一种电力系统故障波形比对方法，包括以下步骤：（1）获取同一故障点前后用录波仪录到的波形和用电力设备录到的波形；（2）对故障波形进行预处理；通过快速傅里叶变换得到两个波形文件的采样频率，若频率不同则需重新采样；（3）分别查找两故障波形突变点；（4）用傅里叶变换将两个波形的工频分量过滤，得到高频分量；（5）用滑动自相关算法计算两者高频分量的相似系数，进而得到两个波形的相似度。本发明可解决波形比对时采样频率不同和波形不同步的问题，对于提高电力设备录波性能、保证主站根据电力设备上传波形正确判断和定位故障、避免主站做出错误判断及误动作起到一定的辅助作用。
1.一种电力系统故障波形比对方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)获取同一故障点前后用录波仪录到的波形和用电力设备录到的波形；
(2)对故障波形进行预处理；获取两个波形的采样频率，若采样频率不同则需采用相同的采样频率重新采样；
(5)用滑动自相关算法计算两者高频分量的相似系数，进而得到两个波形的相似度；
(5.1)固定其中一个故障波形为基准波形，将另一个故障波形向左平移一个点，以滑动的故障波形波形突变点开始，取特征长度个采样点，计算两波形相关系数；
(5.2)将滑动波形向左再滑动一个点，以滑动的故障波形波形突变点开始，取特征长度个采样点，再次计算两波形相关系数；
(5.3)以此类推，向左总共滑动q次，每次都在上一次基础上滑动一个点，每滑动一次均计算两波形相关系数；
(5.4)将滑动波形滑动到起始位置，以滑动波形波形突变点开始，取特征长度个采样点，计算两波形相关系数；
(5.5)将滑动波形向右滑动一个点，以滑动的故障波形突变点开始取特征长度个采样点，计算两波形相似系数；
(5.6)和向左滑动思路一样，向右一共滑动q次，每次都在上一次基础上滑动一个点，每滑动一次都以滑动波形突变点开始，取特征长度个采样点，计算两波形相似系数；
(5.7)取计算出的所有相关系数最大值记为ρ，此时两波形重叠性最好，相关系数幅值最大，起始时刻相差最小，此时可认为两波形近似同步，ρ可以表征两波形相似程度，计算出ρ后和阈值比较，超过阈值判定两波形相似。
2.根据权利要求1所述的电力系统故障波形比对方法，其特征在于：所述步骤(2)还包括以下步骤：(2.1)获取两故障波形的采样频率，分别记为f1和f2；
(2.2)若f1＝f2，两波形采样频率相同，不进行处理；
(2.3)若f1>f2，令d＝f1/f2，采样频率为f2的故障波形不处理，采样频率为f1的故障波形每隔d-1个点重新采样，重新采样后两波形采样频率相同；
(2.4)若f2>f1，令d＝f2/f1，采样频率为f1的故障波形不处理，采样频率为f2的故障波形每隔d-1个点重新采样，重新采样后两波形采样频率相同。
3.根据权利要求2所述的电力系统故障波形比对方法，其特征在于：所述步骤(3)还包括：采用正弦函数法寻找三相负荷波形的突变点；
(3.1.1)线路正常运行时，负荷符合正弦波；故障发生后，电压电流发生变化，不再符合故障点前的正弦函数；
(3.1.2)从故障发生之前的波形取一周波的采样数据进行遍历，找出最大数值即波峰值Summit和最小采样值即波谷值Valley，并分别将波峰、波谷对应的下标记为SummitIndex和ValleyIndex，并将采样角度参数记为PARAM，一个周波采样点个数记为N；
y＝A*sin((N/2+(x-SummitIndex)*2)*PARAM)+m；
(3.1.4)用正弦函数计算值与采样值之差的绝对值函数方程计算值记作dff＝|y-sample[x]|，其中sample[x]为故障波形采样值，x＝0,1,...,N-1；
dff超过设定阈值可判定为此采样点不符合波形函数，记录第一个不在函数方程上的点的下标，即故障突变点下标，记为breakIndex，实现波形突变点的查找。
4.根据权利要求2所述的电力系统故障波形比对方法，其特征在于：所述步骤(3)还包括：最大标准方差法；
(3.2.1)线路正常运行时，三相对称，零序电压和零序电流基本为零，方差也近似为零；
故障发生时，零序分量会出现较大的波动，方差也会变大，采用最大标准方差来作为查找波形突变点的依据；
(3.2.2)获取波形每个采样点采样值，由公式 计算标准方差，公式中n为波形采样点个数，xi为具体采样点采样值，为n个采样点采样值求和平均值；
(3.2.3)计算方差间差值Di＝|si+1-si|，i＝1,2,3...n，序列Di最大值对应的下标k即突变点下标；
