一种基于故障时刻S变换频谱特性的配电网故障启动方法

摘要

本发明为一种基于故障时刻S变换频谱特性的配电网故障启动方法，属电力系统继电保护技术领域。本方法为：在1MHZ采样率下，采集短时窗内的零序电压时域波形，对其进行S变换得到零序电压S矩阵，再对S矩阵各元素求模得到S模矩阵，并提取S模矩阵在突变发生时刻的幅频特性，最后计算该时刻幅频特性的方差ξ。若计算得到的方差ξ大于设定阈值，则判断配电网发生单相故障，选线装置启动；反之，则未发生故障，选线装置不启动。理论分析和实测数据的验证表明本发明效果良好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于故障时刻S变换频谱特性的配电网故障启动方法，属于电力系统继 电保护技术领域。

背景技术

我国配电网广泛采用小电流接地方式，这种接地方式发生单相接地故障时供电仍能保证 线电压的对称性，不影响对负荷的连续供电。但发生单相接地故障后，由于故障电流微弱、 电弧不稳定等原因，单相接地故障可靠启动长期以来没有得到很好地解决。

基于零序电压电流工频分量的方法灵敏度较低且受消弧线圈影响；基于零序信号5次或 以上谐波的方法虽然不受消弧线圈影响，但信号中谐波分量过小，灵敏度受到很大限制。因 此，急需提出一种更加可靠的方法实现小电流接地系统单相故障的启动。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种基于故障时刻S变换频谱特性的配电网故障启动方 法，用以解决现有的配电网故障启动方法存在可靠性不高的问题。

本发明的技术方案是：一种基于故障时刻S变换频谱特性的配电网故障启动方法，在 1MHZ采样率下，采集短时窗内的零序电压时域波形，对其进行S变换得到零序电压S矩阵， 再对S矩阵各元素求模得到S模矩阵，并提取S模矩阵在突变发生时刻的幅频特性，最后计 算该时刻幅频特性的方差ξ；若计算得到的方差ξ大于设定阈值，则判断配电网发生单相故 障，选线装置启动；反之，则未发生故障，选线装置不启动。

具体步骤为：

(1)短时窗下零序电压时域波形的获取：在1MHZ采样率下，采集短时窗内电压互感 器开口三角形侧的零序电压时域波形，对应的零序电压离散信号为u₀[m]，m＝0,2，…，N-1； N-1为短时窗下离散信号u₀[m]的个数；

(2)零序电压时域波形的S变换：利用式对采集到的零序电压离散信号进行S变换，得到零序电压S 矩阵S[l,k]，其列l对应采样时间点，行k对应频率点；U₀[k]为u₀[m]的傅里叶变换；u₀[m]为 采样到的零序电压离散信号，采样点m＝0，1，2，…，N-1；N为采样序列长度；

(3)对零序电压S矩阵的各元素求模，得到S模矩阵，并提取S模矩阵在突变发生时刻 的幅频特性，再利用式计算该时刻幅频特性的方差ξ； 其中x₁、x₂、…x_n为突变发生时刻的幅频特性采样信号，x＝1/n(x₁+x₂+…+x_n)；

(4)单相故障启动判据的构造：按以下条件进行单相故障与未故障的判别：

若则判定为单相故障，选线装置启动；

若则判定为未故障，选线装置不启动；

其中为阈值，其整定按照未发生故障时趋于0，而发生单相故障时不为0的原则设 置为0.1。

本发明的原理是：

一、获取短时窗下零序电压时域波形

在1MHZ采样率下，采集短时窗内电压互感器开口三角形侧的零序电压时域波形，对应 的零序电压离散信号为u₀[m]，采样点m＝0，1，2，…，N-1；N为采样序列长度。

二、对零序电压时域波形进行S变换

对采集到的N个零序电压离散信号点u₀[m]，m＝0,2，…，N-1采用式(1)进行S变换。

$U_0\left[k\right]=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{u}_0\left[m\right]e^{-j2\mathrm{\pi mk}/N}---\left(1\right)$

$S[l,k]=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{U}_0[k+m]e^{-2{\pi }^2{m}^2/k^2}{e}^{-j2\mathrm{\pi lm}/N}---\left(2\right)$

式(1)和式(2)中，U₀[k]为u₀[m]的傅里叶变换；S[l,k]为零序电压S矩阵，其列对应 采样时间点，行对应频率点；u₀[m]为采样到的零序电压离散信号，采样点m＝0，1，2，…， N-1；N为采样序列长度。

