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自適應S變換在故障測距的應用研究
2016年微型機與應用第23期
張志禹,,趙良辰,,滿蔚仕
西安理工大學, 陜西 西安 710048
摘要: S變換因其優(yōu)良的時頻特性而在故障定位方面獲得了廣泛的應用,,但由于S變換計算時采用等間隔采樣頻率點,因而計算量較大,,且存在運算速度和測距精度之間的矛盾,,即為了提高測距精度必須提高采樣頻率,但提高采樣頻率就會降低算法的運算速度,,降低了實時性,。為此文章提出了一種自適應于測距信號的S變換,該算法針對信號的特定成分進行時頻分析,,在提高測距精度的基礎上,,減少了算法運算量,保證了系統(tǒng)的實時性,。并對包含噪聲情況下該方法的準確度進行了分析驗證,。實驗結果證明,自適應S變換在保證系統(tǒng)實時性的前提下能夠有效提高測距精度,。
Abstract:
Key words :

  張志禹,,趙良辰,滿蔚仕

  (西安理工大學, 陜西 西安 710048)

       摘要:S變換因其優(yōu)良的時頻特性而在故障定位方面獲得了廣泛的應用,,但由于S變換計算時采用等間隔采樣頻率點,,因而計算量較大,且存在運算速度和測距精度之間的矛盾,,即為了提高測距精度必須提高采樣頻率,,但提高采樣頻率就會降低算法的運算速度,降低了實時性,。為此文章提出了一種自適應于測距信號的S變換,,該算法針對信號的特定成分進行時頻分析,在提高測距精度的基礎上,,減少了算法運算量,,保證了系統(tǒng)的實時性。并對包含噪聲情況下該方法的準確度進行了分析驗證,。實驗結果證明,自適應S變換在保證系統(tǒng)實時性的前提下能夠有效提高測距精度,。

  關鍵詞:行波測距,;自適應;采樣頻率;精度

  中圖分類號:TM 771文獻標識碼:ADOI: 10.19358/j.issn.16747720.2016.23.002

  引用格式:張志禹,,趙良辰,,滿蔚仕. 自適應S變換在故障測距的應用研究[J].微型機與應用,2016,35(23):9-11,,14.

0引言

  我國配電網(wǎng)中普遍采用小電流接地系統(tǒng)[1],,單相接地故障發(fā)生后,由于小電流系統(tǒng)不構成短路回路,,系統(tǒng)可在故障發(fā)生后繼續(xù)運行1~2 h,。因此,采用小電流接地方式對供電可靠性有顯著作用,。但在故障狀態(tài)下長時間運行,,出現(xiàn)的過電壓(特別是弧光過電壓),可能引起絕緣的薄弱環(huán)節(jié)被擊穿,,發(fā)展成為相間短路,,使事故擴大,影響用戶的正常用電,。還可能使電壓互感器鐵心嚴重飽和,,導致電壓互感器嚴重過負荷而燒毀,威脅電網(wǎng)的安全運行[2],。因此,,如何能夠快速準確地定位單相接地故障發(fā)生位置,對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要意義,。

  由于S變換優(yōu)良的時頻特性,,利用S變換的行波測距法已經(jīng)成為故障定位的主要方法。而利用S變換的故障定位,,通常是利用S變換的模時頻矩陣其中的某一頻率下的幅值時間曲線,,實際上其余頻率點并未使用。由于S變換對所有頻率點都要進行運算,,當信號采樣頻率提高時,,采樣點數(shù)增加,S變換時間也大大增加,,影響了故障測距的實時性,。故本文提出了自適應S變換,只計算故障信號特定頻率點下的S變換結果,,大大減少了需要處理的數(shù)據(jù)量,,節(jié)約了運算時間。

1采樣頻率對誤差的影響

  由D型行波測距法故障距離計算公式dmf=12(L+(tm-tn)v)可知,,D型行波測距法誤差為:

