摘要
输电线路承载着输电环节中至关重要的职责，是连接电站和用户的重要元件。一旦线路发生故障，社会生产、生活必将会受到严重影响。因输电线路所处环境极为特殊，导致其十分容易发生故障，尤其是发生接地故障的概率最高。并且，人工巡检的方法已不再适于目前的电力系统查询故障类型。所以，十分必要对输电线路接地故障的诊断方法进行探究，达到快速诊断出接地故障类型的目的。
故障信息常常包含于线路发生故障的信号中。当输电线路出现单相或两相接地故障时，发生故障的一相或两相会蕴含着故障信号。并且外界信号十分容易对其造成干扰，致使故障信号特征缺失，难以完全提取故障的特征。从而大大增加了综合分析接地故障的复杂性和提取故障特征的难度，不能精确诊断出线路发生接地故障时的故障相和非故障相。
针对故障信号在输电线路发生接地故障过程中信号特征缺失的难题。本文首次将变分模态分解（VMD）和动态时间弯曲（DTW）相结合的分析方法及互近似熵（CAp En）分析方法应用在输电线路接地故障诊断中，探究所采用的VMD-DTW、CAp En两种方法能否对输电线路接地故障进行有效诊断。首先，选取输电线路发生单相接地、两相接地故障时，故障线路两端节点处容易获取的电流信号作为故障信号。然后，利用VMD-DTW分析方法及CAp En分析方法对各相电流信号进行分析。最终，根据各相的DTW距离及CAp En熵值诊断出输电线路故障所在相。为了充分说明所采用方法的可靠性，避免偶然因素的影响，选择IEEE14节点标准测试系统和IEEE9节点标准测试系统，两种不同的测试系统进行分析、验证。并分别与VMD-PE分析方法、EEMD-CAp En分析方法进行对比。通过仿真实验表明，文章采用的VMD-DTW分析方法和CAp En分析方法可以准确、有效地诊断出输电线路故障所在相。
关键词： 输电线路；故障诊断；动态时间弯曲；互近似熵；接地故障。
Abstract
Transmission lines carry vital responsibilities in the transmission process and are important components for connecting power stations and users. Once the line fails,social production and life will be seriously affected. Due to the extremely special environment of the transmission line, it is very prone to failure, especially the probability of ground fault. Moreover, the method of manual inspection is no longer suitable for the current power system to query the fault type. Therefore, it is very necessary to explore the diagnosis method of the grounding fault of the transmission line to achieve the purpose of quickly diagnose the type of ground fault. Fault information is often included in the signal that the line has failed. When a single-phase or two-phase ground fault occurs on the transmission line, one or two phases of the fault will contain a fault signal. Moreover, the external signal is very easy to cause interference to it, which causes the fault signal feature to be missing, and it is difficult to completely extract the fault feature. There fore, the complexity of comprehensively analyzing the ground fault and the difficulty of extracting the fault feature are greatly increased, and the fault phase and the non-fault phase when the ground fault occurs on the line cannot be accurately diagnosed.
A problem in which the signal characteristics are missing during the ground fault of the transmission line for the fault signal. In this paper, the combination of variational mode decomposition (VMD) and dynamic time warping (DTW) and the method of mutual approximation entropy (CAp En) are applied to the ground fault diagnosis of transmission lines for the first time. The VMD-DTW and CAp En used are explored. Whether the two methods can effectively diagnose the ground fault of the transmission line.
First, when a single-phase grounding or two-phase grounding fault occurs in the transmission line, the current signal easily acquired at the nodes at both ends of the faulty line is used as the fault signal. Then, each phase current signal is analyzed by the VMD-DTW analysis method and the CAp En analysis method. Finally, the phase of the transmission line fault is diagnosed based on the DTW distance and CAp En entropy of each phase. In order to fully explain the reliability of the adopted method and avoid the influence of accidental factors, the IEEE 14-node standard test system and the IEEE9-node standard test system are selected, and two different test systems are analyzed and verified. And compared with VMD-PE analysis method and EEMD-CAp En analysis method. Simulation experiments show that the analysis method and analysis method used in the article can accurately and effectively diagnose the fault phase of the transmission line.
