CN106370960B - 基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法，包括步骤：一、漏电信号的获取、存储和同步上传；二、漏电信号的接收和分析处理；三、电网漏电与否的判断；四、电网干线漏电与否的判断；五、电网干线漏电保护及电网干线漏电结果输出；六、电网漏电支线的辨识、结果输出及电网支线漏电保护。本发明设计新颖，采用零序电流的相量和的模值判断干线或支线漏电故障，克服了传统选漏方法不能区别干线和支线故障的问题，通过支线漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值大小辨识电网漏电支线，选线效果明显，且选线方法自适应性强。

Description

基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法

技术领域

本发明属于矿井低压电网漏电保护技术领域，具体涉及一种基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法。

背景技术

目前，漏电故障作为矿井低压电网(380V、660V、1140V)最常见的漏电故障之一，占其总漏电故障的70％左右。漏电会产生电火花,如果不能及时处理，就会引起瓦斯和煤尘***，对人身及生产安全造成不可估量的后果。《煤矿安全规程》规定：“应在矿井低压馈线上安装带有漏电闭锁的检漏保护装置，当检漏装置上显示发生漏电或***绝缘水平降低时，必须立即切断电源，处理完成后方可送电”。

在特殊的煤矿生产环境下，一旦发生漏电，必准确的辨识出漏电的支路，并迅速动作于跳闸，准确的将故障支路从***中切除，保证非故障部分的正常供电；否则，就有可能造成井下重要供电设备供电中断，影响煤矿安全生产。有异于中压电网的选线方法，矿井电网具有“极限安全电流”和动作时限30ms的要求，漏电需立即动作于跳闸。所以，矿井低压电网的漏电支路识别保护方法必须简单，数据窗短，动作可靠。传统的漏电保护方法大多基于零序电流信号进行漏电保护，矿井低压电网的电源进线处普遍装有直流检测型的总检漏继电器，其含有零序电抗器，由于零序电抗器的补偿作用，矿井电网可能处于补偿状态，这使得唯一具有选漏功能的零序电流功率方向保护失效。另外现有的漏电保护方法存在不能有效的识别干线故障和支线故障的缺陷，一旦支线故障被误判为干线故障，无疑会扩大停电范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法，其设计新颖合理，采用零序电流的相量和的模值判断干线或支线漏电故障，克服了传统选漏方法不能区别干线和支线故障的问题，通过支线漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值大小辨识电网漏电支线，选线效果明显，且选线方法自适应性强。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、漏电信号的获取、存储和同步上传：采用干线智能终端对于干线三相电流、电网电压和零序电压参数进行采集并进行干线跳闸保护，采用支线智能终端对于支线三相电流进行采集并进行支线跳闸保护，干线智能终端和支线智能终端均通过以太网通信模块与主控保护模块进行通信，主控保护模块将获取的数据存储在数据存储器中并同步上传至上位机；

所述干线智能终端包括干线控制器和与干线控制器相接的干线以太网通信模块，干线控制器的输入端接有干线模数转换器，干线模数转换器的输入端接有干线三相电流采集处理模块、电网电压采集处理模块和零序电压采集处理模块，干线控制器的输出端接有干线跳闸执行模块，所述干线三相电流采集处理模块包括干线三相电流传变电路和与干线三相电流传变电路输出端连接的干线三相电流滤波器，所述电网电压采集处理模块包括电网电压传变电路和与电网电压传变电路输出端连接的电网电压滤波器，所述零序电压采集处理模块包括零序电压传变电路和与零序电压传变电路输出端连接的零序电压滤波器；

所述支线智能终端包括支线控制器和与支线控制器相接的支线以太网通信模块，支线控制器的输入端接有支线三相电流采集处理模块，支线控制器的输出端接有支线跳闸执行模块，所述支线三相电流采集处理模块包括依次连接的支线三相电流传变电路、支线三相电流滤波器和支线模数转换器；

所述支线智能终端的数量为多个；

步骤二、漏电信号的接收和分析处理：干线模数转换器在干线控制器的控制下，对经过滤波后的干线三相电流、电网电压和零序电压信号进行周期采样，并对每一采样周期内所采集的信号进行模数转换后输出给干线控制器，干线控制器对其接收到的干线三相电流、电网电压和零序电压信号进行分析处理后通过干线以太网通信模块传输至主控保护模块；支线模数转换器在支线控制器的控制下，对经过滤波后的支线三相电流信号进行周期采样，并对每一采样周期内所采集的信号进行模数转换后输出给支线控制器，支线控制器对其接收到的支线三相电流进行分析处理后通过支线以太网通信模块传输至主控保护模块；

步骤三、电网漏电与否的判断，过程如下：

步骤301、根据公式计算漏电电阻R_g，其中，ω为角频率，C_Σ为电网总的对地电容，L为零序电抗器补偿电感，U_L为主控保护模块对接收到的电网电压分析处理得到的电网电压有效值，U₀为主控保护模块对接收到的零序电压分析处理得到的零序电压有效值；

