小电流接地系统单相接地故障选线方法探究.pdf

第３８卷第１２期２０１０年６月１６日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶ＿０Ｉ＿３８Ｎｏ．１２Ｊｕｎ．１６，２０１０小电流接地系统单相接地故障选线方法探究鲁改凤，化雨，金小兵。，任志强（Ｉ．华北水利水电学院，河南郑州４５００１１；２．华中科技大学，湖北武汉４３００７４；３．三门峡供电公司，河南三门峡４７２０００；４．周口市建筑设计研究院，河南周口４６６０００）摘要：针对国内外小电流接地系统中单相接地保护方法，提出了一种新的基于零序电流高频幅值差的选线方法，形成新的选线判据。利用此选线判据可分别对故障线路和非故障线路加以权重，放大故障线路和非故障线路特性区别。采用小波变换对故障后各线路零序电流高频分量进行分析，依选线判据进行处理，从而获得各线路的权重。通过Ｍａｔｌａｂ建立仿真模型，对不同情况进行模拟仿真实验，验证了此判据的正确性。关键词：小电流接地系统；小波变换；故障选线；单相故障Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａｍｅｔｈｏｄｏｆｆａｕｌｔｌｉｎｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｆｏｒｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅｅａｒｔｈｆａｕｌｔｉｎｉｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｇｒｏｕｎｄｅｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓ—ＬＵＧａｉｆｅｎｇ，ＨＵＡｙｕ２，ＪＩＮＸｉａｏ－ｂｉｎｇ，ＲＥＮＺｈｉ－ｑｉａｎｇ４（１．ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｌｅｃ￣ｉｃＰｏｗｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００１１，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；３．ＳａｎｍｅｎｘｉａＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＣｏｍｐａｎｙ，Ｓａｎｍｅｎｘｉａ４７２０００，Ｃｈｉｎａ；４．ＺｈｏｕｋｏｕＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＡｃａｄｅｍｙ，Ｚｈｏｕｋｏｕ４６６０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓＰａＤｅｒｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄａｎｅｗｓｉｎｇｌｅ．ｐｈａｓｅｅａｒｔｈｆａｕｌｔｌｉｎｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｚｅｒｏ－ｓｅｑｕｅｎｃｅｈｉ曲－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｍｐｌｉｔｕｄｅａｓｌｉｎｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉｏｎ．Ｔｈｅｎｅｗｍｅｔｈｏｄｉｓｆｏｒｔｈｅｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎｉｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｇｒｏｕｎｄｅｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓ．Ｗｉｍｔｌ１ｉｓｍｅｔｈｏｄ．ｗｅｉｇｈｔｓｉＳｇｉｖｅｎｔｏｔｈｅｆａｕｌｔｌｉｎｅａｎｄｔｈｅｎｏｎ－ｆａｕｌｔｌｉｎｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ。ａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｆａｕｌｔｌｉｎｅａｎｄｔｈｅｎｏｎ．ｆａｕｌｔｌｉｎｅｉＳｅｎｌａｒｇｅｄ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｈｉｅ，ｈ．ｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｍｐｌｉｔｕｄｅａｆｔｅｒｔｈｅｆａｕｌｔｌｉｎｅｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｄｂｙｗａｖｅｌｅｔｔｒａｎｓｆｏｒｍ．ｔｈｅｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓｔｈｅｍ．ｔｈｕｓｇｅｔｓｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆｅａｃｈｌｉｎｅ．ＴｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｃｒｉｔｅｒｉｏｎｉＳｔｅｓｔｉｆｉｅｄｗｉｔｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎｖａｒｉｏｕｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｇｒｏｕｎｄｅｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓ；ｗａｖｅｌｅｔｔｒａｎｓｆｏｒｍ；ｆａｕｌｔｌｉｎｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅｅａｒｔｈｆａｕｌｔ中图分类号：ＴＭ７７文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－３４１５（２０１０）１２－００４４－０６０引言小电流接地系统发生单相接地故障时其接线电压仍然对称，不影响对用户供电，故不必立刻断开故障线路，按规程规定还可继续运行１￣２ｈ，提高了供电可靠性，所以，国内外中低压配电电网一般“都采用小电流接地运行方式ｌ。