Key Words: transmission line; fault diagnosis; dynamic time warping; mutual approximation entropy; ground fault 。
1、绪论。
1.1、课题研究的背景及意义。
我国电力系统的规模不断增大，结构日趋复杂，元件不停更新，发展也向大容量、超大规模、超高压、远距离及信息化、柔性化和市场化迈入，这给电力系统运行和控制形成了严峻挑战。输电线路作为电力系统的重要构成部分，对整个系统的稳定运行起到举足轻重的作用。一旦线路出现故障，会对大量电气设备及电网运行带来严重破坏。如，当发生短路时，电网的整体阻抗会大大降低，其电流值将瞬间极增，进而造成异步电动机转速显着下降，短路电流使设备过热，最终损坏甚至烧毁。因此，保障电能在输电线路中的正常传输，对电网的安全极其关键[1-2]。
发电机、变压器、输电线路、用电设备共同构成了电力系统。其中，输电线路是电能传输的命脉。由于我国幅员辽阔，复杂的环境致使输电线路发生故障的可能性剧增，给人们生活和电网安全造成严重影响。因此，为了将输电线路故障带来的危害降到最小，使运行人员快速找到故障线索，通过可靠、高效的诊断方法诊断输电线路发生的早期故障，判别故障类型，对保障电力系统稳定、安全运行具有重要意义[3]。
输电线路故障诊断分为提取故障特征和识别故障状态两个环节来完成。在输电线路发生故障的过程中，其电压、电流、频率以及电动势相量间的角位移等暂态信号蕴含着大量的故障信息[4]。如果能够选择适当的方法分析上述暂态信号，就可以完整地将原始信号表征出来，这对于诊断出输电线路故障类型具有重要意义。由图1可以看出，单相接地故障发生的概率最高，两相接地故障次之。目前，在有关研究输电线路接地故障诊断方法的文献中，分析单相接地故障较多，两相接地故障较少。但全面综合分析接地故障，准确诊断出故障相，对保障输电线路稳定、安全运行相当重要。
1.2、国内外研究现状。
早在1980年美国就已经对电力系统故障诊断进行了研究，经过十年的飞速发展，到1990年就已经成为一套完善的故障诊断系统。我国从二十世纪八十年代到九十年代从基本理论和技术开始摸索，如，傅里叶变换（Fourier Transform,FT）、短时傅里叶变换（Short-Time Fourier Transform,STFT）、小波分析( WaveletTransform，WT )等。FT 在对时域中的信号进行分析时，能够造成部分故障信息的缺失。STFT相对于FT有了一定的改善，但是STFT也存在一些弊端，它不能很好地处理实时信号。WT每次只对前面分解的低频信号进行分解，对高频信号不再分解。后来，我国经过十余年的不懈努力，到二十一世纪已经可以独立进行故障诊断分析。但是，由于输电线路的工作环境极其庞杂，导致其发生故障后各种故障信息具有突变性、随机性等特点。所以传统分析方法不能全面地分析输电线路故障信号。如今，随着科学技术的飞速发展，国内外学者提出了许多分析方法。例如：变分模态分解、集合经验模态分解、动态时间弯曲、互近似熵等。
1.2.1、变分模态分解。
变分模态分解(Variational Mode Decomposition, VMD )是Dragomiretskiy等，于2014年提出的一种信号处理方法。
VMD方法分解信号是变分框架下、非递归的迭代流程，其本质是许多自适应维纳滤波组，因此它拥有一定的噪声鲁棒性。从模态分离的角度分析，VMD能够把频率相近的两个谐波成分分离[5]。首先，明确二次惩罚因子a的取值并将中心角频率kw初始化，以此得到各IMF分量的kw，然后根据kw获取最终模态分量ku[6]。通过预设模态数，将复杂信号分解为K个IMF分量。如果模态数K选择正确，可有效避免传统经验模态分解（EmpiricalMode Decomposition, EMD ）对包络线累积误差的影响，消除EMD等算法中的模式混叠现象[7-9]。
自VMD分析方法被提出后，已有很多学者将其应用在输电线路故障定位[10]、输电线路故障测距[11]、变压器放电信号特征提取[12]等方面。为了准确提取电力信号中的谐波分量，杨昊[13]等人进行了研究，在此研究过程中采用变分模态分解和小波阈值的谐波检测方法，利用VMD对信号进行准确的分解，并成功对各次谐波分量准确提取；Viswanath等人[14]将VMD分析方法应用在电能干扰信号检测中，分离出正弦信号中具有冲击性的暂态尖峰信号；张淑清[15]等人在研究短期电力负荷预测方面，将VMD和萤火虫算法优化BP神经网络（FABP）相结合，这样具有创新性的结合，有效降低了原始数据的复杂度和不稳定性，并克服了模态混叠问题；张蒙[16]等人将VMD和多尺度排列熵(MPE)方法相结合，并成功的应用在变压器局部放电信号特征提取中，对准确掌握变压器绝缘状态和合理安排检修维护，有着重要的指导意义。
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1.2.2 集合经验模态分解.
