一種基于模糊理論的配電網多判據融合故障選線方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于模糊理論的配電網多判據融合故障選線方法，利用模糊理論將具有互補性的基于高頻模態能量的故障選線方法、基于5次諧波分量的故障選線方法和基于衰減直流分量的故障選線方法進行智能融合，實現了基于模糊理論的多判據融合故障選線。本發明的融合故障選線專利能夠適用于小角接地故障、高阻接地故障、線路末端故障、電弧性接地故障等不利于實現選線的故障，且具有較高的準確度和可靠性。
【專利說明】
一種基于模糊理論的配電網多判據融合故障選線方法
技術領域
[0001] 本發明涉及小電流單相接地故障領域，特別是一種基于模糊理論的配電網多判據 融合故障選線方法。
【背景技術】
[0002] 在配電網中，單相接地故障（Single Line to Ground Fault, SLG)占總故障的 80%左右，發生幾率最高。由于發生SLG后系統各相間電壓仍保持原有的對稱性，故障后短 時間內不會妨礙系統對負荷的供電，故繼電保護裝置不必立刻切除故障，規程規定系統可 以帶故障工作1-2h。但若系統長時間帶故障運行，會使絕緣破壞，使故障范圍擴大，造成極 其嚴重的經濟損失，因此必須快速尋找故障線路、定位出故障點的位置，將故障切除。但系 統發生SLG時，故障特征不明顯。特別是NES，消弧線圈通常工作在過補償運行方式下，使得 在SLG的穩態過程中，故障線路與健全線路的故障特征沒有明顯區別。因此，上述因素使得 原有的一些故障選線方法具有局限性和動作死區。
[0003] 國內外學者對配網的故障選線問題進行大量的仿真及實驗，并提出多種選線方 法。我國自1958年就開始研究此問題，提出多種方法并開發了相應裝置。根據故障電流是否 被利用可劃分為兩種。當其被利用時有比幅法、比相法、能量法、小波分析法以及5次諧波分 量法等;另一種為拉路選線法和注入信號跟蹤法。
[0004] 選線方法較單一時，有其局限性和動作死區，加之如果沒有采用最有利的故障信 息，會導致線路的漏選和錯選。因此將單一方法融合實現選線已逐漸成為一種趨向。因此本 本發明將基于高頻模態能量的選線方法，基于衰減直流分量的選線方法和基于5次分量的 選線方法進行模糊智能融合實現故障選線。
【發明內容】
[0005] 有鑒于此，本發明的目的是提出一種基于模糊理論的配電網多判據融合故障選線 方法，有利于更好地解決了單一選線方法帶來的缺點，使其具有更廣的適用性和更高的準 確度。
[0006] 本發明采用以下方案實現：一種基于模糊理論的配電網多判據融合故障選線方 法，包括以下步驟：
[0007] 步驟S1:建立含有n條出線的輻射型纜-線混合配電網模型；
[0008] 步驟S2:獲取母線零序電壓和各出線首端的零序電流；
[0009] 步驟S3:判斷系統是否發生永久性單相接地故障，若否，則返回步驟S2;若是，則進 入步驟S4;其中，若系統產生零序電壓和零序電流，則判斷系統發生永久性單相接地故障， 若系統沒有產生零序電壓和零序電流，則判斷系統沒有發生永久性單相接地故障；
[0010] 步驟S4:分別采用高頻模態能量法、基于小波分析的衰減直流分量法以及5次諧波 分量法處理步驟S2獲取的零序電流；
[0011] 步驟S5:對應步驟S4中的三種方法分別建立故障測度隸屬函數和方法權系數隸屬 函數；
[0012] 步驟S6:采用模糊理論對步驟S5的結果進行融合分析，進行故障選線；
[0013] 步驟S7:進行下一個采樣時刻，返回步驟S2。
[0014]進一步地，步驟S4中，所述高頻模態能量法具體為：利用CEEMDAN方法對各線路在 故障后的零序電流進行分解，提取各線路的高頻模態分量，進而求出第i條線路的所有高頻 模態分量的總能量Ei和第i條線路的模態能量權重系數h分別為：