步骤302、判断电网是否漏电：首先，重复步骤301，计算出连续一个周期内的多个漏电电阻值R_g，然后，主控保护模块将一个周期内的多个漏电电阻值R_g与设定的漏电动作电阻值R_dz进行比较，当连续一个周期内的多个漏电电阻值R_g均小于漏电动作电阻值R_dz时，判断为电网漏电发生，执行步骤四；否则，判断为未发生电网漏电，返回步骤二；

步骤四、电网干线漏电与否的判断，具体过程如下：

步骤401、根据i_k0＝i_ka+i_kb+i_kc，计算干线和支线的瞬时零序电流，其中，k＝0,1，2，……，M，M为支线个数，M≥2且M为正整数，当k＝0时，i₀₀＝i_0a+i_0b+i_0c为干线瞬时零序电流，i_0a、i_0b和i_0c分别为干线智能终端采集处理的干线中各相电流值；当k为1～M时，i_k0为各支线的零序电流，i_ka、i_kb和i_kc分别为各支线的支线智能终端采集处理的各支线中各相电流值；

步骤402、计算干线和支线的零序电流相量主控保护模块采用最小二乘矩阵束算法计算干线和支线工频下零序电流的有效值I_k0和相位α_k0，得到干线和支线的零序电流相量

步骤403、根据公式计算零序电流的相量和的模值∑I_k0；

步骤404、判断电网干线是否漏电：主控保护模块通过步骤403中∑I_k0的值，判断是电网干线漏电还是电网支线漏电，当∑I_k0≠0时，判断为电网干线发生漏电，执行步骤五；当∑I_k0＝0时，判断为电网支线发生漏电，执行步骤六；

步骤五、电网干线漏电保护及电网干线漏电结果输出：主控保护模块通过干线以太网通信模块传输跳闸命令给干线控制器，干线控制器控制干线跳闸执行模块跳闸动作，切除电网干线漏电故障；同时，主控保护模块通过液晶触摸屏显示输出电网干线漏电结果的同时向上位机传输电网干线漏电结果；

步骤六、电网漏电支线的辨识、结果输出及电网支线漏电保护：主控保护模块获取支线智能终端传输的数据，对步骤401中M个支线中支线三相漏电故障电流分别进行处理，各支线中的支线三相漏电故障电流的处理方法均相同；对任一支线中的支线三相漏电故障电流进行处理时，具体过程如下：

步骤601、计算支线三相附加状态电流和附加状态电流变量：首先，主控保护模块根据公式计算支线三相附加状态电流Δi_ka(n)、Δi_kb(n)和Δi_kc(n)，其中，i_ka(n)、i_kb(n)和i_kc(n)为支线控制器采样的第k条支线漏电后一个周期T上各采样时刻的三相电流，i_ka(n-N)、i_kb(n-N)和i_kc(n-N)为支线控制器采样的第k条支线漏电故障前一个周期T上各采样时刻的三相电流，N为一个周期T上的采样点数且N为正整数；然后，由支线三相附加状态电流Δi_ka(n)、Δi_kb(n)和Δi_kc(n)组成附加状态电流变量ΔI_k，ΔI_k＝[Δi_ka(n),Δi_kb(n),Δi_kc(n)]^T；

步骤602、计算漏电故障瞬时正序电流的实部根据公式得到漏电故障瞬时正序电流再取得瞬时正序电流的实部其中，s₁₂₀和s₂₄₀为移相因子，s₁₂₀＝e^j120°＝cos120°+jsin120°，s₂₄₀＝e^j240°＝cos240°+jsin240°；

步骤603、获取漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值主控保护模块采用最小二乘矩阵束算法对步骤602中漏电故障瞬时正序电流的实部进行工频分量幅值的提取；

步骤604、M次重复步骤601，直至完成各个支线上漏电故障瞬时正序电流的实部的工频分量幅值提取的计算过程；

步骤605、电网漏电支线的辨识：主控保护模块通过比较步骤604中各个支线上漏电故障瞬时正序电流的实部的工频分量幅值大小，选择出幅值最大的支线，则此支线为漏电故障支线；

步骤606、电网漏电支线结果同步输出：主控保护模块根据步骤605中得到的结果向上位机传输电网支线漏电结果并通过液晶触摸屏同步输出；

步骤607、电网漏电支线漏电保护：主控保护模块控制漏电故障瞬时正序电流的实部的工频分量幅值最大的支线中的支线智能终端动作，并通过该支线智能终端中的支线以太网通信模块远程命令支线控制器控制支线跳闸执行模块跳闸动作，切除电网支线漏电故障。

上述的基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法，其特征在于：步骤402中主控保护模块通过最小二乘矩阵束算法计算干线和支线工频下零序电流的有效值I_k0和相位α_k0，以及步骤603中主控保护模块通过最小二乘矩阵束算法计算漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值时，具体过程如下：

步骤I、构建有效矩阵束Y₂-λY₁，其中，

y(n)为信号观测值且L为束参数，L为正整数且f(n)为噪声信号，为实际有效信号中P个具有任意幅值、相位、频率和衰减因子的指数函数的线性组合形式，R_i为第i个信号的复幅值，D_i为第i个信号的信号衰减因子，ω_i为第i个信号的角频率，P为信号阶数，

