專利名稱：利用s變換能量相對熵的配電網(wǎng)故障選線方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用s變換能量相對熵的配電網(wǎng)故障選線方法，屬電力系統(tǒng)繼
電保護技術領域。
背景技術：
諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，線電壓仍對稱而且故障電流較小，可以繼 續(xù)運行1 2h，有利于提高供電的可靠性。但是非故障相對地電壓升高，長時間運 行會容易導致故障擴大為兩點或多點短路；弧光接ite會引起全系統(tǒng)過電壓，危害 設備的絕緣及系統(tǒng)的安全運行，因此必須及時確定故障線路，盡快排除故障。然而 諧振接地系統(tǒng)接地J膽非常復雜，發(fā)生單相接地故障時，由于消弧線圈的補償作用， 故障線路和健全線路的故障電流在幅值和相位上均接近。
為解決這一問題，許多學者進行了大量的研究，提出了基于穩(wěn)態(tài)量的選線方法、 基于暫態(tài)量的選線方法和信號注入法?；诜€(wěn)態(tài)量的選線方法易受過渡電阻和不穩(wěn) 定電弧的影響，靈敏度低，容易發(fā)生誤判；信號注入法利用向系統(tǒng)注入外部信號的 方法進，m線，但是存在明顯的缺點①經(jīng)高阻接地時，注入信號微弱而不易檢測； ②弧光接地時諧波含量豐富，注入信號極易受到干擾。dM用的電壓等級較低(通 常是10kV)，運行和維護工作量較大。i皆振接地系統(tǒng)發(fā)生^S接i也時，故障相電容 放電及非故障相電容充電，產(chǎn)生幅值比穩(wěn)劍直大幾倍到幾十倍的暫態(tài)電流，基于暫
態(tài)量的選線方法靈icS高且受消弧線圈影響小，但現(xiàn)有的方法的選線效果大多不能
令人滿意，主要表現(xiàn)為選線的保護欲度不大，準確'股可靠性較低。 發(fā)明內(nèi)容:
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有小電流接地系統(tǒng)選線方法的不足，發(fā)明一種利 用故障后1/4周期的零序電、臓行分析，綜合禾傭各頻率的故障能量特征，其選線 準確、可靠的利用S變換能量相對熵的配電網(wǎng)故障選線方法。本發(fā)明避開了CT飽和間斷角對故障選線準確性的影響；中性點運行方式的影響較小；在短線故障時， 倉g克服健全長線對地電容電流的影響；有很強的抗噪聲能力；在高阻接地時也能正 確選線；除選線裝置啟動外，整1^線過程不需要用到母線零序電壓，有效克服了 電壓互感器傳變特1W選線結果影響。本發(fā)明是一種對纜-線混合線路、純電纜線 路和純架空線路均適用的利用S變換育讀相對熵的配電網(wǎng)故障選線方法。
本發(fā)明一種利用S變換能量相對熵的配電網(wǎng)單相接地故障選線方法的技術方案 如下
母線零序電壓瞬時繊限時，故障選線裝置立即啟動，采集各線路故障后1/4 周期的零序電纟艦行S變換，利用S變換所得的復矩陣計算各線路零序電流在各個 頻率下的能量；結合相對熵對信號間細微差別的超強識別能力，計算各線路在各個 頻率下的S變換能量相對熵并求取每條線路的綜合S變換能量相對熵，通過比較各 線路在所有頻率下的綜合S變換能量相對熵大小，自適應地選出故障線路，輸出選 線結果，指導配電網(wǎng)運行管理。
該方法的具體步驟如下
(1) 當母線零序電壓瞬時值Wn(0大于&Un，故障選線裝置立即啟動，記錄下 故障后1/4個周期各線路的零序電流，其中《u—般取值為0.15， Un表示母線額定電
壓；
(2) 根據(jù)下列方法對線路/零序電流故障后1/4周期的采樣數(shù)據(jù)進行S變換， 得到復矩陣&[m,w];
線路/零序電流用x,諷表示，M)， 1，…，AM， 7V為采樣點數(shù)，/=0， 1，…， K， K為配電網(wǎng)線路總數(shù)，x,閱的S變換的離散表示形式S[M"]為<formula>formula see original document page 5</formula>上式中《["〗=會各#一
(3) 根據(jù)下式計算線路i零序電流在頻率《下的暫態(tài)能量^ ;
(4) 根據(jù)下式計算頻率/"下系統(tǒng)暫態(tài)能量和；
(5) 根據(jù)下式求取頻率/ 下線路/的暫態(tài)能量在該頻率下系統(tǒng)暫態(tài)能量中所 占的比重，即權重系數(shù)艮 ;
(6) 根據(jù)下式計算線路/相對線路/的S變換能量相對熵場；
似,,=SlP, "ln&l / = 1,2，-"，A:;/ = 1,2,-",A:
式中，^為在頻率《下線路2的暫態(tài)能量在該頻率下系統(tǒng)暫態(tài)能量中所占的比 重； .
