1) 中，k为采样点，Z(k)为一阶向前差分，C。似为离散化后的母线零序电压U。，对Z(k)取模 值f = I Z化）I，模值f最大的点所在时刻tm即为该信号的奇异值点所在时刻t。，奇异 值点所在时刻t。即为故障发生的起始时刻t,;步骤S04 ;提取配电网各出线的故障起始时 刻t,前、后各1/2工频周期的零序电流itM，分别对各出线itM进行EEMD分解，提取出各出 线的高频IMF分量Cu和剩余分量; 巧
[0007] 步骤S05 ;分别求各IMF分量C。和剩余分量r;的能量；Ay = Xc;,.的.j二L2?…，W k=i M = 其中k为采样点，n为时间序列的长度，i为线路的编号，j为 IMF分量的编号，m为IMF分量的总个数，E。为线路Li的次序为j的IMF分量Cu的能量， 前 Eit为线路Li的剩余分量r,的能量，再求各条出线的能量：= 2所有出线 '片 (4), 的总能量：密=1；憂/ 最后求取线路Li的能量权重系数：P, = f" 步骤S06:设 定能量权重系数Pi的阔值Pwt,各线路的能量权重系数Pi与阔值Pset相比较，若所有线路的 Pi<P,et，则表示母线发生了故障；若某一条线路的Pi〉Pset，则表示该条线路发生了故障。
[0008] 更进一步，所述步骤S02还包括W下具体步骤；步骤S021 ;判断母线零序电压U。的 有效值U。是否超过0. 15倍的额定线电压的有效值Ui,若&〉0. 1抓1进入步骤S022,否则表 示系统未出现永久性单相接地故障，结束任务；步骤S022 ;判断是否有两相的相电压Ui、U2 的有效值Ui、U,高于额定相电压的有效值Up,另一相的相电压U3的有效值U3低于额定相电 压的有效值Up,且母线零序电流i。不为零，若满足W上条件，则表示配电网是否发生永久性 单相接地故障，执行步骤S03,否则表示系统未出现永久性单相接地故障，结束任务。
[0009] 在本发明具体实施例中，在步骤S03和步骤S04中，所述EEMD原理实现步骤如下：
[0010] (1)将一组白噪声信号dk(t)叠加在原始信号x(t)中，得yk(t)= x(t)+dk(t)，kG (1，脚（7)，式（7)中，k为EMD分解的次数，N为所设定的EMD分解的总次数； f 口尉yk(t)进行EMD分解，得.?的= !>%脚(化<fce(!，iV) (8)，式做中Ckp(t)为第k次 P-O EMD分解中次序为P的IMF分量；fk (t)为第k次EMD分解中的剩余分量；q为第k次EMD分 解所得的IMF分量的总个数；樹重复步骤(1)和步骤口)，当重复次数为N时转到步骤(4) ;(4)分 别求各个IMF分量的平均值，得到IMF分量Cp(t)和剩余分量r(t) 的= C9X 嗦;（）〇)，其中Cp(t)为x(t)的次序为i的IMF分量，r(t)为x(t)剩余分量。 八占
[0011] 相较于现有技术，本发明具有W下有益效果：
[001引 I、所使用的ffiMD方法采用力日、减运算，提高了计算速度和计算效率，并且ffiMD能 根据信号自身的特征对信号进行自适应分解，无需选择基函数。
[0013] 2、不受故障时刻的影响，不依赖线路结构参数，即当发生不同类型的单相接地故 障时，都能够准确判别出故障元件。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本发明具体实施例的工作流程图。
[0015] 图2是本发明实施例的谐振接地配电网模型图。
[001引图3是当相电压的相角= 消弧线圈的补偿度为10%时，线路4末端发生单 相金属性接地故障，线路4的零序电流波形图。
[0017] 图4是对图3所示的零序电流进行EEMD分解后，提取出的前H个高频分量和剩余 分量的波形图。
[001引 图5是当相电压的相角f = ^/2,接地电阻为200 Q时，线路1在距母线2km处发 生故障，各线路能量权重系数条形图。
