CN104991165A - 一种基于零序电压暂态量svd的故障判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于零序电压暂态量SVD的故障判别方法，属于配电网技术领域。本发明为当输电线路发生单相接地故障产生零序电压时，提取各线路故障后4ms时窗内的零序电压数据以进行暂态量奇异值分解，提取分解后的第一分量P₁，对其进行数值积分；积分结果R_P1与设定阈值Th进行比较，通过判断值R_P1与阈值Th的大小关系，对是否启动故障线路保护装置进行判别。理论分析和大量仿真表明本发明正确有效。

Description

一种基于零序电压暂态量SVD的故障判别方法

技术领域

本发明涉及一种基于零序电压暂态量SVD的故障判别方法，属于配电网技术领域。

背景技术

目前，公知的直流输电线路的主保护启动判别是根据零序电压工频量变化作为依据。但工频变化量距离继电器在TV断线或不断线时背后故障都有可能动作。我们在实际应用中要充分考虑到这一点。

系统震荡时，分两种情况：1.区外发生故障时引起震荡，我们知道系统震荡时电压是缓慢变化的，水涨船高，所以零序电压工频变化量距离继电器可能因系统震荡而误动的。2.系统震荡后发生区外或区内故障时，通过以上分析可以知道这个继电器已将故障前的负荷分量减去了，只是短路附加状态里的电流和电压量，δ(两端电势夹角)较小时是能够可靠区分区内还是区外故障，如果两端电势摆开接近180度时，故障前工作电压很低时，那么工频变化量距离继电器的动作门槛应相应取一个固定门槛，此时判断具有滞后性。

目前工程应用中已提出了一种基于零序电压暂态小波变换的故障线路判别装置，电压下降和闪变、瞬时中断、谐波等信号也是非平稳信号。传统的方法大多是基于傅里叶变换的数字滤波实现，由于傅里叶变换不具有频率局部化特性，因而该方法在处理非平稳故障信号时有着局限性。九十年代以来，小波理论及其工程应用逐渐得到各国数学家和工程技术人员的高度重视。小波分析被认为是对傅里叶分析的重大突破，与短时傅里叶变换相比，小波变换提供了一个可调的时间—频率窗，当观察高频信号时它的时窗自动变窄，当研究低频信号时时窗自动变宽，即具有“变焦距”的特点。小波变换的另一特征就是它能表征信号的奇异性，用信号在不同尺度上小波变换的模极大值或Lipschitz指数表示信号的突变特征，是小波变换的另一个实用领域。

暂态量往往具有奇异性，与稳定信号相比，奇异性信号往往携带了更多的重要信息。例如在故障诊断领域，信号的奇异点往往反映了由故障引起的撞击、振荡、转速的突变或结构的变形和断裂。因此对奇异性信号的检测具有特别重要的意义。

研究发现，当利用信号构造出合适的矩阵A时，则通过SVD同样也可以检测出信号中的奇异性，并且与小波变换相比，SVD的奇异性检测还有自己特殊的优点。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于零序电压暂态量SVD的故障判别方法。

本发明的技术方案是：一种基于零序电压暂态量SVD的故障判别方法，输电线路发生接地故障时，检测装置立即启动，提取各线路故障后4ms时窗内的零序电压数据以进行暂态量奇异值分解，提取分解后的第一分量P₁，对其进行数值积分；积分结果R_P1与设定阈值Th进行比较，通过判断值R_P1与阈值Th的大小关系，对是否启动故障线路保护装置进行判别；若R_P1<Th，则不启动该线路保护装置，若R_P1≥Th，则启动该线路保护装置。

具体步骤为：

(1)当输电线路发生接地故障时，检测装置立即启动，通过测量单元检测并记录各线路的零序电压；

(2)提取线路故障发生后4ms时窗内的零序电压暂态数据u₀；

(3)利用下式对提取的零序电压暂态量进行奇异值分解，奇异值分解公式如下：

假设采集到的零序电压暂态离散信号为X＝[x(1)，x(2)，…，x(N)]利用此信号可以构造Hankel矩阵如下：

$A=\left[\begin{array}{cccc}x\left(1\right)& x\left(2\right)& \mathrm{...}& x\left(n\right)\\ x\left(2\right)& x\left(3\right)& \mathrm{...}& x(n+1)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ x(N-n+1)& x(N-n+2)& \mathrm{...}& x\left(N\right)\end{array}\right]$

将A的第一个行向量P_i，1和一个列向量H_i，n的转置首尾相接，就可以构成一个分量信号P_i写成向量形式为：

$P_i=(P_{i,1},H_{i,n}^T),$ 其中， $P_{i,1}\&Element;R^{x_n}{H}_{i,n}\&Element;R^{(m-1)x1}$

(4)对第一个分量信号P_1，对其进行数值积分，数值积分公式如下

$R_{P_1}=\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{P}_1\left(x_1\right)$

上式中m为总采样点个数；

(5)通过仿真，设置阈值Th＝13，根据下面的判据对是否启动故障线路保护装置进行判别：

若R_P1<Th，则不启动该线路保护装置，

若R_P1≥Th，则启动该线路保护装置。

本发明的原理是：

一、零序电压暂态量的奇异值分解分解

提取线路故障发生后4ms时窗内的零序电压暂态数据u₀₁；

利用下式对提取的零序电压暂态量进行奇异值分解，奇异值分解公式如下:

