[发明专利]一种中压船舶电力系统单相接地故障报警器设计方法

权利要求书

1.一种中压船舶电力系统单相接地故障报警器设计方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

(1)对于中压船舶电力系统，其中压部分的拓扑多为母排分段结构，每段母排上至少由一台发电机供电，当系统中发生单相接地故障时，在故障点和地之间形成3.3KV～10.8KV不等的零序电压U，通过线缆和设备的对地电容以及发电机中性点电阻对地产生零序电流I及其相位D，由零序电流传感器采集得到零序电流信号，经傅里叶分解得到其峰值，记为x₁，由零序电流传感器采集得到零序电流相位，记为x₂，零序电流峰值x₁由0开始增大，零序电流相位x₂从180°开始向-90°方向偏离，同时中压电力系统由正常工作状态变为故障状态，传感器每隔1秒采集一次零序电流信号和零序电流相位；

(2)设定单相接地故障报警器的辨识框架为Θ＝{NA,A}，其中NA＝0表示电力系统处于正常运行状态，A＝1表示电力系统处于单相接地故障状态；

(3)由步骤(1)知x₁和x₂分别是单相接地故障报警器需要监测的零序电流信号峰值和零序电流相位，令x₁(k)和x₂(k)，k＝1,2,3,…,K，分别是传感器对监测零序电流峰值的采样值和零序电流相位的采样值的在线测量序列，k为采样时刻，采样数量K要大于3600，构造零序电流信号峰值x₁关于正常运行状态和单相接地故障状态的正态分布X_1,NA～N(μ₁,σ₁²)和X_1,A～N(μ₂,σ₂²)，对应的概率密度函数为f_1,NA(x)和f_1,A(x)，构造零序电流相位x₂关于正常运行状态和单相接地故障状态的正态分布X_2,NA～N(μ₃,σ₃²)和X_2,A～N(μ₄,σ₄²)，对应的概率密度函数为f_2,NA(x)和f_2,A(x)，其中0A≤μ₁μ₂3A,σ₁0,σ₂0,180°≤μ₃360°,-90°μ₄0°,σ₃0,σ₄0；

(4)设定单相接地故障报警器的两个输入故障特征为x₁(k)和x₂(k)，其参考区间的端点集合为T＝{T_n’|n’＝1,2…,N}和Q＝{Q_m’|m’＝1,2…,M}，它们分别构成零序电流峰值的采样值x₁(k)的N-1个参考区间{[T₁,T₂],[T₂,T₃],…,[T_N-2,T_N-1],[T_N-1,T_N]}和零序电流相位的采样值x₂(k)的M-1个参考区间{[Q₁,Q₂],[Q₂,Q₃],…,[Q_M-2,Q_M-1],[Q_M-1,Q_M]}，且有(μ₁-3*σ₁)T₁T₂…T_N(μ₂+3*σ₂)，(μ₄-3*σ₄)＝Q₁Q₂…Q_M＝(μ₃+3*σ₃)，报警器输出为中压电力系统单相接地状态，记为y(k)，其参考值集合为W＝{W_e|e＝1,2}，其中W₁＝NA＝0，W₂＝A＝1；

(5)通过步骤(3)构造得到输入x₁(k)和x₂(k)关于输出y(k)的测量值序列S＝{x₁(k)，x₂(k)，y(k),k＝1,2,3,…,K，K≥3600}，将x₁(k)、x₂(k)和y(k)表示成样本集合Z＝[x₁(k),x₂(k),y(k)]的形式，确知x₁(k)和x₂(k)中分别有β₁个测量值满足N(μ₁,σ₁²)和N(μ₃,σ₃²)，对应输出y(k)＝0，分别有β₂个测量值满足N(μ₂,σ₂²)和N(μ₄,σ₄²)，对应输出y(k)＝1，且有β₁+β₂＝K，将x₁(k)和y(k)表示成样本集合Z’＝[x₁(k),y(k)]，将x₂(k)和y(k)表示成样本集合Z”＝[x₂(k),y(k)]，分别使用样本集合[x₁(k),y(k)]和[x₂(k),y(k)]在所对应的区间上的概率分布构造输入故障特征x₁(k)和x₂(k)与中压电力系统单相接地状态y(k)的概率分布表；