步骤II、求解z_i：首先，根据矩阵束原理，z_i为有效矩阵束Y₂-λY₁的广义特征值；然后，对公式Y₂b_i＝z_iY₁b_i两边同时乘以Y₁ ⁺，得到(Y₁ ⁺Y₂-z_iI)b_i＝0，其中，b_i为z_i的广义特征向量，Y₁ ⁺为Y₁的伪逆矩阵；最后，通过主控保护模块解出Y₁ ⁺Y₂的特征根得到z_i；

步骤III、根据最小二乘法解矩阵方程其中p'为z_i中非零特征值的个数，求得A_i为第i个信号的信号幅值；

步骤IV、确定各支路瞬时正序电流的实部中50Hz工频分量幅值

上述的基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法，其特征在于：步骤402中干线和支线工频下零序电流的有效值I_k0和相位α_k0利用步骤I～步骤IV求得，步骤I中的y(n)为干线和支线的瞬时零序电流i_k0的观测值，求得主控保护模块通过步骤IV找出50Hz的工频信号对应的幅值A_i和相位θ_i，得到干线和支线工频下零序电流的有效值I_k0和相位α_k0。

上述的基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法，其特征在于：步骤603中漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值利用步骤I～步骤IV求得，步骤I中的y(n)为漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值的观测值，求得主控保护模块找出步骤IV找出50Hz的工频信号对应的幅值A_i，得到漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值

上述的基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法，其特征在于：步骤一中干线三相电流滤波器、电网电压滤波器、零序电压滤波器和支线三相电流滤波器均为RC低通滤波器。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的方法步骤简单，设计合理，实现方便且投入成本低，操作简便。

2、本发明通过零序电流的相量和的模值判断干线或支线漏电故障，即差动电流的方法区别干线漏电故障与支线漏电故障，克服了传统选漏方法不能区别干线和支线故障的问题，提高了漏电识别的可靠性。

3、本发明通过数据的实时获取和处理，对漏电故障能快速反应，使得保护具有很好的速动性，能充分满足行业标准，保护全面且没有动作死区、不受漏电故障类型、漏电故障时间以及漏电故障地点的影响，保护的可靠性高。

4、本发明通过支线漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值大小来判别漏电支路，故障支路特征与非故障支路特征差异性明显，相比传统选漏方法可靠性更高，且选线方法自适应性强。

5、本发明利用最小二乘矩阵束算法从暂态过程信号中提取故障工频特征量，不受***频率变化影响，比传统FFT方法更准确。

6、本发明采用智能终端组成漏电辨识***，智能化程度高。

7、本发明设计新颖合理，体积小，及时传输故障指示信号，跳闸响应速度快，实用性强，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，采用零序电流的相量和的模值判断干线或支线漏电故障，克服了传统选漏方法不能区别干线和支线故障的问题，通过支线漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值大小辨识电网漏电支线，选线效果明显，且选线方法自适应性强，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明采用的矿井电网漏电辨识设备的电路原理框图。

图2为本发明干线智能终端的电路原理图。

图3为本发明支线智能终端的电路原理图。

图4为本发明矿井电网漏电辨识方法的方法流程框图。

附图标记说明:

1—干线智能终端； 1-1—干线三相电流传变电路；

1-2—干线三相电流滤波器； 1-3—电网电压传变电路；

1-4—电网电压滤波器； 1-5—零序电压传变电路；

1-6—零序电压滤波器； 1-7—干线模数转换器；

1-8—干线控制器； 1-9—干线以太网通信模块；

1-10—干线跳闸执行模块； 2—支线智能终端；

2-1—支线三相电流传变电路； 2-2—支线三相电流滤波器；

2-3—支线模数转换器； 2-4—支线控制器；

2-5—支线以太网通信模块； 2-6—支线跳闸执行模块；

3—主控保护模块； 4—故障指示模块； 5—数据存储器；

6—液晶触摸屏； 7—串口通信电路模块； 8—上位机。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法，包括以下步骤：

步骤一、漏电信号的获取、存储和同步上传：采用干线智能终端1对于干线三相电流、电网电压和零序电压参数进行采集并进行干线跳闸保护，采用支线智能终端2对于支线三相电流进行采集并进行支线跳闸保护，干线智能终端1和支线智能终端2均通过以太网通信模块与主控保护模块3进行通信，主控保护模块3将获取的数据存储在数据存储器5中并同步上传至上位机8；

实际使用中，主控保护模块3将获取的数据存储在数据存储器5中并通过串口通信电路模块7同步上传至上位机8，支线智能终端2的数量为多个，主控保护模块3的输出端接有故障指示模块4，所述故障指示模块4包括多个指示灯，所述指示灯分别用于指示干线故障状态和支线故障状态，本实施例中，主控保护模块3为工控机；

所述干线智能终端1包括干线控制器1-8和与干线控制器1-8相接的干线以太网通信模块1-9，干线控制器1-8的输入端接有干线模数转换器1-7，干线模数转换器1-7的输入端接有干线三相电流采集处理模块、电网电压采集处理模块和零序电压采集处理模块，干线控制器1-8的输出端接有干线跳闸执行模块1-10，所述干线三相电流采集处理模块包括干线三相电流传变电路1-1和与干线三相电流传变电路1-1输出端连接的干线三相电流滤波器1-2，所述电网电压采集处理模块包括电网电压传变电路1-3和与电网电压传变电路1-3输出端连接的电网电压滤波器1-4，所述零序电压采集处理模块包括零序电压传变电路1-5和与零序电压传变电路1-5输出端连接的零序电压滤波器1-6；