(7) 根據(jù)下式求取線路/相對于其余各條線路的綜合S變換能量相對熵為
乾=Z + A/,i) = 1，2，." 'A:;/ = 1,2，…，K
-式中，晃為線路7相對線路i的S變換能量相對熵；
(8) 故障選線判據(jù)選出綜合S變換能量相對熵最大的三個，按照大小排序 分別為Ma、風、Mc，當滿足M?！礛,M時，綜合小波能量相對熵最大的M。對 應的線路為故障線路，否則，判為母線故障。
本發(fā)明工作原理
1、 s變換理論
s變換是一種可逆的局部時頻分析方法，其思想^t連續(xù)小波變換和短時傅里葉
變換的發(fā)展。信號刈的S變換外，/)定義如下' /) = r W)w(r — f, /) d, (1)
Loo ，
式(1)中
V2龍
(2)
式(1)和式(2)中，PT( n， /)為高斯窗口； r為控制高斯窗口在時間軸t的位
置參數(shù)；/為頻率；j為虛數(shù)單位。
對式(1)右邊先作傳統(tǒng)的傅里葉變換，再作傅里葉反變換，最后進行變量代 換將S變換轉換成信號i")的傅里葉變換J(力的函數(shù)，艮P:
2ffV
S(r,/)= r^> + /)e 7ej2『c/v (3)
式(3)， /#0。這樣，S變換就可以利用FFT實現(xiàn)'^I計算。由式(3)可以得到 信號z ")的S變換的離散表示形式6Tm 77]為
s[w，"] = |^["+*K2"2/"V2J*"'w ",0 (4)
式(4)，
s[附,"]"U小]* 77=0 (5)
義["卜丄i!小K"摘 (6)
于，采集到的樸離散信號點x[A] (M)， 1，…，f 1)采用式(4) 、 (5) 進行S變換，變換結果為一復時頻矩陣，記作S矩陣，其行對應采樣時間點，列對應 頻率，相鄰行之間的頻率差A/為
a/ = A (7)
式(7)，《為采樣頻率，7y為采樣點數(shù)c
第/7列對應的頻率/ 為
厶 w
左" (8)
2、 S變換能量相對熵
配電網(wǎng)單相接地故障網(wǎng)絡如圖1所示。圖1所示為一個有6條線^的110kV/35kV變電所，Z字型變壓器中性點通過消弧線圈串聯(lián)電阻接地，采用LSJC-35型電流互 感器。線路采用架空線路(L、 L3、 L5)、線-纜混合線路(L4)和電纜線路(U L6)，其中，架空線路采用JSi桿型，LGJ—70型導線，檔距為80m，電纜線路采用 YJV23-35/95型電纜。圖1中，T為降壓變壓器，Tz為接地變壓器，K為開關，丄
為消弧線圈電感，及為消弧線圈串聯(lián)電阻，及/為接地故障過渡電阻，/01、 /04、 /06分
別為線路L" L4、 U的零序電流。
根據(jù)疊加原理，故障配電網(wǎng)可分解為由三相電壓、源和供電線路及負載組成的正 常運行系統(tǒng)和由發(fā)生故障后故障點故障附加電壓源與線路組成的故障分量系統(tǒng)。定 義線路的零序能量函數(shù)為
式(9)，《")為故障后第i條線路的零序能量函數(shù)；O)")為母線零序電壓；^U) 為第i條線路的零序電流；^為配電網(wǎng)線路總數(shù)。
正常情況下，電流互感器(CT)鐵芯的磁通密度較低，流入勵磁回路的電流很
小，二次電流能夠真實傳變一次電流。當諧振接地系統(tǒng)發(fā)生對目接地故障時，故障
零序電流中含有豐富的非周期暫態(tài)分量和高次諧波分量，這些分量極易造成CT鐵 芯飽和。CT鐵芯磁密飽和有一過程，理論分析和大量仿真表明，CT飽和通常出J見 在單相接地故障發(fā)生1/4周期之后。為避開CT飽和間斷角的影響，選用故障零序 電流的1/4周期進行分析。根據(jù)公式(9)可得線路i故障后1/4個周期內(nèi)的暫態(tài) 能量恥為