[0019] 图6是当相电压的相角= 接地电阻为20Q时，母线发生故障，各线路能量 权重系数条形图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0021] 本发明提供的基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法具体 工作流程参见图1，包括如下步骤：
[0022] 步骤SOl ;获取母线各相相电压Ui、零序电压U。、零序电流i。及各条出线的零序电 流icu，并对上述电量进行滤波和离散化处理；
[0023] 步骤S02 ;判断配电网是否发生永久性单相接地故障，若配电网发生永久性单相 接地故障，则执行步骤S03;
[0024] 步骤S03 ;利用EEMD法分解母线零序电压U。，提取U。最高频率的固有模态函数IMF 分量Cii，并对U。最高频率的IMF分量Cu求一阶向前差分；Z似=Cu化+1) -Cii化）（1)， 式（1)中，k为采样点，Z(k)为一阶向前差分，Cii(k)为离散化后的母线零序电压U。，对Z(k) 取模值f = |Z(k) I，模值f最大的点所在时刻tm即为该信号的奇异值点所在时刻t。， 奇异值点所在时刻t。即为故障发生的起始时刻;
[00巧]步骤S04 ;提取配电网各出线的故障起始时刻tg自U、后各1/2工频周期的零序电流 itcu，分别对各出线itM进行EEMD分解，提取出各出线的高频IMF分量Cu和剩余分量Ti ;
[0026] 步骤S05 :分另Ij求各IMF分量Cu和剩余分量r;的能量： &!=玄d脚'j = 口'…'m' \ E"- =么r:(良)/、其中k为采样点，n为时间序列的 W (2)， (3)， 长度，i为线路的编号，j为IMF分量的编号，m为IMF分量的总个数，E。为线路Li的 次序为j的IMF分量Cu的能量，Eb为线路Li的剩余分量r,的能量，再求各条出线的能 明 巧 量：E<'=i￡/z+&. 所有出线的总能量：f=i& 最后求取线路Li的能量权重 /=' (4), W (5)， 系数：梦,=f W;
[0027] 步骤S06 ;设定能量权重系数Pi的阔值Pwt，各线路的能量权重系数Pi与阔值Pset 相比较，若所有线路的Pi<P,et，则表示母线发生了故障；若某一条线路的Pi〉Pset，则表示该条 线路发生了故障。
[0028] 步骤S02判断配电网是否发生永久性单相接地故障，包括W下具体步骤；步骤 S021 ;判断母线零序电压U。的有效值U。是否超过0. 15倍的额定线电压的有效值Ui,若 &〉0. 1抓1进入步骤S022,否则表示系统未出现永久性单相接地故障，结束任务；
[002引步骤S022 ;判断是否有两相的相电压Ui、U2的有效值Ui、&高于额定相电压的有 效值Up,另一相的相电压U3的有效值&低于额定相电压的有效值Up,且母线零序电流i。不 为零，若满足W上条件，则表示配电网是否发生永久性单相接地故障，执行步骤S03,否则表 示系统未出现永久性单相接地故障，结束任务。
[0030] 本发明实施例中，在步骤S03和步骤S04中所述EEMD原理具体如下，
[0031] (1)将一组白噪声信号dk(t)叠加在原始信号x(t)中，得yk(t)= X(t)+dk(t)，k G (1，脚（7)，式（7)中，k为EMD分解的次数，N为所设定的EMD分解的总次 数； 巧
[0032] 口尉 yk(t)进行 EMD 分解，得-V'*的=Zc砖的+ /i的，是 e(lsiV) (8)，式做中 Ckp(t) P=圉 为第k次EMD分解中次序为P的IMF分量；rk(t)为第k次EMD分解中的剩余分量；q为第 k次EMD分解所得的IMF分量的总个数；
[0033] 樹重复步骤(1)和步骤口)，当重复次数为N时转到步骤(4);
[0034] (4)分别求各个IMF分量的平均值，得到IMF分量Cp (t)和剩余分量r (t):
【权利要求】
