配电网接地故障选线方法、装置、计算机设备、存储介质

本发明属于谐振接地配电网的技术领域，具体涉及一种基于时频矩阵相关系数的配电网接地故障选线方法、装置、计算机设备、存储介质。

背景技术：

我国配电网普遍采用中性点非有效接地方式，电压等级一般较低，系统阻抗大，由于配电网本身结构的复杂性以及故障的多样性，发生单相接地故障时，故障特征不明显，导致故障线路检测难度大，如何准确识别故障线路，缩短停电时间，成为影响配电网供电可靠性的重要因素。

现有的故障选线方法存在各自的优缺点，信号注入法虽然准确性高，但要增加许多额外的电气设备，经济上不合理。由于配电网中小电流接地系统的接地故障稳态电流非常小，导致故障电流稳态分量的检测极其困难，因此，相比于稳态信号的被动式选线方法，暂态信号具有突变量大，故障特征明显，更能有效检测出微弱故障信号，因此，采用故障暂态分量进行故障检测具有灵敏度好、可靠性高以及准确度高的特点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种采用故障暂态分量来进行故障诊断的检测方法，本发明提供的所述检测方法抗干扰能力强、适用性广。

本发明提供的一种配电网接地故障选线方法，包括如下步骤：

s1：获取接地故障后的每条馈线上的暂态零序电流连续信号并进行采样得到暂态零序电流离散序列；

s2：基于s变换以及每条馈线的所述暂态零序电流离散序列计算出每条馈线对应的幅值时频矩阵；

s3：利用每条馈线对应的所述幅值时频矩阵计算出两两馈线之间的相关系数，并基于两两馈线之间的相关系数识别出故障线路，故障馈线与健全馈线的相关系数小于零；两两健全馈线之间的相关系数大于零；

式中，ρab表示馈线a、馈线b之间的相关系数，ea(i,j)、eb(i,j)分别表示馈线a、馈线b的幅值时频矩阵中第i个频率和第j个时段块对应的元素值，所述幅值时频矩阵的大小为(n/2+1)×m或m×(n/2+1)，n为对暂态零序电流连续信号进行采样的采样点总数，n/2+1为频率个数，m为所述幅值时频矩阵的时段块总数。

优选地，步骤s3中基于两两馈线之间的相关系数识别故障线路的过程如下：

利用两两馈线之间的相关系数计算出每条馈线的综合相关系数；

将每条馈线的综合相关系数与预设阈值进行比较，若存在馈线的综合相关系数小于预设阈值，所述馈线为故障线路；若所有馈线的综合相关系数均大于预设阈值，母线为故障线路，所述预设阈值大于0；

所述综合相关系数如下：

式中，ρi表示第i条馈线的综合相关系数，ρij表示第i条馈线与第j条馈线的相关系数，l为配电网中馈线总数。

优选地，预设阈值的取值范围为：δ为预设的修正值，所述预设的修正值为经验值且为正数。这是基于其他健全馈线所求得的综合相关系数接近于为了避免误判，预设的修正值是用于保证其他健全馈线所求得的综合相关系数大于预设阈值而设定的，其是通过实验或试验或历史数据等而取的经验值。

优选地，所述幅值时频矩阵的获取过程如下：

利用馈线的所述暂态零序电流离散序列进行s变换得到复时频矩阵，所述s变换将n个采样点对应的离散信号变为不同频率的信号，所述复时频矩阵由s变换后各个频率下各个采样时刻的信号构成；