所述支线智能终端2包括支线控制器2-4和与支线控制器2-4相接的支线以太网通信模块2-5，支线控制器2-4的输入端接有支线三相电流采集处理模块，支线控制器2-4的输出端接有支线跳闸执行模块2-6，所述支线三相电流采集处理模块包括依次连接的支线三相电流传变电路2-1、支线三相电流滤波器2-2和支线模数转换器2-3；

本实施例中，干线控制器1-8和支线控制器2-4均为微控制器，干线三相电流传变电路1-1采集干线三相实时电流，干线三相实时电流通过干线三相电流滤波器1-2去噪后送入干线模数转换器1-7将干线三相电流传变电路1-1采集的电流数据变换为干线控制器1-8可处理的数字信号；电网电压传变电路1-3采集干线三相实时电压，干线三相实时电压通过电网电压滤波器1-4去噪后送入干线模数转换器1-7将电网电压传变电路1-3采集的电压数据变换为干线控制器1-8可处理的数字信号；零序电压传变电路1-5采集干线三相零序电压，干线三相零序电压通过零序电压滤波器1-6去噪后送入干线模数转换器1-7将零序电压传变电路1-5采集的电压数据变换为干线控制器1-8可处理的数字信号；支线三相电流传变电路2-1采集支线三相实时电流，支线三相实时电流通过支线三相电流滤波器2-2去噪后送入支线模数转换器2-3，将支线三相电流传变电路2-1采集的电流数据变换为支线控制器2-4可处理的数字信号；

步骤二、漏电信号的接收和分析处理：干线模数转换器1-7在干线控制器1-8的控制下，对经过滤波后的干线三相电流、电网电压和零序电压信号进行周期采样，并对每一采样周期内所采集的信号进行模数转换后输出给干线控制器1-8，干线控制器1-8对其接收到的干线三相电流、电网电压和零序电压信号进行分析处理后通过干线以太网通信模块1-9传输至主控保护模块3；支线模数转换器2-3在支线控制器2-4的控制下，对经过滤波后的支线三相电流信号进行周期采样，并对每一采样周期内所采集的信号进行模数转换后输出给支线控制器2-4，支线控制器2-4对其接收到的支线三相电流进行分析处理后通过支线以太网通信模块2-5传输至主控保护模块3；

步骤三、电网漏电与否的判断，过程如下：

步骤301、根据公式计算漏电电阻R_g，其中，ω为角频率，C_Σ为电网总的对地电容，L为零序电抗器补偿电感，U_L为主控保护模块3对接收到的电网电压分析处理得到的电网电压有效值，U₀为主控保护模块3对接收到的零序电压分析处理得到的零序电压有效值；

步骤302、判断电网是否漏电：首先，重复步骤301，计算出连续一个周期内的多个漏电电阻值R_g，然后，主控保护模块3将一个周期内的多个漏电电阻值R_g与设定的漏电动作电阻值R_dz进行比较，当连续一个周期内的多个漏电电阻值R_g均小于漏电动作电阻值R_dz时，判断为电网漏电发生，执行步骤四；否则，判断为未发生电网漏电，返回步骤二；

本实施例中，漏电动作电阻值R_dz按照MT871-2011《矿用防爆低压交流真空馈电开关》的规定1140V矿井低压电网的漏电动作电阻值R_dz取值为20kΩ，660V矿井低压电网的漏电动作电阻值R_dz取值为11kΩ，380V矿井低压电网的漏电动作电阻值R_dz取值为3.5kΩ；

步骤四、电网干线漏电与否的判断，具体过程如下：

步骤401、根据i_k0＝i_ka+i_kb+i_kc，计算干线和支线的瞬时零序电流，其中，k＝0,1，2，……，M，M为支线个数，M≥2且M为正整数，当k＝0时，i₀₀＝i_0a+i_0b+i_0c为干线瞬时零序电流，i_0a、i_0b和i_0c分别为干线智能终端1采集处理的干线中各相电流值；当k为1～M时，i_k0为各支线的零序电流，i_ka、i_kb和i_kc分别为各支线的支线智能终端2采集处理的各支线中各相电流值；

所述支线智能终端2的数量为多个，本实施例中，支线智能终端2的数量为M个；

步骤402、计算干线和支线的零序电流相量主控保护模块3采用最小二乘矩阵束算法计算干线和支线工频下零序电流的有效值I_k0和相位α_k0，得到干线和支线的零序电流相量

步骤403、根据公式计算零序电流的相量和的模值∑I_k0；

步骤404、判断电网干线是否漏电：主控保护模块3通过步骤403中∑I_k0的值，判断是电网干线漏电还是电网支线漏电，当∑I_k0≠0时，判断为电网干线发生漏电，执行步骤五；当∑I_k0＝0时，判断为电网支线发生漏电，执行步骤六；