[0017] 其中，力為第i條線路的第j個高頻分量，m為第i條線路的高頻分量個數，n為 總的出線數。
[0018] 進一步地，步驟S4中，所述基于小波分析的衰減直流分量法具體為:提取各線路首 端故障后的零序電流，利用小波分析法分解所提取的各線路零序電流求得第i條線路的衰 減直流分量的能量&和第i條線路直流分量的能量權重系數&分別為：
[0021] 其中，Zl(t)為第i條線路的衰減直流分量，n為總的出線數。
[0022] 進一步地，步驟S4中，所述5次諧波分量法具體為:利用數字陷波濾波器提取各線 路首端零序電流的5次諧波分量，進而求得各線路5次諧波電流的兩兩相關系數以及各線 路5次諧波電流的綜合相關系數nu分別為：
[0025]其中，N為信號x，y的采樣點數，mxy為信號x，y的互相關系數，mxyG [-1，1]，當mxy=l 時，信號x，y完全正相關，極性完全相同；當mxy = -1時，信號x，y完全負相關，極性則完全相 反;nuj為線路i與線路j的5次諧波電流的互相關系數；yxy為x與y的互相關系數、〇 x為x的方 差、〇y為y的方差。
[0026]進一步地，步驟S5中，對應步驟S4中高頻模態能量法建立故障測度隸屬函數和方 法權系數隸屬函數具體為:利用各線路高頻模態能量關系來實現故障選線的原理建立其故 障測度隸屬函數和方法權系數隸屬函數分別為：
[0029] 其中，Ez為各線路高頻模態能量總和，a為Ei與Ez的臨界比值系數;考慮到誤差影 響a取0.6 ; Emax為最大Ei。
[0030] 進一步地，步驟S5中，對應步驟S4中基于小波分析的衰減直流分量法建立故障測 度隸屬函數和方法權系數隸屬函數具體為:依據出線的自身能量關系建立其故障測度隸屬 函數和方法權系數隸屬函數分別為：
[0033]其中，ez為各線路衰減直流分量的能量總和，b為ei與ez的臨界比值系數，emax為最 大ei〇
[0034]進一步地，步驟S5中，對應步驟S4中基于小波分析的衰減直流分量法以及5次諧波 分量法建立故障測度隸屬函數和方法權系數隸屬函數具體為:根據所有線路零序5次諧波 電流綜合相關系數最大與最小值之差大于設定的閾值，來判定最小綜合相關系數對應的線 路發生了故障，否則母線故障;其故障測度隸屬函數和方法權系數隸屬函數分別為：
[0037]其中，mset為所述預設的閾值，為0.5;mmaxS5次諧波電流綜合相關系數最大值，BP 最大mi ;mmin為5次諧波電流綜合相關系數最小值，即最小mi。
[0038] 進一步地，所述步驟S6具體包括以下步驟：
[0039]步驟S61:由n條出線組成的論域為父={11，12，"七}，故障產生后，由三種選線方法 組成的故障測度隸屬函數構成的模糊矩陣為： Mu Mn
[0040]產 Ph\ Pn ，" fhn _//31 //32 /J3n _ ,
[0041 ]三種選線方法的權系數隸屬函數構成的權重集為：
[0042] k=[ki k2 k3];
[0043]得到線路的綜合隸屬函數為：
[0045] 步驟S62:對步驟S61進行歸一化處理得：
[0048] 步驟S63:在歸一化的綜合隸屬函數中，選出前三個最大的值iLu、，max2、月_3 ,若 有羅卿1 十羅卿3，則歹眶丨所對應的線路發生故障;否則，判定為母線故障。
[0049] 與現有技術相比，本發明有以下有益效果：因以上三種選線方法在故障初相角不 同時對故障選線的靈敏度不同，本發明的融合方法更好地解決了單一選線方法帶來的缺 點，使其具有更廣的適用性和更高的準確度。
【附圖說明】
[0050] 圖1為本發明諧振接地配電網系統結構圖。
