基于峰度和Teager能量算子的配电网相继故障检测方法及系统与流程

本发明属于配电网故障检测应用领域，具体涉及一种基于峰度和teager能量算子的配电网相继故障检测方法及系统。

背景技术：

1、10kv配电网广泛采用小电流接地方式运行，当发生单相接地故障时系统仍可以持续运行一段时间，供电可靠性高。但是，随着配电网的建设和发展，特别是城市配电网的电缆化和广泛采用绝缘导线，一方面单相接地故障后故障点熄弧变得越来越困难，继发性故障时有发生；另一方面，绝缘导线等因素导致单相接地故障的过渡电阻提升显著，高阻接地故障无法快速可靠识别，极易造成触电事故的发生。因此，深入分析相继接地故障的特征，进而提出考虑继发性单相接地故障的快速检测方法，对于解决小电流接地系统单相继发性接地故障处理的难题，提高故障处理的效率和可靠性具有重要的现实意义。

2、小电流接地系统发生单相接地故障时，故障电流微弱，暂态特征复杂，难以准确提取有效的故障特征，导致选线正确率偏低。随着数字信号处理技术的发展，如小波分析、prony算法、希尔伯特-黄变换、s变换、数学形态学、卡尔曼滤波、分形理论等的提出与应用，利用先进的信号处理算法能够提高对微弱故障信号的辨识及特征提取能力，虽然这些技术在单相接地故障检测领域取得了一些应用，但在继发性故障检测领域还有待研究。因此，利用现代信号处理技术，提取微弱信号中的关键故障特征，进而快速检测故障，将有助于解决继发性故障识别困难的问题，从而有效提高配电网的安全稳定运行水平。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于峰度和teager能量算子的配电网相继故障检测方法及系统，以克服现有背景下配电网故障检测的难点，本发明通过快速检测配电网首发故障和继发故障，可以有效提高配电网故障检测的效率，对维护系统安全稳定运行具有重要的现实意义。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、基于峰度和teager能量算子的配电网相继故障检测方法，包括以下步骤：

4、步骤1、采集配电网母线零序电压和各条线路的零序电流；

5、步骤2、基于母线零序电压和线路零序电流的突变量和有效值所构造的首发性故障判据判断配电网是否发生单相接地故障，当配电网发生单相接地故障时，利用零序电压突变量判据确定首次故障时刻；否则继续进行检测；

6、步骤3、当检测到首发故障发生时，对各条线路的零序电流进行分解；

7、步骤4、基于变分模态分解的结果，提取最高频率的本征模态分量，计算该本征模态分量的峰度值；

8、步骤5、当计算得到的峰度值大于门槛时，判断配电网发生继发性故障，利用teager能量算子计算继发性故障发生时刻。

9、进一步地，步骤1中采用互感器采集母线零序电压和各线路的零序电流。

10、进一步地，步骤2中基于母线零序电压和线路零序电流的突变量和有效值所构造的首发性故障判据来判断配电网是否发生单相接地故障，首发性故障判据公式如下：

11、

12、其中，u0和u0分别是零序电压采样值和傅氏值，uth和uth分别是零序电压采样值突变量门槛和傅氏值门槛，和分别是第n条馈线零序电流的采样值和傅氏值，ith和ith分别是零序电流采样值突变量门槛和傅氏值门槛，t是时间变量，t是工频周期，tf1是零序电压采样值突变量判据确定的故障发生时刻，td是零序电压采样值突变量启动后开放的时间；

13、在配电网发生单相接地故障的情况下，根据首发故障判据中的零序电压突变量判据确定配电网发生单相接地故障的时刻tf1。

14、进一步地，步骤3中通过变分模态分解算法对各条线路的零序电流进行分解。

15、进一步地，所述变分模态分解算法通过将信号x(t)分解成一系列具有特定中心频率和有限带宽的本征模态分量uk，分解模型表述为所有本征模态分量的估计带宽之和最小，公式如下：

