本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，涉及配電網(wǎng)的故障診斷，是一種精確的配電網(wǎng)故障行波波頭的辨識(shí)方法。

背景技術(shù)：

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)供電可靠性的要求越高，與居民用電密切相關(guān)的配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性便越高。這便要求對(duì)配電網(wǎng)的故障能夠準(zhǔn)確識(shí)別，迅速排除。然而，配電網(wǎng)的故障定位問題長期以來一直沒有得到很好的解決。因?yàn)榕潆娋W(wǎng)一般采用架空線路—電纜線路的混合線路，且線路分支較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使配電網(wǎng)在故障定位上要比輸電網(wǎng)困難，許多在輸電網(wǎng)中已經(jīng)成熟的技術(shù)在配電網(wǎng)中無法實(shí)現(xiàn)。在發(fā)生故障后，由于故障電流比較微弱，對(duì)故障的定位更加困難。

行波測(cè)距技術(shù)最早應(yīng)用在輸電線路上，其測(cè)量的準(zhǔn)確度高，反應(yīng)迅速，并且不受線路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、互感器傳變誤差等因素的影響，因此得到了廣泛的應(yīng)用。在行波測(cè)距中，最為關(guān)鍵的技術(shù)是對(duì)故障發(fā)生后的暫態(tài)行波波頭進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別。然而，由于暫態(tài)行波的頻帶在10k～100kHz不等，要完整采集故障行波，由采樣定理可知，保護(hù)裝置的采樣率就必須非常高。高采樣率會(huì)受到各種噪聲的干擾，例如白噪聲，脈沖噪聲等，這就使得行波波頭的識(shí)別非常困難。再加上在配電網(wǎng)中，線路電阻較大，行波能量衰減非常嚴(yán)重，使得行波的波頭變緩，奇異性降低，在噪聲的淹沒下，波頭的辨識(shí)就非常困難。極端情況下，系統(tǒng)在過零點(diǎn)或者經(jīng)高阻接地的情況下，行波信號(hào)非常微弱，與噪聲相比奇異性并未差異，利用傳統(tǒng)的小波變換等方法難以獲得準(zhǔn)確的故障行波波頭到達(dá)時(shí)刻。

無跡卡爾曼濾波是基于最小方差原理的濾波方法，能夠在時(shí)域內(nèi)濾除環(huán)境噪聲的干擾，減少偽故障點(diǎn)的干擾。通過構(gòu)建合適的狀態(tài)方程，利用卡爾曼濾波在狀態(tài)估計(jì)上的能力，可以對(duì)故障行波進(jìn)行辨識(shí)，推算出行波到達(dá)檢測(cè)裝置的時(shí)刻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有行波定位技術(shù)中的不足進(jìn)行改進(jìn)，提出一種配電網(wǎng)故障行波波頭的辨識(shí)方法。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種配電網(wǎng)故障行波波頭的辨識(shí)方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：

步驟1：對(duì)故障采集器得到的三相故障電壓行波進(jìn)行凱倫貝爾變換，得到線模電壓分量，其中，凱倫貝爾變換為：式中u₁,u₂為線模電壓，u₀為零模電壓，u_a,u_b,u_c為各相電壓；

步驟2：構(gòu)建行波波頭數(shù)學(xué)表達(dá)式，其表達(dá)式可以由以下函數(shù)表征：

其中，u(k)為k時(shí)刻故障線模電壓信號(hào)的值，T是行波到達(dá)故障檢測(cè)裝置的時(shí)刻，當(dāng)k<T時(shí)，故障行波還沒有到達(dá)，系統(tǒng)正常，A_s表示基波信號(hào)的幅值，ω_c為基波信號(hào)的角頻率，為基波信號(hào)的初始相角；當(dāng)k>T時(shí)，信號(hào)發(fā)生突變，在基波信號(hào)的基礎(chǔ)上，疊加了暫態(tài)行波，其中A_e表示初始暫態(tài)行波波頭的幅值，T_s為行波衰減時(shí)間常數(shù)。

步驟3：根據(jù)步驟2構(gòu)建的行波信號(hào)表達(dá)式，選取狀態(tài)變量構(gòu)建離散化的行波信號(hào)狀態(tài)方程和觀測(cè)方程如下：

x(k)＝x(k-1) k＝1,2...

u(k)＝H[x(k-1),k]+V(k) k＝1,2...

