一種基于emd和粗集理論的故障選線方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用EMD與粗集理論的故障選線方法，主要包括以下步驟：一、采集各條線路的零序電流，并用EMD對一定時間內(nèi)的零序電流信號進行分解；二、計算各線路IMF分量的固有模態(tài)能量、各線路第一個IMF分量的幅值、各線路第一個IMF分量的綜合相關(guān)系數(shù)；三、用粗糙集理論對EMD分解后的樣本集進行知識約簡，建立決策規(guī)則，得到最終的選線結(jié)果。該方法通過粗集理論綜合利用了經(jīng)EMD分解后的各種信息，提高了選線的效率和準(zhǔn)確性。
【專利說明】
-種基于EMD和粗集理論的故障選線方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種利用EMD和粗集理論的故障選線方法，屬于電力系統(tǒng)繼電保護中 的故障選線方法領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，若不能及時找出故障線路，排除故障，會 給電力系統(tǒng)帶來很大的危害。但是由于故障信息微弱，再加上外界的干擾，使得正確選出故 障線路變得困難。因此小電流接地系統(tǒng)的故障選線問題一直未能得到很好的解決。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)分解信號，然后分別利用分解后的IMF分量 的固有模態(tài)能量、相位、幅值等信息建立故障判據(jù)，進行故障線路與非故障線路的判別。只 利用單一的判據(jù)很容易造成故障線路的誤判。利用支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法進行融合 選線易造成信息的冗余，影響選線的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出了一種基于EMD和粗集理論的故障選線方 法，充分利用故障信息，又不會造成信息的冗余，提高了選線的效率和準(zhǔn)確性。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案：一種基于EMD和粗集理論的故障選線方法，具體包括W下步 驟： 步驟一：用Ξ次樣條函數(shù)擬合原始信號的上下包絡(luò)線，不斷剔除原始信號的極大值和 極小值的平均值，原始信號龍0可W分解為：
式中，;i游?;.轉(zhuǎn)):表不第i個IMF分量在t時刻的分量。
[0006] 步驟二:計算每條線路第一層IMF分量的幅值μ; 4 '''4:] 其中.·?;. - max Mm (O iJmr,…表示第k條線路的第1個IMF分量在t時刻的 分量。
[0007] 步驟Ξ:計算每條線路第一層IMF分量的綜合相關(guān)系數(shù)I巧馬…Bj。
[000引步驟四：計算每條線路IMF分量的固有模態(tài)能量護Γ,
[0009] 步驟五:利用粗集理論對經(jīng)EMD分解后的各線路第一層分量的幅值、相關(guān)系數(shù)和各 線路的固有模態(tài)能量信息進行粗集約簡，得到?jīng)Q策算法，最終得到選線結(jié)果。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所述的一種基于EMD和粗集理論的故障選線方法， EMD方法不受基函數(shù)的影響，具有多分辨率和自適應(yīng)的有點；粗集理論具有數(shù)據(jù)挖掘能力 強，冗余性少的特點。通過EM明尋各線路零序電流信號分解，綜合利用分解后的IMF分量的固 有模態(tài)能量和第一層IMF分量的幅值、綜合相關(guān)系數(shù)，結(jié)合粗集理論進行融合最終得到選線 結(jié)果。經(jīng)驗證該方法不受中性點接地方式、接地電阻、故障時刻等因素的影響，能正確、快速 地判斷出故障線路。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明配電網(wǎng)單相接地故障仿真模型圖； 圖2為本發(fā)明所述的一種基于EMD和粗集理論的故障選線方法的流程圖； 圖3為故障線路零序電流信號及EMD分解信號圖； 圖4為非故障線路零序電流信號及EMD分解信號圖。
【具體實施方式】
[0012] -種基于EMD和粗集理論的故障選線方法，具體包括W下步驟： 步驟一：用Ξ次樣條函數(shù)擬合原始信號的上下包絡(luò)線，不斷剔除原始信號的極大值和 極小值的平均值，原始信號別>)可W分解為：
式中，表不第i個IMF分量在t時刻的分量。
