单相串联铁磁谐振检测与类型辨识方法及系统与流程

1.本公开属于电力系统保护和控制技术领域，特别涉及一种中性点直接接地电网单相串联铁磁谐振检测与类型辨识方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.铁磁谐振是一种非线性共振现象，受感性元件非线性特性、感性和容性储能元件初值、激励等因素共同作用，因此铁磁谐振对初值和参数灵敏，会引发多种振荡模式。在实际电力系统运行中，变压器、电压互感器等含有铁芯的感性设备在承受外加大扰动后感抗急剧减小，呈现出非线性特性，非线性电感元件与容性元件参数匹配后会引发铁磁谐振，伴随产生的过电压和过电流导致电流设备过热，严重时甚至发生爆炸等恶性事故。
4.铁磁谐振多种振荡模式表现出的波形特征差异性，给检测带来了困难，且由于潜在危害严重，铁磁谐振已经得到了国内外专家学者较多的关注。不同检测判据的共性均利用了电压或电流波形的非线性畸变特征。针对铁磁谐振检测，受铁磁谐振故障波形多样性的影响，单一的时域特征难以保证检测的可靠性；从频域角度提出了多种利用时域分析工具提取瞬时幅频特征的检测方法，但时频分析工具对非平稳时变信号分析存在弊端，使得时频分析结果精度欠缺，并且铁磁谐振受非线性方程求解的限制，无法得到广义自洽的解析解，导致检测阈值设定困难。


技术实现要素：

5.本公开为了解决上述问题，提出了一种单相串联铁磁谐振检测与类型辨识方法，目的是为了克服非平稳铁磁谐振信号难以通过时频分析工具进行辨识的缺陷，设计一种基于相电压频谱和相电流均值包络线特征共同辨识的检测方法。
6.根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
7.一种单相串联铁磁谐振检测与类型辨识方法，步骤包括：采集电压以及电流信号，对相电压以及相电流持续采样；
8.标记过电压工频周期起始点，对采集的相电压以及相电流进行预处理并计算总谐波畸变率，确定是否发生铁磁谐振；
9.通过时窗移动获取用于铁磁谐振检测的电压和电流数据，进行边界处理和计算后得到相电流均值包络线；
10.对时窗内相电压进行频谱分析，识别谐波频率；根据均值包络线和谐波频率与故障类型判定表中的类型进行对比获取故障类型判定结果。
11.根据另一些实施例，本公开采用如下技术方案：
12.一种单相串联铁磁谐振检测与类型辨识系统，包括：
13.传感器，用于获取电压与电流信号；
14.特征计算模块，用于计算谐波畸变并进行对数据的预处理；
15.特征提取模块，获取用于铁磁谐振检测的电压和电流数据，并通过边界处理和计算后得到相电流均值包络线；通过对时窗内相电压进行频谱分析，识别谐波频率；
16.故障判断模块，根据均值包络线和谐波频率与故障类型判定表中的类型进行对比获取故障类型判定结果。
17.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
18.本公开克服了非平稳铁磁谐振信号难以通过时频分析工具进行辨识的缺陷，相较于传统的单一时频特征辨识方法，辨识可靠性显著提高。并且利用时窗进行滑动检测，当铁磁谐振模式发生变化时，能及时提取到信号特征的变化，保证方法的自适应性。
附图说明
19.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
20.图1是中性点直接接地系统三相拓扑示意图；
21.图2是工频铁磁谐振方法测试结果图；
22.图3分频铁磁谐振方法测试结果图；
23.图4高频铁磁谐振方法测试结果图；
24.图5混沌铁磁谐振方法测试结果图；
25.图6工频铁磁谐振相电流均值包络线；
26.图7分频铁磁谐振相电流均值包络线；
27.图8高频铁磁谐振相电流均值包络线；
28.图9混沌铁磁谐振相电流均值包络线；
29.图10归一化自相关系数曲线图；
30.其中(a)高频铁磁谐振、(b)混沌铁磁谐振
31.图11分频铁磁谐振相电压频谱图；
32.图12工频铁磁谐振相电压频谱图；
具体实施方式：
33.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
34.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
35.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
36.本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机
可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
37.实施例1
38.本公开提供了一种单相串联铁磁谐振检测与类型辨识方法，包括：、
39.步骤1：采集电压以及电流信号，对相电压以及相电流持续采样；
