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1、第45卷第15期 电力系统保护与控制 V0145 No151Q!生!旦!旦 里竺旦竺璺z!竺里!竺塑!垒旦呈翌皇堡竺坐!竺!垒竖：!：!DoI：107667PSPCI61840基于椭圆域分割的触电电流混沌检测方法研究李春兰，夏兰兰，王成斌，叶豪(新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐830052)摘要：针对从低压电网的总剩余电流中提取触电支路电流的难题，利用混沌系统对初始条件敏感及对噪声免疫的特性，提出基于椭圆域分割法的触电电流混沌检测方法。在混沌系统的二维相轨迹图中引入椭圆域分割线，通过其输出的高低电平表示相轨迹穿越椭圆域分割线的状态，根据输出的低电平次数定量判别混沌系统所处的状态，从而实现
2、触电信号的提取。利用待测信号相位和系统状态存在的对应关系，确定待测信号初相位并修正，以提高该方法的检测精度。针对195组触电信号检测结果表明，相位修正前、后的检测误差从325减小到41，检测信噪比由0，一50 dB增加到0，一63 dB】，所提议的方法能够从包含强噪声的总剩余电流中检测出触电电流，为新型剩余电流保护装置的开发提供一定的参考价值。关键词：混沌振子；触电信号；椭圆域分割；相位检测；剩余电流保护装置Study on chaos detection method of electric shock current based on elliptic domain segmentatio
3、nLI Chunlan，XIA Lanlan，WANG Chengbin，YE Hao(College of Mechanical and Traffic，Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052，China)Abstract：It is difficult to exactly detect the electric shock current signal of the human body from the leakage current inthe residual current protection of low voltage
4、power networkThe chaotic system is sensitive to initial conditions andimmune noiseChaotic detection method based on elliptic domain segmentation method is proposedElliptic domainsegmentation line is introduced in the two-dimensional phase track diagram of chaos systemThe state of the phasetrajectory
5、 passing through the elliptic domain segmentation line is indicated by the high and low level of the output of theelliptic domain segmentationAccording to the number of the low level of the output，the state of the chaotic system isdetermined quantitatively,SO as to realize the extraction ofthe elect
6、ric shock signalAccording to the relationship betweenthe detecting signal phase and chaos system state，the initial phase of the detecting signal is confirmed and corrected toimprove the accuracy of the methodThe detection results of 1 95 groups of electric shock signal show that the detectionerror o
7、f the phase corrected before and after is reduced from 325to 41，SNR range detected is increased from【0，一50 dB】to0，一63 dBSimulation results show that this method can detect weak electric shock current in the summationleakage current containing strong noiseThe detecting method is of a certain referenc
8、e value for developing newgeneration residual current operation devicesThis work is supported by National Natural Science Foundation of China(No5 146702 1)Key words：chaotic oscillator；electric shock signal；elliptic domain segmentation；phase detection；residual currentprotection device0引言在低压电网剩余电流保护中，
