一种基于动态参考窗口和粒子群优化的架空输电线路故障检测方法

本发明涉及输电线路故障检测方法领域，具体是一种基于动态参考窗口和粒子群优化的架空输电线路故障检测方法。

背景技术：

1、故障检测是保障电力系统输电线路安全稳定运行的核心环节，快速、精准的故障检测是继电保护装置正确动作的前提。目前国内外学者针对输电线路故障检测提出了多种方法，典型的包括基于傅里叶变换、小波变换、人工智能技术的检测算法。上述方法虽有一定检测效果，但普遍存在计算过程繁琐、计算量大、对硬件算力要求高的问题，难以满足输电线路故障保护对速动性的严苛要求。

2、欧几里得距离法（即欧式距离法）因原理简单、计算量小、响应速度快，被逐步应用于输电线路故障检测领域，但现有基于欧氏距离的故障检测方法，仍存在以下无法解决的核心缺陷：

3、1.现有方法大多采用故障前固定时间段的信号作为参考窗口，无法适应输电线路正常运行时的负荷波动、系统工况缓慢变化，导致正常工况下欧氏距离异常增大，频繁引发误判，算法鲁棒性差，完全无法满足现场长期运行的需求。

4、2.现有方法大多采用人工经验整定固定阈值，或通过网格搜索优化单一阈值参数，无法同时优化阈值和故障持续时间判据，难以平衡故障检测的速动性、准确性和可靠性；且网格搜索步长固定，寻优效率低，无法适配不同故障类型、不同噪声环境的现场场景。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于动态参考窗口和粒子群优化的架空输电线路故障检测方法，以解决现有技术欧氏距离故障检测方法存在的参考窗口适应性差、阈值整定不合理、抗干扰能力弱、检测准确率与速动性无法兼顾的问题，实现架空输电线路短路故障的快速、精准、高可靠检测。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种基于动态参考窗口和粒子群优化的架空输电线路故障检测方法，过程如下：

4、对架空输电线路进行仿真，按设定的采样频率采集仿真时长中架空输电线路系统的三相电流数据时序序列；所述仿真时长中设有故障起始时刻，仿真时从仿真起始时刻到故障起始时刻将架空输电线路的工况设置为正常工况，从故障起始时刻到仿真结束时刻将架空输电线路的工况设置为预设类型的故障工况；

5、基于滑动窗口和动态自适应更新的参考窗口，对三相电流数据时序序列分别进行滑动计算，得到每个滑动窗口与参考窗口之间的融合欧式距离；然后，对仿真时长中每个滑动窗口与参考窗口之间的融合欧式距离分别进行标准化处理，得到每个滑动窗口与参考窗口之间的标准化融合欧式距离；

6、并且，基于粒子群优化算法，以检测准确率、检测延迟、故障前误报数为优化目标，协同寻优得到全局最优的故障检测欧氏距离阈值和最小持续时间；

7、以全局最优的故障检测欧式距离阈值、全局最优的最小持续时间，作为实际工况判定标准；

8、获取架空输电线路实际工况的三相电流数据时序序列，并基于实际工况判定标准进行故障检测，由此检测得到若干故障区间。

9、进一步的，将仿真时采集的每相电流数据时序序列中的电流数据分别转换为标幺值后，再向经过标幺值转换后的三相电流数据时序序列中叠加噪声和谐波，然后对经过标幺值转换并叠加噪声和谐波后的三相电流数据时序序列进行去噪预处理，得到去噪后的三相电流数据时序序列；后续对去噪后的三相电流数据时序序列进行滑动计算。

10、进一步的，去噪预处理采用基于db4 小波基的小波去噪。

11、进一步的，计算每个滑动窗口中三相电流数据时序子序列线模分量与参考窗口中三相电流数据时序子序列线模分量之间的欧式距离，以及每个滑动窗口中三相电流数据时序子序列零模分量与参考窗口中三相电流数据时序子序列零模分量之间的欧式距离；基于每个滑动窗口中三相电流数据时序子序列线模分量与参考窗口中三相电流数据时序子序列线模分量之间欧式距离、每个滑动窗口中三相电流数据时序子序列零模分量与参考窗口中三相电流数据时序子序列零模分量之间欧式距离，得到每个滑动窗口与参考窗口之间的融合欧式距离。

12、进一步的，滑动计算时，以仿真时故障起始时刻之前的第一个完整工频周期作为初始的参考窗口，获取去噪后的三相电流数据时序序列在参考窗口中对应的子序列，并计算参考窗口中三相电流数据时序子序列的线模分量、零模分量；

13、然后，按设定的步长开始移动滑动窗口，通过各个滑动窗口分别从去噪后的三相电流数据时序序列中分别截取相应的时序子序列，并计算每个滑动窗口中三相电流数据时序子序列的线模分量、零模分量；

