【配网混合线路发生单相接地故障时行波信号提取与波头检测分析3600字】

–PAGE28–配网混合线路发生单相接地故障时行波信号提取与波头检测分析目录TOC\o"1-3"\h\u3054配网混合线路发生单相接地故障时行波信号提取与波头检测分析 156691.1.故障行波信号的提取与解耦 1202191.1.1.采用叠加原理提取故障行波信号 1182931.1.2.采用卡伦摩尔变换对故障行波信号解耦 2145281.2.故障行波模量信号的波头检测 2188551.2.1.经验小波变换对行波信号的分解 2188941.2.2.对称差分能量算子对信号突变点的识别 4197631.3.配网混合线路单相接地故障行波检测方法有效性仿真 587411.3.1.配网混合线路仿真模型的建立 515051.3.2.行波信号提取与波头检测实现流程 6294781.3.3.配网混合线路单相接地故障仿真与行波检测分析 7本文在配网混合线路母线端设立检测点，实时采集线路三相电流信号。当线路发生单相接地故障后，首先采用叠加原理对检测点采集的线路三相电流信号进行处理，提取故障行波信号；然后使用卡伦摩尔变换对故障行波信号解耦，获取故障行波线模分量与零模分量；再使用经验小波变换分别对故障行波线模分量与零模分量进行分解，提取分解后的高频分量；最后使用对称差分能量算子分别对提取的故障行波零模分量与线模分量的高频分量进行调解得到时间-能量图谱，并分别将零模分量与线模分量的能量图谱中第一个突变点标记为首波波头，对应时刻即为零模分量与线模分量首波波头到达检测点的时刻。记录故障行波零模分量与线模分量首波波头到达检测点的时刻，并计算出其时间差∆t后，便能使用第二章中行波故障测距原理进行测距。故障行波信号的提取与解耦采用叠加原理提取故障行波信号由2.1.2中的分析可知，当线路发生单相接地故障时，系统故障网络可等效为系统正常负荷网络与系统故障附加网络的叠加。所以采集线路故障后的信号，减去线路正常运行信号，便可得到线路故障行波。在配网混合线路母线端设立检测点，实时采集线路三相电流信号。当线路发生单相接地故障后，将故障后三相电流信号减去故障前同相位的三相电流信号，即可得到故障电流行波信号。采用卡伦摩尔变换对故障行波信号解耦由2.1.3中的分析可知，由于三相系统中存在电磁耦合现象，所以提取故障电流行波信号后，采用卡伦摩尔变换对故障行波信号进行解耦，即：i（3.1）式中，iA、iB、iC分别为三相故障电流行波信号，i0为行波零模分量，故障行波模量信号的波头检测在提取了故障行波零模分量与线模分量后，需要分别对故障行波零模分量与线模分量的首波波头进行准确检测。只有准确地标定出行波首波波头，才能准确提取行波首次到达检测点的时刻，为测距原理提供有效的时域信息。当配网混合线路发生单相接地故障时，故障电流很小，暂态特征十分微弱，所以行波波头识别较为困难。故障暂态行波信号一般呈非线性、非平稳的特性，目前常用的行波波头检测方法有小波变换和希尔伯特黄变换。小波变换需要依靠经验选择小波基函数，没有自适应性；希尔伯特黄变换方法使用经验模态分解，具有自适应性，但分解中存在严重模态混叠现象，干扰行波波头检测。针对以上问题，本文采用经验小波变换对故障行波进行分解，自适应地选取小波基函数，避免了经验模态分解带来的模态混叠问题。对故障行波进行经验小波变换后，再运用对称差分能量算子对行波波头进行检测。经验小波变换对行波信号的分解经验小波变换（Empiricalwavelettransform,EWT）自适应地划分信号的傅里叶频谱，获取包含信号特征的模态，并构建相应的正交小波基函数，实现了自适应的小波变换。常用的傅里叶频谱划分方法主要有：极大值法、自适应法和尺度空间法[55]。本文采用自适应法划分信号的傅里叶频谱，步骤如下：对于任意实信号f(t)，由香农定律可知，可将其傅里叶频谱归一化为ω∈0,π。假设将傅里叶频谱划分为N个连续的片段，用ω应用epsilon-neighborhood方法计算ωn检测每个邻域中的最小值并用ωn经上述不走划分傅里叶频谱后，每段信号可表示为：δ（3.2）n−1（3.3）确定傅里叶频谱分割区间δn后，将经验小波函数φnωφ（3.4）σ（3.5）式中：β（3.6）τ（3.7）γ<（3.8）将傅里叶变换和逆变换分别记为F∙和F经验小波变换的细节系数由经验小波函数与信号内积产生[56]：W（3.9）经验小波变换的近似系数通过尺度函数与信号内积产生：W（3.10）式中：φnt和φ1t分别表示对任意信号，经验小波变换本质上是通过自适应地划分信号的傅里叶频谱，并构建对应信号段的带通滤波器，将信号分解为若干个紧支集频谱的单分量信号。