基于小波包和動態(tài)中心點的單相接地故障類型分類

摘 要：對配電網(wǎng)單相接地故障類型進行分類有利于電網(wǎng)故障的診斷。采用小波包技術(shù)分析線路零序電流，利用信號重構(gòu)的系數(shù)建立故障特征向量，通過特征向量間的距離計算和距離閾值的設(shè)定，提出一種動態(tài)中心點分類方法，實現(xiàn)單相接地故障類型的分類，最后通過仿真驗證該分類方法的可行性和準確性。

關(guān)鍵詞：單相接地故障 小波包 動態(tài)中心點 特征提取 分類

中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）011-107-02

1 引言

我國配電網(wǎng)廣泛采用中性點非有效接地方式，又稱小電流接地方式。小電流接地系統(tǒng)中，單相接地故障的發(fā)生率高，故障發(fā)生原因呈多樣化。當線路發(fā)生單相接地故障后，非故障相電壓升高倍，將危及系統(tǒng)絕緣。這就需要快速定位故障點，及時識別故障類型，以提高線路維護效率。

目前，針對配電網(wǎng)接地故障，主要研究故障點的定位，而對故障類型的研究甚少。文獻[1]、[2]采用相平面和統(tǒng)計方法進行故障類型識別，但容易受噪聲的干擾。文獻[3]對信號進行小波包系數(shù)的分解，通過比較模極大值推斷故障類型，但能判斷的故障類型有限。因此，在線路發(fā)生單相接地故障時，如何設(shè)計一種通用的故障類型分類方法是一個值得研究的課題。

本文提出一種通過使用小波包分解頻帶信號重構(gòu)的系數(shù)表征故障特征，比較中心點距離之和確定故障類型的分類方法。通過實驗數(shù)據(jù)分析，驗證了該方法能正確將故障類型分類。

2 小波包分析及信號特征提取

2.1 小波包分析

小波包分析是對小波分析的一種改進，它進一步分解在小波多分辨分析中沒有分解的高頻部分，并且能夠根據(jù)信號的特征，選擇相應(yīng)的頻帶，使之與信號頻譜相匹配，提高了時-頻分辨率。因此，小波包分析能夠為信號提供更加精細的分析方法。

小波包分析主要實現(xiàn)對各級信號進行高通和低通濾波。分解信號時，根據(jù)尺度大小，首先對原始信號分解得到一個低頻系數(shù)和高頻系數(shù)的向量，然后分別針對低頻和高頻系數(shù)向量繼續(xù)分解出下一尺度的低頻和高頻系數(shù)向量。這樣經(jīng)過n尺度分解后，信號可表示成2n個向量之和。

小波包分解系數(shù)重構(gòu)的主要思想是對按尺度分解相應(yīng)的各個頻帶的小波包分解系數(shù)進行信號重構(gòu)。通過小波包分解系數(shù)的重構(gòu)，可以達到信號去噪的目的，更有利于信號特征量的提取分析。

2.2 小波包系數(shù)重構(gòu)的特征提取

本文將采集的零序電流信號作為原始輸入信號，經(jīng)過小波包n尺度分解后，得到2n個頻寬相等的頻帶，分別對各頻帶的系數(shù)進行信號重構(gòu)，然后計算出對應(yīng)頻帶信號重構(gòu)的系數(shù)，分別求各信號重構(gòu)的系數(shù)向量的2-范數(shù)，以2-范數(shù)的值表征故障信號的特征，最后，按照頻帶從低頻到高頻的順序組織特征向量，處理后每個特征向量包含2n個分量。

單相接地故障時，接地故障類型不同也會導致信號含有不同的噪聲。小波包分析能夠細分高低頻信號，通過分解系數(shù)的重構(gòu)，能夠從一定程度上實現(xiàn)信號去噪的功能，重構(gòu)各頻帶信號的系數(shù)能夠全面反映故障信號的特征。

3 單相接地故障類型分類

單相接地故障類型的分類一般根據(jù)當前故障信號，提取信號特征量，通過特定分類方法將其歸為某種故障類別，最終實現(xiàn)故障類型的分類辨識。動態(tài)中心點故障類型分類方法根據(jù)不同故障類型的故障特征向量中心點與待測信號特征向量作比較分析，推斷待測信號的故障類型。具體分類步驟如下：

（1）以大量已知故障類型的零序電流信號作為訓練數(shù)據(jù)，用小波包特征提取方法提取每組信號特征向量。

（2）訓練同一故障類型特征向量的中心點。主要計算特征向量各分量的均值，并將均值作為中心點的對應(yīng)分量數(shù)值。

（3）輸入待測故障信號的特征向量，與各故障類型的中心點作比較，分別計算出與中心點各分量的距離之和。

（4）查找出最小距離和。如果最小距離和小于系統(tǒng)設(shè)定的閾值，那么參與計算該最小距離和的中心點故障類型即為待測故障信號的類型。否則轉(zhuǎn)步驟（6）。

（5）動態(tài)更新中心點。將待測故障信號的特征向量加入同一故障類型特征向量中，重新計算該故障類型的中心點。

（6）如果最小距離和大于系統(tǒng)設(shè)定閾值，那么將待測故障信號的類型為歸到不可劃分類別。

對接地故障信號進行分類，每次執(zhí)行步驟（3）至步驟（6）就可正確識別故障類型。

4 仿真分析

本文重點研究配電網(wǎng)三種常見的接地故障類型：一類：金屬性接地；二類：經(jīng)過渡電阻接地；三類：間歇性接地故障。在MATLAB平臺搭建10kv的配電網(wǎng)仿真線路，線路正序參數(shù)為：電阻0.01285 /km，電感0.9337mH/km，電容12.74 F/km；線路零序參數(shù)為：電阻0.3852 /km，電感4.1189mH/km，電容7.72 F/km；線路1長度為18km，線路2長度為8km，線路3長度為15km，線路仿真簡化模型如圖1所示。

仿真過程中，通過改變線路發(fā)生接地故障的位置、初始相角和過渡電阻大小，獲取不同情況下的零序電流原始數(shù)據(jù)。以coif4小波為基小波，進行3尺度小波包分解重構(gòu)，提取故障特征向量。每種故障類型特征向量均有40組，隨機抽取同種故障類型的35組特征向量訓練中心點，剩下5組作為測試的特征向量，閾值設(shè)置為200。部分分類結(jié)果如表1所示。

通過分類結(jié)果得知，本文提出的故障類型分類方法具有一定的普遍適用性，對單相接地故障類型分類準確度高。

5 結(jié)論

本文以正確分類配電網(wǎng)單相接地故障類型為目的，運用小波包信號重構(gòu)系數(shù)建立故障特征向量，能夠準確表征不同故障類型，且不易受故障信號突變的影響；通過動態(tài)中心點距離之和的分類方法，在分類中結(jié)合線路真實情況引入距離閾值的比較，不容易出現(xiàn)錯誤的分類，提高了分類準確性和可靠性，實現(xiàn)了故障類型的正確分類。

參考文獻：

[1] 高升宇.用配網(wǎng)接地故障波形分析推斷故障原因的研究[J].華電電力，2001（12）：14-17.

[2] 賈清泉，陳麗，袁野.應(yīng)用相平面和分層聚類的配電網(wǎng)單相接地故障特征分類[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（8）：68-71.

[3] 鄭德山，楊德強，施心陵.基于小波包分析的電力系統(tǒng)故障類型的判別[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學院學報，2006，19（1）：9-11.