[OOU] 步驟二:計算每條線路第一層IMF分量的幅值[4 4…4J; 其中馬。縱減i站? %辯i，!繳％獄表示第k條線路的第1個IMF分量在t時刻的分 量。
[0014]步驟Ξ:計算每條線路第一層IMF分量的綜合相關(guān)系數(shù)。
[001引根據(jù)相關(guān)分析的原理，任意兩條線路零序電流信號!風(fēng)ly踩和揃焉僻的相關(guān)分 析匹配度為
然后，形成相關(guān)系數(shù)矩陣：
根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣求取綜合相關(guān)系數(shù)：
因此，可得到m條線路綜合相關(guān)系數(shù)序列[巧啤.…成]。
[0016] 步驟四：計算每條線路IMF分量的固有模態(tài)能量。
[0017] 經(jīng)EMD分解后的第i層IMF分量f做I嚇的能量C姑可W表示為
式中，S為扳讀賄的數(shù)據(jù)長度。依據(jù)EMD具有完備和正交性質(zhì)，則有下式成立：
其中，(?為第k條線路的高頻分量能量，運里采用的是m條線路的系統(tǒng) 因此，可W得到m條線路的固有模態(tài)能量序列拆m -'fy。
[0018] 步驟五:利用粗集理論對經(jīng)EMD分解后的各線路第一層分量的幅值、相關(guān)系數(shù)和各 線路的固有模態(tài)能量信息進行粗集約簡，得到?jīng)Q策算法，最終得到選線結(jié)果。
[0019] 本發(fā)明粗集融合過程。
[0020] 1、粗集論域的建立 粗集理論是一種刻畫不完整和不確定性數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)工具。假設(shè)基于粗集的故障信息系 統(tǒng)為巧，堿，論域U是線路的集合，I 孩是屬性集，條件屬性集C是經(jīng)EMD分解后 的幅值、相關(guān)系數(shù)和固有模態(tài)能量組成的集合，D是由線路的故障狀態(tài)組成的集合。條件屬 性集€放:給，表將j ;決策屬性集敘庶餐巧.;。
[0021] 其中a表示幅值故障測度，b表示相關(guān)系數(shù)故障測度；C表示固有模態(tài)能量故障測 度;d表示的是線路的故障狀態(tài)；
[0022] 2、離散化數(shù)據(jù) 經(jīng)故障測度計算出來的是連續(xù)型的數(shù)據(jù)，連續(xù)型特征的離散化是一個優(yōu)化編碼的的問 題，在此，采用等距離劃分法對上述巧巾故障測度的特征量進行離散化處理。
[0023] 等距離劃分法的具體方法是，假設(shè)某種故障測度的特征量的最大值為?'?。。，最小 值為，給定參數(shù)k作為將連續(xù)型特征量離散化的等級，則每個等級的間隔為 叛:=-識《?！禴…，襄。對于某種連續(xù)型的故障測度值，可則尋其值域劃分為 4 Η編鴻賊4嗓來·儀。:堿1;式中，^ ，其中k為離散化的等級。
[0024] 3、決策規(guī)則的建立 (1) 約簡信息 任何一條線路，經(jīng)過上述3種屬性條件進行判斷，每種屬性經(jīng)離散化后又要分為k個等 級。因此要得到最終的決策結(jié)果就需次要判斷，為了減少運算時間，可W按下述規(guī)則對冗余 信息進行處理： 巧乂） 去掉滿足上述條件的對象后，得到新的論域集合IJI，其中的元素為q個； (2) 決策規(guī)則的建立 A、若(?> - !，則 1 ; B、若(終2,貝販下述約簡規(guī)則，給出決策值； 1) 、W>-: A i. 3，則 ?之:Η ; 2) 、"拷V,)::: A]::: 2 ru:的巧cit …η::: i，則 ?/ h 3) 、巧所巧（';,，/.):::2fU'r別::'Λ ' 刮：:：U 則過二 I ; 4 )、: ."{V巧 C,、度…2 Π 。{V7'、(〇, '>.J ::: & ?.:::; j，則店? I ; 5) 、卻皆巧C%y …巧；;：3，則過' ;s. I ; 6) 、陽Γ鐘、?(ν/;Μ 哀…ri-m所- A) 7) 、巧矜巧C^/)A …W .-'ν' 2 π "矜巧} .-'ν' 皮…2'; -!，則（'之1; 上述7條決策規(guī)則的優(yōu)先級順序是自上而下的，即若有兩條線路經(jīng)決策規(guī)則后故障狀 態(tài)均是過，則決策規(guī)則優(yōu)先的那條線路是故障線路。其中，表示的是線路，巧表示的 判據(jù)，C, ;=;〇，。如=;= W 所示，表示的是第j條線路使用3個條件 屬性判定的等級為k時的個數(shù)為3, W下規(guī)則依次類推。
[0025]本發(fā)明的有效性驗證。