对称差分能量算子对信号突变点的识别在对故障行波进行经验小波变换分解后，还要对故障行波波头进行精确标定。本文采用对称差分能量算子（SymmetricDifferentialEnergyOperator,SDEO）对经验小波变换分解后的故障行波信号进行解调，增强行波信号突变点的奇异性，使故障行波波头能够被快速精确地标定。对称差分能量算子解调过程如下。对于任意连续信号xt，定义能量算子φφ（3.11）对于与上式对应的离散信号x(n)，采用前向差分方法，即xn=xn+1−xn进行估算求导，可以得到xφ（3.12）但是利用前向差分求导，得到的真实值与理论值误差较大，误差最大可达11%，造成解调精度不高。于是采用中心有限差分方法代替前向差分，即：x（3.13）中心有限差分序列可以对原离散信号xn由式（3.13）可得xnx（3.14）将式（3.13）、式（3.14）代入φxn=xφ（3.15）对称差分能量算子对经验小波变换得到的单分量信号进行解调后，得到故障行波信号的时间-能量图谱，图谱上第一个突变点即为到达检测点的故障行波首波。配网混合线路单相接地故障行波检测方法有效性仿真本节首先通过MATLAB/simulink建立配网混合线路分布参数仿真模型，然后通过仿真详细展示本章行波检测方法的流程。配网混合线路仿真模型的建立本文以三段式混合线路为例，利用MATLAB/simulink建立配网混合线路仿真模型，如图3.1所示。图3.1配网混合线路仿真模型模型中母线为110kV，经110kV/10kV变压器降压后进入配网线路，系统经消弧线圈接地。线路由5km架空线路、4km电缆线路、6km架空线路组成。由第二章分析可知，分布参数线路适用于暂态行波的传播特征分析，所以配电线路采用分布参数线路模型。架空线路具体参数如表3-1所示，电缆线路具体参数如表3-2所示。表3-1架空线路参数参数电阻R（Ω/km）对地电感L（mH/km）对地导纳C（nF/km）正序0.0130.9312.7零序0.394.17.8表3-2电缆线路参数参数电阻R（Ω/km）对地电感L（mH/km）对地导纳C（nF/km）正序0.023518零序3.83.794行波信号提取与波头检测实现流程本文通过经验小波变换分解故障电流行波，再应用对称差分能量算子解调以获取时间-能量图谱，最终实现行波波头的准确检测。其详细处理过程为：通过安装在母线端或负荷端的电流互感器实时获取三相电流信号，运用叠加定理处理以获取故障电流行波信号，并应用卡伦摩尔变换解耦故障电流行波获取其线模、零模分量。再运用经验小波变换分解故障电流行波线模、零模分量，并通过对称差分能量算子对其进行解调以获取时间-能量图谱。具体流程如下：通过叠加定理处理故障电流信号，得到故障电流行波信号。应用卡伦摩尔变换对故障电流行波信号进行解耦，得到故障电流行波线模分量与零模分量。通过经验小波变换分别分解故障电流行波线模分量与零模分量，分别得到行波线模、零模的低频分量与高频分量。通过对称差分能量算子分别对行波线模、零模的高频分量进行解调，分别得到行波线模、零模的时间-能量图谱。标定行波线模、零模能量图谱中第一个信号突变点的对应时刻，即分别为故障行波线模、零模首波波头到达检测点时刻。配网混合线路单相接地故障仿真与行波检测分析下面通过仿真算例详细展示本文行波信号提取与波头检测方法。以图3.1所示配网混合线路中6km架空线路段发生单相接地故障为例，设置该段线路中距离母线端检测点11km处发生单相接地故障，过渡电阻为50Ω，故障初相角为60°。在母线端设置电流检测点，并将故障电流信号导入到MATLAB工作区，以备后续数据处理。仿真总时长为0.05s。在0.035s时发生单相接地故障，检测点的采样频率为1MHz，经检测点采样得到的三相电流波形如图3.2所示。图3.2故障三相电流取故障后0.2ms的三相故障电流信号，通过叠加定理处理得到三相故障电流行波信号，再通过卡伦摩尔变换解耦得到的故障电流行波线模分量与零模分量分别如图3.3、图3.4所示。图3.3行波线模分量图3.4行波零模分量对故障电流行波线模分量与零模分量分别进行经验小波变换分解，得到各自的高频分量与低频分量如图3.5、图3.6所示。图3.5行波线模分量经验小波变换分解高频分量图3.6行波零模分量经验小波变换分解结果故障行波突变点是典型的阶跃信号，所以故障信息主要包含在故障行波的高频分量中。因此分别选取故障行波线模分量与零模分量的高频分量，进行对称差分能量算子