一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法，在系统内各个馈出线路靠近母线端安装零序电流传感器，实时采集各条线路的零序电流，当零序电流信号超过阈值时，保存采样数据。对保存的数据，滤除行波信号，通过系统的固有振荡频率以及高频信号幅值满足指数衰减的规律快速获得极大值点、极小值点，选定三次样条插值函数系数的初始值，采用改进的EMD分解法，计算各条线路零序电流的IMF1即1阶模态函数。比较同一馈出线中各条线路的IMF1，满足IMF幅值绝对值最大，极性和其他线路相反的线路为故障线路。本发明专利技术通过改进了HHT变换中的EMD算法,减少计算量，进一步提高了故障检选速度。

A single phase to ground fault line selection method based on improved HHT

The invention discloses a single-phase grounding fault line selection method based on improved HHT, in the system each feeder line near the bus terminal installation of zero sequence current sensor, zero sequence current real-time acquisition of each line, when the zero sequence current signal exceeds a threshold value, sampling data saving. To save the data, filter the traveling wave signal, through the inherent oscillation frequency of the system and the high frequency signal amplitude meet the exponential attenuation law obtain maxima, minima, initially selected three spline interpolation function coefficient value, using the improved EMD decomposition method, the calculation of zero sequence current of each line IMF1 1 modes function. The IMF1 of each line in the same feeder line is compared to the maximum value of IMF amplitude, and the polarity is opposite to that of other lines. The invention improves the EMD algorithm in the HHT transform to reduce the calculation amount, and further improves the fault detection speed.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法。
技术介绍
根据国家煤矿安全规程规定，大中型矿山供电采用10KV、35KV和66KV电压等级，中性点经消弧线圈接地运行方式，简称小电流接地(谐振接地系统)供电网络。这种供电网络当发生单相接地、短路等故障时，消弧线圈的电感电流会补偿系统工作中的电容电流，使故障残余电流很小，抑制了电弧，不会引起开关跳闸，系统可以继续运行1～2h。但是当发生单相接地故障时，由于单相接地是非对称故障，非故障相对地电压是原来的倍，如果不能及时的切除故障线路，则可能进一步发展成两相短路接地故障，造成大面积停电等事故，严重影响煤矿的安全生产和人身安全。快速检选出故障线路并切除对保证煤矿安全生产和工人人身安全至关重要。随着大功率变频器和无功补偿装置的大量应用，矿山电网中含有各种谐波和杂散波形，发生单相接地故障时，本来就很小的故障信号如零序电流受到严重干扰，故障线路的检选更加困难。