取所述复时频矩阵中各个元素值的实部并进行等间距的时段块细分，再按下述公式计算出每个频率下每个时段块对应的幅值；

式中，表示第i个频率下第r个时段块对应的幅值，real[]表示取实部，s(i,j)表示所述复时频矩阵中i个频率下第j个采样时刻对应的元素值；

利用每个频率下每个时段块对应的所述幅值构建幅值时频矩阵。

优选地，所述幅值时频矩阵e如下所示：

式中，表示第i个频率下第j个时段块对应的所述幅值。

优选地，s1中系统零序电压大于15％相电压，判定发生接地故障。

本发明提供的一种配电网接地故障选线装置，包括：

获取模块：用于获取接地故障后的每条馈线上的暂态零序电流连续信号并进行采样得到暂态零序电流离散序列；

转换模块：用于基于s变换以及每条馈线的所述暂态零序电流离散序列计算出每条馈线对应的幅值时频矩阵；

诊断模块：用于利用每条馈线对应的所述幅值时频矩阵计算出两两馈线之间的相关系数，并基于两两馈线之间的相关系数识别出故障线路，故障馈线与健全馈线的相关系数小于零；两两健全馈线之间的相关系数大于零；

式中，ρab表示馈线a、馈线b之间的相关系数，ea(i,j)、eb(i,j)分别表示馈线a、馈线b的幅值时频矩阵中第i个频率和第j个时段块对应的元素值，所述幅值时频矩阵的大小为(n/2+1)×m或m×(n/2+1)，n为对暂态零序电流连续信号进行采样的采样点总数，n/2+1为频率个数，m为所述幅值时频矩阵的时段块总数。

本发明提供的一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述配电网接地故障选线方法的步骤。

本发明提供的一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述配电网接地故障选线方法的步骤。

有益效果

1、本发明提供的选线方法是通过比对两两馈线之间的相关系数来实现故障选线，其过程不需要构建样本数据库即可实现在线检测，相较于与构建的样本数据库进行比对寻找故障位置的诊断方法，本发明所述方法的效率和可靠性均更高。

2、s变换是在傅里叶变换和小波变换的基础上发展而来，具有强大的时频分辨能力，可以将信号分解成一系列所需频率点信号的叠加，适用于分析暂态零序电流这种由不同频率分量构成的非线性、非平稳信号。本发明借助s变换具备的强大的时频局部化特性分析暂态零序电流这种由不同频率分量构成的非线性、非平稳信号，利用幅值时频矩阵间的相似度，在时频域内全面反映各暂态零序电流信号在每一频率点、每一时间段的幅值及相位关系，刻画故障馈线与健全馈线之间的相似程度，进而实现故障诊断。

3、该方法针对不同故障线路、故障点位置、合闸初相角以及故障电阻的单相接地故障，都能进行有效判别。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为本发明在具体应用实例中的实验原理示意图。

图3为各馈线的零序电流检测图，(a)为故障电阻为5ω的零序电流检测图，(b)为故障电阻为5kω的零序电流检测图。

图4为故障电阻等于5kω时各馈线零序电流幅值时频特性图，(a)为馈线1的零序电流幅值时频特性图，(b)为馈线2的零序电流幅值时频特性图，(c)为馈线3的零序电流幅值时频特性图，(d)为馈线4的零序电流幅值时频特性图，(e)为馈线5的零序电流幅值时频特性图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例提供的配电网接地故障选线方法，其步骤为：

s1：获取接地故障后的每条馈线上的暂态零序电流连续信号并进行采样得到暂态零序电流离散序列。

其中，本发明实施例中，通过检测系统零序电压来鉴别是否发生接地故障，优选，系统零序电压大于15％相电压，判定发生接地故障发生，进而采集一周期每条馈线上的暂态零序电流连续信号。

s2：基于s变换以及每条馈线的所述暂态零序电流离散序列计算出每条馈线对应的幅值时频矩阵。

以任意一条馈线为例说明，如何利用馈线的暂态零序电流连续信号得到对应幅值时频矩阵：

对馈线的暂态零序电流连续信号x(t)进行采样，得到暂态零序电流离散序列x(kt)(k＝0,1,2…,n-1)，t为采样间隔，n为采样点数，t为时间。

对暂态零序电流离散序列x(kt)的s变换离散形式可表示为：

式中，表示s变换后得到的时间lt、频率对应的变换值：l为时间参数，l＝0,1,2…,n-1；n为频率参数，n＝1,2…,n/2；m为自定义的书写参数，m＝0,1,2…,n-1。其中，s变换是将n个采样点对应的离散信号变为n/2+1个不同频率的信号(的取值有n/2+1个)，每个频率下又对应了n个变换值(lt的取值有n个)。j为复数符号；