  QQ圖片20161230191035.png

  式中,,L為線路總長度,,fs為采樣頻率,d為實際故障距離,,v為行波波速,。

  由上式可以得到D型行波測距法測距精度為v/2f。當采樣頻率為100 kHz時,,設波速近似為光速3×108 m/s,,測距精度為1.5 km。實際工程中,,1.5 km的測距精度能夠較好地滿足遠距離輸電線路的故障測距需求,,但對于短距離配電線路,則要求更高的測距精度,。當采樣頻率提高時,,測距精度也將提高,但同樣的,,S變換的計算量也將大幅度提高,。對于低壓配電線路,采樣頻率宜在10~20 MHz之間[3],。

  當采樣頻率為100 kHz時,,仿真時間設置為0.1 s,即采樣點數(shù)為10 000個時,,S變換計算的頻率點為5 000個,;而當采樣頻率提高到10 MHz時,采樣點數(shù)為1.0×106個,,所需計算的頻率點數(shù)為5.0×105個,,需要計算的數(shù)據(jù)量甚至已經(jīng)超出了MATLAB的存儲空間大小,計算時間過久,,無法滿足實時處理的需求,。

  因此,本文提出采用自適應S變換,,簡化運算過程,,在提高測距精度的基礎上,保證算法實時性,。

2自適應S變換

  2.1S變換基本原理

  信號的S變換定義[4-7]如下:

  QQ圖片20161230191038.png

  式中,,ω(τ-t,f)為高斯窗口,f為頻率,,τ為控制高斯窗口關于時間軸t的位置參數(shù),。由式(2)可以看出,不同于短時傅氏變換,,S 變換的高斯窗口寬度及高度隨頻率變化而變化,,從而克服了短時傅氏變換窗口寬度,、高度固定不變的缺陷。

  通過S逆變換,,可以由S(τ,f)很好地重構x(t),其逆變換公式如下:

  QQ圖片20161230191041.png

  設信號x(kT),k=0,1,2,…,N-1是對連續(xù)時間信號x(t)采樣得來的離散時間序列,,T是采樣間隔,,N是采樣點數(shù)。該序列的離散傅里葉變換為:

  QQ圖片20161230191044.png

  2.2自適應S變換原理

  自適應S變換實際上是利用預先確定好的信號中的有效頻率成分作為S變換的輸入,,代替了S變換原本遍歷性的頻域迭代計算方式,。對于應用了S變換的行波測距法來說,通常是首先從S變換模時頻矩陣中提取特征向量,,然后再利用這些參數(shù)進行波頭識別以及故障定位,。其中所提取的特征向量一般是S模時頻矩陣特定頻率下的時間幅值分量。因此如果能只針對特定頻率點進行S變換,,就可以大大減少工作量,。其離散形式[8-9]的表達式為:

  QQ圖片20161230191048.png

  式中,nd為用來識別行波波頭的時間幅值分量所處的頻率點,。其確定的主要依據(jù)是S變換后能清楚識別故障行波波頭,,使其不被噪聲淹沒。自適應S變換計算流程如下:

  (1)利用FFT計算故障行波信號的離散傅里葉變換X(k),;

  (2)確定X(k)的頻率點nd,;

  (3)計算對應于頻率點nd的高斯窗函數(shù)G(nd,k);

  (4)將X(k)移位至X(k+nd),對X(k+nd)進行加窗處理,,也就是將X(k+nd),、G(nd,k)相乘,得到X(nd,k),;

  (5)求B(nd,k)反傅里葉變換,,得到對應于頻率點nd的S變換結果。

  由于頻率點的選擇方法,,當噪聲大小以及故障點過渡電阻等條件發(fā)生改變時,,可能無法得到可以清楚識別波頭的時間幅值曲線。因此本文提出一種采用自適應的辦法解決該問題,,確定自適應S變換頻率點,。

  主要原理是一個循環(huán)過程。實驗發(fā)現(xiàn),,相差1 kHz以下的頻率點,,分別進行行波測距,所得到的測距結果幾乎相同,。因此本文以最高頻率的40%頻率點為基準,,以1 kHz為步長,,當所選的頻率點S變換結果,行波波頭被噪聲淹沒而無法識別波頭時,,降低所選頻率,,再次進行S變換,直至可以識別出行波波頭為止,;當S變換結果能夠識別波頭時,,判定波頭幅值是否高于噪聲平均幅值的50%。當波頭幅值高于噪聲平均幅值50%時,,可以認為波頭能夠被清楚地識別,,如果不高于,則應提高頻率,,直至能夠清楚地識別行波波頭,。該算法經(jīng)過3~4個頻率點的S變換即可得到最優(yōu)的頻率點,與傳統(tǒng)S變換需要在106個頻率點處進行S變換相比,,計算量大大減少,。