稳态量和暂态量是目前国内外主要研究的选线方法，利用稳态分量进行选线的方法有零序电流幅值比较法、零序电流相位比较法、群体比幅比相法等，这些方法获取故障信号时间长，实际应用中不能快速识别第一故障线路，经常出现误选和选错的问题。常用的暂态分量法有首半波法、能量法、小波分析法、行波法等。其中比较有效的小波分析法，尤其是多尺度小波分析方法具有瞬时频率分析特性，能够在二分之一个周期内发现故障线路，但是小波变换需要预先选定小波函数，且分析能力的好坏取决于基函数与阈值的选择，其自适应性不强，且运算过程较长，不利于现场应用。Hilbert-Huang变换法(HHT)，是继小波分析之后另一种处理暂态信号的时频分析法，其优点在于它能够根据自身函数特征选择基函数进行分解，能够真正分析瞬时频率。但现有HHT变换存在EMD经验模态分析时间长、端点效应等问题,无法克服现有谐振接地系统单相接地故障检选存在的速度慢和计算量大的问题。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是克服现有小电流接地系统故障选线方法的不足，提出一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法，它包括的步骤是：1)在每条馈出线路靠近母线端安装零序电流传感器，实时采集各条线路的零序电流，当零序电流信号超过阈值时，阈值为大于5倍的工作电流，保存采样数据；2)对保存的数据，滤除行波信号，通过系统的固有振荡频率以及高频信号幅值满足指数衰减的规律获得极大值点、极小值点，并以获得的极大值、极小值作为插值，求取三次样条插值函数的系数初始值，拟合出零序电流信号的包络线，再根据EMD分解法，计算同一馈出线中各条线路零序电流信号的IMF1，即1阶模态函数；3)根据HHT变换中EMD计算的第一模态函数和振荡频率波形对应，比较同一馈出线中各条线路的IMF1，将具备幅值绝对值最大，极性和其他线路相反的IMF1所在线路确定为故障线路。所述步骤2)中通过故障线路中的零序电流暂态方程：i：馈出线组别编号；n：相线条数，n＝3；根据零序电流经EMD分解出的第一阶模态函数IMF1对应高频振荡频率信号，由暂态方程第一、二项含有基准频率ω，第三项含有高频的固有振荡频率ωf，得出第一阶模态函数IMF1瞬时幅值、瞬时频率与暂态方程中的第三项相对应；根据第三项幅值满足指数衰减以及在每个周期内有一个极大值点和极小值点，利用每段为2Tf个周期内的极大值点和极小值点确定三次样条插值函数的系数初始值，拟合出零序电流信号的包络线，拟合段数为α＝T0/2Tf；其中，T0：零序电流信号采样时间；单位：秒Tf：是线路高频的固有振荡周期，id：故障相所在线路零序暂态接地电流；ICmi：同一馈出线路中各相线的电容电流之和幅值；ILm：负载不对称或中性点偏移时或故障时电路电感和消弧线圈的补偿电流幅值；ω：谐振接地系统中工作电流的基准频率50赫兹；故障相发生接地故障时的相正弦电压的相位；ωf：谐振接地系统的固有振荡频率；τc:电容回路时间常数；τL电感回路时间常数。所述EMD分解法具体为：I.将采样获得的原始的零序电流信号x(t)的局部极大值相连拟合成上包络线Ux(t),将局部极小值点相连拟合成原信号的下包络线Vx(t),求取平均值II.判断函数h1(t)＝x(t)-m1(t)是否满足IMF条件，如果不满足则用h1(t)替换x(t)，重复步骤I，直到h1(t)满足IMF的条件，即为原始信号的IMF1，将h1(t)看成第一个IMF分量c1(t)；III.基于分量c1(t)，定义对称估计函数τ为时间常数，然后构造解析信号：其幅值函数为：相位函数为：对相位角求导由原信号x(t)根据零序电流经EMD分解出的第一阶模态函数IMF1与高频振荡频率信号ωf相对应，忽略差值，原信号x(t)分解出的第一阶模态函数IMF1幅频模式表示为x(t)＝Rea1(t)ejΦ1(t)＝Rea1(t)ej∫ω1(t)dt＝Rea1(t)ej∫ωf(t)dt。所述步骤1)中采样速率90～110Ksa，并保存阈值前后0.05秒范围内采样数据。专利技术原理是：发生单相谐振接地时，故障线和非故障线相比较具有极性相反、幅值最大的特点。系统固有振荡频率由谐振接地系统内线路电阻、电感、电容和消弧线圈的参数决定，是50赫兹工频的40～100倍，因此具有很高的振荡频率，采样几个周期只需很短的时间，因此利用公式第三项检选。更容易用于故障线路检选的判断，具有准确度高、速度快的特点。在对具有处理暂态信号进行时频分析的HHT变换进行了深入分析，零序电流经EMD分解出的第一阶模态函数与高频振荡频率信号相对应，且这个模态函数在时域上的周期即高频振荡周期。