上述公式中x(kt)的离散fft变换表现形式的表达式为：

当频率为零时：

基于上述的s变换最终得到复时频矩阵，本实施例中，复时频矩阵如下所示：

式中，s表示复时频矩阵，s(i,j)表示第i个频率的第j个采样时刻对应的变换值，s(0,j)表示频率为零时第j个采样时刻对应的变换值。本实施例中复时频矩阵中的行元素与信号采样的频率相对应，而矩阵的列元素与信号采样的时刻对应，其中相邻两行的频率差为第m行的频率为fs就是实际的采样频率。

然后，再对复时频矩阵s的各个复数元素取实部，为突显故障信号的时频局部化特性，综合考虑各个频率点信息，进一步将各频率下幅值向量实部进行细分，每个频率有n个采样点，将其等分成m个块，定义第i个频率下第r个时段块所对应的幅值如下所示：

式中，表示第i个频率下第r个时段块对应的幅值，real[]表示取实部。

最后，按照上述公式计算每个时段块的幅值进而构建出如下所示的幅值时频矩阵e：

式中，表示第i个频率下第j个时段块对应的幅值。

s3：利用每条馈线对应的所述幅值时频矩阵计算出两两馈线之间的相关系数，再利用两两馈线之间的相关系数计算出每条馈线的综合相关系数；

其中，将每条馈线的综合相关系数与预设阈值ρset进行比较，若存在馈线的综合相关系数小于预设阈值ρset，所述馈线为故障线路；若所有馈线的综合相关系数均大于预设阈值，母线为故障线路。

以任意两条馈线为例说明，相关系数的计算公式如下：

式中，ρab表示馈线a、馈线b之间的相关系数，ea(i,j)、eb(i,j)分别表示馈线a、馈线b的幅值时频矩阵中第i个频率和第j个时段块对应的元素值，其与上述幅值时频矩阵中是同一含义。幅值时频矩阵的大小为(n/2+1)×m或m×(n/2+1)，本实施例中上述幅值时频矩阵e的大小为(n/2+1)×m。

ρab的取值范围为[-1，+1]，若ρab＝1，表明线路a、b的暂态零序电流波形完全一致；若ρab＝0，表明线路a、b的暂态零序电流波形差异大，完全不相关；若ρab＝-1，则表明线路a、b的暂态零序电流波形相同，但方向相反。而故障馈线与健全馈线各频率信号的波形相似度较低，且相位相反，故至少故障馈线与健全馈线的相关系数小于零；而健全馈线之间各频率信号的波形相似度高，且相位相同，故至少健全馈线之间的相关系数大于零。实际上，故障馈线与健全馈线之间的相关系数接近于-1，而健全馈线之间的相关系数接近于1，可以得到一个配电网l×l的相似矩阵ρ，如下所示：

该相似矩阵ρ为对称矩阵，对角元素全为1，可以在时频域内全面反映各暂态零序电流信号在每一频率点、每一时间段的幅值及相位关系，刻画故障馈线与健全馈线之间的相似程度。

基于上述原理可知，利用两两馈线之间的相关系数识别出故障馈线，譬如存在馈线与其它馈线的相关系数均小于零，可视为故障馈线；如不存在相关系数小于零的馈线，可视为母线故障。而本发明实施例中，为了进一步刻画故障馈线与健全馈线的差异，提高选线裕度，形成更加简单直观的故障选线判据，由相似矩阵ρ求取每条馈线与其他馈线之间综合相关系数，其中综合相关系数的公式如下：