三、计算S模矩阵幅频特性的方差

对零序电压S矩阵S[l,k]的各元素求模，得到S模矩阵，并提取S模矩阵在突变发生时刻 的幅频特性，再利用式(3)计算该时刻幅频特性的方差ξ。

$\xi =\frac{1}{n}[{(x_1-x)}^2+{(x_2-x)}^2+\Lambda +{(x_n-x)}^2]---\left(3\right)$

式(3)中，x₁、x₂、…x_n为突变发生时刻的幅频特性采样信号，x＝(x₁+x₂+…+x_n)/n。

四、单相故障与未故障判别

阈值的整定按照未发生故障时趋于0，而发生单相故障时不为0的原则设置为0.1。 按以下条件进行单相故障与未故障的判别：

若则判定为单相故障，选线装置启动；

若则判定为未故障，选线装置不启动。

本发明的有益效果是：利用S变换方法实现配电网的故障启动，其原理简单，准确可靠， 且不受故障过渡电阻变化等因素的影响。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明实施例1的零序电压时域波形；

图3为本发明实施例1的S模矩阵在突变发生时刻的幅频特性；

图4为本发明实施例2的零序电压时域波形；

图5为本发明实施例2的S模矩阵在突变发生时刻的幅频特性。

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。

一种基于故障时刻S变换频谱特性的配电网故障启动方法，在1MHZ采样率下，采集短 时窗内的零序电压时域波形，对其进行S变换得到零序电压S矩阵，再对S矩阵各元素求模 得到S模矩阵，并提取S模矩阵在突变发生时刻的幅频特性，最后计算该时刻幅频特性的方 差ξ；若计算得到的方差ξ大于设定阈值，则判断配电网发生单相故障，选线装置启动；反 之，则未发生故障，选线装置不启动。

具体步骤为：

(1)短时窗下零序电压时域波形的获取：在1MHZ采样率下，采集短时窗内电压互感 器开口三角形侧的零序电压时域波形，对应的零序电压离散信号为u₀[m]，m＝0,2，…，N-1； N-1为短时窗下离散信号u₀[m]的个数；

(2)零序电压时域波形的S变换：利用式对采集到的零序电压离散信号进行S变换，得到零序电压S 矩阵S[l,k]，其列l对应采样时间点，行k对应频率点；U₀[k]为u₀[m]的傅里叶变换；u₀[m]为 采样到的零序电压离散信号，采样点m＝0，1，2，…，N-1；N为采样序列长度；

(3)对零序电压S矩阵的各元素求模，得到S模矩阵，并提取S模矩阵在突变发生时刻 的幅频特性，再利用式计算该时刻幅频特性的方差ξ； 其中x₁、x₂、…x_n为突变发生时刻的幅频特性采样信号，x＝1/n(x₁+x₂+…+x_n)；

(4)单相故障启动判据的构造：按以下条件进行单相故障与未故障的判别：

若则判定为单相故障，选线装置启动；

若则判定为未故障，选线装置不启动；

其中为阈值，其整定按照未发生故障时趋于0，而发生单相故障时不为0的原则设 置为0.1。

实施例1：一种基于故障时刻S变换频谱特性的配电网故障启动方法流程图如图1所示。 在1MHZ采样率下，采集16ms时窗内的零序电压时域波形，如图2所示，对其进行S变换， 再将得到的S矩阵各元素求模得到S模矩阵，并提取S模矩阵在突变发生时刻的幅频特性， 如图3所示。最后计算该时刻幅频特性的方差ξ＝1.0178。

设置零序电压S模矩阵幅频特性的方差阈值因为ξ＝1.0178>0.1，所以判定配 电网发生单相故障，选线装置启动。

实施例2：一种基于故障时刻S变换频谱特性的配电网故障启动方法流程图如图1所示。 在1MHZ采样率下，采集16ms时窗内的零序电压时域波形，如图4所示，对其进行S变换， 再将得到的S矩阵各元素求模得到S模矩阵，并提取S模矩阵在突变发生时刻的幅频特性， 如图5所示。最后计算该时刻幅频特性的方差ξ＝0.0154。

设置零序电压S模矩阵幅频特性的方差阈值因为ξ＝0.0154<0.1，所以判定配电 网未发生故障，选线装置不启动。

以上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。