式中，x(K)為k時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)變量，x(k‐1)為k‐1時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)變量，H[]表示故障電壓信號(hào)u(k)與狀態(tài)變量的函數(shù)關(guān)系，V(K)表示觀測(cè)噪聲。

步驟4：運(yùn)用無跡卡爾曼濾波對(duì)故障行波電壓進(jìn)行處理，得到去噪的行波和狀態(tài)變量T的收斂值。

4‐1、初始化狀態(tài)變量均值：

其中，x₀為初始值，為初始向量均值，P₀是初始協(xié)方差矩陣。

4‐2、計(jì)算sigma采樣點(diǎn)：

其中L為狀態(tài)空間的維數(shù)，為6，則sigma點(diǎn)的個(gè)數(shù)為2L+1＝13；為第k‐1時(shí)刻的狀態(tài)變量均值；X_i(k-1)為第k‐1時(shí)刻的sigma點(diǎn)集；Sigma點(diǎn)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)為：

其中，λ為比例系數(shù)，改變?chǔ)说拇笮】梢哉{(diào)節(jié)sigma點(diǎn)與均值點(diǎn)之間的距離。

4‐3、計(jì)算狀態(tài)變量均值的一步估計(jì)，將k‐1時(shí)刻的sigma點(diǎn)分別代入狀態(tài)方程，得到k時(shí)刻的sigma點(diǎn)集以及其對(duì)應(yīng)的均值

4‐4、計(jì)算協(xié)方差矩陣的一步估計(jì)：

4‐5、獲得卡爾曼增益：

其中，是觀測(cè)點(diǎn)集，是觀測(cè)點(diǎn)集的均值，P_U(k),U(k)是觀測(cè)向量的自相關(guān)矩陣，P_X(k),U(k)是觀測(cè)向量與狀態(tài)向量的互相關(guān)矩陣，K_k為卡爾曼增益。

4‐6、更新狀態(tài)估計(jì)值和協(xié)方差矩陣：

式中u(k)為步驟1變換得到的故障行波線模分量在k時(shí)刻的值。

完成k時(shí)刻的狀態(tài)變量和協(xié)方差矩陣的更新后，返回步驟4‐2，進(jìn)行k+1時(shí)刻的估算。當(dāng)k＝N(N為故障信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù))，狀態(tài)變量和協(xié)方差矩陣停止更新，此時(shí)輸出變換得到的電壓信號(hào)U(k)和狀態(tài)變量T的值，此時(shí)的U(k)為去噪后的行波信號(hào)，T為故障行波波頭到達(dá)檢測(cè)裝置的時(shí)刻。

所述步驟4‐1協(xié)方差矩陣P₀的取值如下：

其中0.0001<P₁₁,P₂₂...P₆₆<0.1。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明采用無跡卡爾曼濾波進(jìn)行波頭辨識(shí)，能夠?yàn)V除行波傳播過程中遇到的干擾信號(hào)，減少偽故障點(diǎn)的存在，精度更高。

本發(fā)明提出的行波波頭辨識(shí)的方法，能夠在行波信號(hào)微弱的情況下進(jìn)行辨識(shí)，克服了原有算法在波頭奇異性降低的情況下無法識(shí)別的問題，具有更強(qiáng)的適用性。

附圖說明

圖1為實(shí)施配電網(wǎng)定位實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明公開的配電網(wǎng)故障行波波頭辨識(shí)方法流程圖；

圖3為故障行波線模電壓分量；

圖4為經(jīng)過無跡卡爾曼濾波后的行波線模電壓分量。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)介紹。

如圖1所示，本申請(qǐng)列舉的實(shí)施例是配電網(wǎng)C相接地故障測(cè)距實(shí)驗(yàn)，采用的是ATP‐EMTP搭建線路模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中，電壓源設(shè)計(jì)為理想電源，初始角為0°，來模擬三相無窮大電源。變壓器連結(jié)組別號(hào)為YD11，二次側(cè)電壓為10.5KV。變壓器后為簡單線路T型線路。線路末端故障采集裝置采樣頻率為1MHz，即每個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為1μs，故障發(fā)生在第2000μs，故障采集裝置距離線路故障點(diǎn)19km。由于行波信號(hào)線模分量的傳播速度基本不受頻率、傳播距離的影響，設(shè)定其傳播速度為3×10⁸m/s，則故障發(fā)生后行波信號(hào)線模分量傳播到檢測(cè)裝置的時(shí)間為：

