混联配电网单相接地故障的定位方法与流程

本发明涉及配电网故障定位技术，具体是混联配电网单相接地故障的定位方法。
背景技术：
：单相接地故障是配电网中发生几率最高的一种故障，为提高供电可靠性，我国的6～35kV中压配电网一般采用小电流接地运行方式，该运行方式包括中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统和中性点经高阻(零序综合电抗与正序综合电抗之比大于等于4)接地系统。由于配电网采用中性点不接地运行方式，发生单相接地故障后线电压仍然保持对称，故障对三相用电设备的运行无影响，系统可按规程规定继续运行2小时左右，在此期间值班人员应及时寻找接地故障点并排除故障。为了快速寻找接地故障点，目前人们常常采用配电网行波定位法来定位故障点至母线端的距离。然而，配电网行波定位法并非在所有的线路上均适用，对于复杂结构的架空线、电缆混联线路，其架空线和电缆的行波参数不同，故障行波在两种线路上的幅值衰减、波速度变化特性和频散程度存在差异，架空线、电缆转换处的波阻抗不连续点增加了行波在线路中的折反射复杂程度，反射波头不易辨识，行波在混联线路中的频散现象所引起的波形畸变会对波头到达时刻产生干扰，若采用配电网行波定位法定位架空线、电缆混联线路的单相接地故障，会出现较大的偏差。如何定位架空线、电缆混联线路的单相接地故障，这成为目前人们普遍关注的问题，然而，现今没有解决相应技术问题的文献资料，也未见任何相关的报道。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种混联配电网单相接地故障的定位方法，其用于配电网架空线、电缆混联线路单相接地故障检测时便于快速、精确的定位故障区段。本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现：混联配电网单相接地故障的定位方法，包括以下步骤：步骤一、在变电站母线端检测故障点产生的三相行波；步骤二、对步骤一获取的三相行波进行相模变换得到零模和线模电压；步骤三、对步骤二中得到的母线端零模和线模行波进行小波去噪和两层以上的小波包频带分解和重构，并将母线端至每个线路末端均作为一条路径，建立所有路径上的模量时间差与故障距离之间的对应关系；步骤四、利用步骤三得到的模量时间差与故障距离的对应关系并根据各路径上的神经网络获取故障点与母线端之间的距离；步骤五、利用步骤四中得到的故障距离判定故障区段。本发明对母线端零模和线模行波进行小波去噪和两层以上的小波包频带分解和重构，能得到频散程度较低的频带信号。本发明通过小波变换对小波包重构的行波模量进行初始波头标定，从而确定零模分量和线模分量到达母线端的时刻。进一步的，所述步骤二中对母线端检测的三相行波进行相模变换的公式如下：u0=13(Ua+Ub+Uc)]]>u1=13(Ua-Ub)]]>其中，u0为零模电压，u1为线模电压，Ua、Ub及Uc为母线端采集到的三相电压。进一步的，所述步骤三中的小波去噪采用变阀值函数，阀值函数为：w^j,k=0,|wj,k|<λkwj,k,|wj,k|≥λk]]>式中，为用于重构信号的小波系数，wj,k为小波分解第k层的第j个系数，为小波分解第k层的阀值，为通用阀值，σ＝median(|wj,1|)/0.6745为噪声标准方差，N为信号点数。本发明的小波去噪采用变阀值函数，具有良好的去噪性能。进一步的，所述步骤四获取故障点与母线端之间距离的公式如下：s=v1v0v1-v0Δt]]>其中，v0为零模检测波速度，v1为线模检测波速度，△t为模量时间差，s为故障点与母线端之间的距离。进一步的，所述步骤五中判定故障区段具体包括以下步骤：判断是否存在两条以上路径的神经网络拟合的故障距离一致，若是则故障点位于其公共部分，若否，则各路径的神经网络的故障距离均不同，采用各故障距离除以相应的线模波速度，得到线模行波在母线端和故障点之间往返所需的时间，通过验证线模行波在这些时刻是否存在故障点反射波头来判断故障距离的真伪，最终确定故障区段。本发明应用时，利用神经网络拟合行波模量时间差与故障距离的对应关系得到故障距离，通过验证各拟合故障距离所对应的故障点线模反射波头是否存在来判定故障区段。本发明通过小波包变换并逐层分析的方法得到较为准确波头标定时刻以及模量时间差与故障距离的对应关系，有利于神经网络的拟合，并能降低混联线路中行波频散对波头标定的影响。综上所述，本发明具有以下有益效果：(1)本发明为基于行波模量速度差和神经网络的混联配电网单相接地故障的定位方法，原理简单，在具体实施时只需单端电气量，无需时间同步和额外设备，且本发明应用时能避免在混联线路中进行复杂的模量波速度迭代、计算等复杂问题，易于实现，便于实现快速定位。(2)本发明利用小波变换标定零模电压和线模电压的波头到达时刻，能提升本发明应用时测距的精确度。(3)本发明利用小波包变换将行波模量分解到若干个互不重叠的窄频带上并选取适当层数上的低频率频带进行重构，降低了混联线路中行波频散对波头标定的影响，波头标定更为准确，神经网络拟合效果更理想，能提升本发明定位故障区段的精确度。