[0051] 圖2為本發明實施例的單一選線方法實驗數據圖一（各線路的能量權重系數示意 圖）。
[0052] 圖3為本發明實施例的單一選線方法實驗數據圖二(各線路5次諧波電流示意圖）。 [0053]圖4為本發明實施例的單一選線方法實驗數據圖三（各線路衰減直流分量示意 圖）。
[0054]圖5為本發明方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0055]下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
[0056]如圖1至圖5所示，本實施例提供了一種基于模糊理論的配電網多判據融合故障選 線方法，包括以下步驟：
[0057]步驟S1:建立含有n條出線的輻射型纜-線混合配電網模型；
[0058]步驟S2:獲取母線零序電壓和各出線首端的零序電流；
[0059]步驟S3:判斷系統是否發生永久性單相接地故障，若否，則返回步驟S2;若是，則進 入步驟S4;其中，若系統產生零序電壓和零序電流，則判斷系統發生永久性單相接地故障， 若系統沒有產生零序電壓和零序電流，則判斷系統沒有發生永久性單相接地故障；
[0060]步驟S4:分別采用高頻模態能量法、基于小波分析的衰減直流分量法以及5次諧波 分量法處理步驟S2獲取的零序電流；
[0061 ]步驟S5:對應步驟S4中的三種方法分別建立故障測度隸屬函數和方法權系數隸屬 函數；
[0062] 步驟S6:采用模糊理論對步驟S5的結果進行融合分析，進行故障選線；
[0063] 步驟S7:進行下一個采樣時刻，返回步驟S2。
[0064]在本實施例中，步驟S4中，所述高頻模態能量法具體為:利用CEEMDAN方法對各線 路在故障后的零序電流進行分解(特別的，對故障發生時的前
周期的零序電流進行 分解），提取各線路的高頻模態分量，進而求出第i條線路的所有高頻模態分量的總能量￡: 和第i條線路的模態能量權重系數Pi分別為：
[0067] 其中，^⑴力為第i條線路的第j個高頻分量，m為第i條線路的高頻分量個數，n為 總的出線數。
[0068] 在本實施例中，步驟S4中，所述基于小波分析的衰減直流分量法具體為:提取各線 路首端故障后的零序電流，利用小波分析法分解所提取的各線路零序電流求得第i條線路 的衰減直流分量的能量&和第i條線路直流分量的能量權重系數&分別為：
9
[0071] 其中，Zl(t)為第i條線路的衰減直流分量，n為總的出線數。
[0072] 在本實施例中，步驟S4中，所述5次諧波分量法具體為:利用數字陷波濾波器提取 各線路首端零序電流的5次諧波分量，進而求得各線路5次諧波電流的兩兩相關系數以及 各線路5次諧波電流的綜合相關系數nu分別為：
[0075]其中，N為信號x，y的采樣點數，mxy為信號x，y的互相關系數，mxyG [-1，1]，當mxy=l 時，信號X，y完全正相關，極性完全相同；當mxy = -1時，信號X，y完全負相關，極性則完全相 反;nuj為線路i與線路j的5次諧波電流的互相關系數；yxy為x與y的互相關系數、〇x為x的方 差、〇y為y的方差。
[0076]在本實施例中，步驟S5中，對應步驟S4中高頻模態能量法建立故障測度隸屬函數 和方法權系數隸屬函數具體為:利用各線路高頻模態能量關系來實現故障選線的原理建立 其故障測度隸屬函數和方法權系數隸屬函數分別為：
[0079] 其中，Ez為各線路高頻模態能量總和，a為Ei與Ez的臨界比值系數;考慮到誤差影 響a取0.6 ; Emax為最大Ei。
[0080] 當Emax/Ez彡0.6時，即認為基于高頻模態能量的故障選線方法完全可信，當Emax/Ez <0.6時，則認為基于高頻模態能量的故障選線方法具有模糊性。
