一种基于波形相似度的配电网故障选线方法及系统

本发明涉及一种基于波形相似度的配电网故障选线方法及系统，属于电力系统继电保护领域。

背景技术：

1、对于配电网故障选线的研究，小接地电流系统得到了广泛应用，并对其保护原理和装置的研究给予了很大的重视，研制了几代装置，在供电和煤炭行业中得到了应用，保护原理从过流、无功方向发展到了群体比幅；装置由电磁式继电器、晶体管发展到模拟集成电路和数字电路，而微机构成的装置较少。在供电、钢铁、化工用电中普遍采用中性点不接地或经电阻接地系统，所以选线原理简单，采用基波无功方向方法，近年来，在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面投入了不少力量，利用光导纤维研制的架空线和电缆零序互感器ozct试验获得成功。德国多使用中性点经消弧线圈接地系统，并于30年代就提出了反映故障开始暂态过程的单相接地保护原理，研制了便携式接地报警装置。法国在使用中性点经电阻接地系统几十年后，现在正以中性点经消弧线圈接地系统取代中性点经电阻接地系统，同时开发出了新技术产品：零序导纳接地保护。而挪威一公司则利用测量空间电场和磁场的相位，反映零序电压和零序电流的相位，研制了悬挂式接地指示器。90年代初，国外已将人工神经网络原理应用于单相接地保护，并有文献提到应用专家系统方法，随着小波分析的出现和发展，国外有文献涉及利用小波分析良好的时频局部性，分析并利用故障暂态电流的高频分量进行故障选线保护的方法。

2、我国从1958年起，就一直对小电流接地系统单相接地故障的选线问题进行研究，提出了多种选线方法，并开发出了相应的装置。50年代我国有根据首半波极性研制成功的接地保护装置和利用零序电流五次谐波研制成功的接地选线定位装置。70年代后期，上海继电器厂和许昌继电器厂等单元研制生产了一批有选择性的接地信号装置，如反映中性点不接地系统零序功率方向的zd-4型保护和反映经消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的zd-5、zd-6、zd-7型保护。有些运行部门还采用反映零序电流增大的零序电流保护来选线、选相。80年代中期，我国又研制成功了微机型小电流接地系统单相接地选线装置，近几年来，随着微机在电力系统应用的推广，相继又出现了一些微机型接地选线装置和适合微机实现的选线原理和方法，诸如由南京自动化研究院研制的微机小电流接地系统单相接地选线装置，其主要原理是比较线路零序电流五次谐波的大小和方向；利用零序电流的五次谐波比相原理研制的ml98型小电流接地系统单相接地微机选线装置等等。

3、在实际应用中，对于中性点不接地系统采用比幅、比相原理选线可以达到很高的准确率，但对于中性点经消弧线圈接地系统，现有的故障选线原理效果并不理想，所以此问题还有必要进一步研究。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于波形相似度的配电网故障选线方法及系统，实现故障准确、可靠选线、选相。

2、本发明的技术方案是：一种基于波形相似度的配电网故障选线方法，当母线零序电压相关性不一致启动故障选线装置，故障选线立即启动;通过计算获取各馈线零序电流和母线零序电压的高频信号量；根据小电流接地系统发生单相接地故障时的母线零序电压实测值的高频信号量和馈线零序分布电容参数，在依次假设各馈线为健全馈线的前提下，求解各馈线的虚拟零序电流波形；对各馈线零序电流的实测波形和所求解的虚拟电流波形的高频信号量在一定数据窗下进行皮尔逊相关度分析，计算二者的相关系数，并依据判据对系统故障进行选线、选相；在相电流可测的情况下，提取故障线路各相电流的高频信号量与虚拟零序电流波形的高频信号量进行相关性分析，相关性高为故障相。

3、具体步骤为：

4、step1：实时计算母线零序电压的相关性

5、step2：依据母线零序电压相关性不一致启动故障选线装置；

6、step3：采用小波分解方法分解各馈线零序电流和母线零序电压；

7、step4：利用小波分解中所求得的高频量信号求解各馈线虚拟零序电流；

8、step5：用实测的各馈线零序电流与所求解的相对应的虚拟零序电流对比；

9、step6：根据对比结果形成选线判据；

10、step7：提取所选故障线三相电流信号，进行选相。

11、进一步的，step1中：

12、step1.1：采用一种实时计算相关性的方法，即每毫秒内所采集的数据与上一个毫秒内采集的数据进行相关性分析，所采集的数据为母线零序电压。

13、进一步的，step2中：

14、step2.1：在未发生故障时，三相电压平衡，母线零序电压恒为零，实时计算相关性与上次计算的相关性恒相等。

15、step2.2：发生故障后，三相电压不平衡导致母线零序电压发生突变，实际计算相关性发生变化，与上次计算的相关性不一致，即判断发生故障启动装置。

16、进一步的，step3中：

17、step3.1：采用小波分解的方法分解各馈线零序电流和母线零序电压，分为高频信号与工频信号。

18、进一步的，step4中：

19、step4.1：在依次假设各馈线为健全馈线的前提下，将母线零序电压实测值的高频信号量作为激励电压源，根据各馈线零序分布电容参数，求解各馈线虚拟零序电流的高频信号量。

