基于SVM-ECOC辨识亚低频特征能量的配电网二次故障识别方法

本发明属于电气，尤其涉及一种基于svm-ecoc辨识亚低频特征能量的配电网二次故障识别方法。

背景技术：

1、当电力配电网中发生单相接地故障并持续存在时，电压升高会对系统的绝缘性能构成挑战，同时可能伴随着二次故障的发生。然而，二次故障往往被一次故障的特征所掩盖，这使得相对于单一线路故障，二次故障更加难以察觉。

2、对于中低压配电网来说，单相接地故障是最常发生的一类故障，占比超过配电网故障的80%。为了提高供电的可靠性，减少配电网的停电概率，在中国和部分欧洲国家，常采用中性点不接地或者中性点经消弧线圈接地的方式，称作中性点非有效接地。

3、在相关标准中规定，中性点非有效接地的系统可以带单相接地故障运行1-2小时，这样大大提高了系统的供电可靠性。但是由于正常相电压高于正常值，所以必须在这段时间内尽快地识别故障位置，及时跳开故障线路以免故障进一步发展。然而，在这种系统中，故障的识别相对来说并不容易，尤其是在中性点经消弧线圈接地的系统中，故障引发的电容性电流被消弧线圈的电感性电流补偿，大大削弱了故障特征，使得故障识别变得困难。如果故障未及时识别，由于极端天气或绝缘劣化，极有可能引发其他线路出现二次故障，形成多点接地的故障状态。二次故障可以被定义为当电力系统发生一次故障还未被恢复至正常状态时又发生了一次新的故障。从定义可以知道，二次故障可以划分为：同线同相、异线同相、异线异相三种，其中后两种可以划分为异线故障。

4、单相接地故障识别的研究已经日趋成熟，但是对于二次故障的识别相对较少，主要难点在如何准确的判断系统中是否发生了二次故障，以及在确定二次故障的情况下如何准确地判别出两条故障馈线。

5、二次故障引发的多点接地在采用常规的单相接地故障识别方法时，仅能给出一条故障线路的识别结果，而当工作人员操作线路跳闸后会发现故障依然存在，此时需要再进行一次故障识别，识别的效率较低，甚至有时工作人员会认定第一次故障识别失败，从而再次合上故障线路，引发多次停电。所以及时判别出二次故障的存在并及时识别两条线路十分重要。

6、此外，传统的启动判据都是依赖中性点零序电压超过相电压的15%来判断系统发生单相接地故障，当系统出现串联谐振、负载频繁投切、不平衡过电压等容易引起零序电压升高的情况导致“虚幻接地”时，选线装置容易误动，导致错判或漏判，因此对传统启动判据进行改进亟待解决。

7、总而言之，现有的配电网二次故障识别方法，其准确度和可靠性都有待提高。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于svm-ecoc辨识亚低频特征能量的配电网二次故障识别方法，对传统启动判据改进以区分系统干扰和故障状态，根据判据启动时刻前后设定时段测量装置测量每条线路的亚低频零序电流与对应母线零序电压值作为数据集，二者滑窗积分后外积得到的亚低频特征能量矩阵（elfp）作为训练样本；将标准化处理后的elfp矩阵输入到训练好的svm-ecoc二次故障识别模型进行分类，根据分类结果辨识配电网中单相、双线故障和判别故障线路，由此解决现有的故障识别准确率低的技术问题。

2、根据本发明的第一方面，提供了一种基于svm-ecoc辨识亚低频特征能量的配电网二次故障识别方法，包括：

3、步骤1，将母线工频零序电压的高阶能量特征作为中性点零序电压超限值启动判据的补充，建立柔性启动新判据；所述高阶能量特征为工频零序电压时频域特征分量和谐波能量的组合；

4、步骤2，截取新判据启动时刻前后设定时间段内所有线路的亚低频零序电流和对应母线的工频零序电压数据；对滑窗后的亚低频零序电流和工频零序电压数据分别进行积分，得到对应的亚低频零序电流能量序列和工频零序电压能量序列，将所述亚低频零序电流能量序列和工频零序电压能量序列外积得到的亚低频特征能量矩阵作为一个训练样本；