T
『'=f "。(f)!?！?df !.=1,2,…，《 (10) 式(10)， T為工頻周期。
s變換集中了短時傅里葉變換和小波變換的優(yōu)點，具有良好的時頻局部化特性，
能夠有效地提取信號在各個頻率下的特征。忽略公共零序電壓的影響，聯(lián)立公式
(4)、 (5)和(10)可定義線路i零序電流在頻率/n下的暫態(tài)能量^為
^ =S[s,(w,w)]2z-i，2,…，a: (11)式(11)中，Sk"]為線路i零序電流根據(jù)公式(4)、 (5)計算得到的S變換 的離散表示形式。
根據(jù)上述分析，圖1所示系統(tǒng)線路U發(fā)生發(fā)生單相接地故障，故障合閘角9(T， 過渡電阻200Q，計算各條線路零序電流在頻率《下的暫態(tài)能量，結果如圖2所示。
由圖2可見，配電網(wǎng)發(fā)生糊接地故障時，故障線路對地電容放電，健全線路 對地電容充電，故障線路與健全線路具有不同的充放電回路，因此故障線路與健全 線路在各個頻率點的能量分布也不盡相同。利用S變換可以放大某一局部的能*# 性，相對熵可用來度量兩個波形的差異，相對婢越小，說明兩個波形差異越小，相 對熵越大，說明兩個波形差異越大。因此計算各線路零序電流S變換后各頻率點的 能量做相對熵能夠發(fā)現(xiàn)各線路零序電流中微小而短促的差別。'
對所有線路在各頻率上的暫態(tài)能量分別求和，可得頻率《下系統(tǒng)暫態(tài)能量和
為
『,ZHs(附,")]2 z=i,u (12)
f 附
由此可得在頻率尤下線路i的暫態(tài)能量在該頻率下系統(tǒng)暫態(tài)能量中所占的比 重，即權重系數(shù);^為:
a =^ / = i，2,"-，a: (13) 根據(jù)相對熵理論，定義線路湘對線路7的S變換能量相對熵尾為
似,SlA"111^1^1 '、i，2，…，/:;/"，2,…,a: (14)
" — p,—
式(14)中，A^為在頻率iTF線路7的暫態(tài)能量在該頻率下系統(tǒng)暫態(tài)能量中所 占的比重。
根據(jù)式(14)，定義線路i相對于其余各條線路的綜合S變換能量相對熵必為
M,. = f(M" + A/,,) " l,2，.-'，K;/= 1,2，…，K (15)流的差別。綜合s變換能量相對熵值越大的線路，其零序電流與其余各線路零序電
流的差異越大；反之，綜合S變換能量相對熵值越小的線路，其零序電流與其余各 線路零序電流越相近。當母線發(fā)生斜目接地故障時，各線路零序電流充放電回路相 同，因此各線路零序電流的綜合S變換能量相對熵值差異不大。由此可形成選線判
據(jù)
選出綜合S變換能量相對熵最大的三個，按照大小排序分別為l必、必，當 滿^〉必+鄉(xiāng)寸，綜合小波能量相對熵最大的城應的線路為故障線路，否則，判 為母線故障。M。為配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，各線路零序電流的綜合S變換能量 相對熵的最大值，J14為配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，各線路零序電流的綜合s變換 會g量相對熵的第二大的值，Mc為配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，各線路零序電流的綜
合s變換能i相對熵的第三大的值。
本發(fā)明與現(xiàn)有技 目比具有如下優(yōu)點-