16、

17、其中，uk表示待求的各个本征模态分量，ωk为各本征模态分量的中心频率，为函数对于时间t的偏导数；k为模态分解数量；δ(t)为单位冲激函数；j为虚数单位；π为圆周率；t为时间变量；x(t)为原始信号；

18、利用二次惩罚因子α和拉格朗日乘法算子λ将上述分解模型进一步简化，公式如下：

19、

20、其中，α起到保证信号重构精度的作用，λ增强约束的严格性，且参与后续的迭代过程，为内积计算式，为平方l2范数计算式；

21、利用乘法算子交替方向法进行优化，计算得到的本征模态分量公式如下：

22、

23、其中，和分别代表x(t)、ui(t)、λ(t)和和的傅里叶变换，n是迭代次数；ui(t)为第i个本征模态分量。

24、进一步地，步骤4中利用变分模态分解的结果，提取中心频率最高的本征模态分量，公式如下：

25、

26、其中，为第k条线路零序电流在首发故障时间段内的第一本征模态分量，为第k条线路零序电流在首发故障时间段内的第二本征模态分量，为第k条线路零序电流在首发故障时间段内的第三本征模态分量，ω为各本征模态分量的中心频率，为首发故障时间段内中心频率最高的本征模态分量。

27、进一步地，所述计算中心频率最高的本征模态分量的峰度值，公式如下：

28、

29、其中，为本征模态分量的均值，n为本征模态分量的信号长度，kur为计算得到的峰度值。

30、进一步地，步骤5中当计算得到的峰度值大于门槛，则判断配电网发生继发性故障，并利用teager能量算子计算继发性故障发生时刻，teager能量算子公式如下：

31、ψ[x[n]]＝x[n]2-x[n-1]·x[n+1]

32、其中，x[n]为原始信号x的离散采样值，ψ代表teager能量算子；

33、根据变分模态分解算法提取继发性故障后的各条线路零序电流的本征模态分量，得到中心频率最高的本征模态分量计算该分量的teager能量算子并进行归一化，归一化公式如下：

34、

35、其中，ψmax为本征模态分量计算得到的teager能量算子的最大值，m为的信号长度，ψ'为归一化后的teager能量算子；

36、选出teager能量算子ψ'超过0.5的所有数据点，并将其中第一个点所对应的时刻判定为继发故障时刻tf2。

37、基于峰度和teager能量算子的配电网相继故障检测系统，包括：

38、采集模块：用于采集配电网母线零序电压和各条线路的零序电流；

39、判断模块：用于基于母线零序电压和线路零序电流的突变量和有效值所构造的首发性故障判据判断配电网是否发生单相接地故障，当配电网发生单相接地故障时，利用零序电压突变量判据确定首次故障时刻；否则继续进行检测；

40、分解模块：用于当检测到首发故障发生时，对各条线路的零序电流进行分解；

41、第一计算模块：用于基于变分模态分解的结果，提取最高频率的本征模态分量，计算该本征模态分量的峰度值；

42、第二计算模块：用于当计算得到的峰度值大于门槛时，判断配电网发生继发性故障，利用teager能量算子计算继发性故障发生时刻。

43、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述基于峰度和teager能量算子的配电网相继故障检测方法的步骤。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

45、本发明采用变分模态分解算法有效增强了复杂故障信号的特征提取能力，通过提取多种本征模态分量，实现微弱信号的多尺度表征；方法通过零序电压突变量以检测首发故障，可以快速辨识首发接地故障；方法通过峰度指标反映信号的复杂程度，可以有效检测原始信号中的高频分量，对继发故障的识别效率高；方法通过teager能量算子反映信号中的突变点，可以快速准确地捕捉继发故障时刻；方法不受配电网拓扑结构、系统参数、过渡电阻、合闸角、故障位置等因素的影响，具有很高的检测效率和准确率。本发明无需装设新设备，采样频率较低，有良好的工程应用前景，同时能够快速有效地检测首发故障和继发故障，大大增加了系统运行的可靠性和安全性。