5、所述亚低频电流为频率范围在0.1hz-10hz的电流信号；

6、步骤3，采用ecoc构建p个编码矩阵，指定p个二元svm分类器，将每个分类器的模型参数和编码矩阵组合，建立svm-ecoc二次故障识别模型，将所述训练样本输入到所述svm-ecoc模型进行训练；

7、步骤4，将待测数据经过所述步骤1-步骤3处理后得到待测样本，将所述待测样本输入训练完成的所述svm-ecoc二次故障识别模型中，根据分类结果实现单线、双线故障的区分和故障线路的判别，完成配电网二次故障状态识别。

8、在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

9、可选的，所述步骤1包括：

10、步骤101，采用快速傅里叶变换提取加窗函数处理后母线工频零序电压的频谱和系统谐波分量，将最大时对应的定义为主成分频率；将所述主成分频率与工频的偏离程度和零序电压谐波畸变率的组合定义为启动新判据；表示时频变换后的零序电压频率；

11、步骤102，计算主频位置附近设定时段谱线能量的标准差表示频谱图的分散程度，采用中心差分法计算主频位置的斜率表示频率与能量的变化速度，将所述斜率表示频率与能量的变化速度进行结合形成的零序电压频谱形状指数定义为启动新判据；

12、步骤103，将所述和组合定义为最终的所述启动新判据c，基于所述启动新判据c对系统进行干扰和故障的区分。

13、可选的，所述启动新判据的计算公式为：

14、；

15、其中，，代表i次谐波分量，是基波分量。

16、可选的，所述启动新判据的计算公式为：

17、；

18、其中是第j个频率谱线的能量，m为主成分频率对应的采样点，k为邻近主成分频率的采样点数，是所有频率谱线能量的平均值。

19、可选的，所述步骤103中的启动新判据c的利用计算公式为：

20、；

21、为设定阈值，若则认为系统处于故障状态，否则认为系统处于干扰状态。

22、可选的，所述步骤2中还包括：

23、所述亚低频零序电流的采样数据点n和工频零序电压的采样数据点m不一致时，通过线性插值法将所述亚低频零序电流和母线的工频零序电压采样数据进行一一对应。

24、可选的，所述步骤3中得到所述训练样本的过程包括：

25、对滑窗后的亚低频零序电流和工频零序电压数据分别进行积分，得到亚低频零序电流能量序列，以及对应的工频零序电压能量序列；

26、利用公式得到的亚低频特征能量矩阵作为一个训练样本；

27、其中，是第次滑窗后的亚低频零序电流积分值，表述向下取整，表示外积。

28、可选的，所述步骤3中，所述二元svm分类器的个数p为总共可能出现的故障种类数，p=cn2+n，n为系统线路条数。

29、可选的，所述步骤3还包括：对所述亚低频特征能量矩阵进行标准化处理后再输入到所述svm-ecoc模型进行训练，对所述亚低频特征能量矩阵进行标准化的公式为：

30、；

31、其中，表示亚低频特征能量矩阵中第i行第j列的元素值，表示滑窗窗口的数量。

32、可选的，所述步骤4识别出故障线路后还包括：

33、若所述故障线路上所安装的测量装置数量大于或等于3，则根据测量亚低频零序电流的测量装置的安装位置将故障线路划分为多个区间，并计算每个区间首、尾的测量装置所测得的亚低频零序电流和工频零序电压卷积的差值，将差值最大的区间确定为故障区间。

34、本发明提供的一种基于svm-ecoc辨识亚低频特征能量的配电网二次故障识别方法，其有益效果包括：

35、（1）本发明通过在配电网的各线路上安装亚低频电流测量装置，结合柔性启动判据获取配电网状态改变时各线路中的亚低频零序电流信号和母线工频零序电压信号，对于亚低频零序电流分量，消弧线圈表现为低阻抗元件，线路电容表现为高阻抗元件，亚低频零序电流大多经由故障线路和故障过渡电阻流过，而极少从高阻抗的非故障线路流过，本发明选用设定时段内亚低频零序电流和对应工频零序电压滑窗积分后外积得到的亚低频特征能量矩阵elfp作为二次故障识别的特征信号，能够有效避免现有系统中因消弧线圈与线路电容之间的发生串联谐振或系统开关频繁投切等产生干扰引起的二次故障特征不明显的问题；进一步地提取各线路工频零序电压的高阶能量特征作为传统中性点零序电压超限值启动判据的补充，建立柔性启动新判据，避免了系统正常运行时的零序电压扰动对故障启动的干扰，减少配电网出现误判、漏判的概率；最后采用ecoc构建编码矩阵，将对应的svm二元分类器的模型参数和编码矩阵组合，建立svm-ecoc二次故障识别模型，将标准化后的elfp输入训练好的svm-ecoc二次故障识别模型中，根据分类结果实现单线、双线故障的区分和故障线路的快速判别，结果表明该方法显著提升了配电网二次故障识别的准确率和可靠性。

