本发明属于配电网故障识别技术领域，涉及一种配电网单相断线故障识别方法。
背景技术：
配电线路中除了发生横向不对称故障外，还可能发生纵向不对称故障，主要包括单相断线和两相断线。当配电线路某馈线发生断线故障时，因母线侧相电压、相电流变化特征不明显，使故障难以被发现。但断线故障线路的持续不对称运行，虽然不会引起危险的大电流和电压的急剧波动，但是系统中出现的负序分量可能对发电机的出力和绝缘产生损害，影响电力系统安全稳定运行。因此研究正确选线和准确快速的故障定位方法，对于配电网的安全、稳定、高效运行有着重要的意义。
根据故障判别所使用的特征信号来源，故障选线方法主要有注入信号法、信息融合法及故障信号法。
信号注入法虽然广泛应用在单相接地故障选线中，但需要额外附加信号装置且注入信号容易被干扰，在工程应用方面较为复杂。
信息融合法基于多判据选线，面对复杂多变的配电网拓扑结构，很难建立故障数据样本，其有效性有待于进一步研究。
故障信号法分为稳态分量法与暂态分量法。基于稳态量的故障选线法存在稳态电流幅值小、故障点电弧不稳定等问题，容易出现误判，准确性不高。利用暂态量进行故障选线时具有故障特征量明显、受消弧线圈影响小等优点。常用的基于暂态量的故障选线方法主要有暂态能量法、s变换、小波极性法等。暂态能量法通过定义零序能量函数进行故障选线，但该方法对于高阻接地时不易检查出故障线路；s变换作为一种利用单一故障特征量选线的方式难以满足配电网复杂故障情况下的选线要求；基于行波的配电网选线和故障定位技术存在行波波头易丢失，行波采集装置布点众多成本昂贵等缺点。
目前还没有一种方法能够在传统的配电网架空线单相接地故障选线中同时满足不受中性点接地方式和负荷性质的影响，且灵敏度高、成本低、可靠性高等要求。因此，研究在配电网架空线发生故障后提取有效特征量和选择合理选线判据对于配电网安全可靠运行具有一定的工程价值。
技术实现要素：
针对以上不足，本发明提供了一种具有高灵敏度且应用场景广泛、成本低等特点的配电网架空线故障判断及识别方法。
本发明的方法主要包括选取合适的暂态信号作为选线判据、并对暂态信号进行hilbert（希尔伯特-黄）变换，分析信号的内在特性，对配电网的故障进行正确选线和准确快速定位有着重大的生产实践意义。
本发明的技术方案具体如下：
一种配电网单相断线故障识别方法，包括以下步骤：
步骤（1）采集配电网各线路的三相电流；
步骤（2）提取各条线路的负序电流；
步骤（3）对各条线路的负序电流进行emd分解，得到若干阶本征模态分量；
步骤（4）选取二阶本征模态分量，对其进行hilbert变换，得到二阶本征模态分量对应的瞬时幅值和瞬时频率，以一个周期内的瞬时幅值之和作为识别单相断线故障的特征量；
步骤（5）比较各条线路的特征量，若该特征量发生突变，则为故障线路，若该特征量不发生变化或者变化不明显，则为健全线路。
进一步地，步骤（2）中，提取的用作选线判据的暂态信号是各条线路的负序电流。
进一步地，步骤（3）中，通过对各条线路的负序电流进行emd分解，得到若干阶本征模态分量。
进一步地，步骤（4）中，选取步骤（3）中得到的若干阶本征模态分量中的二阶本征模态分量，对其进行hilbert变换，得到二阶本征模态分量对应的瞬时幅值和瞬时频率，以一个周期内的瞬时幅值之和作为识别单相断线故障的特征量。
希尔伯特-黄变换是一种全新的具有自适应性的时频分析方法，它包含两个步骤：emd经验模态分解以及hilbert变换。emd经验模态分解能按照信号本身的局部特征时间尺度，自适应地将该信号中不同尺度波形或趋势逐级提取出来，得到各阶本征模态分量imf。将各阶本征模态分量进行hilbert变换，可得到每个本征模态分量对应的瞬时幅值和瞬时频率。瞬时幅值和瞬时频率是随时间变化的，它们能揭示信号的内在特性。
与现有技术相比，本发明在传统的配电网架空线单线断线故障选线的基础上，以负序电流和负序电流希尔伯特-黄变换的二阶本征模态分量结合构成选线判据，有以下显著优点：
（1）单相断线故障发生后，故障线路产生的负序电流由故障点流向母线，与非故障线路上的负序电流方向相反，故障线路上的负序电流大于非故障线路上的负序电流，特征明显；