[0081] 在本實施例中，步驟S5中，對應步驟S4中基于小波分析的衰減直流分量法建立故 障測度隸屬函數和方法權系數隸屬函數具體為:依據出線的自身能量關系建立其故障測度 隸屬函數和方法權系數隸屬函數分別為：
[0084]其中，ez為各線路衰減直流分量的能量總和，b為ei與的臨界比值系數，emax為最 大ei〇
[0085]在本實施例中，步驟S5中，對應步驟S4中基于小波分析的衰減直流分量法以及5次 諧波分量法建立故障測度隸屬函數和方法權系數隸屬函數具體為:根據所有線路零序5次 諧波電流綜合相關系數最大與最小值之差大于設定的閾值，來判定最小綜合相關系數對應 的線路發生了故障，否則母線故障;其故障測度隸屬函數和方法權系數隸屬函數分別為：
[0088] 其中，mset為所述預設的閾值，為0.5;mmaxS5次諧波電流綜合相關系數最大值，SP 最大mi ;mmin為5次諧波電流綜合相關系數最小值，即最小mi。
[0089] 在本實施例中，所述步驟S6具體包括以下步驟：
[0090] 步驟S61:由n條出線組成的論域為父={11，12，"七}，故障產生后，由三種選線方法 組成的故障測度隸屬函數構成的模糊矩陣為： Al Mil ?' Min
[0091 ] /^21 /^22 ^2n _Msi M32 * 9
[0092]三種選線方法的權系數隸屬函數構成的權重集為：
[0093] k=[ki k2 k3];
[0094]得到線路的綜合隸屬函數為： Ml L M\2 …Min 3 3 3
[0095] P =知= [*i h 灸3]/'21 ，匕……[灸 Mn L/=i /=1 i=1 - J 9：
[0096] 步驟S62:對步驟S61進行歸一化處理得：
[0099] 步驟S63:在歸一化的綜合隸屬函數中，選出前三個最大的值iL^、ILx2、，若 有iLx, Mnadi所對應的線路發生故障；否則，判定為母線故障。
[0100] 綜上所述，本實施例根據高頻模態法、衰減直流分量法以及5次諧波分量法三種基 本選線方法根據模糊理論進行信息融合來實現選線。本發明受外界干擾的影響小，具有極 強的靈敏度和準確性，較單一選線方法有更好的適用范圍。
[0101] 以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與 修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
【主權項】
1. 一種基于模糊理論的配電網多判據融合故障選線方法，其特征在于:包括W下步驟： 步驟Sl:建立含有n條出線的福射型纜-線混合配電網模型； 步驟S2:獲取母線零序電壓和各出線首端的零序電流； 步驟S3:判斷系統是否發生永久性單相接地故障，若否，則返回步驟S2;若是，則進入步 驟S4;其中，若系統產生零序電壓和零序電流，則判斷系統發生永久性單相接地故障，若系 統沒有產生零序電壓和零序電流，則判斷系統沒有發生永久性單相接地故障； 步驟S4:分別采用高頻模態能量法、基于小波分析的衰減直流分量法W及5次諧波分量 法處理步驟S2獲取的零序電流； 步驟S5:對應步驟S4中的=種方法分別建立故障測度隸屬函數和方法權系數隸屬函 數； 步驟S6:采用模糊理論對步驟S5的結果進行融合分析，進行故障選線； 步驟S7:進行下一個采樣時刻，返回步驟S2。2. 根據權利要求1所述的一種基于模糊理論的配電網多判據融合故障選線方法，其特 征在于:步驟S4中，所述高頻模態能量法具體為:利用C邸MDAN方法對各線路在故障后的零 序電流進行分解，提取各線路的高頻模態分量，進而求出第i條線路的所有高頻模態分量的 總能量Ei和第i條線路的模態能量權重系數Pi分別為：其中，腳為第i條線路的第j個高頻分量，m為第i條線路的高頻分量個數，n為總的 出線數。