附图说明此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：图1为本发明一个具体实施例的流程图；图2为基于PSCAD/EMTDC搭建的一种具体混联线路拓扑结构图；图3为图2所示混联线路第一层小波包分解后的对应关系图；图4为图2所示混联线路第二层小波包分解后的对应关系图；图5为图2所示混联线路第三层小波包分解后的对应关系图；图6为图2所示混联线路第四层小波包分解后的对应关系图；图7为图2所示混联线路各路径上拟合距离的第一个反射波头验证情况示意图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。如图1所示，混联配电网单相接地故障的定位方法，包括依次进行的以下步骤：步骤1、在变电站母线端检测故障点产生的三相行波；步骤2、对获取的三相行波进行相模变换得到零模和线模电压；步骤3、对得到的母线端零模和线模行波进行小波去噪和两层以上的小波包频带分解和重构，并将母线端至每个线路末端均作为一条路径，建立所有路径上的模量时间差与故障距离之间的对应关系；步骤4、利用得到的模量时间差与故障距离的对应关系并根据各路径上的神经网络获取故障点与母线端之间的距离；步骤5、利用得到的故障距离判定故障区段。本发明在具体实施时，对母线端检测的三相行波进行相模变换的公式如下：u0=13(Ua+Ub+Uc)]]>u1=13(Ua-Ub)]]>其中，u0为零模电压，u1为线模电压，Ua、Ub及Uc为母线端采集到的三相电压。本发明在具体实施时，小波去噪采用变阀值函数，阀值函数为：w^j,k=0,|wj,k|<λkwj,k,|wj,k|≥λk]]>式中，为用于重构信号的小波系数，wj,k为小波分解第k层的第j个系数，为小波分解第k层的阀值，为通用阀值，σ＝median(|wj,1|)/0.6745为噪声标准方差，N为信号点数。本发明应用时，对比不同小波包分解层数、不同小波基下得到的模量时间差与故障距离的对应关系，选取其中单调性最理想的对应关系训练每条路径的神经网络(模量时间差与故障距离分别作为神经网络的输入和输出)，并以该对应关系的小波包分解层数和小波基作为后续处理故障行波的设定。利用每条路径上的故障距离与模量时间差的关系分别训练各路径对应的GA-BP神经网络(GA为遗传算法部分，BP为前馈神经网络，GA的作用是对BP参数进行优化，使得BP拟合均方误差最终达到要求)，通过拟合输入与输出的函数关系避免计算波速度。本发明在具体实施时，获取故障点与母线端之间距离的公式如下：s=v1v0v1-v0Δt]]>其中，v0为零模检测波速度，v1为线模检测波速度，△t为模量时间差，s为故障点与母线端之间的距离。本发明在故障发生后，对测量端收到的故障行波进行频带分解、重构和小波变换得到模量时间差，其中小波包分解层数、小波基等设定均与训练神经网络时的设定一致。本发明判定故障区段具体包括以下步骤：判断是否存在两条以上路径的神经网络拟合的故障距离一致，若是则故障点位于其公共部分，若否，则各路径的神经网络的故障距离均不同，采用各故障距离除以相应的线模波速度，得到线模行波在母线端和故障点之间往返所需的时间，通过验证线模行波在这些时刻是否存在故障点反射波头来判断故障距离的真伪，最终确定故障区段。实施例：如图2所示为基于PSCAD/EMTDC搭建的一种具体架空线、电缆混联线路拓扑结构，其具体为10kV混联配电网线路模型，各分支长度如图2所示，以0.1km为间隔设置故障点并进行单相接地故障仿真实验，在测量端A采集故障行波并进行信号去噪和4层小波包分解，重构各分解层第一个频带上的零模行波和线模行波，对比不同层数的模量时间差与故障距离的对应关系，如图3～图6所示，由图可见第三层小波包分解后的对应关系最佳，于是利用第三层模量时间差与故障距离的关系训练四条路径上的神经网络，其中A-B-C-D为路径1，A-B-C-E为路径2，A-B-F-G-H-I为路径3，A-B-F-G-K为路径4。在线路上任意位置设置单相接地故障点，如距离测量端16km处的CE区段，对故障行波进行三层小波包变换重构并标定初始波头，将其模量时间差输入四条路径上的神经网络，得到的故障距离分别为14.532km、15.786km，18.409km、14.015km，对应的各路径线模检测波速度分别为v1＝26.7083×104km/s、v2＝19.6655×104km/s、v3＝27.9758×104km/s和v4＝28.4145×104km/s，计算得反射波头的验证时刻τ1＝109μs，τ2＝163μs，τ3＝131μs，τ4＝98μs，验证区间的半径分别为r1＝1.50μs，r2＝2.03μs，r3＝1.43μs，r4＝1.41μs。如图7所示，在路径2的验证区间R2内存在小波变换系数模极大值，而其他路径不存在故障点，因此验证区间内不存在故障点反射回来的线模波头，于是可以判断故障点发生在路径2上，故障距离为15.786km。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3