本發(fā)明屬于輸電線路故障定位技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種VMD與柔性形態(tài)學(xué)相結(jié)合的輸電線路故障定位方法。

背景技術(shù)：

對(duì)于電力系統(tǒng)來說，輸電線路故障測(cè)距是必不可少的一部分。當(dāng)發(fā)生線路故障后，傳統(tǒng)人工巡線方式比較浪費(fèi)時(shí)間和精力，高效、快速的故障定位可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障位置，從而可排除故障，及時(shí)恢復(fù)供電以減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。

故障測(cè)距有故障分析法和行波法，故障分析法的精度不高，然而行波的定位精度高，所以現(xiàn)在行波檢測(cè)成為了熱點(diǎn)。目前行波的檢測(cè)方法主要有小波變換(WT)和希爾伯特-黃變換(HHT)兩種。小波模極大值法雖然對(duì)故障信號(hào)奇異性檢測(cè)有良好的效果，但是小波變換需要選取適合特定信號(hào)的小波基和分解尺度，不能達(dá)到需要的滿意效果。HHT方法使用EMD進(jìn)行分解，EMD的分解效果受包絡(luò)方式影響，存在端點(diǎn)效應(yīng)和模態(tài)混疊問題，難以準(zhǔn)確的確定行波波頭的到達(dá)時(shí)刻。變分模態(tài)分解(VMD)是這幾年新出來的一種自適應(yīng)信號(hào)分解方法，分解模態(tài)穩(wěn)定性好，能夠更好地反應(yīng)信號(hào)的奇異性特征。柔性形態(tài)學(xué)的膨脹和腐蝕操作可以看作是對(duì)原信號(hào)的擴(kuò)張和收縮，將膨脹與腐蝕的結(jié)果做差值可以有效放大信號(hào)的突變點(diǎn)，精確度高，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供了一種基于VMD與柔性形態(tài)學(xué)的輸電線路故障行波測(cè)距方法，

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于VMD與柔性形態(tài)學(xué)的輸電線路故障行波測(cè)距方法，具體步驟如下：

步驟1：對(duì)原始故障行波信號(hào)進(jìn)行截?cái)?，取故障?ms的數(shù)據(jù)；

步驟2：對(duì)截?cái)嗟臄?shù)據(jù)進(jìn)行相模變換；

步驟3：對(duì)線模分量進(jìn)行VMD分解，同時(shí)去除了白噪聲；

步驟4：尋找固有模態(tài)函數(shù)IMF1分量進(jìn)行柔性形態(tài)邊緣檢測(cè)；

步驟5：尋找柔性形態(tài)邊緣檢測(cè)結(jié)果圖中第一個(gè)幅值最大脈沖確定故障行波波頭初始到達(dá)兩端的時(shí)刻t_M、t_N，根據(jù)測(cè)距公式計(jì)算故障距離，式中：L為線路的水平長(zhǎng)度，d_Mf為故障點(diǎn)到一端的距離，t_M、t_N為故障點(diǎn)行波到線路兩端的時(shí)間。

進(jìn)一步，步驟3中對(duì)線模分量進(jìn)行VMD分解的具體步驟為：

(1)初始化模態(tài)各模態(tài)對(duì)應(yīng)的中心頻率拉格朗日乘子和迭代次數(shù)n；模態(tài)個(gè)數(shù)K取3；

(2)計(jì)算更新模態(tài)i表示第i個(gè)，1≤i≤k，1≤k≤K,α表示數(shù)據(jù)保真約束的平衡參數(shù)；

(3)計(jì)算中心頻率

(4)計(jì)算更新拉格朗日乘子τ表示雙上升時(shí)間步長(zhǎng)；

(5)如果則迭代停止，否則返回執(zhí)行步驟(2)到(4)。

進(jìn)一步，步驟4中對(duì)IMF1分量進(jìn)行柔性形態(tài)邊緣檢測(cè)，具體如下

(1)對(duì)IMF1采用適應(yīng)性較強(qiáng)的膨脹腐蝕型算子進(jìn)行柔性形態(tài)邊緣檢測(cè)：

其中表示柔性膨脹：

其中fΘ[B,A,r]表示柔性腐蝕：

其中[B,A,r]為結(jié)構(gòu)元素；r◇f(a)為重復(fù)集；r為重復(fù)度；

(2)設(shè)定基于噪聲強(qiáng)度的軟閾值方法

噪聲強(qiáng)度定義為：

g(n)表示柔性形態(tài)邊緣檢測(cè)結(jié)果；N表示采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

邊緣檢測(cè)算子的輸出閾值：

形態(tài)邊緣檢測(cè)定位結(jié)果：

f(n)表示被檢測(cè)信號(hào)。

本發(fā)明的有益效果：

VMD為完全非遞歸分解模型且運(yùn)算效率高，具有良好的抗噪性。形態(tài)學(xué)膨脹、腐蝕運(yùn)算具有擴(kuò)張性和收縮性，能夠有效放大信號(hào)的奇異點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的220KV輸電線路仿真模型圖；