(3.2.4)进一步修正k，满足下标k,使得Dj＜Dj-1和 成立，其中j＝k,k-
1....,1，其中阈值 式中n由实际情况确定，记下电力设备和录波仪故障波形突变点下标。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的电力系统故障波形比对方法，其特征在于：所述步骤(4)还包括：(4.1)获取波形数据长度，记为L；
(4.2)若L是2的整数次方，直接进行快速傅里叶变换；
(4.3)若L不是2的整数次方，在数据后面补零，使数据长度变成L1，L1是2的整数次方比L大的整数里的最小值，然后进行快速傅里叶变换；快速傅里叶变换后，滤除工频分量，只对高频部分进一步对比。
6.根据权利要求5所述的电力系统故障波形比对方法，其特征在于：所述步骤(5)还包括：固定其中一个故障波形为基准波形，将另一个故障波形数据窗前后平移，并以特征长度参与计算相关系数，重叠性最好的点的相关系数幅值最大，起始时刻相差最小，此时可认为两波形近似同步，此时相关系数为两波形相似度。
一种电力系统故障波形比对方法
技术领域
[0001] 本发明涉及配电线路故障波形诊断与处理领域，具体涉及一种电力系统故障波形比对方法。
背景技术
[0002] 随着电力网络通信与数据库技术的发展及故障录波文件格式的统一化与标准化，根据故障录波文件提取故障点前后电压、电流等故障信息，进而准确分析判断并定位故障，已成为配电网领域研究的热点之一。
发明内容
[0003] 本发明提出的一种电力系统故障波形比对方法，将同一故障点前后用录波仪录到的波形和用电力设备录到的波形进行比对，获得两波形相似度，从而了解从电力设备录取的波形能否正确反映电力系统发生故障时电压、电流的变化情况，并判断录波性能是否满足要求。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0005] 一种电力系统故障波形比对方法，步骤包括：
[0006] (1)获取同一故障点前后用录波仪录到的波形和用电力设备录到的波形。
[0007] (2)对故障波形进行预处理；获取两个波形的采样频率，若采样频率不同则需采用相同的采样频率重新采样；
[0008] (3)分别查找两故障波形波形突变点；
[0009] (4)用FFT将两个波形的工频分量过滤，得到高频分量；
[0010] (5)用滑动自相关算法计算两者高频分量的相似系数，进而得到两个波形的相似度；
[0011] 进一步的，所述步骤(2)的具体实现方法：
[0012] ①获取两故障波形的采样频率，分别记为f1和f2；
[0013] ②若f1＝f2，两波形采样频率相同，不进行处理；
[0014] ③若f1>f2，令d＝f1/f2，采样频率为f2的故障波形不处理，采样频率为f1的故障波形每隔d-1个点重新采样，重新采样后两波形采样频率相同。
[0015] ④若f2>f1，令d＝f2/f1，采样频率为f1的故障波形不处理，采样频率为f2的故障波形每隔d-1个点重新采样，重新采样后两波形采样频率相同。
[0016] 进一步的，所述步骤(3)中查找故障波形突变点的具体实现方法如下：
[0017] 采用正弦函数法寻找三相负荷波形的突变点；
[0018] 采用最大方差法寻找寻找零序波形的突变点。
[0019] 其中，所述的正弦函数法具体实现方式为：
[0020] ①线路正常运行时，负荷符合正弦波；故障发生后，电压电流发生变化，不再符合故障点前的正弦函数。
[0021] ②从故障发生之前的波形中取一个周波的采样数据进行遍历，找出最大数值即波峰值Summit和最小采样值即波谷值Valley，并分别将波峰对应下标、波谷对应下标及采样角度参数分别记作SummitIndex、ValleyIndex、PARAM，一个周波采样点个数记为N；
[0022] ③由下式计算正弦波幅值A，
[0023] A＝(Summit-Valley)/2
[0024] 由下式计算波形偏移值m，
[0025] m＝Summit-A；
[0026] 则故障点前的负荷波形的正弦函数可表示为
[0027] y＝A*sin((N/2+(x-SummitIndex)*2)*PARAM)+m；
[0028] ④将正弦函数计算值与采样值之差的绝对值记作dff＝|(y-sample[x]|，其中sample[x]为一个故障波形的采样值，x＝0,1,...,N-1；