步骤五、电网干线漏电保护及电网干线漏电结果输出：主控保护模块3通过干线以太网通信模块1-9传输跳闸命令给干线控制器1-8，干线控制器1-8控制干线跳闸执行模块1-10跳闸动作，切除电网干线漏电故障；同时，主控保护模块3通过液晶触摸屏6显示输出电网干线漏电结果的同时向上位机8传输电网干线漏电结果；

步骤六、电网漏电支线的辨识、结果输出及电网支线漏电保护：主控保护模块3获取支线智能终端2传输的数据，对步骤401中M个支线中支线三相漏电故障电流分别进行处理，各支线中的支线三相漏电故障电流的处理方法均相同；对任一支线中的支线三相漏电故障电流进行处理时，具体过程如下：

步骤601、计算支线三相附加状态电流和附加状态电流变量：首先，主控保护模块3根据公式计算支线三相附加状态电流Δi_ka(n)、Δi_kb(n)和Δi_kc(n)，其中，i_ka(n)、i_kb(n)和i_kc(n)为支线控制器2-4采样的第k条支线漏电后一个周期T上各采样时刻的三相电流，i_ka(n-N)、i_kb(n-N)和i_kc(n-N)为支线控制器2-4采样的第k条支线漏电故障前一个周期T上各采样时刻的三相电流，N为一个周期T上的采样点数且N为正整数；然后，由支线三相附加状态电流Δi_ka(n)、Δi_kb(n)和Δi_kc(n)组成附加状态电流变量ΔI_k，ΔI_k＝[Δi_ka(n),Δi_kb(n),Δi_kc(n)]^T；

步骤602、计算漏电故障瞬时正序电流的实部根据公式得到漏电故障瞬时正序电流再取得瞬时正序电流的实部其中，s₁₂₀和s₂₄₀为移相因子，s₁₂₀＝e^j120°＝cos120°+jsin120°，s₂₄₀＝e^j240°＝cos240°+jsin240°；

步骤603、获取漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值主控保护模块3采用最小二乘矩阵束算法对步骤602中漏电故障瞬时正序电流的实部进行工频分量幅值的提取；

步骤604、M次重复步骤601，直至完成各个支线上漏电故障瞬时正序电流的实部的工频分量幅值提取的计算过程；

步骤605、电网漏电支线的辨识：主控保护模块3通过比较步骤604中各个支线上漏电故障瞬时正序电流的实部的工频分量幅值大小，选择出幅值最大的支线，则此支线为漏电故障支线；

步骤606、电网漏电支线结果同步输出：主控保护模块3根据步骤605中得到的结果向上位机8传输电网支线漏电结果并通过液晶触摸屏6同步输出；

步骤607、电网漏电支线漏电保护：主控保护模块3控制漏电故障瞬时正序电流的实部的工频分量幅值最大的支线中的支线智能终端2动作，并通过该支线智能终端2中的支线以太网通信模块2-5远程命令支线控制器2-4控制支线跳闸执行模块2-6跳闸动作，切除电网支线漏电故障。

本实施例中，步骤402中主控保护模块3通过最小二乘矩阵束算法计算干线和支线工频下零序电流的有效值I_k0和相位α_k0，以及步骤603中主控保护模块3通过最小二乘矩阵束算法计算漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值时，具体过程如下：

步骤I、构建有效矩阵束Y₂-λY₁，其中，

y(n)为信号观测值且L为束参数，L为正整数且f(n)为噪声信号，为实际有效信号中P个具有任意幅值、相位、频率和衰减因子的指数函数的线性组合形式，R_i为第i个信号的复幅值，D_i为第i个信号的信号衰减因子，ω_i为第i个信号的角频率，P为信号阶数，

步骤II、求解z_i：首先，根据矩阵束原理，z_i为有效矩阵束Y₂-λY₁的广义特征值；然后，对公式Y₂b_i＝z_iY₁b_i两边同时乘以Y₁ ⁺，得到(Y₁ ⁺Y₂-z_iI)b_i＝0，其中，b_i为z_i的广义特征向量，Y₁ ⁺为Y₁的伪逆矩阵；最后，通过主控保护模块3解出Y₁ ⁺Y₂的特征根得到z_i；

步骤III、根据最小二乘法解矩阵方程其中p'为z_i中非零特征值的个数，求得A_i为第i个信号的信号幅值；

步骤IV、确定各支路瞬时正序电流的实部中50Hz工频分量幅值

本实施例中，步骤402中干线和支线工频下零序电流的有效值I_k0和相位α_k0利用步骤I～步骤IV求得，步骤I中的y(n)为干线和支线的瞬时零序电流i_k0的观测值，求得主控保护模块3通过步骤IV找出50Hz的工频信号对应的幅值A_i和相位θ_i，得到干线和支线工频下零序电流的有效值I_k0和相位α_k0。

本实施例中，步骤603中漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值利用步骤I～步骤IV求得，步骤I中的y(n)为漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值的观测值，求得主控保护模块3找出步骤IV找出50Hz的工频信号对应的幅值A_i，得到漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值

