CN111257687A - 一种基于改进的meemd的单相接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于改进的MEEMD的单相接地故障选线方法，选取故障后两个工频周期的零序电流，通过改进的MEEMD对零序电流进行分解重构；对重构信号进行Hilbert变换，提取瞬时相位与瞬时幅值，利用瞬时相位与瞬时幅值计算瞬时相角与线路能量，然后判断相位角差的绝对值大小以及瞬时能量占比大小；当两个判据同时满足某条线路的故障条件时，则该线路为故障线路。本发明的方法拥有较高的自适应性，无需基函数的设置，对不同故障情况下的零序电流均有较好的适应性；本方法自带滤波除噪算法，更适用于实际单相接地故障的故障选线；本选线方法相较于MEEMD算法拥有更优的除噪效果、更优的频率划分效果以及更短的运行时间。

Description

一种基于改进的MEEMD的单相接地故障选线方法

技术领域

本发明涉及一种基于改进的MEEMD的单相接地故障选线方法， 特别是一种用于中性点经消弧线圈接地***单相接地故障的选线方 法，属于电力***故障选线技术领域。

背景技术

随着现代科技的发展，自动化采煤设备陆续被采用，矿井负荷进 一步加大，供电线路持续增多，并且矿井工作环境恶劣，噪声影响更 加明显，单相接地故障发生几率不断增高，目前已提出的五次谐波保 护法、零序电流有功分量保护法、首半波法、注入信号法等均不再适 用，因此对实际故障信号进行快速正确的故障选线具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供 一种基于改进的MEEMD的单相接地故障选线方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造本发明提供一 种基于改进的MEEMD的单相接地故障选线方法，目的是解决谐振接 地***单相接地故障选线准确度低、可靠性差的难题。该方法在不同 接地电阻、故障初相角、消弧线圈补偿度、故障位置等因素影响下均 能够快速进行正确选线，完全适用于中性点经消弧线圈接地的供配电 ***。

本发明的技术方案如下：

一种基于改进的MEEMD的单相接地故障选线方法，包括步骤：

当母线零序电压瞬时值大于整定值时，以10kHz的采样频率记录 各条线路故障发生后两个工频周期的零序电流；

利用CEEMD算法对各条线路故障发生后两个工频周期的零序电 流信号进行CEEMD分解，得到一系列由高频到低频的imf_n分量；

通过PE熵算法去除imf_n分量中的噪声分量，得到N个去噪后的imf_n分量；

对去噪后的imf₂至imf_N共N-1个分量进行累加重构得到重构信号；

对重构信号进行Hilbert变换，得到重构信号的瞬时相位与瞬时幅 值，通过瞬时相位计算瞬时相角，通过瞬时幅值计算能量；

对故障发生时刻各条线路的瞬时相角θ(t)做差并求绝对值，并对 各条线路的能量P求其在总线路能量中的能量占比，若存在一条线路 与其余线路的瞬时相角差的绝对值≥60°，并且该线路的能量占比≥ 0.5，则判断该线路为故障线路并输出线路编号；若每条线路与其余 线路的瞬时相角差的绝对值<60°，并且每条线路的能量占比均<0.5， 则判断为母线故障并输出母线编号；

判断瞬时相角选线结果与线路能量占比选线结果是否相同，若选 线结果相同则完成选线并输出故障线路编号或母线编号；若选线结果 不同，则对CEEMD分解过程中多添加10对高斯白噪声进行分解，重 复该过程3次，若某次瞬时相角选线结果与线路能量占比选线结果相 同则完成选线并输出故障线路编号或母线编号，否则统计两种判据选 线3次的结果并对每条线路或母线选择出来的次数进行概率统计，根 据概率最高的原则进行故障的判断并输出故障线路编号或母线编号， 完成选线。

其中，在对重构信号进行Hilbert变换，得到重构信号的瞬时相位 与瞬时幅值，通过瞬时相位计算瞬时相角，通过瞬时幅值计算能量的 步骤中，瞬时相角θ(t)和能量P的计算公式表示为：