1、 本發(fā)明利用故障后1/4周期的零序電流進行分析，避開了 CT飽和間斷角對 故障選線準確性的影響；采用S變換能量相對熵實il^線，綜合利用了各頻率的故 障能量特征。
2、 本發(fā)明具有較強的抗電弧接地能力；中性點運行方式的影響較??；在短線故 障時，能克服健全長線對地電容電流的影響；有很強的抗噪聲能力;高阻接地時也 能正確選線。
3、 本發(fā)明除選線裝置啟動外，選線過程不需要用到母線零序電壓，有效克服了 電壓互感制專變特性對選線結果的影響。


圖1輻射狀i皆振接地系統(tǒng)。
圖2線路在各頻率點的能量分布(a)線路L ; (b)線路L ; (C)線路U; (d)線路U ; (e)線路U ; (f)線路U。 圖3故障選線算法流程圖。
圖4各線路的綜合S變換能量相對熵。具體實肪式基于上述分析，配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，記錄故障后l/4周期各線路的零 序電流，通過比較各線路的綜合S變換能量相對熵可以實現(xiàn)完善的故障選線算法。 故障選線算法的具體實現(xiàn)流程如圖3所示。1、 當母線零序電壓瞬時值"")大于願 ，故障選線裝置立即啟動，記錄下故 障后1/4個周期各線路的零序電流，其中《一般取值為0.15， IL表示母線額定電壓;2、 利用公式(4)、 (5)、 (6)對各線路零序電流故障后1/4周期的采樣數(shù)據(jù) 進行S變換，并根據(jù)公式(11)計算各條線路零序電流在頻率《下的暫態(tài)能量( 。3、 根據(jù)公式(12)計算頻率《下系統(tǒng)暫態(tài)能量和，并根據(jù)公式(13)求取頻 率《下各線路的暫態(tài)能量在該頻率下系統(tǒng)暫態(tài)能量中所占的比重，即權重系數(shù)&。4、 根據(jù)公式(14)計算線路i相對線路7的S7變換能量相對熵私;，根據(jù)公式(15 )求取線路i相對于其余各條線路的綜合S變換能量相對熵為必。5、 選出綜合S變換能量相對熵最大的三個，按照大小排序分別為l必、必，當滿足^>必+處時，綜合小波能量相對熵最大的^對應的線路為故障線路，否 則，判為母線故障。線路U鄉(xiāng)巨母線5km處發(fā)生單相接地故障，故障合閘角90°，，過渡電阻200Q。 對采樣獲得的故障后T/4內(nèi)6條線路的零序電流進行S變換，原始信號的采樣頻率 為10kHz，采樣序列長度為50個采樣點，經(jīng)S變換得到6個50X26的復矩陣，對 該矩陣求模。根據(jù)公式(11) (14)求取各條線路的S變換能量相對熵仏，由此 構成的6 X 6的S變換能量相)^t熵矩陣#為實施例:<formula>formula see original document page 11</formula><formula>formula see original document page 12</formula>
上式中，齓為利用公式(14),當#1， 7=1時計算得到的結果，同理，可得到 矩陣中的其它元素。根據(jù)公式(15)求取各條線路的S變換綜合能量相對熵必如圖4所示。 必=[1125.42 561.45 83.11 430.92 2807.22 516.29]S變換綜合能量相對熵最大的前三個按照大小順序排列分別為厲=2807.22， 浙=1125.42，必=561.45，因此，厲>必+厲成立，處對應的線路U為故障線路。自適應地選出故障線路，輸出選線結果，指導配電網(wǎng)運行管理。理論分析和大 量仿真表明，該方法有效避開了CT飽和間斷角對選線的影響，對于纜-線混合線路、 純電纜線路和純架空線路，該方法均適用。
權利要求