下面以附圖1為實(shí)施例，詳細(xì)介紹配電網(wǎng)故障行波波頭的辨識(shí)方法，方法的步驟如附圖2所示：

步驟(1)，對(duì)故障采集器得到的三相故障電壓行波進(jìn)行凱倫貝爾變換，得到線模電壓分量，由于系統(tǒng)發(fā)生C相接地故障，線模電壓分量為u_a，u_c分別為A相，C相電壓，如圖3所示。

步驟(2)，構(gòu)建行波波頭數(shù)學(xué)表達(dá)式，其表達(dá)式可以由以下函數(shù)表征：

其中，u(k)為k時(shí)刻故障線模電壓信號(hào)的值，T是行波到達(dá)故障檢測(cè)裝置的時(shí)刻，當(dāng)k<T時(shí)，故障行波還沒有到達(dá)，系統(tǒng)正常，A_s表示基波信號(hào)的幅值，ω_c為基波信號(hào)的角頻率，為基波信號(hào)的初始相角；當(dāng)k>T時(shí)，信號(hào)發(fā)生突變，在基波信號(hào)的基礎(chǔ)上，疊加了暫態(tài)行波，其中A_e表示初始暫態(tài)行波波頭的幅值，T_s為行波衰減時(shí)間常數(shù)。

步驟(3)，根據(jù)步驟2構(gòu)建的行波信號(hào)表達(dá)式，選取狀態(tài)變量構(gòu)建離散化的行波信號(hào)狀態(tài)方程和觀測(cè)方程如下：

x(k)＝x(k-1) k＝1,2...

u(k)＝H[x(k-1),k]+V(k) k＝1,2...

式中，x(K)為k時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)變量，x(k‐1)為k‐1時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)變量，H[]表示故障電壓信號(hào)u(k)與狀態(tài)變量的函數(shù)關(guān)系，V(K)表示觀測(cè)噪聲。

步驟(4)：運(yùn)用無跡卡爾曼濾波對(duì)故障行波電壓進(jìn)行處理，得到去噪的行波和狀態(tài)變量T的收斂值。

4‐1、初始化狀態(tài)變量均值：

其中，x₀為初始值，根據(jù)仿真的10kV線路的實(shí)際情況，選取初始值為x₀＝(15000,314，0,10000,1800,500)，

4‐2、計(jì)算sigma采樣點(diǎn)：

其中L為狀態(tài)空間的維數(shù)，為6，則sigma點(diǎn)的個(gè)數(shù)為2L+1＝13；為第k‐1時(shí)刻的狀態(tài)變量均值；X_i(k-1)為第k‐1時(shí)刻的sigma點(diǎn)集；Sigma點(diǎn)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)為：

其中，選擇λ＝0.5來進(jìn)行計(jì)算

4‐3、計(jì)算狀態(tài)變量均值的一步估計(jì)，將k‐1時(shí)刻的sigma點(diǎn)分別代入狀態(tài)方程，得到k時(shí)刻的sigma點(diǎn)集以及其對(duì)應(yīng)的均值

4‐4、計(jì)算協(xié)方差矩陣的一步估計(jì)：

4‐5、獲得卡爾曼增益：

其中，是觀測(cè)點(diǎn)集，是觀測(cè)點(diǎn)集的均值，P_U(k),U(k)是觀測(cè)向量的自相關(guān)矩陣，P_X(k),U(k)是觀測(cè)向量與狀態(tài)向量的互相關(guān)矩陣，K_k為卡爾曼增益。

4‐6、更新狀態(tài)估計(jì)值和協(xié)方差矩陣：

式中u(k)為步驟1變換得到的故障行波線模分量在k時(shí)刻的值。

完成k時(shí)刻的狀態(tài)變量和協(xié)方差矩陣的更新后，返回步驟4‐2，進(jìn)行k+1時(shí)刻的估算。當(dāng)k＝N(N為故障信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，本實(shí)例中N＝2500)，狀態(tài)變量和協(xié)方差矩陣停止更新，此時(shí)輸出變換得到的去噪后的電壓信號(hào)U(k)如圖4所示，此時(shí)T＝2062.134μs，與理論值T＝2063μs相差不超過1μs，說明本發(fā)明具有很高的工程實(shí)用性。

以上給出的實(shí)施例用以說明本發(fā)明和它的實(shí)際應(yīng)用，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，任何一個(gè)本專業(yè)的技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)，依據(jù)以上技術(shù)和方法作一定的修飾和變更當(dāng)視為等同變化的等效實(shí)施例。