圖2是本發(fā)明的兩端測(cè)得的線模分量圖；

其中：圖(a)為一端檢測(cè)到的電壓線模分量圖；圖(b)為另一端檢測(cè)到的電壓線模分量圖；

圖3是本發(fā)明的兩端VMD分解后的IMF1分量圖；

其中：圖(a)為一端VMD分解后的IMF1分量圖；圖(b)為另一端VMD分解后的IMF1分量圖；

圖4是本發(fā)明的柔性形態(tài)邊緣檢測(cè)結(jié)果圖；

其中圖(a)為一端的柔性形態(tài)邊緣檢測(cè)結(jié)果圖；圖(b)為另一端的柔性形態(tài)邊緣檢測(cè)結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

本發(fā)明具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1：采集故障發(fā)生后的兩端的電壓數(shù)據(jù)，對(duì)原始故障行波信號(hào)進(jìn)行截?cái)?，取故障?ms的數(shù)據(jù)；

步驟2：對(duì)截?cái)嗟臄?shù)據(jù)進(jìn)行相模變換；

步驟3：對(duì)線模分量進(jìn)行VMD分解，同時(shí)去除了白噪聲；

VMD為完全非遞歸分解模型且運(yùn)算效率高，具有良好的抗噪性，克服了EMD存在的模態(tài)混疊等不足。基于干擾信號(hào)性質(zhì)與數(shù)量，預(yù)設(shè)分解模態(tài)數(shù)，通過提取信號(hào)的模態(tài)進(jìn)而將信號(hào)從含噪信號(hào)中剝離出來。

線模分量進(jìn)行VMD分解具體步驟為：

(1)初始化模態(tài)各模態(tài)對(duì)應(yīng)的中心頻率拉格朗日乘子和迭代次數(shù)n；模態(tài)個(gè)數(shù)K取3；

(2)計(jì)算更新模態(tài)i表示第i個(gè)，1≤i≤k，1≤k≤K,α表示數(shù)據(jù)保真約束的平衡參數(shù)；

(3)計(jì)算中心頻率

(4)計(jì)算更新拉格朗日乘子τ表示雙上升時(shí)間步長(zhǎng)；

(5)如果則迭代停止，否則返回執(zhí)行步驟(2)到(4)。

步驟4：尋找IMF1分量并進(jìn)行柔性形態(tài)邊緣檢測(cè)；

對(duì)IMF1分量進(jìn)行柔性形態(tài)邊緣檢測(cè)，具體如下:

(1)對(duì)IMF1采用適應(yīng)性較強(qiáng)的膨脹腐蝕型算子進(jìn)行柔性形態(tài)邊緣檢測(cè)：

其中表示柔性膨脹：

其中fΘ[B,A,r]表示柔性腐蝕：

其中[B,A,r]為結(jié)構(gòu)元素；r◇f(a)為重復(fù)集；r為重復(fù)度；

(2)設(shè)定基于噪聲強(qiáng)度的軟閾值方法

噪聲強(qiáng)度定義為：

邊緣檢測(cè)算子的輸出閾值：

形態(tài)邊緣檢測(cè)定位結(jié)果：

步驟5：尋找柔性形態(tài)邊緣檢測(cè)結(jié)果圖中第一個(gè)幅值最大脈沖確定故障行波波頭初始到達(dá)兩端的時(shí)刻t_M、t_N,根據(jù)測(cè)距公式計(jì)算故障距離，式中：L為線路的水平長(zhǎng)度，d_Mf為故障點(diǎn)到一端的距離，t_M、t_N為故障點(diǎn)行波到線路兩端的時(shí)間。

實(shí)施例

選取單極接地故障的一個(gè)典型算例：220KV輸電線路仿真模型，如圖1所示，設(shè)置距離線路一端30kM處發(fā)生單極接地故障，過渡電阻為50Ω，從兩端獲得行波數(shù)據(jù)，截取故障發(fā)生后的3ms數(shù)據(jù)，將故障行波數(shù)據(jù)進(jìn)行相模變換得到線模分量，如圖2所示，對(duì)線模分量進(jìn)行VMD分解獲得IMF1分量，如圖3所示，對(duì)IMF1分量進(jìn)行柔性形態(tài)邊緣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果，如圖4所示。通過圖4可知兩端到達(dá)點(diǎn)對(duì)應(yīng)為102和571，將兩個(gè)數(shù)值代入測(cè)距公式得到故障距離線路一端的距離。

本發(fā)明對(duì)不同故障距離、不同故障類型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果如下表1所示。

表1不同故障下的測(cè)距結(jié)果

上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對(duì)本發(fā)明的可行性實(shí)施方式的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。