1、一種利用S變換能量相對熵的配電網(wǎng)單相接地故障選線方法，其特征在于母線零序電壓瞬時值越限時，故障選線裝置立即啟動，采集各線路故障后1/4周期的零序電流進行S變換，利用S變換所得的復矩陣計算各線路零序電流在各個頻率下的能量；結合相對熵對信號間細微差別的超強識別能力，計算各線路在各個頻率下的S變換能量相對熵并求取每條線路的綜合S變換能量相對熵，通過比較各線路在所有頻率下的綜合S變換能量相對熵大小，自適應地選出故障線路，輸出選線結果，指導配電網(wǎng)運行管理。
2、 根據(jù)權利要求1所述的禾U用全頻帶小波能量相對熵的配電網(wǎng)線-纜混合線路 故障選線方法，該方法的具體步驟如下(1) 當母線零序電壓瞬時值M^)大于^Un，故障選線裝置立即啟動，記錄下故障后1/4個周期各線路的零序電流，其中i^u—般取值為0.15， Un表示母線額定電 壓；(2) 根據(jù)下列方法對線路/零序電流故障后1/4周期的采樣數(shù)據(jù)進行S變換， 得到復矩陣&[w,w];線路/零序電流用x,閱表示，AH)， 1，…，7V-1， 7V為采樣點數(shù)，M)， 1，…， K，尺為配電網(wǎng)線路總數(shù)，x諷的S變換的離散表示形式Sk"]為s [附,wv'"2ec #0 s[加，"卜^、,w 77=0上式中(3) 根據(jù)下式計算線路i零序電流在頻率《下的暫態(tài)能量^— ;(4) 根據(jù)下式計算頻率/ 下系統(tǒng)暫態(tài)能量和；『"=ZBS,—)]2 z=iu(5) 根據(jù)下式求取頻率/ 下線路/的暫態(tài)能量在該頻率下系統(tǒng)暫態(tài)能量中所 占的比重，即權重系數(shù)/^;(6) 根據(jù)下式計算線路/相對線路/的S變換能量相對熵錄；="p, ln^"| i = l,2,...,iC;/ = l，2，"-，K 式中，^為在頻率《下線路J的暫態(tài)能量在該頻率下系統(tǒng)暫態(tài)能量中所占的比重；(7) 根據(jù)下式求取線路/相對于其余各條線路的綜合S變換能量相對熵為M, = + M',) ; = 1，2,…，K;/ = 1,2,."，夂式中，晃為線路7相對線路i的S變換能量相對熵；(8) 故障選線判據(jù)選出綜合S變換能量相對熵最大的三個，按照大小排序 分別為714、 ^4、 JK，當滿足Af。〉A^+A^時，綜合小波能量相對熵最大的^14對 應的線路為故障線路，否則，判為母線故障。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用S變換能量相對熵的配電網(wǎng)單相接地故障選線自適應方法。本方法為當母線零序電壓瞬時值越限時，故障選線裝置立即啟動；對各線路故障后1/4周期的零序電流進行S變換，并利用S變換所得的復矩陣計算各線路零序電流在各個頻率下的暫態(tài)能量。利用相對熵對信號間細微差別的超強識別能力，計算各線路在各個頻率下的S變換能量相對熵并求取每條線路的綜合S變換能量相對熵，通過比較各線路在所有頻率下的綜合S變換能量相對熵大小自適應地選出故障線路。理論分析和大量仿真表明，該方法有效避開了CT飽和間斷角對選線的影響，對于纜-線混合線路、純電纜線路和純架空線路，該方法均適用。
文檔編號H02H7/26GK101546906SQ20091009443
公開日2009年9月30日 申請日期2009年5月5日 優(yōu)先權日2009年5月5日
發(fā)明者劉可真, 劉志堅, 劉永泰, 單節(jié)杉, 嵐 唐, 孫向飛, 孫士云, 勇 常, 彭仕欣, 束洪春, 毅 楊, 邱革非 申請人:昆明理工大學