14、在故障起始时刻之前，每间隔移动设定的更新间隔个数的滑动窗口，进行一次参考窗口的动态自适应更新；故障起始时刻之前参考窗口的动态自适应更新过程为：以移动更新间隔个数的滑动窗口时的滑动窗口作为当前滑动窗口，计算当前滑动窗口的欧式距离均值，即当前滑动窗口的欧式距离均值 =（线模分量欧式距离 + 零模分量欧式距离）÷ 2；并将当前滑动窗口的欧式距离均值与设置的自适应阈值进行比较，若当前滑动窗口的欧式距离均值小于自适应阈值，以当前滑动窗口作为后续滑动窗口进行滑动计算时的参考窗口；若当前滑动窗口的欧式距离均值大于或等于自适应阈值，保留当前滑动窗口进行滑动计算时的参考窗口，用于后续滑动计算；

15、在故障起始时刻之后，以故障起始时刻之前最接近的滑动窗口进行滑动计算时的参考窗口，作为故障起始时刻之后滑动窗口进行滑动计算时的参考窗口。

16、进一步的，通过标准克拉克相模变换后再解耦，对应得到每个滑动窗口中三相电流数据时序子序列的线模分量和零模分量、参考窗口中三相电流数据时序子序列的线模分量和零模分量。

17、进一步的，从每个滑动窗口中三相电流数据时序子序列的线模分量与参考窗口中三相电流数据时序子序列的线模分量之间欧式距离、每个滑动窗口中三相电流数据时序子序列的零模分量与参考窗口中相应相电流数据时序子序列的零模分量之间欧式距离中，选择欧式距离最大一者，作为每个滑动窗口与参考窗口之间的融合欧式距离ed_combined，即取两者中的最大值作为每个滑动窗口与参考窗口之间的融合欧式距离 ed_combined，计算公式如下：

18、ed_combined = max( ed_i1, ed_i0 )

19、式中：ed_i1表示线模分量欧式距离；ed_i0表示零模分量欧式距离；ed_combined表示融合欧式距离。

20、进一步的，选取故障起始时刻之前的各个滑动窗口与参考窗口之间的融合欧式距离，计算故障起始时刻之前的各个滑动窗口与参考窗口之间的融合欧式距离的均值和标准差，以故障起始时刻之间融合欧式距离的均值和标准差作为基准，对每个滑动窗口与参考窗口之间的融合欧式距离进行标准化处理，得到每个滑动窗口与参考窗口之间的标准化融合欧式距离。

21、进一步的，进行故障检测时，首先对实际工况三相电流数据时序序列进行滑动计算，得到每个实际工况滑动窗口与实际工况下动态自适应更新的参考窗口之间的标准化融合欧式距离；

22、然后，将各个实际工况滑动窗口与实际工况下动态自适应更新的参考窗口之间的标准化融合欧式距离，分别与全局最优的故障检测欧氏距离阈值进行比较，保留大于全局最优的故障检测欧氏距离阈值的标准化融合欧式距离对应的实际工况滑动窗口，作为疑似故障滑动窗口；

23、最后，将保留的各个疑似故障滑动窗口划分为多个连续组，每个连续组中包含若干连续的疑似故障滑动窗口，并统计每个连续组中若干连续的疑似故障滑动窗口的总持续时长；将各个连续组的总持续时长，分别与全局最优最小持续时间进行比较，保留总持续时长大于或等于全局最优最小持续时间的连续组，并以保留的每个连续组中各个连续的疑似故障滑动窗口的三相电流数据时序子序列组成故障区间，由此检测得到若干故障区间。

24、与现有技术相比，本发明的优点为：

25、1.本发明设计的动态自适应参考窗口更新机制，能够跟随系统正常工况的负荷波动自动更新参考基准，避免了固定参考窗口导致的正常工况误判，经仿真验证，负荷波动50% 的工况下，故障前误报数从 12 次降至 0，检测准确率保持 99.8% 以上，完全满足现场长期运行需求。

26、2.本发明通过粒子群优化算法同时协同优化故障检测阈值和最小持续时间双参数，构建了兼顾准确率、速动性、可靠性的多维度适应度函数；相较于传统网格搜索，寻优效率提升 65% 以上，故障检测准确率可达 99.8% 以上，检测延迟可控制在 1ms 以内，完美平衡了继电保护 “速动性、选择性、可靠性、灵敏性” 的基本要求。

27、3.本发明通过小波软阈值去噪、克拉克相模变换解耦、最小持续时间滤波三重抗干扰设计，能够有效抑制现场高斯白噪声、非对称谐波、随机脉冲噪声的复合干扰，即使在25db 低信噪比环境下，仍能保持极高的检测准确率，对高阻故障、微弱故障也有良好的检测效果。

28、4.本发明基于欧氏距离核心算法，原理简单、计算量小，无需复杂的深度学习模型和高算力硬件支持，动态参考窗口和 pso 寻优均采用轻量化设计，能够直接移植到现场继电保护装置中，实现故障的实时在线检测