本实施例中，步骤一中干线三相电流滤波器1-2、电网电压滤波器1-4、零序电压滤波器1-6和支线三相电流滤波器2-2均为RC低通滤波器。

实施例1

本发明使用时，对于380V的供电***而言，采用支线数量n为8，C_Σ＝2.48μF,***过补偿10％时,L＝1.238H的供电***，计算出漏电电阻值R_g＝100Ω时，漏电电阻值R_g小于3.5kΩ的漏电动作电阻值R_dz，380V的电网发生漏电故障；本实施例中采用8个支线智能终端2分别采集8条支线的支线电流，利用干线智能终端1中的干线电流传变电路1-1采集干线电流i_0a、i_0b和i_0c，当k＝0时,主控保护模块3计算电网干线零序电流i_k0＝i_ka+i_kb+i_kc，当k≠0时,利用8个支线智能终端2采集各个支线电流i_ka、i_kb和i_kc,k＝1,2,…,8，主控保护模块3计算支线零序电流i_k0＝i_ka+i_kb+i_kc，主控保护模块3再计算干线和支线的零序电流相量其中，k＝0,1,2,…,8，再计算判断干线或支线的漏电故障，此时380V的电网干线发生漏电，主控保护模块3通过干线以太网通信模块1-6远程命令干线控制器1-5控制干线跳闸执行模块1-7跳闸动作，切除电网干线漏电故障，同时，主控保护模块3向上位机8传输电网干线漏电结果。

实施例2

本发明使用时，对于380V的供电***而言，采用支线数量n为8，C_Σ＝2.48μF,***过补偿10％时,L＝1.238H的供电***，计算出漏电电阻值R_g＝100Ω时，漏电电阻值R_g小于3.5kΩ的漏电动作电阻值R_dz，380V的电网发生漏电故障；本实施例中采用8个支线智能终端2分别采集8条支线的支线电流，利用干线智能终端1中的干线电流传变电路1-1采集干线电流i_0a、i_0b和i_0c，当k＝0时,主控保护模块3计算电网干线零序电流i_k0＝i_ka+i_kb+i_kc，当k≠0时,利用8个支线智能终端2采集各个支线电流i_ka、i_kb和i_kc,k＝1,2,…,8，主控保护模块3计算支线零序电流i_k0＝i_ka+i_kb+i_kc，主控保护模块3再计算干线和支线的零序电流相量其中，k＝0,1,2,…,8，再计算判断干线或支线的漏电故障，此时因此380V的电网支线发生漏电；利用8个智能终端2分别采集到的各个支线电流i_ka、i_kb和i_kc,k＝1,2,…,8，主控保护模块3计算支线三相附加状态电流Δi_ka、Δi_kb和Δi_kc,再计算漏电故障瞬时正序电流的实部得到第一条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部第二条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部第三条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部第四条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部第五条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部第六条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部第七条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部和第八条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部采用最小二乘矩阵束算法对漏电故障瞬时正序电流的实部进行工频分量幅值的提取；在MATLAB的仿真环境下，第一条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部通过最小二乘矩阵束算法提取50Hz工频分量幅值为0.0111；第二条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部通过最小二乘矩阵束算法提取50Hz工频分量幅值为6.4465×10^-6≈0；第三条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部通过最小二乘矩阵束算法提取50Hz工频分量幅值为6.9135×10^-6≈0；第四条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部通过最小二乘矩阵束算法提取50Hz工频分量幅值为6.1836×10^-6≈0；第五条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部通过最小二乘矩阵束算法提取50Hz工频分量幅值为6.4049×10^-6≈0；第六条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部通过最小二乘矩阵束算法提取50Hz工频分量幅值为6.8633×10^-6≈0；第七条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部通过最小二乘矩阵束算法提取50Hz工频分量幅值为6.8634×10^-6≈0；第八条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部通过最小二乘矩阵束算法提取50Hz工频分量幅值为6.8633×10^-6≈0；其中，第一条支线的漏电故障瞬时正序电流的实部对应的50Hz工频分量幅值最大，则第一条支线为漏电故障支线；主控保护模块3通过第一条支线上的支线以太网通信模块2-5远程命令该支线上的支线控制器2-4控制支线跳闸执行模块2-6跳闸动作，切除电网支线漏电故障，同时，主控保护模块3向上位机8传输电网支线漏电结果，实验中漏电故障支线的瞬时正序电流实部的幅值比非漏电故障支线的瞬时正序电流实部的幅值大几个数量级，所以可以验证此发明方法对于漏电故障支线选择的可靠性,不受漏电故障类型、漏电故障时间以及漏电故障地点的影响。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、漏电信号的获取、存储和同步上传：采用干线智能终端(1)对于干线三相电流、电网电压和零序电压参数进行采集并进行干线跳闸保护，采用支线智能终端(2)对于支线三相电流进行采集并进行支线跳闸保护，干线智能终端(1)和支线智能终端(2)均通过以太网通信模块与主控保护模块(3)进行通信，主控保护模块(3)将获取的数据存储在数据存储器(5)中并同步上传至上位机(8)；