(6)根据步骤(5)中得到的样本[x₁(k),y(k)]的概率分布表，可获得当输入故障特征x₁(k)的样本落在参考点T_n上时，W_e发生的置信度为

并有则可定义对应于参考点T_n的报警置信度为

同理，对于样本[x₂(k),y(k)]的概率分布表，定义对应于参考点Q_m的报警置信度为

其中

对于新进的零序电流信号峰值x₁(t)和零序电流相位x₂(t),t＝1,2,3,…，其必然落入参考点T_n或Q_m上，此时该参考点所对应的报警置信度被激活，它们分别由式(2)和式(3)给出；

(7)根据步骤(6)分别获得t时刻关于过程变量x₁和x₂的报警置信度和之后，利用报警置信度静态融合规则把每一时刻的报警置信度和进行静态融合，得到t时刻的静态报警置信度B_t，具体计算过程如下：

B_t＝R_o,b(2)，o＝{W_e|e＝1,2} (5)

其中，在设定w_i＝r_i，i＝1,2情况下，有

(8)根据步骤(7)获得t时刻的静态报警置信度B_t之后，利用报警置信度动态融合规则将当前t时刻静态报警置信度与其以往时刻的动态报警置信度进行融合，得出当前t时刻的动态报警置信度，记为E_t＝[E_t(NA),E_t(A)]，具体步骤如下：

(8-1)当t＝1时，有E₁＝B₁＝[E₁(NA),E₁(A)]，亦即动态报警置信度即为该时刻获得的静态报警置信度；

(8-2)设定报警置信度权重w_i＝1，i＝1,2，当前时刻的静态报警置信度的可靠性r_t通过如下公式计算：

其中，r₀＝0.5是可靠性初值，τ是奖惩系数，通过下面公式计算：

设定e_NA＝(1,0,0)，e_A＝(0,1,0)，B′_t＝[B_t(NA),B_t(A),0]，E′_t＝[E_t(NA),E_t(A),0]，φ是可靠性增强因数，通过下面公式计算：

是前l个时刻动态报警置信度的可靠性的平均值

(8-2-1)当t＝2时，利用式(5)、(6)、(7)获得t＝1和t＝2时刻的静态报警置信度B₁和B₂，R₁＝1，取R₂＝r_t，利用报警置信度动态融合规则对它们进行融合，得到融合结果为

即把t＝1时刻和t＝2时刻的静态报警置信度融合得到t＝2时刻的动态报警置信度；

(8-2-2)当t2且t≤l时，取t-1时刻的动态报警置信度的可靠性利用式(8)～(13)计算得到当前t时刻静态报警置信度的可靠性r_t，有R₂＝r_t，利用式(15)和式(16)对t-1时刻的动态报警置信度E_t-1和当前t时刻的静态报警置信度B_t进行融合得到当前t时刻的动态报警置信度E_t；

(8-2-3)当tl时，利用式(14)计算得到t-1时刻的动态报警置信度的可靠性利用式(8)～(14)计算得到当前t时刻静态报警置信度的可靠性r_t，有R₂＝r_t，利用式(15)和式(16)对t-1时刻的动态报警置信度E_t-1和当前t时刻的静态报警置信度B_t进行融合得到当前t时刻的动态报警置信度E_t；

(9)根据步骤(8)得到t时刻的动态报警置信度E_t＝(E_t(NA),E_t(A))，给出报警准则：若E_t(NA)≥E_t(A)，则输出y(t)＝0，不报警，即表明中压电力系统处于正常运行状态，若E_t(NA)E_t(A)，则输出y(t)＝1，报警，即说明此时中压电力系统处于单相接地状态。