其中，x(t)表示重构信号，

为重构信号的瞬时相位，A(t)为重 构信号的瞬时幅值。

其中，瞬时相角选线过程中，判断公式表示为：

其中，i,j,k,n表示不同的线路编号，i≠j≠k≠n；θ_n,θ_i,θ_j,θ_k表示 不同线路故障时刻的瞬时相角。

其中，线路能量占比选线过程中，判断公式表示为：

其中，P₁,P₂,P₃...P_m分别表示不同线路的能量；P_n表示测试线路的 能量。

本发明中的一种基于改进的MEEMD的单相接地故障选线方法 选取故障后两个工频周期的零序电流，通过改进的MEEMD对零序电 流进行分解重构；对重构信号进行Hilbert变换，提取瞬时相位与瞬时 幅值，利用瞬时相位与瞬时幅值计算瞬时相角与线路能量，然后判断 相位角差的绝对值大小以及瞬时能量占比大小；当两个判据同时满足 某条线路的故障条件时，则该线路为故障线路。本发明的方法拥有较 高的自适应性，无需基函数的设置，对不同故障情况下的零序电流均 有较好的适应性；本方法自带滤波除噪算法，更适用于实际单相接地 故障的故障选线；本选线方法相较于MEEMD算法拥有更优的除噪效 果、更优的频率划分效果以及更短的运行时间。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明中性点经消弧线圈接地的供电***仿真模型。

图2是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路1的零 序电流波形。

图3是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路2的零 序电流波形。

图4是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路3的零序 电流波形。

图5是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路4的零 序电流波形。

图6是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时各条线路 经过改进的MEEMD分解后的重构零序电流波形。

图7是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路1的重 构信号经过Hilbert变换得到的瞬时相位。

图8是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路2的重 构信号经过Hilbert变换得到的瞬时相位。

图9是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路3的重 构信号经过Hilbert变换得到的瞬时相位。

图10是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路4的 重构信号经过Hilbert变换得到的瞬时相位。

图11是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路1的 重构信号经过Hilbert变换得到的瞬时幅值。

图12是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路2的 重构信号经过Hilbert变换得到的瞬时幅值。

图13是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路3的 重构信号经过Hilbert变换得到的瞬时幅值。

图14是本发明具体实施例中线路4发生单相接地故障时线路4的 重构信号经过Hilbert变换得到的瞬时幅值。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现 对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明提供了一种基于改进的MEEMD的单相接地故障选线方 法，按照如下具体步骤进行实现：

(1)当母线零序电压瞬时值u₀(t)>整定值时，单相接地故障选线 算法启动并以10kHz的采样频率记录各条线路故障发生后两个工频 周期的零序电流i₀(t)；

(2)利用CEEMD算法对各条线路故障发生后两个工频周期的零 序电流信号i₀(t)进行CEEMD分解，得到一系列由高频到低频的imf_n分 量；

(3)通过PE熵算法去除imf_n噪声分量，得到N个新的imf_n分量；

(4)对imf₂至imf_N共N-1个分量进行累加重构得到重构信号x(t)， 可表示为：

上式中N为CEEMD分解得到的imf个数；n＝2表示CEEMD分解 得到的第二个imf分量；

(5)对重构信号x(t)进行Hilbert变换得到重构信号x(t)的瞬时相 位

与瞬时幅值A(t)，通过瞬时相位

计算瞬时相角θ(t)，通过瞬 时幅值A(t)计算线路能量P，可表示为：

上式中T表示发生故障后一个工频周期；t＝0表示故障发生时刻；

(6)计算各条线路故障发生时刻的相角差的绝对值，若存在一 条线路与其他线路相角差≥60°，则判定该线路为故障线路；否则判定 为母线故障，可表示为：

其中i,j,k,n表示不同的线路编号，i≠j≠k≠n，且i,j,k,n∈{1,2,3,4}； θ_n,θ_i,θ_j,θ_k表示不同线路故障时刻的瞬时相角；在本发明实施例中，设 定故障线路为4条。