所述干线智能终端(1)包括干线控制器(1-8)和与干线控制器(1-8)相接的干线以太网通信模块(1-9)，干线控制器(1-8)的输入端接有干线模数转换器(1-7)，干线模数转换器(1-7)的输入端接有干线三相电流采集处理模块、电网电压采集处理模块和零序电压采集处理模块，干线控制器(1-8)的输出端接有干线跳闸执行模块(1-10)，所述干线三相电流采集处理模块包括干线三相电流传变电路(1-1)和与干线三相电流传变电路(1-1)输出端连接的干线三相电流滤波器(1-2)，所述电网电压采集处理模块包括电网电压传变电路(1-3)和与电网电压传变电路(1-3)输出端连接的电网电压滤波器(1-4)，所述零序电压采集处理模块包括零序电压传变电路(1-5)和与零序电压传变电路(1-5)输出端连接的零序电压滤波器(1-6)；

所述支线智能终端(2)包括支线控制器(2-4)和与支线控制器(2-4)相接的支线以太网通信模块(2-5)，支线控制器(2-4)的输入端接有支线三相电流采集处理模块，支线控制器(2-4)的输出端接有支线跳闸执行模块(2-6)，所述支线三相电流采集处理模块包括依次连接的支线三相电流传变电路(2-1)、支线三相电流滤波器(2-2)和支线模数转换器(2-3)；

所述支线智能终端(2)的数量为多个；

步骤二、漏电信号的接收和分析处理：干线模数转换器(1-7)在干线控制器(1-8)的控制下，对经过滤波后的干线三相电流、电网电压和零序电压信号进行周期采样，并对每一采样周期内所采集的信号进行模数转换后输出给干线控制器(1-8)，干线控制器(1-8)对其接收到的干线三相电流、电网电压和零序电压信号进行分析处理后通过干线以太网通信模块(1-9)传输至主控保护模块(3)；支线模数转换器(2-3)在支线控制器(2-4)的控制下，对经过滤波后的支线三相电流信号进行周期采样，并对每一采样周期内所采集的信号进行模数转换后输出给支线控制器(2-4)，支线控制器(2-4)对其接收到的支线三相电流进行分析处理后通过支线以太网通信模块(2-5)传输至主控保护模块(3)；

步骤三、电网漏电与否的判断，过程如下：

步骤301、根据公式计算漏电电阻R_g，其中，ω为角频率，C_Σ为电网总的对地电容，L为零序电抗器补偿电感，U_L为主控保护模块(3)对接收到的电网电压分析处理得到的电网电压有效值，U₀为主控保护模块(3)对接收到的零序电压分析处理得到的零序电压有效值；

步骤302、判断电网是否漏电：首先，重复步骤301，计算出连续一个周期内的多个漏电电阻值R_g，然后，主控保护模块(3)将一个周期内的多个漏电电阻值R_g与设定的漏电动作电阻值R_dz进行比较，当连续一个周期内的多个漏电电阻值R_g均小于漏电动作电阻值R_dz时，判断为电网漏电发生，执行步骤四；否则，判断为未发生电网漏电，返回步骤二；

步骤四、电网干线漏电与否的判断，具体过程如下：

步骤401、根据i_k0＝i_ka+i_kb+i_kc，计算干线和支线的瞬时零序电流，其中，k＝0,1，2，……，M，M为支线个数，M≥2且M为正整数，当k＝0时，i₀₀＝i_0a+i_0b+i_0c为干线瞬时零序电流，i_0a、i_0b和i_0c分别为干线智能终端(1)采集处理的干线中各相电流值；当k为1～M时，i_k0为各支线的零序电流，i_ka、i_kb和i_kc分别为各支线的支线智能终端(2)采集处理的各支线中各相电流值；

步骤402、计算干线和支线的零序电流相量主控保护模块(3)采用最小二乘矩阵束算法计算干线和支线工频下零序电流的有效值I_k0和相位α_k0，得到干线和支线的零序电流相量

步骤403、根据公式计算零序电流的相量和的模值∑I_k0；

步骤404、判断电网干线是否漏电：主控保护模块(3)通过步骤403中∑I_k0的值，判断是电网干线漏电还是电网支线漏电，当∑I_k0≠0时，判断为电网干线发生漏电，执行步骤五；当∑I_k0＝0时，判断为电网支线发生漏电，执行步骤六；

步骤五、电网干线漏电保护及电网干线漏电结果输出：主控保护模块(3)通过干线以太网通信模块(1-9)传输跳闸命令给干线控制器(1-8)，干线控制器(1-8)控制干线跳闸执行模块(1-10)跳闸动作，切除电网干线漏电故障；同时，主控保护模块(3)通过液晶触摸屏(6)显示输出电网干线漏电结果的同时向上位机(8)传输电网干线漏电结果；

步骤六、电网漏电支线的辨识、结果输出及电网支线漏电保护：主控保护模块(3)获取支线智能终端(2)传输的数据，对步骤401中M个支线中支线三相漏电故障电流分别进行处理，各支线中的支线三相漏电故障电流的处理方法均相同；对任一支线中的支线三相漏电故障电流进行处理时，具体过程如下：

