一种基于数学形态学的配电网故障检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数学形态学的配电网故障检测方法，获取待检测配电网的波形数据，对零序电流数据进行数据预处理；通过数学形态学MM计算波形数据的形态梯度MG和闭开差CODO值；根据配电网正常运行状态下的波形特性设定阈值，若计算出的形态梯度MG和闭开差CODO值超过所设定的阈值，则判断为故障状态；然后根据低阻接地故障LIF和高阻接地故障HIF的故障电流瞬态信号的不同特性，若连续超过N

【技术实现步骤摘要】
一种基于数学形态学的配电网故障检测方法


[0001]本专利技术涉及电力系统
，尤其涉及一种基于数学形态学的配电网故障检测方法。

技术介绍

[0002]随着电力系统的高速发展，配电网的负荷日趋增大，用户对配电网的供电可靠性提出了更高的要求，配电网具有结构复杂、线路长、故障率高等特点，很容易受到风、树木倒塌、动物和不利的潮湿天气条件等因素的影响而发生故障。其中单相接地(Single Line
‑
to
‑
Ground,SLG)故障比重最大，约占80％。当故障发生时，快速准确的故障检测是进一步故障分类、定位和恢复的基础。
[0003]对于金属性或经较低过渡电阻的单相接地故障，称为低阻接地故障(Low Impedance Fault,LIF)，传统的继电保护装置可以快速检测并跳闸隔离，正动率可以达到90％以上。当导体经水泥、草地、树枝、沙子等高电阻率介质接地时，过渡电阻呈现明显的高阻态，称为高阻接地故障(High Impedance Fault,HIF)，HIF事件电流很微弱，根据故障点的介质不同，甚至不到正常电流的10％。因此，基于过流继电器、重合器和熔断器的传统保护方案难以检测到HIF事件。在配电网的单相故障中，约5％～10％以上的配电网故障属于HIF事件，由于很难检测到HIF事件，暴露的带电导体可能会导致火灾等事故甚至对公众造成危害，因此配电网发生故障时，快速准确的检测出故障对电力系统的安全运行至关重要。
[0004]对于LIF事件以及HIF事件的检测技术主要分为三类，分别为时域算法、频域算法以及时频域算法，其中包括基于多元统计的方法、谐波法、小波变换法、S变换法等。在实际配电网中，受非线性负荷和电力电子元件的影响，正常运行状态存在一定的谐波，同时故障类型十分广泛，故障特征在不同的运行状态和故障环境下存在很大的随机性和差异性。如一些故障波形中谐波含量很高，而有些故障谐波含量很低；一些故障发生伴有大量的负荷能量损失，而一些与树枝间歇性接触的故障其能量损失很小。因此上述现有检测方法中所提取的故障特征量变化范围较大，实际运行条件下难以保证故障检测的可靠性和安全性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于数学形态学的配电网故障检测方法，该方法具有较强的通用性，仅需配电网零序电流数据就可以通过较短的时间窗口实现配电网故障的准确检测，具有较高的检测精度和检测速度。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种基于数学形态学的配电网故障检测方法，所述方法包括：
[0008]步骤1、获取待检测配电网的波形数据，所述波形数据为零序电流数据，并对零序电流数据进行数据预处理；
[0009]步骤2、针对预处理后的波形数据，通过数学形态学MM计算波形数据的形态梯度MG和闭开差CODO值，以提取瞬态电流信号；
[0010]步骤3、根据配电网正常运行状态下的波形特性设定阈值，若步骤2所计算出的形态梯度MG和闭开差CODO值超过所设定的阈值，则判断为故障状态，反之判断为正常运行状态；
[0011]步骤4、然后根据低阻接地故障LIF和高阻接地故障HIF的故障电流瞬态信号的不同特性，若连续超过N
set
个时间窗均检测为故障状态，则判断为HIF事件，反之判断为LIF事件，实现配电网故障的快速准确检测。
[0012]由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，上述方法具有较强的通用性，仅需配电网零序电流数据就可以通过较短的时间窗口实现配电网故障的准确检测，具有较高的检测精度和检测速度，能够满足配电网的可靠性和安全性要求。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0014]图1为本专利技术实施例提供的基于数学形态学的配电网故障检测方法流程示意图；
[0015]图2为本专利技术实施例所述小波阈值去噪的流程示意图；
[0016]图3为根据本专利技术实施例的实际配电网某一高阻接地故障样本的波形图；
[0017]图4为图3波形图经数学形态学MM计算得到的CODO示意图和形态梯度示意图；
[0018]图5为根据本专利技术实施例的实际配电网某一低阻接地故障样本的波形图；