3. 根據權利要求1所述的一種基于模糊理論的配電網多判據融合故障選線方法，其特 征在于:步驟S4中，所述基于小波分析的衰減直流分量法具體為:提取各線路首端故障后的 零序電流，利用小波分析法分解所提取的各線路零序電流求得第i條線路的衰減直流分量 的能量ei和第i條線路直流分量的能量權重系數化分別為：其中，zi(t)為第i條線路的衰減直流分量，n為總的出線數。4. 根據權利要求1所述的一種基于模糊理論的配電網多判據融合故障選線方法，其特 征在于:步驟S4中，所述5次諧波分量法具體為:利用數字陷波濾波器提取各線路首端零序 電流的5次諧波分量，進而求得各線路5次諧波電流的兩兩相關系數muW及各線路5次諧波 電流的綜合相關系數HU分別為：其中，N為信號x，y的采樣點數，mxy為信號x，y的互相關系數，mxyE[-l，U，當Hlxy=I時， 信號X，y完全正相關，極性完全相同；當Hlxy = -I時，信號x，y完全負相關，極性則完全相反； mij為線路i與線路j的5次諧波電流的互相關系數；丫 Xy為X與y的互相關系數、Ox為X的方差、 Oy為y的方差。5. 根據權利要求2所述的一種基于模糊理論的配電網多判據融合故障選線方法，其特 征在于:步驟S5中，對應步驟S4中高頻模態能量法建立故障測度隸屬函數和方法權系數隸 屬函數具體為:利用各線路高頻模態能量關系來實現故障選線的原理建立其故障測度隸屬 函數和方法權系數隸屬函數分別為：其中，Ez為各線路高頻模態能量總和，a為Ei與Ez的臨界比值系數;考慮到誤差影響a取 0.6; Emax 為最大 Ei。6. 根據權利要求3所述的一種基于模糊理論的配電網多判據融合故障選線方法，其特 征在于:步驟S5中，對應步驟S4中基于小波分析的衰減直流分量法建立故障測度隸屬函數 和方法權系數隸屬函數具體為:依據出線的自身能量關系建立其故障測度隸屬函數和方法 權系數隸屬函數分別為：其中，ez為各線路衰減直流分量的能量總和，b為日1與ez的臨界比值系數，emax為最大61。7. 根據權利要求4所述的一種基于模糊理論的配電網多判據融合故障選線方法，其特 征在于:步驟S5中，對應步驟S4中基于小波分析的衰減直流分量法W及5次諧波分量法建立 故障測度隸屬函數和方法權系數隸屬函數具體為:根據所有線路零序5次諧波電流綜合相 關系數最大與最小值之差大于設定的闊值，來判定最小綜合相關系數對應的線路發生了故 障，否則母線故障;其故障測度隸屬函數和方法權系數隸屬函數分別為：其中，Hlset為所述預設的闊值，為0.5;mmax為5次諧波電流綜合相關系數最大值，即最大 mi; IIkin為5次諧波電流綜合相關系數最小值，即最小mi。8.根據權利要求1所述的一種基于模糊理論的配電網多判據融合故障選線方法，其特 征在于:所述步驟S6具體包括W下步驟： 步驟S61:由n條出線組成的論域為X= Ui, b，-，ln}，故障產生后，由S種選線方法組成 的故障測度隸屬函數構成的模糊矩陣為：=種選線方法的權系數隸屬函數構成的權重集為： k= [ki k2 ks]； 得到線路的綜合隸屬函數為：步驟S63:在歸一化的綜合隸屬函數中，選出前=個最大的值iLxi、巧。0X3，若有 巧"ax,>5"ax;+巧則巧。&1所對應的線路發生故障；否則，判定為母線故障。
【文檔編號】G01R31/02GK105911414SQ201610271967
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月27日
【發明人】金濤, 阮玉斌, 柳瑾, 褚福亮
【申請人】福州大學