[0029] dff超过设定阈值可判定为此采样点不符合波形函数，并记录第一个不在正弦函数方程上的点的下标，亦即故障突变点下标，从而实现波形突变点的查找。
[0030] 其中，所述的最大标准方差法具体实现方式为：
[0031] ①线路正常运行时，三相对称，零序电压和零序电流基本为零，方差也近似为零；故障发生时，零序分量会出现较大的波动，方差也会变大。因此，可采用最大方差来作为查找波形突变点的依据。
[0032] ②根据波形中每个采样值，由公式 计算标准方差。其中，n为波形采样点个数，xi为具体采样点采样值，为n个采样点的求和平均值。
[0033] ③计算方差间差值Di＝|si+1-si|，i＝1,2,3...n，序列Di最大值对应的下标k即突变点下标。
[0034] ④进一步修正k，满足下标k,使得Dj＜Dj-1和 成立，其中j＝k,k-1....,1，其中阈值 式中n由实际情况确定。
[0035] 进一步，所述步骤(4)快速傅里叶变换FFT过滤波形工频分量，保留高频分量；具体实现方式为：
[0036] ①取波形数据长度，记为L。
[0037] ②若L是2的整数次方，直接进行快速傅里叶变换(FFT)。
[0038] ③若L不是2的整数次方，在数据后面补零，使数据长度变成L1，L1是2的整数次方比L大的整数里的最小值，然后进行快速傅里叶变换(FFT)。快速傅里叶变换后，滤除工频分量，只对高频部分进一步对比。
[0039] 进一步的，所述步骤(5)用滑动自相关算法计算两者高频分量的相似系数，进而得到两个波形的相似度。在数学上用相关系数来表示两个信号的相似性。两离散信号相关系数计算公式 Cov(X,Y)为协方差，Cov(X,Y)＝E(XY)-E(X)E(Y)，X、Y是两个信号序列，|ρXY|≤1，ρXY＝0表示两个信号完全不相关，ρXY＝1表示两个信号完全相同。
[0040] 本发明在计算相似系数时采用滑动自相关算法。
[0041] 具体实现方式为：
[0042] ①固定其中一个故障波形为基准波形，将另一个故障波形向左平移一个点，以滑动的故障波形波形突变点开始，取特征长度个采样点，计算两波形相关系数。
[0043] ②将滑动波形向左再滑动一个点，以滑动的故障波形波形突变点开始，取特征长度个采样点，再次计算两波形相关系数。
[0044] ③以此类推，向左总共滑动m次，每次都在上一次基础上滑动一个点，每滑动一次均计算两波形相关系数。
[0045] ④将滑动波形滑动到起始位置，以滑动波形波形突变点开始，取特征长度个采样点，计算两波形相关系数。
[0046] ⑤将滑动波形向右滑动一个点，以滑动的故障波形突变点开始取特征长度个采样点，计算两波形相似系数。
[0047] ⑥和向左滑动思路一样，向右一共滑动m次，每次都在上一次基础上滑动一个点，每滑动一次都以滑动波形突变点开始，取特征长度个采样点，计算两波形相似系数。
[0048] ⑦取计算出的所有相关系数最大值记为ρ，此时两波形重叠性最好，相关系数幅值最大，起始时刻相差最小，此时可认为两波形近似同步，ρ可以表征两波形相似程度。计算出ρ后和阈值比较，超过阈值判定两波形相似。
[0049] 由上述技术方案可知，本发明中一种电力系统故障波形比对方法通过比对同一故障点前后用录波仪录到的波形和用电力设备录到的波形，获得两波形相似度。重新采样和滑动自相关算法解决了故障波形比对时采样频率不同，波形不同步等问题，可直接测试电力设备录波性能，确保电力设备录波性能合格从而保证主站能根据电力设备上传的故障波形文件，正确判断、定位故障，进而提高电力系统运行的安全性和稳定性。
[0050] 本发明的优点是：本发明解决了波形比对时采样频率不同和时间不同步的问题，有助于提高电力设备录波性能，保证主站能根据电力设备上传波形正确判断和定位故障，避免主站做出错误判断起到一定的辅助作用。
具体实施方式
[0051] 下面结合实施例对本发明做进一步说明：
[0052] 本实施例所述的电力系统故障波形比对方法，将故障指示器和录波仪录取同一故障波形进行比对，步骤如下：
[0053] (1)获取同一故障点前后用录波仪录到的波形和用故障指示器录到的波形。
[0054] (2)对故障波形进行预处理。通过快速傅里叶变换(FFT)得到两个波形文件的采样频率，若频率不同则需重新采样。
[0055] ①获取两故障波形的采样频率，分别记为f1和f2；
[0056] ②若f1＝f2，两波形采样频率相同，不进行处理；
[0057] ③若f1>f2，令d＝f1/f2，采样频率为f2的故障波形不处理，采样频率为f1的故障波形每隔d-1个点重新采样，重新采样后两波形采样频率相同。