假设采集到的零序电压离散信号为X＝[x(1)，x(2)，…，x(N)]利用此信号可以构造Hankel矩阵如下：

$A=\left[\begin{array}{cccc}x\left(1\right)& x\left(2\right)& \mathrm{...}& x\left(n\right)\\ x\left(2\right)& x\left(3\right)& \mathrm{...}& x(n+1)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ x(N-n+1)& x(N-n+2)& \mathrm{...}& x\left(N\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

将A的第一个行向量P_i，1和如图2所示的一个列向量H_i，n的转置首尾相接，就可以构成一个分量信号P_i写成向量形式为：

$P_i=(P_{i,1},H_{i,n}^T)$ 其中 $P_{i,1}\&Element;R^{x_n}{H}_{i,n}\&Element;R^{(m-1)x1}---\left(2\right)$

二、对第一个分量信号P_1，对其进行数值积分，数值积分公式如下

$R_{P_1}=\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{P}_1\left(x_1\right)---\left(3\right)$

上式中m为总采样点个数；

三、通过大量仿真，设置阈值Th＝13，根据下面的判据对是否启动故障线路保护装置进行判别：

若R_P1<Th，则不启动该线路保护装置，

若R_p1≥Th，则启动该线路保护装置。

本发明的有益效果是：

1、采用4ms短时窗进行判定分析，所需时窗较短。

2、SVD的奇异性检测效果优于小波变换。

附图说明

图1是模拟基于零序电压暂态量SVD的故障判别装置的电路系统结构图；

图2为线路接故障时线路1中的零序电压暂态波形图；

图3为线路接故障时线路1中的零序电压波形图暂态的P1分量图；

图4为线路接故障时线路1中的零序电压暂态波形图；

图5为线路接故障时线路1中的零序电压波形图暂态的P1分量图；

图6为本发明的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：建立如附图1所示的单母线三出线单相接地故障系统模型，其中变压器为三台台单相三绕组变压器，采用Yd11接法，把它的高压绕组接入115kV系统为变压器原边，低压绕组接入35KV系统为变压器副边，线路参数如下：线路1长度为19KM，线路2长度为17KM，线路3长度为18KM，变压器额定变比为115kV/35kV，过渡电阻为0.2Ω，。线路阻抗矩阵与导纳矩阵如表1、2所示。

表1

表2

现假设线路1中7KM处发生接地故障，采样频率为1MHz，在该模型下，该线路零序电压波形如图2所示，过SVD分解后的p1波形如图3所示。对其求判断值R_p1＝85，设置阈值Th＝13。因为R_p1≥Th，判断线路1为故障线路，则该线路保护装置保护装置启动。

实施例2：现假设线路1中7KM处发生接地故障，且持续时间为0.5ms，采样频率为1MHz，在该模型下，该线路零序电压波形如图4所示，经过SVD分解后的p1波形如图5所示。对其求判断值R_p1＝8.85，设置阈值Th＝13。因为R_P1<Th，判断线路1为扰动，则该线路保护装置不启动。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于零序电压暂态量SVD的故障判别方法，其特征在于：输电线路发生接地故障时，检测装置立即启动，提取各线路故障后4ms时窗内的零序电压数据以进行暂态量奇异值分解，提取分解后的第一分量P₁，对其进行数值积分；积分结果R_P1与设定阈值Th进行比较，通过判断值R_P1与阈值Th的大小关系，对是否启动故障线路保护装置进行判别；若R_P1<Th，则不启动该线路保护装置，若R_P1≥Th，则启动该线路保护装置。

2.根据权利要求1所述的基于零序电压暂态量SVD的故障判别方法，其特征在于具体步骤为：

(1)当输电线路发生接地故障时，检测装置立即启动，通过测量单元检测并记录各线路的零序电压；

(2)提取线路故障发生后4ms时窗内的零序电压暂态数据u₀；

(3)利用下式对提取的零序电压暂态量进行奇异值分解，奇异值分解公式如下：

假设采集到的零序电压暂态离散信号为X＝[x(1)，x(2)，…，x(N)]利用此信号可以构造Hankel矩阵如下：

$A=\left[\begin{array}{cccc}x\left(1\right)& x\left(2\right)& \mathrm{...}& x\left(n\right)\\ x\left(2\right)& x\left(3\right)& \mathrm{...}& x(n+1)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ x(N-n+1)& x(N-n+2)& \mathrm{...}& x\left(N\right)\end{array}\right]$

将A的第一个行向量P_i，1和一个列向量H_i，n的转置首尾相接，就可以构成一个分量信号P_i写成向量形式为：

$P_i=(P_{i,1},H_{i,n}^T),$ 其中， $P_{i,1}\&Element;R^{x_n}{H}_{i,n}\&Element;R^{(m-1)x1}$

(4)对第一个分量信号P_1，对其进行数值积分，数值积分公式如下

$R_{P_1}=\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{P}_1\left(x_1\right)$

上式中m为总采样点个数；

(5)通过仿真，设置阈值Th＝13，根据下面的判据对是否启动故障线路保护装置进行判别：

若R_P1<Th，则不启动该线路保护装置，

若R_P1≥Th，则启动该线路保护装置。