1.2.3 动 态时间弯曲.
1.2.4 互近似熵
1.3 本文的主要内容.
1.4 本章小结.
2 输电线路常见故障及故障分.
2.1 故障分类 及原因.
2.2 各类短路故障分析
2.2.1 单相接地短路故障.
2.2.2 两相接地短路故障.
2.2.3 两相短路故障.
2.2.4 三相短路故障.
2.3 本章小结.
3 输电线路接地故障信号获取.
3.1 输电线路 单相接地故障信号获取.
3.1.1 仿真实验系统的选择.
3.1.2 建模及数据采集.
3.2 输电线路两相接地故障信号获取.
3.2.1 仿真实验系统的选择.
3.2.2 建模及数据采集
3.3 本章小结
4 基于VMD-DTW方法的输电线路接地故障诊断
4.1 变分 模态分解.
4.1.1 VMD 基本原理.
4.1.2 VMD 算法过程.
4.2 动态时间 弯曲距离.
4.2.1 欧式距离
4.2.2 动态时 间弯曲距离
4.3 基于VMD-DTW方法的输电线路单相接地故障诊断
4.3.1 故障信 号的变分模态分解.
4.3.2 故障信号的动态时间弯曲距离
4.3.3 单相接地短路故障诊断分析及验证.
4.4 基于VMD-DTW方法的输电线路两相接地故障诊断
4.4.1 故障信号的变分模态分解
4.4.2 故障信 号的动态时间弯曲距离.
4.4.3 两相接地短路 故障诊断分析.
4.5 本章小结.
5 基于CApEn方法的输电线路接地故障诊断.
5.1 互近似熵，
5.1.1 典型的几种熵
5.1.2 互近似熵理论分析
5.2 基于CApEn方法的输电线路单相接地故障诊断
5.2.1 单相接地短路的互近似熵值
5.2.2 故障 诊断结果分析，
5.3 基于CApEn方法的输电线路两相接地故障诊断.
5.3.1 输电线路两相接地故障诊断.
5.3.2 故障 诊断结果分析
5.4 本章小结
6 总结
为了能准确诊断出电力系统输电线路接地故障的故障相和非故障相，本文首次利用变分模态分解和动态时间弯曲相结合的方法及互近似熵的方法对单相接地短路故障、两相接地短路故障做了比较深入的研究。并通过实验分析，验证了VMD-DTW方法、CAp En方法在电力系统故障诊断的可行性。主要研究内容及创新点如下：
1.通过查阅大量资料，将线路发生的各种故障进行了详细分类，归纳总结了容易引起线路故障的各种原因，并在PSCAD中构建仿真模型，得出各种故障下的电流、电压信息。
2.深入分析了VMD、DTW和CAp En的算法原理，并利用 MATLAB 软件进行更进一步研究。在大量实验的基础上，采用实验数据观察比较法，选取合适的变分模态分解的模态个数等影响要素，达到了完整提取故障信息的目的，正确诊断出故障所在相。
3.分别用VMD-DTW和CAp En方法对单相和两相接地故障进行诊断，并与VMD-PE方法、EEMD-CAp En方法的诊断结果对比研究。实验结果表明，所采用两种方法的诊断结果均具有较高的故障辨识度，应用到输电线路故障诊断是可行的。
本文在前人研究成果的基础上进行了新的探索和尝试，在领域内首次将变分模态分解和动态时间弯曲相结合的方法及互近似熵方法运用到输电线路接地故障诊断中，显着地提高了诊断效果。
参考文献