20、step4.2：各馈线虚拟零序电流的高频信号量为：

21、

22、式中，各馈线零序电流和母线零序电压的实测波形记为、，为第j条馈线的零序分布电容。

23、进一步的，step5中：

24、step5.1：利用健全馈线零序电流的实测波形和所求解的虚拟零序电流波形正相关，而故障馈线零序电流的实测波形和虚拟零序电流波形差异较大、呈负相关的特征，对各馈线零序电流的实测波形和所求解的虚拟零序电流波形在一定数据窗下进行皮尔逊相关系数计算，计算各馈线零序电流的实测波形和虚拟零序电流波形的高频信号量的皮尔逊相关系数。

25、step5.2：皮尔逊相关系数又叫相关系数或线性相关系数，用来度量两个变量间的线性关系。

26、所述皮尔逊相关系数为：

27、其中，为与的协方差，为的方差，为的方差，为第j条线路所计算的虚拟零序电流值，为第j条线路实测的零序电流值。

28、进一步的，step6中：

29、step6.1：比较各馈线零序电流的实测波形和所求解的虚拟零序电流波形的高频信号量的皮尔逊相关系数，形成选线判据，皮尔逊相关系数其值介于[-1,1]之间，正值代表正相关，负值代表负相关，利用健全馈线零序电流的实测波形和所求解的虚拟零序电流波形正相关吻合，而故障馈线零序电流的实测波形和虚拟零序电流波形差异较大、呈负相关的特征，得出当时，则第j条线路为健全馈线。当时，则第j条线路为故障馈线。如果所有都大于零，则为母线故障。

30、进一步的，step7中：

31、step7.1：选出故障线后可进一步进行故障选相，在各相电流可测的情况下，采用小波分解的方法分解各相电流，分为高频信号量与工频信号量，各相电流的高频信号量与虚拟零序电流波形的高频信号量进行相关性分析，相关性高为故障相。

32、一种基于波形相似度的配电网故障选线系统，包括：

33、数据采集模块：用于采集母线零序电压以及各馈线零序电流。

34、数值计算模块：用于获取母线零序电压，用于构造启动信号。计算获取各馈线零序电流和母线零序电压的高频信号量。求解各馈线虚拟零序电流。计算各馈线虚拟波形与实测波形的皮尔逊相关系数；计算各相电流的高频信号量与虚拟零序电流波形的高频信号量的相关性。

35、逻辑判断模块：用于判断实时计算的母线零序电压相关性是否为完全正相关，若是，则继续执行判断，若否，则判断所有的是否都大于0，若否，则第j条线路为故障馈线，若是，则母线发生故障；若为故障线，则判断各相电流高频信号量与虚拟零序电流波形的高频信号量进行相关性分析，相关性高为故障相。

36、所述数据采集模块包括：

37、数据采集单元：用于从传感器和其它测量设备等被测单元中实时采集母线零序电压信号和各馈线零序电流、相电流信号。

38、模数变换单元：用于将采集到的模拟量信号的瞬时值变换成数字量信号的数字值。

39、所述数值计算模块包括：

40、信号计算单元：用于对采集到的母线零序电压，用其构造启动信号。

41、高频信号量计算单元：用于计算各馈线零序电流和母线零序电压的高频信号量。

42、虚拟波形计算单元：用于求解各馈线虚拟零序电流。

43、皮尔逊相关系数计算单元：用于计算各馈线虚拟波形与实测波形的皮尔逊相关系数。

44、相关性分析单元：各相电流高频信号量与虚拟零序电流波形的高频信号量进行相关性分析。

45、所述逻辑判断模块包括：

46、母线零序电压判断单元，用于判断实时计算的母线零序电压相关性是否为完全正相关，若是，则继续执行判断，若否，则启动高频信号量计算单元、虚拟波形计算单元以及皮尔逊相关系数计算单元；

47、故障选线判断单元，用于判断所有的是否都大于0，若否，则第j条线路为故障馈线，并启动相关性分析单元；若是，则母线发生故障。

48、故障选相判断单元，判断各相电流高频信号量与虚拟零序电流波形的高频信号量进行相关性分析，相关性高为故障相。

49、本发明的有益效果是：

50、1、本发明能有效地克服小故障角情况下故障暂态电流小的影响，实现正确选线、选相。

51、2、本发明受中性点运行方式的影响较小，用简单的差值算法有效地克服了系统不对称的影响，采用12位a/d以10khz采样频率进行录波，即具有较高的选线、选相精度。

52、3、本发明在高阻接地时也能正确选线、选相。