40.步骤2：标过记电压工频周期起始点，对采集的相电压以及相电流进行预处理并计算总谐波畸变率，确定是否发生铁磁谐振；
41.步骤3：通过时窗移动获取用于铁磁谐振检测的电压和电流数据，进行边界处理和计算后得到均值包络线；
42.步骤4：对时窗内相电压进行频谱分析，识别谐波频率；根据均值包络线和谐波频率与故障类型判定表中的类型进行对比获取故障类型判定结果。
43.具体的，如图1所示，应用本发明的实施例为110kv高压输电线路断路器均压电容、母线对地电容与电压互感器参与的铁磁谐振及弧光高阻接地故障仿真数据。中性点直接接地电网单相串联铁磁谐振检测与类型辨识方法实施包括以下步骤：
44.步骤1)对相电压u和相电流i持续采样，计算每工频周期内相电压的有效值u，当u》uset时，标记过电压的工频周期起始点。利用傅里叶变换对起始点后工频周期内相电压和相电流进行处理后分别计算总谐波畸变率thd，若相电压或相电流的总谐波畸变率thd》thdset，确定发生铁磁谐振。其中，thdset、uset为设定阈值。将uset按照额定电压的120％～140％进行整定，此处取值额定电流的130％。thdset取值2～5％，此处取值5％。
[0045][0046]
其中，δt为采样时间间隔，um为工频周期内第m个时间间隔的电压采样瞬时值，s为1个工频周期内采样数。
[0047][0048]
其中，u1为基波幅值，u2、u3
···
un分别为各电压谐波幅值。
[0049]
步骤2)利用切比雪夫滤波器对相电压和相电流数据进行低通滤波，截止频率为2000hz，得到首容性频带下电压和电流数据。将起始点后2n个工频周期的数据用作检测，为使得时窗内信号能够体现铁磁谐振周期性，此处n取6.
[0050]
步骤3)提取一阶导数由正变负的采样值为极大值，一阶导数由负变正的采样值为极小值点。对极值点采用三次样条插值法绘制光滑的上下包络线，取均值后得到均值包络线。对于边界处理问题，前边界采用向时窗以前的信号延拓两个极值点的方法，后边界采用将时窗右端点设置零极值点实现零延拓的方法，并将均值包络线右端半个周期的数据舍弃。若得到的均值电流包络线瞬时值i
en
始终满足：i
en
《i
set
，输出k
per
＝1；若否，则对均值包络线进行归一化自相关系数计算，时移由0计算到时窗信号的一半处，取归一化自相关系数的极大值，除时移为零时的极值外，若极值始终小于整定值kρ
zd
，判定均值包络线不具备周期性，判定发生混沌谐振，输出k
per
＝-1；否则判定均值包络线具有周期性，输出k
per
＝0。其中，i
set
为设定阈值；ρ
zd
周期性判定的整定值，取值为1；k为影响因子，0《k≤1。归一化自相关
系数计算公式为：
[0051][0052]
其中，x(t)为离散信号数据点，即均值包络线的数据点，n为信号采样点数，τ为时移量。
[0053]
步骤4)对时窗内相电压进行傅里叶频谱分析，识别除工频外的最大幅值的谐波频率f
maxhar
，当f
maxhar
《50hz时，输出f＝-1；否则，输出f＝1。
[0054]
步骤5)根据k
per
、f输出值与表3进行对比得到故障类型判定结果，判定前n个周期发生对应的故障类型。
[0055]
表3故障类型判定表
[0056][0057][0058]
步骤6)对时窗后n个周期中每个周期的相电压和相电流进行总谐波畸变检测，不满足步骤1中总谐波畸变率的周期数记为m。
[0059]
步骤7)若m《n，说明故障未消失需要继续进行，起始时间点前进n-m个工频周期，转步骤2继续循环检测；若m＝n，则说明此时窗末处故障消失，判定时窗内后n个周期发生步骤7所得到的故障类型并结束算法。
[0060]
实施例2
[0061]
本公开提供一种单相串联铁磁谐振检测与类型辨识系统，包括：
[0062]
传感器，用于获取电压与电流信号；
[0063]
特征计算模块，用于计算谐波畸变并进行对数据的预处理；
[0064]
特征提取模块，获取用于铁磁谐振检测的电压和电流数据，并通过边界处理和计算后得到相电流均值包络线；通过对窗内相电压进行频谱分析，识别谐波频率；
[0065]
故障判断模块，根据均值包络线和谐波频率与故障类型判定表中的类型进行对比获取故障类型判定结果。
[0066]
具体的执行以下步骤：
[0067]
根据线路采集的电压电流信号，提取周期特征和频谱特征，具体包括以下步骤：
[0068]
步骤1)识别过电压和谐波畸变，从而启动辨识。
[0069]
对相电压u和相电流i持续采样，计算每工频周期内相电压的有效值u，当u》u
set
时，标记过电压的工频周期起始点。利用傅里叶变换对起始点后工频周期内相电压和相电流进行处理后分别计算总谐波畸变率thd，若相电压或相电流的总谐波畸变率thd》thd
set
，确定发生铁磁谐振或弧光高阻接地故障。其中，thd
set
、u
set
为设定阈值。
[0070][0071]