计算各条线路的能量P₁,P₂,P₃,P₄，并判断各条线路的能量占比，若 存在一条线路的能量占比≥0.5，则判定该线路为故障线路，否则判定 为母线故障，可表示为：

上式中P₁,P₂,P₃,P₄分别表示四条不同线路的能量；P_n表示测试线路 的能量，其中n＝1,2,3,4；

(7)判断瞬时相角选线结果与线路能量占比选线结果是否相同， 若选线结果相同则完成选线并输出故障线路编号或母线编号；若选线 结果不同，则对CEEMD分解过程中多添加10对高斯白噪声进行分解， 重复该过程3次，若某次瞬时相角选线结果与线路能量占比选线结果 相同则完成选线并输出故障线路编号或母线编号，否则统计两种判据 选线3次的结果并对每条线路或母线选择出来的次数进行概率统计， 根据概率最高的原则进行故障的判断并输出故障线路编号或母线编 号，完成选线。

在具体实施时，根据实际供电***搭建仿真模型，通过在仿 真模型中设置不同的故障条件，得到各条仿真线路的零序电流信号， 模拟实际单相接地故障的零序电流信号。选取故障后两个工频周期的 零序电流，通过改进的MEEMD对零序电流进行分解重构；对重构信 号进行Hilbert变换，提取瞬时相位与瞬时幅值，利用瞬时相位与瞬时 幅值计算瞬时相角与线路能量，然后判断相位角差的绝对值大小以及 瞬时能量占比大小；当两个判据同时满足某条线路的故障条件时，则 该线路为故障线路；当两个判据同时满足母线故障条件时，则为母线 故障；若两个判据均不满足上述条件，则对CEEMD分解过程中多添 加10对高斯白噪声进行分解，重复该过程3次，若某次瞬时相角选线 结果与线路能量占比选线结果相同则完成选线并输出故障线路编号 或母线编号，否则统计两种判据选线3次的结果并对每条线路或母线 选择出来的次数进行概率统计，根据概率最高的原则进行故障的判断 并输出故障线路编号或母线编号，完成选线。

为叙述方便，本发明的具体实施例设定母线有4条出线。中性点 经消弧线圈接地的供电***发生单相接地故障时，利用上述发明方法 可以实现完善的单相接地故障选线，具体实施例过程如下所示。

附图1为中性点经消弧线圈接地的供电***仿真模型，AC Type 为35kV交流电源，T0为变压器，变比为35kV/6kV，采用△/Y型接法， 中性点经消弧线圈接地，采用过补偿方式，补偿度设定为5％，消弧 线圈损耗设定为3％；采样频率设定为10kHz，线路L4为单相接地故障 线路。

当母线零序电压瞬时值u₀(t)>整定值时，单相接地故障选线算法 启动，记录各馈线故障发生后两个工频周期的零序电流i₀(t)，如附图2、 图3、图4、图5所示。

对各条线路故障发生后两个工频周期的零序电流进行改进的 MEEMD分解并对imf₂至imf_N进行重构，去除噪声分量，重构结果如附 图6所示。

对重构信号进行Hilbert变换，得到瞬时相位

与瞬时幅值A(t)， 如附图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14所示。

通过瞬时相位

与瞬时幅值A(t)计算故障点处瞬时相角θ(t)以及线 路能量P，可表示为：

利用上述公式可得各条线路的瞬时相角θ(t)以及线路能量P；线 路1的瞬时相角θ(t)＝102.3248，线路能量P＝1.7331×10^-7；线路2的瞬时相 角θ(t)＝102.2779，线路能量P＝2.3115×10^-7；线路3的瞬时相角 θ(t)＝110.0237，线路能量P＝3.6541×10^-7；线路4的瞬时相角θ(t)＝-84.7483， 线路能量P＝41.286×10^-7；

