一种运用EMD和LLE的单相接地故障检测系统及方法技术方案

一种运用EMD和LLE的单相接地故障检测系统及方法，系统包括：零序电流互感器、滤波单元、特征提取单元和故障诊断单元；零序电流互感器设置在配电网络各条馈线处，用于采集配电网各条馈线零序电流；滤波单元用于基于经验模态分解构造低通滤波器，对由各条馈线零序电流构成的原始数据集实施滤波，获得低频特征数据集；特征提取单元用于在低频特征数据集的基础上，使用局部线性嵌入法实施特征提取，获得一维特征数据集；故障诊断单元用于计算一维特征数据集的方差系数，并以方差系数跃变状态作为判据，判断是否发生单相接地故障。本发明专利技术可以实现在兼顾稳定性的前提下进行灵敏识别，快速准确的判断系统是否发生永久性高阻接地故障。准确的判断系统是否发生永久性高阻接地故障。准确的判断系统是否发生永久性高阻接地故障。

【技术实现步骤摘要】
一种运用EMD和LLE的单相接地故障检测系统及方法


[0001]本专利技术属于配电网继电保护
，具体涉及一种运用经验模态分解和局部线性嵌入法的单相接地故障检测系统及方法。

技术介绍

[0002]我国大多数配电网均采用中性点不直接接地系统（NUGS），即小接地电流系统，它包括中性点不接地系统（NUS），中性点经消弧线圈接地系统（NES，也称谐振接地系统），中性点经电阻接地系统（NRS）。小接地电流系统发生最多的是单相接地故障，所以如何快速准确地检测出故障线路一直是电力系统继电保护的重要研究内容。
[0003]现有技术中，中性点经消弧线圈接地的配网系统发生单相接地故障，故障电流较小，零序阻抗较大，难以利用过流保护手段进行识别，因此中性点经消弧线圈接地的配网系统通常配置选线装置进行故障馈线的识别。
[0004]现有技术文件1（CN107167692B）公开了一种消弧线圈接地系统故障选线装置和方法。以现有技术文件1为代表的选线装置的选线准确率有两个，装置的选线准确率以及真实选线准确率。随着基于暂态量以及行波等特征量的选线方法的提出，装置选线准确率已有明显提高。其不足之处在于，真实选线准确率仍然较低，一个最主要的原因在于系统发生永久性单相高阻接地故障时，选线装置难以正常启动。
[0005]现有技术文件2（CN109669103A）公开了一种真型配电网多态复杂故障模拟试验平台和试验方法。以现有技术2为代表的技术方案表明，配电网发生的单相接地故障具有多态复杂的特性，多态指故障类型有单相未断线接地故障，断线后电源侧接地故障和断线后负荷侧接地故障；复杂指的是接地点的介质形态，包括土壤、沙石、草地、水泥等均可能呈现高阻特征，且常伴随弧光现象。故障信号幅值低且可能存在电弧引起的非线性畸变，使得相关特征的波动性较大，阈值难以整定。降低动作阈值可提高故障检测灵敏性，但可能会发生故障误判，而提高动作阈值则会丧失可靠性。
[0006]现有技术中，选线装置的常用启动判据有2个，一个是零序电压超过相电压的15%，另一个是零序电流突变量大于1A，此判据为避免选线装置误启动而将阈值设置较高，而高阻接地故障的零序电压常集中于相电压4~6%附近，零序电流突变量也可能达不到启动阈值，因此本申请的申请人认识到，目前制约真实选线准确率进一步提升的重要原因在于难以实现在兼顾稳定性前提下的对永久性故障的灵敏识别，快速准确的判断系统是否发生永久性高阻接地故障是保护系统安全的亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于，提供一种运用EMD和LLE的单相接地故障检测系统及方法，利用经验模态分解对原始数据集进行滤波得到低频特征数据集；运用局部线性嵌入法对低频特征数据集进行特征提取得到一维特征数据集；对一维特征数据集以周期为单位求取方差系数，通过方差系数的跃变状态来判断是否发生接地故障；可以实现在兼顾稳定性的前提
下进行灵敏识别，快速准确的判断系统是否发生永久性高阻接地故障。
[0008]本专利技术采用如下的技术方案。本专利技术的第一方面提供了一种运用EMD和LLE的单相接地故障检测系统，包括：零序电流互感器、滤波单元、特征提取单元和故障诊断单元，零序电流互感器设置在配电网络各条馈线处，用于采集配电网各条馈线零序电流；滤波单元用于基于经验模态分解构造低通滤波器，对由各条馈线零序电流构成的原始数据集实施滤波，获得低频特征数据集；特征提取单元用于在低频特征数据集的基础上，使用局部线性嵌入法实施特征提取，获得一维特征数据集；故障诊断单元用于计算一维特征数据集的方差系数，并以方差系数跃变状态作为判据，判断是否发生单相接地故障。
[0009]本专利技术的第二方面提供了一种使用所述的单相接地故障检测系统的单相接地故障检测方法，所述方法包括步骤：步骤S1，通过零序电流互感器采集配电网各条馈线零序电流；步骤S2，以步骤S1获得的各条馈线零序电流为原始数据集，基于经验模态分解构造低通滤波器，使用低通滤波器对原始数据集进行滤波处理，获得低频特征数据集；步骤S3，以步骤S2获得的低频特征数据集，使用局部线性嵌入法实施特征提取，获得一维特征数据集；步骤S4，以步骤S3获得的一维特征数据集，按照以周期为单位求取方差系数；步骤S5，以步骤S4获得的方差系数的跃变状态作为判据，通过判断方差系数的跃变状态来判断是否发生接地故障。