[0058] ④若f2>f1，令n＝f2/f1，采样频率为f1的故障波形不处理，采样频率为f2的故障波形每隔d-1个点重新采样，重新采样后两波形采样频率相同。
[0059] (3)分别查找两故障波形波形突变点；
[0060] a、采用正弦函数法寻找三相负荷波形的突变点；采用最大方差法寻找寻找零序波形的突变点。
[0061] b、a所述的正弦函数法具体实现方式为：
[0062] ①线路正常运行时，负荷符合正弦波；故障发生后，电压电流发生变化，不再符合故障点前的正弦函数。
[0063] ②从故障发生之前的波形取一周波的采样数据进行遍历，找出最大数值即波峰值Summit和最小采样值即波谷值Valley，并分别将波峰、波谷对应的下标SummitIndex和ValleyIndex，并将采样角度参数记为PARAM,一个周波采样点个数记为N。
[0064] ③由下式计算正弦波幅值A，
[0065] A＝(Summit-Valley)/2
[0066] 由下式计算波形偏移值m，
[0067] m＝Summit-A；
[0068] 则故障点前的负荷波形的正弦函数可表示为
[0069] y＝A*sin((N/2+(x-SummitIndex)*2)*PARAM)+m；
[0070] ④用正弦函数计算值与采样值之差的绝对值函数方程计算值和采样记作dff＝|(y-sample[x]|，其中sample[x]为一个故障波形采样值，x＝0,1,...,N-1。dff超过设定阈值可判定为此采样点不符合波形函数，记录第一个不在函数方程上的点的下标，即故障突变点下标,实现波形突变点的查找。
[0071] c、a所述的最大标准方差法具体实现方式为：
[0072] ①方差在数学上用于描述一个序列的取值分散程度，发生故障前线路中是正常负荷，三相平衡，零序电压和电流基本为零，在发生故障时零序值会有较大突变，波动大，利用最大标准方差查找波动最大点即可近似认为是波形突变点。
[0073] ②获取波形每个采样点采样值，由公式 计算标准方差，公式中n为波形采样点个数，xi为具体采样点采样值，为n个采样点采样值求和平均值。
[0074] ③计算方差间差值Di＝|si+1-si|，i＝1,2,3...n，序列Di最大值对应的下标k即突变点下标。
[0075] ④进一步修正k，满足下标k,使得Dj＜Dj-1和 成立，其中j＝k,k-1....,1，其中阈值 式中n由实际情况确定。
[0076] 按照上述方法找到录波仪和故障指示器录取波形突变点。
[0077] (4)用FFT将两个波形的工频分量过滤，得到高频分量；
[0078] ①获取故障指示器波形数据长度，记为L。
[0079] ②若L是2的整数次方，直接进行快速傅里叶变换(FFT)。
[0080] ③若L不是2的整数次方，在数据后面补零，使数据长度变成L1，L1是2的整数次方比L大的整数里的最小值，然后进行快速傅里叶变换(FFT)。对录波仪录取波形做相同处理。两组波形数据进行快速傅里叶变换后，滤除工频分量，只对高频部分进一步对比。
[0081] (5)用滑动自相关算法计算两者高频分量的相似系数，进而得到两个波形的相似度。具体实现方法为：
[0082] ①固定录波仪故障波形为基准波形，故障指示器录取波形向左平移一个点，以它的波形突变点开始，取特征长度个采样点，计算两波形相关系数。
[0083] ②将故障指示器波形向左再滑动一个点，以它的突变点开始，取特征长度个采样点，再次计算两波形相关系数。
[0084] ③以此类推，故障指示器波形向左总共滑动m次，每次都在上一次基础上滑动一个点，每滑动一次计算一次两波形相关系数。
[0085] ④将故障指示器波形滑动到起始位置，以它的突变点开始，取特征长度个采样点，计算两波形相关系数。
[0086] ⑤将故障指示器波形向右滑动一个点，以它故障波形突变点开始取特征长度个采样点，计算两波形相似系数。
[0087] ⑥和向左滑动思路一样，向右一共滑动m次，每次都在上一次基础上滑动一个点，每滑动一次都以故障指示器波形突变点开始，取特征长度个采样点，计算两波形相似系数。
[0088] ⑦取计算出的所有相关系数最大值记为相似度ρ。ρ>0.7则认为故障指示器录取波形和录波仪录取波形相似度高，故障指示器在当前条件下录波性能合格。
[0089] 以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。