也就是说，故障相的零序电流通过HHT变换得到的第一阶模态函数即是从故障线路中的零序电流暂态方程第三项的幅值和频率对应。换言之，故障线路中信号经过EMD分解后的IMF分量经进一步的时频分析获得的瞬时幅值ai(t)和瞬时频率ωi(t)形成的复数的实部与故障线路中的零序电流暂态方程第三项中的幅值和频率对应。根据零序电流经EMD分解出的第一阶模态函数IMF1与包含有第三项中的幅值和高频的固有振荡频率ωf相对应，利用此特性，将具备幅值绝对值最大，极性和其他线路相反的IMF1所在线路确定为故障线路。如此大大简化了HHT算法，克服了进行多阶的变换所致的运算量大和所用时间长的缺点。期间，为使插值函数的系数初始值快速求取，利用固有振荡频率ωf的高频信号具有的周期性以及单调快速衰减的指数函数，可直接确定极大值和极小值，代入三次样条插值函数系数矩阵，可直接快速确定系数初始值，有效避免现有的每次拟合前对系数初始值任意设定，拟合样本数据个数以及次数没有明确限定，如此，优化了HHT算法，进一步提高了原有算法计算量太大，占用时间长的突出缺点。本专利技术从模态函数选取以及三次样条插值函数的系数初始值求取方式上优化了HHT算法，克服现有谐振接地系统单相接地故障检选时存在速度慢和计算量大的问题，满足故障快速检选的生产需要。附图说明图1为本专利技术流程示意图；图2为非故障相零序电流波形示意图；图3为故障相零序电流波形示意图；图4为非故障线路经改进HHT计算后的得到的IMF1波形示意图；图5为故障线路零序电流经改进H本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法，其特征是，它包括的步骤是：1)在每条馈出线路靠近母线端安装零序电流传感器，实时采集各条线路的零序电流，当零序电流信号超过阈值时，阈值为大于5倍的工作电流，保存采样数据；2)对保存的数据，滤除行波信号，通过系统的固有振荡频率以及高频信号幅值满足指数衰减的规律获得极大值点、极小值点，并以获得的极大值、极小值作为插值，求取三次样条插值函数的系数初始值，拟合出零序电流信号的包络线，再根据EMD分解法，计算同一馈出线中各条线路零序电流信号的IMF1，即1阶模态函数；3)根据HHT变换中EMD计算的第一模态函数和振荡频率波形对应，比较同一馈出线中各条线路的IMF1，将具备幅值绝对值最大，极性和其他线路相反的IMF1所在线路确定为故障线路。

【技术特征摘要】
1.一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法，其特征是，它包括的步骤是：1)在每条馈出线路靠近母线端安装零序电流传感器，实时采集各条线路的零序电流，当零序电流信号超过阈值时，阈值为大于5倍的工作电流，保存采样数据；2)对保存的数据，滤除行波信号，通过系统的固有振荡频率以及高频信号幅值满足指数衰减的规律获得极大值点、极小值点，并以获得的极大值、极小值作为插值，求取三次样条插值函数的系数初始值，拟合出零序电流信号的包络线，再根据EMD分解法，计算同一馈出线中各条线路零序电流信号的IMF1，即1阶模态函数；3)根据HHT变换中EMD计算的第一模态函数和振荡频率波形对应，比较同一馈出线中各条线路的IMF1，将具备幅值绝对值最大，极性和其他线路相反的IMF1所在线路确定为故障线路。2.如权利要求1所述一种基于改进HHT的单相接地故障选线方法，其特征是，所述步骤2)中通过故障线路中的零序电流暂态方程：id=(Σi=1n-12ICmi-ILm)cos(ωt+φ)+Σi=1n-12ICmi(ωfωsinφsinωt)e-tτC-Σi=1n-12ICmi(cosφcosωft)e-tτC+ILmcosφe-tτL]]>i：馈出线组别编号；n：相线条数，n＝3；根据零序电流经EMD分解出的第一阶模态函数IMF1对应高频振荡频率信号，由暂态方程第一、二项含有基准频率ω，第三项含有高频的固有振荡频率ωf，得出第一阶模态函数IMF1瞬时幅值、瞬时频率与暂态方程中的第三项相对应；根据第三项幅值满足指数衰减以及在每个周期内有一个极大值点和极小值点，利用每段为2Tf个周期内的极大值点和极小值点确定三次样条插值函数的系...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文宏，亓学广，郭斌，费立伟，
申请(专利权)人：山东科技大学，泰安华讯电气有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37