其中，δt为采样时间间隔，um为工频周期内第m个时间间隔的电压采样瞬时值，s为1个工频周期内采样数。
[0072][0073]
其中，u1为基波幅值，u2、u3···
un分别为各电压谐波幅值。
[0074]
步骤2)选取时窗，并进行滤波。
[0075]
利用切比雪夫滤波器对相电压和相电流数据进行低通滤波，截止频率为2000hz，得到首容性频带下电压和电流数据。将起始点后2n个工频周期的数据用作检测。
[0076]
步骤3)提取相电流周期性特征。
[0077]
提取一阶导数由正变负的采样值为极大值，一阶导数由负变正的采样值为极小值点。对极值点采用三次样条插值法绘制光滑的上下包络线，取均值后得到均值包络线。对于边界处理问题，前边界采用向时窗以前的信号延拓两个极值点的方法，后边界采用将时窗右端点设置零极值点实现零延拓的方法，并将均值包络线右端半个周期的数据舍弃。若得到的均值电流包络线瞬时值i
en
始终满足：i
en
《i
set
，输出k
per
＝1；若否，则对均值包络线进行归一化自相关系数计算，时移由0计算到时窗信号的一半处，取归一化自相关系数的极大值，除时移为零时的极值外，若极值始终小于整定值kρ
zd
，判定均值包络线不具备周期性，判定发生混沌谐振，输出k
per
＝-1；否则判定均值包络线具有周期性，输出k
per
＝0。其中，i
set
为设定阈值；ρ
zd
周期性判定的整定值，取值为1；k为影响因子，0《k≤1。归一化自相关系数计算公式为：
[0078][0079]
其中，x(t)为离散信号数据点，即均值包络线的数据点，n为信号采样点数，τ为时移量。
[0080]
步骤4)提取相电压频谱特征
[0081]
对时窗内相电压进行傅里叶频谱分析，识别除工频外的最大幅值的谐波频率f
maxhar
，当f
maxhar
《50hz时，输出f＝-1；否则，输出f＝1。
[0082]
步骤5)故障类型判定。
[0083]
根据k
per
、f输出值与表1进行对比得到故障类型判定结果，判定前n个周期发生对应的故障类型。
[0084]
表1故障类型判定表
[0085][0086]
步骤6)识别铁磁谐振是否结束
[0087]
对时窗后n个周期中每个周期的相电压和相电流进行总谐波畸变检测，不满足步骤1中总谐波畸变率的周期数记为m。
[0088]
步骤7)判定下一步进行循环检测或结束算法。
[0089]
若m《n，说明故障未消失需要继续进行，起始时间点前进n-m个工频周期，转步骤2继续循环检测；若m＝n，则说明此时窗末处故障消失，判定时窗内后n个周期发生步骤7所得到的故障类型并结束算法。
[0090]
下面以具体实施例说明本技术的中性点直接接地电网单相串联铁磁谐振检测与类型辨识方法，在实例中，以图1所示的拓扑作为仿真对象来具体说明中性点直接接地电网单相串联铁磁谐振检测与类型辨识，利用上述方法对不同的铁磁谐振模式进行识别和验证。
[0091]
图2-图5显示了此方法对不同铁磁谐振模式均能正确识别，且对于铁磁谐振的暂态过程可识别为非周期性的混铁磁谐振，验证此方法的辨识能力的正确性和自适应性。
[0092]
图6-图9给出了不同的铁磁谐振模式下仿真数据的均值包络线计算情况，均值包络线在暂态过程中均表现不稳定的非周期特征，当达到故障稳态时工频铁磁谐振、高频铁磁谐振、混沌铁磁谐振的均值包络线分别表现为保持为零值、周期振荡、非周期混乱状态，因此可进行周期特征提取，而分频铁磁谐振均值包络线表现为保持为零值，但也有可能表现为周期振荡，因此通过频谱特征进行进一步识别识别。
[0093]
图10给出了高频铁磁谐振和混沌铁磁谐振时一段12个周波的相电流均值包络线归一化自相关系数计算结果。高频铁磁谐振归一化自相关系数各个极大值均大于0.95，混沌铁磁谐振归一化自相关系数显示最大的极大值为0.679，验证了归一化自相关系数判据可进行均值包络线具有周期性和非周期性的识别。
[0094]
图11显示分频铁磁谐振的谐波中分频谐波幅值最高，图12显示工频铁磁谐振的谐波中高频谐波幅值最高，因此可有效对分频铁磁谐振和工频铁磁谐振进行区分辨识。
[0095]
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序
指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0096]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0097]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0098]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
[0099]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。