[0010]优选地，步骤S2包括：步骤S2
‑
1，运用经验模态分解对零序电流进行分解得到多个频率不同的窄带分量；步骤S2
‑
2，对进行快速傅里叶变换求取特征频谱；步骤S2
‑
3，仅保留频率在设定范围之内的，作为低频窄带分量，低频窄带分量组合构成特征数据集。
[0011]优选地，步骤S2
‑
1中，以如下公式表示经验模态分解对零序电流进行分解，
[0012]式中：表示零序电流，表示时间；表示窄带分量的个数；为个窄带分量之和；为残余信号。
[0013]优选地，步骤S2
‑
2中，以如下公式表示快速傅里叶变换求取特征频谱，
[0014]式中：
表示的快速傅里叶变换结果，表示采样点数，表示采样点序号；表示在采样点序号为处的采样值，表示自然常数，表示虚数单位。
[0015]优选地，步骤S3包括：步骤S3
‑
1，假设特征数据集有m个V维样本，计算每个样本的临近点，其中表示步骤2获得的低频窄带分量个数；步骤S3
‑
2，利用均方差构建特征数据集的损失函数，以如下公式表示：
[0016]式中：表示损失函数，表示特征数据集中第个样本；表示样本i的k个临近点集合，为权重系数；步骤S3
‑
3，利用已知的高维的特征数据集求取各元素对应的权重系数；步骤S3
‑
4，假设V维样本集在一维对应投影为，则目标损失函数：
[0017]步骤S3
‑
5，利用与高维特征数据相同的权重系数求取对应的一维数据，引入约束条件计算得到一维特征数据集。
[0018]优选地，步骤S3
‑
1中，计算样本的临近点采用K临近算法，K临近算法预先设定样本的临近点个数k，然后测定所有数据与样本的欧氏距离后并排序，筛选出其中距离样本距离最近的k个数据点作为与样本的临近点。
[0019]优选地，步骤S3
‑
5中，引入约束条件：
[0020]将目标损失函数矩阵化，改写为：
[0021]其中，为迹函数；该目标损失函数的解即为一维特征数据集；表示利用与高维特征数据相同的权重系数求取对应的一维数据，为由构成的矩阵，，W表示权重系数构成的矩阵。
[0022]优选地，步骤S4中，对提取出的一维特征数据集以周期为单位求取方差系数，对特征数据集求每一周波的方差系数，以如下公式表示：
[0023]式中：为单周波数据个数，为数据的平均值，为每一周波内特征数据集内第个
数据。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种运用EMD和LLE的单相接地故障检测系统，包括：零序电流互感器、滤波单元、特征提取单元和故障诊断单元，其特征在于：零序电流互感器设置在配电网络各条馈线处，用于采集配电网各条馈线零序电流；滤波单元用于基于经验模态分解构造低通滤波器，对由各条馈线零序电流构成的原始数据集实施滤波，获得低频特征数据集；特征提取单元用于在低频特征数据集的基础上，使用局部线性嵌入法实施特征提取，获得一维特征数据集；故障诊断单元用于计算一维特征数据集的方差系数，并以方差系数跃变状态作为判据，判断是否发生单相接地故障。2.一种使用如权利要求1所述的单相接地故障检测系统的单相接地故障检测方法，其特征在于，所述方法包括步骤：步骤S1，通过零序电流互感器采集配电网各条馈线零序电流；步骤S2，以步骤S1获得的各条馈线零序电流为原始数据集，基于经验模态分解构造低通滤波器，使用低通滤波器对原始数据集进行滤波处理，获得低频特征数据集；步骤S3，以步骤S2获得的低频特征数据集，使用局部线性嵌入法实施特征提取，获得一维特征数据集；步骤S4，以步骤S3获得的一维特征数据集，按照以周期为单位求取方差系数；步骤S5，以步骤S4获得的方差系数的跃变状态作为判据，通过判断方差系数的跃变状态来判断是否发生接地故障。3.如权利要求2所述的单相接地故障检测方法，其特征在于：步骤S2包括：步骤S2
‑
1，运用经验模态分解对零序电流进行分解得到多个频率不同的窄带分量；步骤S2
‑
2，对进行快速傅里叶变换求取特征频谱；步骤S2
‑
3，仅保留频率在设定范围之内的，作为低频窄带分量，低频窄带分量组合构成特征数据集。4.如权利要求3所述的单相接地故障检测方法，其特征在于：步骤S2
‑
1中，以如下公式表示经验模态分解对零序电流进行分解，式中：表示零序电流，表示时间；表示窄带分量的个数；为个窄带分量之和；为残余信号。5.如权利要求4所述的单相接地故障检测方法，其特征在于：步骤S2
‑
2中，以如下公式表示快速傅里叶变换求取特征频谱，式中：
表示的快速傅里...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冠华，陈浩然，李辉，韩洪刚，李斌，刘一涛，杜砚，李胜川，栗罡，刘志宇，宋云东，杨璐羽，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：