1. 基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方法，其特征在于，包括以 下步骤： 步骤SOl:获取母线各相相电压Ui、零序电压Utl、零序电流L及各条出线的零序电流icu，并对上述电量进行滤波和离散化处理； 步骤S02 :判断配电网是否发生永久性单相接地故障，若配电网发生永久性单相接地 故障，则执行步骤S03; 步骤S03 :利用EEMD法分解母线零序电压Utl，提取Utl最高频率的固有模态函数IMF分 量Cil，并对uQ最高频率的MF分量Cil求一阶向前差分：z(k) =Cil (k+1)-Cil (k) (1)，式（1) 中，k为采样点，Z(k)为一阶向前差分，Cil (k)为离散化后的母线零序电压Utl，对Z(k)取模 值f=IZ(k)I，模值f最大的点fmax所在时刻tm即为该信号的奇异值点所在时刻t,，奇异 值点所在时刻tq即为故障发生的起始时刻ts ; 步骤S04 :提取配电网各出线的故障起始时刻ts前、后各1/2工频周期的零序电流it(li， 分别对各出线it(li进行EEMD分解，提取出各出线的高频IMF分量和剩余分量ri ; η 步骤S05 :分别求各IMF分量Cij和剩余分量ri的能量：Α =Σ4〇1·2·…·/? w (2), ￡? =Σr) 其中k为采样点，η为时间序列的长度，i为线路的编号，j为MF分 ⑶， 量的编号，m为IMF分量的总个数，Eij为线路Li的次序为j的IMF分量Cij的能量，Ei,为 m 线路Li的剩余分量巧的能量，再求各条出线的能量：￡/=Σ4+4 所有出线的总能 i=i ⑷， 量：Ε=μ最后求取线路Li的能量权重系数：見. = η(o), nib)·, 步骤S06 :设定能量权重系数Pi的阈值pset，各线路的能量权重系数Pi与阈值pset相比 较，若所有线路的？^?^，则表示母线发生了故障；若某一条线路的Pi>Psrt，则表示该条线路 发生了故障。
2. 根据权利要求1所述的基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方 法，其特征在于：所述步骤S02还包括以下具体步骤： 步骤S021 :判断母线零序电压Utl的有效值Utl是否超过0. 15倍的额定线电压的有效值U1，若UtlX). 15?进入步骤S022,否则表示系统未出现永久性单相接地故障，结束任务； 步骤S022 :判断是否有两相的相电压Ul、U2的有效值UpU2高于额定相电压的有效值Up，另一相的相电压U3的有效值U3低于额定相电压的有效值Up，且母线零序电流L不为零， 若满足以上条件，则表示配电网是否发生永久性单相接地故障，执行步骤S03,否则表示系 统未出现永久性单相接地故障，结束任务。
3. 根据权利要求1所述的基于EEMD与能量法的谐振接地配电网单相接地故障选线方 法，其特征在于：在步骤S03和步骤S04中，所述EEMD原理实现步骤如下： ⑴将一组白噪声信号dk(t)叠加在原始信号x(t)中，得yk(t) =x(t)+dk(t)，ke(1，N) (7)，式（7)中，k为EMD分解的次数，N为所设定的EMD分解的总次数； ⑵对yk⑴进行EMD分解，得Λ(，) =?χ(，) +WUe(丨.Λ〇⑶，式⑶中Ckp⑴为第 |?*?} k次EMD分解中次序为ρ的IMF分量；rk(t)为第k次EMD分解中的剩余分量；q为第k次EMD分解所得的IMF分量的总个数； ⑶重复步骤⑴和步骤⑵，当重复次数为N时转到步骤⑷； ⑷令别龙夂个TMF令景的平抝倌·徨刹TMF令景。,p (t)和剩余分量r (t):
其中cp⑴为X⑴的次序为i的IMF分量，r(t)为X⑴剩余分量。
【文档编号】G01R31/02GK104237731SQ201410497842
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2014年9月25日
【发明者】金涛, 褚福亮 申请人:福州大学