9、剩余电流保护装置在防止人身触电事故或设备漏电事故方面起着重要的作用。但运行实践表明，当大负荷投入或环境基金项目：国家自然科学基金项目(51467021)条件突变时，剩余电流保护装置常常出现合不上闸或误切电源的现象，究其根本原因是目前运行的剩余电流保护装置的动作整定值以检测到的总剩余电流(正常漏电电流与故障漏电电流矢量an)达到某一值为依据，但在一定条件下，电网漏电事故不一定使总剩余电流增加，反而会造成总剩余电流减小，因此其存在保护动作死区【1 J。为从根本上解决剩余万方数据电力系统保护与控制电流保护装置误切电源和正确投运率低的问题，需开发基于剩余电流和生物体触电电流分量双重动作判据的白适应型剩
10、余电流保护装置，其关键问题是从剩余电流中分离出生物体触电电流。信息处理和智能技术的发展有力地促进了继电保护的研究【2。J，也使得触电电流信号检测和识别的研究取得了一定的研究成果。文献4利用小波多分辨分析与BP神经网络相结合的方法从剩余电流中分离出触电电流信号，但存在神经元结构过于复杂和BP神经网络训练步数过多等缺陷；文献5用RBF神经网络建立了触电信号的检测模型，提高了网络的收敛速度，增强了系统的实时性和稳定性，但神经网络的隐层单元数较难确定、容易陷入局部最优。针对神经网络的这些缺点，文献6提出了基于最小二乘支持向量机的触电电流建模方法，减少了训练时间，提高了逼近和泛化能力，但最小二乘支持向量
11、机算法中涉及矩阵求逆，其维数随数据量的增加而增加，增加了算法计算量和内存。文献【7】根据混沌动力学行为具有对小信号敏感，对噪声免疫的特点，提出了基于李雅普诺夫指数的触电电流混沌检测方法，能够检测出触电电流信号，且误差较小，但该方法是根据混沌系统输出的时间序列来估算最大李雅普诺夫指数，计算耗时，导致实时检测性差等问题。上述方法均需要较大的数据量、计算较复杂。针对现有方法的不足，提出一种基于椭圆域分割的触电电流混沌检测方法，该方法利用椭圆域分割器输出的低电平次数判断混沌系统临界状态，从而实现触电电流的检测。1 基于Duffing振子的微弱信号检测方法11 During振子的数学模型混沌运动具有遍历
12、性、随机性以及对初值敏感的特性891，During方程10。111是研究混沌运动常用模型之一，如式(1)。3+co+(一x+x3)=fcos(a,V) (1)式中：k为阻尼比；一X+X3为非线性恢复力；厂为混沌系统周期策动力的幅值；CO为策动力角频率；X表示混沌信号，量表示混沌信号随时间变化的速率，x一戈的关系为混沌系统相轨迹，表征系统随时间运动状态(相)的演变过程【l 21。在参数k、及初始条件固定不变的条件下，随着厂的逐渐增大，系统相轨迹依次出现同宿轨道、倍周期分岔状态、混沌状态、大尺度周期状态。厂在一定范围内保持一种状态，其中混沌状态到大尺度周期状态过渡的临界值店对应的相轨迹称为临界状态
13、。处于临界状态的Duffing系统具有对与策动力同频的周期信号敏感和对噪声免疫的特性，利用这种特性可以实现对微弱信号检测【1 31。12基于During振子的微弱信号检测原理121幅值检测方法设待检测的微弱信号为办(幻。办(f)=Acos(oJ+Aco)t+妒) (2)式中：A为待测信号的幅值；t为时间；够为待检测信号的初相位，缈(一180。，180。)，由式(1)可知，妒也为待测信号与原始策动力的相位差；Aco为待测信号与原始策动力的频差。由于生物体触电信号与低压电源频率都为工频50 Hz，因此本文中ACO=0。将办(幻作为新的策动力引入到处于临界状态的原始混沌系统中，则式(1)演变为j亡+
14、碱+矿(一x+工3)=d(A COS(COt)+办(f)= (3)of7cos(耐+0)式中：厂7为总周期策动力的幅值；0为总策动力的初相角。分别如式(4)、式(5)。7=五2+A2+2fdAcos(p (4)0=arctanAsintp(fd+Acos缈) (5)由式(4)可知，系统的状态不但与待测信号的幅值有关，还和待测信号与原始策动力间的相位差有关。(1)当例O8923，周期状态)图8椭圆域分割器低电平次数统计图Fig8 Statistics on low level of output of ellipticdomain segmentation分析图7和图8可知：(1)系统在同宿轨道
15、与倍周期分岔状态时，a2、Dh3。(2)临界状态时，0】=l、Oh=2。(3)大周期状态下，椭圆域输出为恒定高电平，无低电平输出即D1=0、Dh=1。系统在混沌状态、临界状态和大周期状态对应的椭圆域输出具有不同特征，因此可以将椭圆域分割器的输出作为混沌状态判据。椭圆域输出的高电平次数与低电平次数均能区分系统的不同状态，本文以椭圆域输出的低电平次数作为混沌判据标准：01=0，系统为大周期状态；0。=1，系统为临界状态；Dll，系统为混沌状态。23基于椭圆域分割的触电信号混沌检测本文提议的检测方法的基本思想是：根据混沌理论，利用椭圆域分割器输出低电平次数作为判断混沌系统相变的量化依据，自动识别混沌