（2）采用希尔伯特-黄变换，取负序电流二阶本征模态分量在故障前后各m个周波的瞬时幅值之和的突变量作为判据，该判据特征量在故障前后变化量增大，且能与非故障线路可靠区分，灵敏度高，而且调整m的数值，可以调整灵敏度，m值越大，灵敏度越高；
（3）单相断线故障后产生的负序电流不受中性点运行方式的影响，因此以负序电流作为选线要用的暂态分量在各种中性点接地方式下均有效；
（4）该方法不受负荷性质的影响，在线路带动力负荷、非动力负荷以及综合性负荷情况下均能有效地检测出单相断线故障，可靠性高。
附图说明
图1是断线故障模型仿真示意图；
图2是断线故障前的三相线路电流；
图3是断线故障后的三相线路电流；
图4是负序电流获取模块；
图5是动力负荷下故障线路a相负序电流；
图6是非动力负荷下故障线路a相负序电流；
图7是综合性负荷下故障线路a相负序电流；
图8是动力负荷下故障前后负序电流的simf；
图9是非动力负荷下故障前后负序电流的simf；
图10是综合性负荷下故障前后负序电流的simf。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例的配电网单相断线故障识别方法，包括以下步骤：
步骤（1）采集配电网各线路的三相电流
在pscad/emtdc中建立10kv故障仿真模型，如图1所示，电源等效为无限大功率电源，可在其内部设置电压、功率、相角等各项参数；电源侧变压器采用y/δ联接的双绕组降压变压器，额定电压等级为35kv/10kv；负荷侧变压器采用δ/yn联接方式，额定电压等级为10kv/0.38kv。
本实施例的故障点设置在图1模型中距离左端母线12km处，发生a相断线故障，从图1中采集三相电流。
图1所示的线路是距离左端母线12km处的架空线，提取图1中模型的a、b、c三相线路的电流。
图2是未发生故障时，线路的三相电流，图3是发生a相断线故障后线路的三相电流。从图2和图3可以看出，当发生a相断线故障时，a相电流为0，b、c相电流和未发生故障前相比有微量的下降。
由于架空配电线路的r、l、c等参数是均匀分布的，故线路采用π型等值模型，可在其内部设置各序阻抗、容纳以及线路长度等参数。断线故障的发生时刻以及持续时间可以用断路器来设置。
步骤（2）提取各条线路的负序电流
在pscad/emtdc中，不能直接得到线路中的各序电流，但可以通过如图4所示的模块来实现。该模块根据对称分量法对a、b、c三相电流进行计算来获取序电流。其中，拉氏表达式
以负序电流和负序电流希尔伯特-黄变换的二阶本征模态分量结合构成选线判据即可对线路故障进行快速准确的判断与识别。
当配电网发生单相断线故障后，故障线路上的正序电流与负序电流大小相等，方向相反，且正、负序电流的分布不受中性点接地方式的影响。若为动力负荷，故障前后正序电流变化量小于负序电流变化量；若为非动力负荷，故障前后正序电流的变化量等于负序电流的变化量。一般情况下，系统所带负荷为动力负荷与非动力负荷的混合，也称为综合性负荷。因此，当发生单相断线故障时，总有负序电流变化量大于正序电流变化量，负序电流比正序电流的变化特征更为明显。图5、6和7分别表示不同负荷类型下线路发生故障后的负序电流。
图5是动力负荷下故障线路a相负序电流。图6是非动力负荷下故障线路a相负序电流。图7是综合性负荷下故障线路a相负序电流。
仿真时设置故障线路发生a相断线，仿真持续时间共0.8s，故障发生时刻为0.4s，故障共持续0.4s，这里选用0.2s至0.6s的波形来进行观察。
图5-7分别表示在动力负荷、非动力负荷以及综合性负荷下，在发生单相断线故障前后，故障线路负序电流的变化情况。故障线路在故障前虽然也存在有负序电流，但幅值很小。发生单相断线故障后，负序电流突然增大，变化量明显，且能与非故障线路进行明显区分，因此选取负序电流作为单相断线故障的保护判据是可行的。但与此同时，负序电流尽管在故障发生后幅值会有一定程度的增加，但仍然相对比较小，若直接比较，灵敏度不够高，因此对负序电流进行希尔伯特-黄变换，构成高灵敏度的保护判据。