计算各条线路故障发生时刻的相角差的绝对值，若存在一条线路 与其他线路相角差≥60°，则判定该线路为故障线路；否则判定为母线 故障，可表示为：

其中i,j,k,n表示不同的线路编号，i≠j≠k≠n，且i,j,k,n∈{1,2,3,4}； θ_n,θ_i,θ_j,θ_k表示不同线路故障时刻的瞬时相角；

计算各条线路的能量P₁,P₂,P₃,P₄，并判断各条线路的能量占比，若 存在一条线路的能量占比≥0.5，则判定该线路为故障线路，否则判定 为母线故障，可表示为：

上式中P₁,P₂,P₃,P₄分别表示四条不同线路的能量；P_n表示测试线路 的能量，其中n＝1,2,3,4；

根据瞬时相角差的绝对值以及线路能量可知选线结果，如图表1所示。

表1单相接地故障选线结果图表

表1中：R_g为接地点过渡电阻值；L为故障线路长度；L_f为故障 点距离母线的距离；θ为故障初相角。

选线结果与仿真设定的故障线路一致。

为验证在各种随机故障因素影响下该选线方法能否正确的选出 单相接地故障线路，随机在母线和线路L4上设置单相接地故障点，改 变各故障因素，对此选线方法进行验证。结果如图表2所示。

表2各种故障因素影响下的单相接地故障选线结果图表

由图表2可以看出，在各种随机故障因素影响下，无论是线路 还是母线发生单相接地故障，该选线方法均能够正确的选出故障线路。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局 限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而 不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离 本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这 些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于改进的MEEMD的单相接地故障选线方法，其特征在于，包括下列具体步骤：

当母线零序电压瞬时值大于整定值时，以10kHz的采样频率记录各条线路故障发生后两个工频周期的零序电流；

利用CEEMD算法对各条线路故障发生后两个工频周期的零序电流信号进行CEEMD分解，得到一系列由高频到低频的imf_n分量；

通过PE熵算法去除imf_n分量中的噪声分量，得到N个去噪后的imf_n分量；

对去噪后的imf₂至imf_N共N-1个分量进行累加重构得到重构信号；

对重构信号进行Hilbert变换，得到重构信号的瞬时相位与瞬时幅值，通过瞬时相位计算瞬时相角，通过瞬时幅值计算能量；

对故障发生时刻各条线路的瞬时相角θ(t)做差并求绝对值，并对各条线路的能量P求其在总线路能量中的能量占比，若存在一条线路与其余线路的瞬时相角差的绝对值≥60°，并且该线路的能量占比≥0.5，则判断该线路为故障线路并输出线路编号；若每条线路与其余线路的瞬时相角差的绝对值<60°，并且每条线路的能量占比均<0.5，则判断为母线故障并输出母线编号；

判断瞬时相角选线结果与线路能量占比选线结果是否相同，若选线结果相同则完成选线并输出故障线路编号或母线编号；若选线结果不同，则对CEEMD分解过程中多添加10对高斯白噪声进行分解，重复该过程3次，若某次瞬时相角选线结果与线路能量占比选线结果相同则完成选线并输出故障线路编号或母线编号，否则统计两种判据选线3次的结果并对每条线路或母线选择出来的次数进行概率统计，根据概率最高的原则进行故障的判断并输出故障线路编号或母线编号，完成选线。

2.根据权利要求1所述的基于改进的MEEMD的单相接地故障选线方法，其特征在于，在对重构信号进行Hilbert变换，得到重构信号的瞬时相位与瞬时幅值，通过瞬时相位计算瞬时相角，通过瞬时幅值计算能量的步骤中，瞬时相角θ(t)和能量P的计算公式表示为：

其中，x(t)表示重构信号，

为重构信号的瞬时相位，A(t)为重构信号的瞬时幅值。

3.根据权利要求1所述的基于改进的MEEMD的单相接地故障选线方法，其特征在于，瞬时相角选线过程中，判断公式表示为：

其中，i,j,k,n表示不同的线路编号，i≠j≠k≠n；θ_n,θ_i,θ_j,θ_k表示不同线路故障时刻的瞬时相角。

4.根据权利要求1所述的基于改进的MEEMD的单相接地故障选线方法，其特征在于，线路能量占比选线过程中，判断公式表示为：

其中，P₁,P₂,P₃...P_m分别表示不同线路的能量；P_n表示测试线路的能量。

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