36、（2）本发明利用计算启动新判据，考虑到单相接地故障时的主成分频率都是工频，通过计算中性点零序电压主成分频率偏离工频程度和谐波畸变率的组合区分单相接地故障和由电磁式电压互感器（pt）不同相饱和与三相导线接地电容器之间出现的铁磁谐振（根据谐振频率的不同又可以分为低频谐振、工频谐振和高频谐振）、谐振接地系统中调谐不当引起的串联谐振以及系统开关频繁投切导致的干扰等“虚幻接地”故障；同时考虑到工频谐振中的频率实际上不是严格的工频，会存在一定的频率突变，因此工频谐振通常会在电网工频附近产生显著的谐波，而单相接地故障发生时会导致更宽频带的谐波，利用计算零序电压频谱形状指数作为启动新判据，利用公式将启动新判据和映射到0~1之间作为最终的融合启动判据c，对比c与设定阈值，若则认为系统处于故障状态，反之认为系统处于干扰状态。为了满足实际需求，可以根据系统对误报和漏报的容忍程度来调整阈值，形成柔性启动判据。

37、（3）本发明利用公式和对齐各条线路的亚低频零序电流和对应母线的工频零序电压，克服了数据采样时间偏移的问题，适用范围更广。

38、（4）本发明通过给定滑窗大小和滑窗步长对对齐后的数据进行滑窗，利用公式对每段滑窗内的数据进行积分，形成亚低频零序电流能量序列，同理可得对应的工频零序电压能量序列，利用公式得到亚低频特征能量矩阵elfp，利用公式对elfp特征矩阵进行标准化，将其作为一个训练样本，该特征不受故障发生时间、故障持续时间、负荷因素变化等影响；计算简单，具有较高的实时性和计算效率；同时该特征充分利用亚低频信号的敏感性和工频信号的稳定性，可以有效抑制工频干扰和噪声的影响，为svm-ecoc二次故障识别模型的准确识别奠定了基础。

39、（5）本发明提供的svm-ecoc二次故障识别模型包括采用ecoc框架建立的onevsall编码矩阵和对应的svm二元分类器，二元svm分类器和对应编码矩阵的个数p=cn2+n和系统线路条数n有关，通过对上述elfp特征矩阵的训练构建解决配电网二次故障识别问题的特定svm-ecoc模型，以适应实际二次故障识别问题中数据维度高、分类总类多、故障特征复杂且隐蔽的问题。此外，配电网中发生二次接地故障的概率很小，采集到的训练样本数据有限，相对于其他训练分类算法，同样的问题复杂度下，svm需求的样本相对较少；二次接地故障数据通常是高维数据且线性不可分，包含电流/电压幅度、相位、频谱和功率等。传统的分类方法可能在高维数据上性能下降，而svm由于引入了核函数，因此能够有效地处理这些数据；同时，svm追求结构风险最小化的原则，可以有效避免过拟合；通过ecoc对svm进行改进形成svm-ecoc多分类模型，解除了svm只能实现二分类的限制，使得该模型对解决二次故障识别问题具有更高的适应性。

40、（6）本发明中的测量装置不对原有电路进行任何改接，能够避免改接电路对电力系统稳定供电的潜在影响，防止系统中其他设备运行异常。

41、（7）本发明可以适用中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、或者中性点经小电阻接地的配电网，适用范围更加广泛。

42、（8）本发明在识别出故障线路的基础上，可进一步结合测量装置的安装位置确定故障线路上的故障区间，为采取措施消除故障提供了具体的依据，有利于保证系统的供电可靠性。