步骤（3）对各条线路的负序电流进行emd分解，得到若干阶本征模态分量。
对故障线路上的负序电流进行emd分解，可以得到若干阶本征模态分量。前几阶本征模态分量包含了原始信号的主要信息，本实施例选用前四阶本征模态分量进行分析。
步骤（4）选取二阶本征模态分量，对其进行hilbert变换，得到二阶本征模态分量对应的瞬时幅值和瞬时频率，以一个周期内的瞬时幅值之和simf2作为识别单相断线故障的特征量。
通过hilbert变换采样前四阶本征模态分量在故障前后一个周期内的瞬时幅值之和，分别如图8、9和10所示。图8是动力负荷下故障前后负序电流的simf；图9是非动力负荷下故障前后负序电流的simf；图10是综合性负荷下故障前后负序电流的simf。
步骤（5）比较各条线路的特征量，若该特征量发生突变，则为故障线路，若该特征量不发生变化或者变化不明显，则为健全线路。
图8-10分别表示在动力负荷、非动力负荷以及综合性负荷下，在发生单相断线故障前后，相比于其他阶数（一阶、三阶、四阶）的本征模态分量在一个周期内的瞬时幅值之和simf，simf1、simf3、simf4表示一个周期内，一阶、三阶、四阶本征模态分量对应的的瞬时幅值之和。
只有二阶本征模态分量在一个周期内的瞬时幅值之和simf2变化得最为明显。因此选用simf2的变化量作为判断单相断线故障的特征量。
从图8-10可以看出，无论是动力负荷、非动力负荷还是综合性负荷，发生单相断线故障后，二阶本征模态分量在一个周期内的瞬时幅值之和simf2变化得最为明显。因此选用simf2的变化量作为判断单相断线故障的特征量。
上述二阶本征模态分量在发生故障后瞬时幅值迅速增大，并随着时间逐渐趋于稳定，采样故障发生前后各m周波的二阶本征模态分量的瞬时幅值作为研究对象。同时取的周波数越多，故障线路故障前后瞬时幅值之和的变化量越大，保护越灵敏。对比非故障线路的变化量在故障前后变化是明显小于故障线路的，所以可与故障线路进行区分。
从图8-10可以看出，在不同类型的负荷下，发生单相断线故障前后，二阶本征模态分量在一个周期内的瞬时幅值之和simf2变化得最为明显。因此，对于配电网线路，利用上述方法，得到各相线路电流对应的二阶本征模态分量在一个周期内的瞬时幅值之和simf2，若与正常情况下相比，也即故障前相比，明显增大，认为该相线路发生了单相断线故障。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种配电网单相断线故障识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤（1）采集配电网各线路的三相电流；
步骤（2）提取各条线路的负序电流；
步骤（3）对各条线路的负序电流进行emd分解，得到若干阶本征模态分量；
步骤（4）选取二阶本征模态分量，对其进行hilbert变换，得到二阶本征模态分量对应的瞬时幅值和瞬时频率，以一个周期内的瞬时幅值之和作为识别单相断线故障的特征量；
步骤（5）比较各条线路的特征量，若该特征量发生突变，则为故障线路，若该特征量不发生变化或者变化不明显，则为健全线路。
2.根据权利要求1所述的配电网单相断线故障识别方法，其特征在于：步骤（2）中，提取的用作选线判据的暂态信号是各条线路的负序电流。
3.根据权利要求1所述的配电网单相断线故障识别方法，其特征在于：步骤（3）中，通过对各条线路的负序电流进行emd分解，得到若干阶本征模态分量。
4.根据权利要求1所述的配电网单相断线故障识别方法，其特征在于：步骤（4）中，选取步骤（3）中得到的若干阶本征模态分量中的二阶本征模态分量，对其进行hilbert变换，得到二阶本征模态分量对应的瞬时幅值和瞬时频率，以一个周期内的瞬时幅值之和作为识别单相断线故障的特征量。
5.根据权利要求4所述的配电网单相断线故障识别方法，其特征在于：步骤（4）中，通过hilbert变换采样前四阶本征模态分量在故障前后一个周期内的瞬时幅值之和。
技术总结