  該方法流程圖如圖1。

圖像 001.png

3自適應S變換的模型仿真驗證

  模型參數(shù)為:線路電壓等級為110 kV,,頻率50 Hz,。采樣頻率為10 MHz,仿真時長為0.1 s,。線路全長132 km,,故障點距離N端25 km。

  線路結構參數(shù)為:QQ圖片20161230191051.pngQQ圖片20161230191302.pngQQ圖片20161230191305.png

  將實際線路參數(shù)代入波速計算公式QQ圖片20161230191058.png可以計算得到波速約為2.981 13×105 km/s,。

  故障于0.035 s發(fā)生,,M端監(jiān)測點測得的三相電壓如圖2所示,可以看出故障發(fā)生后,,故障相相電壓明顯降低,。

圖像 002.png

  經(jīng)Clarke變換后,得到的α模分量如圖3,。

圖像 003.png

  由圖3可以看出,,波形共包括1 000 000個采樣點,如進行完全S變換,,則需在500 000個頻率點處進行S變換,,計算量巨大,運算時間過長,。由于高斯白噪聲的存在,,如果選取過高頻率分量進行行波測距將導致信噪比過低,噪聲影響加劇,,無法識別行波波頭,;如果頻率分量選取過低,,則由于S變換窗函數(shù)寬度較寬,無法準確地獲得初始行波波頭達到時刻,,導致最終測距結果誤差變大,,準確率下降。因此,,在S變換結果最高頻率為5 MHz的情況下,,選取自適應S變換的頻率點為2 MHz。得到的S變換結果如圖4,。

圖像 004.png

  由圖4可以看出,選擇初始頻率點即可準確定位故障點,,波頭到達的時刻分別為352 854,、350 841。根據(jù)雙端行波測距公式,取行波波速為計算波速2.981 13×105 km/s,最終測距結果為24.995 km,,誤差5 m,。

  但當系統(tǒng)所含噪聲增大時,選擇初始頻率點未必就能準確定位故障位置,。圖5為系統(tǒng)噪聲為70 dBW時,,S變換結果中2 MHz頻率分量。

圖像 005.png

  其中,,M端觀測到的最大值為2 817,,出現(xiàn)在721 762時刻處。此時M端無法觀測到明顯的波頭,,最大值均未高出噪聲平均幅值50%,。

  因此,以1 kHz為步長,,減小所選頻率,。當選擇頻率為1.5 MHz時,所得分量如圖6,。

圖像 006.png

  M,、N兩端,均可觀測到明顯的波頭,,所得波頭到達時刻分別為352 853,、350 841。根據(jù)雙端行波測距公式,取行波波速為計算波速2.981 13×105 km/s,得到最終的測距結果為25.01 km,,誤差為10 m,。

  下面將自適應S變換和S變換在不同區(qū)段上的故障

  測距結果進行比較。故障類型為A相接地故障,,過渡電阻20 Ω,,線路中包含60 dBW的噪聲,。其中,自適應S變換采樣頻率為10 MHz,,S變換采樣頻率為100 kHz,。測距結果如表1、表2所示,。

圖像 007.png

圖像 008.png

  可以看出,,采用了自適應S變換的故障測距算法,在保證系統(tǒng)實時性的基礎上,,可以通過提高采樣頻率,,減少測距誤差,在準確度與實時性上較傳統(tǒng)S變換算法都具有很大優(yōu)勢,。

4結論

  本文在S變換的基礎上,,提出了將自適應S變換與故障定位結合的新方法,能夠大大減少所需的存儲空間以及計算量,,大幅度提高采樣頻率,,提高了定位的準確度,同時對含噪情況下該方法的可靠性加以驗證,。盡管仿真結果比較令人滿意,,但應當注意的是實驗只是在理論基礎以及理想的模型上進行的,實際應用效果有待進一步考證,。

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