[0019]图6为图5的波形图经MM计算得到的CODO示意图和形态梯度示意图。
具体实施方式
[0020]下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本专利技术的限制。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0021]如图1所示为本专利技术实施例提供的基于数学形态学的配电网故障检测方法流程示意图，所述方法包括：
[0022]步骤1：获取待检测配电网的波形数据，所述波形数据为零序电流数据，并对零序电流数据进行数据预处理；
[0023]在该步骤中，具体可以利用待检测配电网中的波形测量装置来记录波形数据，采样频率为12800Hz，所述波形数据是零序电流波形数据。由于实际配电网运行状态复杂，因此需要对零序电流波形进行数据预处理，具体是先采用阈值去噪方法消除由于随机因素造成的噪声信号，然后对去噪后的波形进行归一化处理，以使该方法通用且适用于所有电压水平，具体过程为：
[0024]由于实际配电网中存在很多随机因素干扰，波形数据中存在大量的随机噪声，为了避免噪声对故障检测过程的干扰，首先通过小波阈值去噪方法对波形数据进行去噪处理；
[0025]小波阈值去噪的原理描述为：将零序电流波形数据x(n)进行小波分解，产生含有电流波形信息和噪声信息的小波系数，其中，噪声的小波系数要小于电流的小波系数，通过设置合适的阈值，大于阈值的小波系数被认为是电流信号产生的，予以保留；小于阈值的则认为是噪声产生的，置为零，从而达到去噪的目的，如图2所示为本专利技术实施例所述小波阈值去噪的流程示意图，具体包括如下步骤：
[0026](1)分解：选定一种层数为3的小波对零序电流波形数据x(n)进行小波分解；
[0027](2)阈值处理过程：设置合适的阈值，用阈值函数对各层系数进行量化；
[0028](3)重构：用处理后的系数重构去噪后的零序电流数据；
[0029]所述阈值函数选择硬阈值函数，表达式如下：
[0030][0031]其中，w
thr
表示阈值去噪后的小波系数；w为小波分解得到的小波系数；thr为设置的阈值，采用固定阈值(sqtwolog阈值)，即N为信号长度；
[0032]经过小波阈值去噪处理后得到去噪后的零序电流波形数据，记作x
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数学形态学的配电网故障检测方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、获取待检测配电网的波形数据，所述波形数据为零序电流数据，并对零序电流数据进行数据预处理；步骤2、针对预处理后的波形数据，通过数学形态学MM计算波形数据的形态梯度MG和闭开差CODO值，以提取瞬态电流信号；步骤3、根据配电网正常运行状态下的波形特性设定阈值，若步骤2所计算出的形态梯度MG和闭开差CODO值超过所设定的阈值，则判断为故障状态，反之判断为正常运行状态；步骤4、然后根据低阻接地故障LIF和高阻接地故障HIF的故障电流瞬态信号的不同特性，若连续超过N
set
个时间窗均检测为故障状态，则判断为HIF事件，反之判断为LIF事件，实现配电网故障的快速准确检测。2.根据权利要求1所述基于数学形态学的配电网故障检测方法，其特征在于，在步骤1中，对零序电流数据进行数据预处理的过程是先采用阈值去噪方法消除由于随机因素造成的噪声信号，然后对去噪后的波形进行归一化处理，具体过程为：首先通过小波阈值去噪方法对波形数据进行去噪处理，具体是将零序电流波形数据x(n)进行小波分解，产生含有电流波形信息和噪声信息的小波系数；其中，噪声的小波系数要小于电流的小波系数，通过设置合适的阈值，大于阈值的小波系数被认为是电流信号产生的，予以保留；小于阈值的则认为是噪声产生的，置为零，从而达到去噪的目的，具体包括如下步骤：(1)分解：选定一种层数为3的小波对零序电流波形数据x(n)进行小波分解；(2)阈值处理过程：设置合适的阈值，用阈值函数对各层系数进行量化；(3)重构：用处理后的系数重构去噪后的零序电流数据；所述阈值函数选择硬阈值函数，表达式如下：其中，w
thr
表示阈值去噪后的小波系数；w为小波分解得到的小波系数；thr为设置的阈值，采用固定阈值，即N为信号长度；经过小波阈值去噪处理后得到去噪后的零序电流波形数据，记作x
’
(n)；然后对去噪后的零序电流波形数据x
’
(n)进行归一化处理，将波形数据处理到[
‑
1,1]之间，使数据通用且适用于所有电压水平，归一化公式为：f＝(x'
‑
x'
mean
)/x'
max
‑
x'
min
其中，f表示归一化处理后的波形数据；x'为归一化处理前的去噪波形数据；x'
mean
、x'
max
、x'
min

【专利技术属性】
技术研发人员：刘灏，刘硕，毕天姝，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：