[发明专利]基于形态学小波分析消噪的配电网单相接地故障定位方法

权利要求书

1.基于形态学小波分析消噪的配电网单相接地故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据目标配电网络的线路一级、二级、三级分支点的数量和分支点的密集程度对其进行综合结构评估，分支点越密集则不连续阻抗点越密集，需要对该区域进行更细致的划分；确定可安装高频行波采集器的线路末端节点，为了降低成本，应尽可能将高频行波采集器与线路末端的配电变压器相结合；

步骤二：在故障发生后高频行波采集器自动留存故障信息，经过0.5s继电保护后根据断路器发出的信息对故障类型进行判断，将被判定为永久性接地故障的留存故障信息由通信模块传回总控站；

步骤三：根据故障线路与非故障线路的零序电流极性相反原则对传回信息做初步筛选，去除非故障线路和故障特征不明显的信号；

步骤四：对被选的高频行波采集器作GPS对时确认，确保传回信息有相同的时间参考系；

步骤五：对各个原始电压信号U_0i进行初步整形；

(1)截取每个传回后经过筛选的信号f_i前70％的长度，舍弃后30％的冗余信息；

(2)读取截取后的每个传回信息的高频行波采集器的采样频率，在1×10⁵Hz左右或者更高，设定综合数字滤波器的处理频率大于等于现场采集装置的频率，设置在1×10⁷Hz及以上，用以保证数据处理时的高度精确性；

步骤六：对步骤五中得到的波形进行形态学滤波处理；

(1)结构元素g的选取，根据被处理的高频噪声种类不同按照其在频域上的分布特点选择合适的结构元素以提高处理效率和效果,由于本次处理对象是脉冲噪声，实验发现利用具有扁平型结构的元素有较好的滤波效果，因此使用直线型结构元素或半圆型结构元素；

(2)根据数学形态学中膨胀运算法则获得信号某一区域的局部最大值，利用该值进行空域数据的填充实现连接“小沟壑”的目的；数学表示为确定对应的结构元素后使之与信号进行卷积运算：

dst(x,y)＝max_{(x',y'):element(x',y')≠0}src(x'+x,y'+y) (1)

其中，x,y为实数域上两个可积函数，x’,y’为x,y的一次求导，scr为卷积运算；

(3)根据数学形态学中腐蚀运算法则获得信号某一区域的局部最小值，利用该值进行周围数据的裁剪就可以实现磨平“小毛刺”的目的；数学表达为：

dst(x,y)＝min_{(x',y'):element(x',y')≠0}src(x'+x,y'+y) (2)

(4)在信号处理中需要将两者结合使用，按照使用腐蚀和膨胀算法的先后次序分别构成开运算和闭运算，两者的效用对于信号的极性有相反的敏感性，开运算对于正极性信号敏感，因此常用开运算处理正极性的脉冲毛刺噪声，闭运算对于负极性信号敏感，因此常用闭运算处理负极性的脉冲毛刺噪声；

开运算数学表达式：

闭运算数学表达式：

其中f为被处理信号，n为离散变量取自然数；

考虑到开闭运算对噪声极性的敏感度不一样，将开闭运算按开—闭、闭—开两种处理次序分别构成两种组合滤波策略，若信号中的正极性脉冲噪声能量较强则应选用开—闭型滤波组合，若负极性脉冲噪声能量较强则应选用闭—开型滤波组合，这种滤波过程也称为交替滤波过程；

步骤七：运用小波阈值降噪法对步骤六得到的信号进一步处理，消除的对象包括高斯白噪声和低能量的随机噪声；

(1)经过实验发现使用db5型母小波对电力信号中夹杂的噪声有较好的消除作用，将经过步骤六得到的信号输入到小波模型内经过一维离散分解后得到对应信号的离散化小波分解结果：

DC_j,k＝L_j,k+Z_j,k (5)

DC表示原信号经过离散小波变换后的多层系数特征；L表示为有效电力信号经过离散小波变换后的多层系数特征；Z表示为噪声信号经过离散小波变换后的多层系数特征；j，k分别代表伸缩尺度和平移尺度；

(2)从时域上看其数学表达式为：

x(t)＝V(t)+ε(t) (6)

x(t)代表经过一次滤波处理后的信号即步骤六得到的信号；V(t)代表信号中有效电气信号的部分；ε(t)代表信号中包含的噪声成分；

根据小波运算规则得到时域下的中间变量数学表达式：

∫x(t)φ_m,n(t)dt＝∫V(t)φ_m,n(t)dt+∫ε(t)φ_m,n(t)dt (7)

式中φ_m,n(t)为在尺度参数m，时移参数为n下的小波母函数；

(3)经过小波分解后依据极小极大准则选取阈值范围λ，将分解后特征系数与λ作绝对值比较，将小波系数在λ之下的信号认为是噪声信号，小波系数在λ之上的是为有效电气信号；对电气信号部分的特征系数采取重构处理后可以获得较好的滤波效果；

步骤八：利用小波分析识别经步骤七处理后的电气信号奇异点位置即可获得初始行波波头到达时间信息；

步骤九：利用组合D型行波定位法判断故障源所属支路和距离，该方法的距离测定结果依然建立在普通D型行波公式(8)上：

其中，l_PF为故障点F距测量点P的距离；l_x为测量组合PQ之间的直接线路距离；v为行波信号在线路中传播的速度，t₂与t₁为行波初始波头分别到达P端和Q端的相对时间；

(1)将波信号从故障点到行波测量点所经过的最短途径称为该测量点的最优测量路线，在该传播路线中每段线路至多被波信号经过一次；

(2)根据高频行波采集器位置的不同，将故障源的位置分为测量范围内和测量范围外，测量范围内指的是故障源处于直接连接两个高频行波采集器的线路上；测量范围外指的是故障源处于线路内的分支上或者是线路外的分支上；

(3)设故障判据△T＝l_PF-l_i；l_i为测量点P距测量范围内第i个分支节点的距离；

(4)当△T≠0时，判定为故障不是发生在分支节点上，而是发生在测量组合PQ的测量范围内的线路上，则通过行波公式得到的距离即可表示故障源距离测量点的距离，完成定位；

(5)当△T＝0时，即故障行波是从第i个分支上传输出来的，因此确定故障处于第i个分支上，随后需要调取所有在第i分支上采集到的波形信号或与第i分支直接接触的线路上采集到的波形信号，根据调取的信号再次通过故障判据确定故障源，完成定位。