16、系统的临界状态、混沌状态、周期状态；将触电前、后的剩余电流作为新的策动力分别加入到已调整到临界状态的原混沌系统中，通过相位修正使其与内置策动力的相位相同，再通过调整内置策动力幅值，使系统回到临界状态，记录此时的内置策动力幅值名或万方数据74 电力系统保护与控制乐，利用f：、疋即可计算出触电电流的幅值。具体步骤如下：(1)设置原始混沌系统的初始值，利用22节提议的混沌判据确定临界状态，记录此时的即为原始混沌系统临界状态的策动力幅值厅。(2)将触电前正常剩余电流作为策动力的一部分加入到原始混沌系统中，按照122节的方法，检测出触电前剩余电流初相位，并将之修正为0。(3)逐渐减小原始混沌系统的内置策
17、动力幅值，直到01=1，此时的厂即为原始混沌系统加入低压电网正常剩余电流后临界状态策动力幅值f：。(4)将触电后剩余电流加入到处于临界状态的原始混沌系统中，按照步骤(2)、(3)N样的方法获得系统重新回到临界状态对应的策动力幅值尼。(5)由步骤(3)、(4)的结果计算触电电流的幅值，即A=Z，一疋。3 仿真与验证31检测样本选取195组触电物理试验获得的猪触电的原始数据作为检测样本。为了比较相位修正对检测结果的影响，取不同初相位的触电信号，选取0。、150、30。、1800(间隔15。)，每种初相位各选取15组，并依次编号为l195。每组数据中包含的信号有剩余电流、触电电流，截取剩余电流触电前
18、4个周期和触电后4个周期各800个采样点数据。图9为几种典型初相角触电情况下剩余电流3fo及相应的触电支路电流fr。32仿真分析为了比较触电信号相位修正前、后提议方法的检测结果，将检测样本分别按照121节和23节提议的检测方法对195组触电信号进行检测，结果如表1所爪。采样点数(a)任意初相位时刻触电裔奢采样点数(b)lp=O。时刻触电采样点数(C)妒=90。时刻触电0 400 800 1200 1600采样点数采样点数(d)妒=180。时刻触电图9触电试验原始信号Fig9 Test signal of electric shock由表1可知：(1)检测样本不经过相位修正时，检测获得的触电电流
19、幅值的平均检测误差为325；随着触电时刻初相位与混沌系统内置策动力的相位差的增加，检测误差逐渐增大，检测误差最大可达977；在触电时刻初相位与混沌系统内置策动力同相或反相时，检测误差很小，平均误差为027，因此未进行相位修正的检测方法只适用于初相位满足一定条件的触电信号检测。(2)经过相位修正后检测获得的触电电流幅值的平均检测误差为41，每组检测误差均能满足工程计算的要求。筋0筋如筋0笛如0筋如筋0筋如筋0筋如”0嚣如万方数据李春兰，等 基于椭圆域分割的触电电流混沌检测方法研究 75表1触电电流幅值检测结果Table 1 Amplitude of electric shock current
20、detection results序号黧嚣言巍纛46 450 13247 45。 32648 45。47170 469717 6 4601251 4671127 38312 43446 53194 180。 349 350 029 335 40195 180 220 220 000 229 41考虑实际剩余电流保护装置安装环境的复杂性，需分析本文提议方法的抗噪能力。按分层抽样的方法，在相同初相位的15组数据中随机选取4组，则195组样本抽取52组数据，针对同一幅值的触电电流，加入不同强度的噪声，部分检测结果如表2所示。表2不同幅值、不同信噪比情况下触电电流幅值检测结果卫lble 2 Elect
21、ric shock current detection results ofthedifferent amplitude and SNR注：t表示该信噪比时，检测失效。由表2可知：(1)相同幅值情况下，相位修正前后，均是噪声越大检测误差越大。(2)检测样本不经过相位修正时，相位是影响检测误差的主要因素，噪声对检测误差的影响较小；检测样本经过相位修正后，在触电电流的强噪声范围内，即-5 dB，一45 dB，本文提出的方法均能检测出触电电流的幅值。(3)本文提出的方法相位修正前适用的信噪比为0，一50 dB，相位修正后适用的信噪比为0，一63 dB。4 结论本文提出一种基于椭圆域分割的触电电流混沌
22、检测新方法。利用混沌系统各状态相轨迹与椭圆域分割线的关系构建了基于椭圆域分割的混沌判据，并利用该混沌判据，检测触电电流的初相位、幅值。仿真和计算结果表明：(1)本文提议的检测方法的平均检测误差为41，其检测精度及检测速率均能够满足工程计算的要求。(2)本文提议的检测方法适用于超强噪声背景下的检测，检测信噪比下限为-63 dB。(3)本文算法优于文献6提出的混沌检测方法，计算简单，计算量小，能实时检测出触电信号。参考文献1 蔡志远，庞住，陈廷辉基于剩余电流和漏电阻抗的漏电保护方法的研究J】电力系统保护与控制，2011，39(12)：6164CAI Zhiyuan，PANG Jia，CHEN Ti
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36、ection based on improved circle zonepartition methodY1Journal of Naval Aeronautical andAstronautical University,2015，30(6)：511-515收稿日期：2016-11-05： 修回日期：2016-1卜28作者简介：李春兰(1967一)，女，通信作者，副教授，研究生导师，研究方向为电力系统继电保护、新能源发电及并网技术；Email：lichunlan671 26corn夏兰兰(1991一)，女，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护。Email：1 542963867qqtom(编辑魏小丽)万方数据