[00%]本發(fā)明所使用的仿真系統(tǒng)由一個llOkV/lOkV的變壓器和5條饋出線組成，如圖1所 示，變壓器接線為漏^。線路的正序參數(shù)為：滿;=〇.17Q/km，4=1.2546mH/km，€:;=9.211nF/ km;零序參數(shù)為:爲(wèi)=0.3949 a/km，爲(wèi)=4.6533mH/knui:e=4.7561nF/km，線路 1 至線路 5 的長 度分別為：20km，10km，13km，14km，15km。針對不同的接地電阻、不同的中性點接地方式、不 同的故障時刻進行仿真。
[0027]本發(fā)明僅選取Ξ組具有代表性的故障情況進行驗證。
[002引在仿真中，論域U為蘇，4,4,4為}，由判據(jù)構(gòu)成的屬性集為細，島，磅，結(jié)果決策屬性 集;訴，將每個判據(jù)的屬性離散成3級，即k=3;決策屬性d的取值為{0，1}。
[0029] (1)中性點經(jīng)消弧線圈接地，接地電阻賴鶴3，故障發(fā)生在合閩角為90度時，故障 線路和非故障線路的零序電流信號及EMD分解信號圖，分別如圖3和圖4所示，得到的故障信 息表如表1所示 表1
根據(jù)上述規(guī)則對故障信息進行約簡，約簡后得到的信息表如表2所示： 表2
如表1所示，若僅經(jīng)過EMD分解后的固有模態(tài)能量和相關(guān)系數(shù)的選線方法來判斷故障線 路，很容易將線路也誤判成故障線路。但經(jīng)本發(fā)明提出的選線方法，由表2可知，經(jīng)約簡后得 到的故障線路可能有2條，且經(jīng)決策規(guī)則判斷后，均得到，但由于判斷出故障的決策規(guī)則優(yōu) 先級較高，因此判斷出線路是故障線路。
[0030] (2)中性點不接地，接地電阻5船D，故障發(fā)生在合閩角為45度時，得到的故障信息 表如表3所不 表3
根據(jù)上述規(guī)則對故障信息進行約簡，約簡后得到的信息表如表3所示： 表4
由表4可知，線路1經(jīng)3個判據(jù)判斷后的條件屬性均為3,根據(jù)決策規(guī)則可W判斷出線路1 是線路故障。
[0031] (3)中性點經(jīng)消弧線圈接地，接地電阻ΙΟΩ，故障發(fā)生在合閩角為0度時，得到的故 障信息表如表5所示： 表5
根據(jù)上述規(guī)則對故障信息進行約簡，約簡后得到的信息表如表6所示： 表6
如表5所示，若僅經(jīng)過EMD分解后的相關(guān)系數(shù)和幅值的選線方法來判斷故障線路，很容 易將線路和也誤判成故障線路。但經(jīng)本發(fā)明提出的選線方法，經(jīng)約簡后得到的故障線路可 能有3條，且經(jīng)決策規(guī)則判斷后，均得到，但由于判斷出故障的決策規(guī)則優(yōu)先級最高，因此判 斷出線路是故障線路。
[0032] 經(jīng)上述幾種特殊情況的仿真可知，一種基于EMD和粗集理論的選線方法能夠正確 地選擇故障線路。
[0033] 綜上所述，W上僅為本發(fā)明的某些特殊實例，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員 完全可W在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更W及修改。本項發(fā)明的技 術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于EMD和粗集理論的故障選線方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟一：用三次樣條函數(shù)擬合原始信號的上下包絡(luò)線，不斷剔除原始信號的極大值和 極小值的平均值，原始信號許_可以分解為：式中，表不;第i個IMF分量在t時刻的分量； 步驟二:計算每條線路第一層IMF分量的幅值… 其中，.夂，丨，ImQ⑴表示第k條線路的第1個IMF分量在t時刻的分 量； 步驟三:計算每條線路第一層頂F分量的綜合相關(guān)系數(shù)[巧&… 步驟四：計算每條線路MF分量的固有模態(tài)能量… 步驟五:利用粗集理論對經(jīng)EMD分解后的各線路第一層分量的幅值、相關(guān)系數(shù)和各線路 的固有模態(tài)能量信息進行粗集約簡，得到?jīng)Q策算法，最終得到選線結(jié)果。
【文檔編號】G06F17/50GK105824983SQ201610025348
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年1月15日
【發(fā)明人】陳博博, 彭浩, 徐方路, 李雪, 謝永強, 侯潔
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)