式中，ρi表示第i条馈线的综合相关系数，为馈线i和系统所有馈线的相似度之和，ρij表示第i条馈线与第j条馈线的相关系数，l为配电网中馈线总数。当配电网发生单相接地故障后，由故障馈线所求得的综合相关系数接近于-1，而其他健全馈线所求得的综合相关系数接近于

而基于综合相关系进行故障选线，本发明实施例设定一个预设阈值ρset，若存在馈线的综合相关系数小于预设阈值ρset，所述馈线为故障线路；若所有馈线的综合相关系数均大于预设阈值，母线为故障线路。

基于上述方法，本发明提供一种配电网接地故障选线装置，包括获取模块、转换模块、诊断模块。

其中，获取模块：用于获取接地故障后的每条馈线上的暂态零序电流连续信号并进行采样得到暂态零序电流离散序列；

转换模块：用于基于s变换以及每条馈线的所述暂态零序电流离散序列计算出每条馈线对应的幅值时频矩阵；

诊断模块：用于利用每条馈线对应的所述幅值时频矩阵计算出两两馈线之间的相关系数，并基于两两馈线之间的相关系数识别出故障线路。相关细节请参照方法部分的技术内容。

本发明还提供的一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述配电网接地故障选线方法的步骤。

本发明还提供的一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述配电网接地故障选线方法的步骤。

其中，具体的实现过程还可以参照上述方法内容。

应当理解，在本发明实施例中，所称处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

所述可读存储介质为计算机可读存储介质，其可以是前述任一实施例所述的控制器的内部存储单元，例如控制器的硬盘或内存。所述可读存储介质也可以是所述控制器的外部存储设备，例如所述控制器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)等。进一步地，所述可读存储介质还可以既包括所述控制器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述控制器所需的其他程序和数据。所述可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

如图2所示，在一个具体应用实例中，母线上带有l1、l2、l3、l4、l5共计5条馈线，线路1、线路5均为20km的纯架空线路，线路2、线路4分别为10km、8km的纯电缆线路，线路3为10km的架空-电缆混合线路，其中架空线路与电缆线路均为5km；消弧线圈补偿度为108％，电感值设为468mh；每线路负荷均由400+j637ω的阻抗表示；采样频率为10khz。本发明按图2所示的10.5kv配电系统进行了实验，馈线参数见表1。

表1

在距架空线路1首端2km处，在a相电压过零时分别发生故障电阻为5ω和5kω的单相接地故障，各馈线的零序电流波形如图3所示。为避免电流互感器的干扰，实施例中将重点对故障后五分之一个周期的数据进行分析，采样频率为10khz，则五分之一个周期的时间窗内含有40个采样点，通过s变换分别对每条线路五分之一个周期的暂态零序电流进行分析，得到相对应的复时频矩阵，进一步对复时频矩阵取实部数据，分析各条馈线零序电流的幅值时频特性图。限于篇幅，只列出单相接地电阻为5kω时各条馈线具体的零序电流幅值时频特性图，如图4所示。

通过图4可知，馈线2～馈线5这4条线路的零序电流幅值时频分布特性大致相同，而馈线1的幅值时频特性与这四条线路的时频分布特性完全不一致，尤其是在2khz以内所对应的时频区段内，其分布特征与后者完全相反，因此，可通过各馈线之间相关系数可靠的判别出故障线路。为了更能突显出各馈线的时频局部特性，将每频率下的信号等分成4个时段，即以每10个采样点为一时段，且仅考虑前四个频率，即0hz～750hz，因此每条线路则会得到一个4×4的矩阵，结果如下所示：

其中，e1、e2、e3、e4、e5分别表示馈线1～馈线5的幅值矩阵，得到这5个幅值矩阵之后可以通过相关系数公式得到相关系数矩阵如下所示：

通过综合相关系数公式可求得各线路的综合相关系数分别为[-1，0.5，0.5，0.5，0.5]，可知馈线1为故障馈线，且各线路所计算得到的综合相关系数均为理想值，因此其故障判据裕度较高，可靠性高，抗干扰能力强。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。