步骤601、计算支线三相附加状态电流和附加状态电流变量：首先，主控保护模块(3)根据公式计算支线三相附加状态电流Δi_ka(n)、Δi_kb(n)和Δi_kc(n)，其中，i_ka(n)、i_kb(n)和i_kc(n)为支线控制器(2-4)采样的第k条支线漏电后一个周期T上各采样时刻的三相电流，i_ka(n-N)、i_kb(n-N)和i_kc(n-N)为支线控制器(2-4)采样的第k条支线漏电故障前一个周期T上各采样时刻的三相电流，m＝1,2，……，N，N为一个周期T上的采样点数且N为正整数；然后，由支线三相附加状态电流Δi_ka(n)、Δi_kb(n)和Δi_kc(n)组成附加状态电流变量ΔI_k，ΔI_k＝[Δi_ka(n),Δi_kb(n),Δi_kc(n)]^T；

步骤602、计算漏电故障瞬时正序电流的实部根据公式得到漏电故障瞬时正序电流再取得瞬时正序电流的实部其中，s₁₂₀和s₂₄₀为移相因子，s₁₂₀＝e^j120°＝cos120°+jsin120°，s₂₄₀＝e^j240°＝cos240°+jsin240°；

步骤603、获取漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值主控保护模块(3)采用最小二乘矩阵束算法对步骤602中漏电故障瞬时正序电流的实部进行工频分量幅值的提取；

步骤604、M次重复步骤601，直至完成各个支线上漏电故障瞬时正序电流的实部的工频分量幅值提取的计算过程；

步骤605、电网漏电支线的辨识：主控保护模块(3)通过比较步骤604中各个支线上漏电故障瞬时正序电流的实部的工频分量幅值大小，选择出幅值最大的支线，则此支线为漏电故障支线；

步骤606、电网漏电支线结果同步输出：主控保护模块(3)根据步骤605中得到的结果向上位机(8)传输电网支线漏电结果并通过液晶触摸屏(6)同步输出；

步骤607、电网漏电支线漏电保护：主控保护模块(3)控制漏电故障瞬时正序电流的实部的工频分量幅值最大的支线中的支线智能终端(2)动作，并通过该支线智能终端(2)中的支线以太网通信模块(2-5)远程命令支线控制器(2-4)控制支线跳闸执行模块(2-6)跳闸动作，切除电网支线漏电故障。

2.按照权利要求1所述的基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法，其特征在于：步骤402中主控保护模块(3)通过最小二乘矩阵束算法计算干线和支线工频下零序电流的有效值I_k0和相位α_k0，以及步骤603中主控保护模块(3)通过最小二乘矩阵束算法计算漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值时，具体过程如下：

步骤I、构建有效矩阵束Y₂-λY₁，其中，

$Y_1={\left[\begin{array}{cccc}y\left(1\right)& y\left(2\right)& ...& y\left(L\right)\\ y\left(2\right)& y\left(3\right)& ...& y(L+1)\\ ...& ...& ...& ...\\ y(N-L)& y(N-L+1)& ...& y(N-1)\end{array}\right]}_{(N-L)\×L},$

$Y_2={\left[\begin{array}{cccc}y\left(2\right)& y\left(3\right)& ...& y(L+1)\\ y\left(3\right)& y\left(4\right)& ...& y(L+2)\\ ...& ...& ...& ...\\ y(N-L+1)& y(N-L+2)& ...& y\left(N\right)\end{array}\right]}_{(N-L)\×L},$

y(n)为信号观测值且L为束参数，L为正整数且f(n)为噪声信号，为实际有效信号中P个具有任意幅值、相位、频率和衰减因子的指数函数的线性组合形式，R_i为第i个信号的复幅值，D_i为第i个信号的信号衰减因子，ω_i为第i个信号的角频率，P为信号阶数，

步骤II、求解z_i：首先，根据矩阵束原理，z_i为有效矩阵束Y₂-λY₁的广义特征值；然后，对公式Y₂b_i＝z_iY₁b_i两边同时乘以Y₁ ⁺，得到(Y₁ ⁺Y₂-z_iI)b_i＝0，其中，b_i为z_i的广义特征向量，Y₁ ⁺为Y₁的伪逆矩阵；最后，通过主控保护模块(3)解出Y₁ ⁺Y₂的特征根得到z_i；

步骤III、根据最小二乘法解矩阵方程其中p'为z_i中非零特征值的个数，求得A_i为第i个信号的信号幅值；

步骤IV、确定各支路瞬时正序电流的实部中50Hz工频分量幅值

3.按照权利要求2所述的基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法，其特征在于：步骤402中干线和支线工频下零序电流的有效值I_k0和相位α_k0利用步骤I～步骤IV求得，步骤I中的y(n)为干线和支线的瞬时零序电流i_k0的观测值，求得主控保护模块(3)通过步骤IV找出50Hz的工频信号对应的幅值A_i和相位θ_i，得到干线和支线工频下零序电流的有效值I_k0和相位α_k0。

4.按照权利要求2所述的基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法，其特征在于：步骤603中漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值利用步骤I～步骤IV求得，步骤I中的y(n)为漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值的观测值，求得主控保护模块(3)找出步骤IV找出50Hz的工频信号对应的幅值A_i，得到漏电故障瞬时正序电流的实部的幅值

5.按照权利要求1所述的基于故障瞬时正序电流实部分量的矿井电网漏电辨识方法，其特征在于：步骤一中干线三相电流滤波器(1-2)、电网电压滤波器(1-4)、零序电压滤波器(1-6)和支线三相电流滤波器(2-2)均为RC低通滤波器。