随着电网建设的发展，配电网输电线路越来越长，电缆应用越来越多，使得线路的对地电容增大。若仅采用中性点不接地方式时，故障点的短路电流增大，不利于灭弧，并对设备绝缘形成更大的威胁。所以我国的配电网系统中性点接线方式有：中性点不接地方式、中性点经小电阻接地方式、中性点经消弧线圈接地方式。消弧线圈和电阻的接入减小了单向接地故障时电流，也减弱了利用这些信息量来选择故障线路装置的灵敏性和选择性，影响了供电的可靠性。现有的小电流接地系统单相接地故障选线方法，无论是基于暂态量还是基于稳态量的，都受到ＣＴ不平衡、出线回路数、线路长短、系统运行方式及过渡阻抗的影响，使得我们要对新的选线方法要求更加急切，从而提高选线正确率的精度。本文采用小波变换对故障信号进行分析，利用信号的第一极大值和经小波变换第一尺度高频分量的第一极大值，视高频分量的第一极大值为一权重系数，达到选出故障线路的目的。并提出基于零序电流暂态电流第一极大值的选线判据。然后利用Ｍａｔｌａｂ建立小电流接地系统仿真模型，通过大量的仿真数据验证了本文提出的选线方案的正确性和可靠性。鲁改凤，等小电流接地系统单相接地故障选线方法探究一４５－１，Ｊ、波分析理论在选线方法中的应用计算能力，本文最终选用Ｄｂ５小波。小波分析是一门新兴数学分支和应用方法，它是数学理论与工程应用相结合的产物。小波变换是一种信号的时间一频率分析方法，它具有多分辨率分析的特点，而且在时、频两域都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口大小固定不变但其形状可变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法，即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，如果要分析高频信号，则采用具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率窗口，很适合于对奇异信号的瞬间分析，所以被誉为分析信号的显微镜ｊ。在实际应用中，因为连续小波变换的冗余性，同时为了使小波变换能实现快速计算，常需要把连续小波变换离散化【３】，其离散化的方法就是将小波基函数（）的尺度因子ａ和平移因子在一些离散点上取值，通常取ａ＝，ｂ＝６ｎ，∈，Ｚ，ａ＞ｌ，则与其相应的离散小波函数为：∽志。ｆ一）离散化小波变换系数可表示为：，Ｌ（ｆ），ｋ（ｔ）ｄｔ（２）其重构公式为：∑∑（ｆ）＝ｃ，，（ｆ）多分辨率分析［４１（Ｍｕｌｔｉ．ＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓ）又称为多尺度分析，是建立在函数空间概念上的理论。其思想是根据观察和分析的不同需要，可以将尺度的大小自由调节，得到观察对象的细微部分，满足分析的需要。本文利用小波变换的Ｍａｌｌａｔ分解算法来获得模极大值点对应着采样数据的奇异点，因此信号的奇异性检测就转变为小波变换模极大值的检测。使用小波变换进行时频分析时，要提取的是非平稳信号的瞬时、奇异与突变成分，所选小波主要考虑其在时、频两域的紧支撑能力，要求其具有相对较好的频域特性，基于以上分析并考虑到故障选线的计算量，由于Ｄｂ５小波基具有较好的时、频两域的紧支撑能力，较好的频域特性、正交性和快速２小波变换高频分量第一模极大值的获得中性点不接地系统当发生单相接地故障时，系统中将出现零序电压和零序电流，且故障相的零序电流等于所有非故障相对地电容电流之和，故障相零序电流值最大，且相位相反；当发生母线故障时，所有线路的零序电流相位相同。首先通过仿真得到线路的零序电流原始信号图，如图１；再利用小波分析对所有线路的零序电流信号进行Ｄｂ５分析，可以得到高频１尺度的分解系数下的第一幅值极大值。其对比图如２所示。Ｅ一图１非故障线路ｌ的原始信号图—Ｆｉｇ．１Ｏｒｉｇｉｎａｌｓｉｇｎａｌｏｆｎｏｎｆａｕｌｔｌｉｎｅ１臣叵一图２非故障线路１经Ｄｂ５分解尺度１结果Ｆｉｇ．２Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｎｏｎ－ｆａｕｌｔｏｆｌｉｎｅ１ｔｈｒｏｕｇｈＤｂ５ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｓｃａｌｅ１因为尺度１是对高频分量的分解，正适合利用暂态分量的思路，从图２中也可以看到经过分解后的１尺度上，可以获得第一幅值模最大值。如果所采集到的信号中含有噪声干扰，可以用前面讲过的小波去噪的方法，将信号中的噪声滤除，其去噪过程由图３所示。图３小波去噪过程—Ｆｉｇ．３Ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗａｖｅｌｅｔｄｅｎｏｉｓｉｎｇ经过小波去噪后，对信号进行重构，然后再对重构后的信号做Ｄｂ５小波分解，这样可以很清楚的找出第一幅值模最大值，其第一幅值模最大值为０．９１。图４是重构后信号做Ｄｂ５分解后的１尺度图。．．４６．．电力系统保护与控制．１００２００３００４００５００６００７００８００９００图４非故障线路ｌ去噪后做Ｄｂ５分解的尺度１结果图Ｆｉｇ．４Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｎｏｎ－ｆａｕｌｔｏｆｌｉｎｅ１ｔｈｒｏｕｇｈ—ｄｅｎｏｉｓｉｎｇＤｂ５ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｓｃａｌｅ１３选线判据针对现有的选线方法受到电网的运行方式、线路长短、过渡电阻的影响，使得各种选线方法都有自身的盲点。当发生单相接地故障时，如果有上述条件影响而信号微弱，则更难判别。从上面的分析中可以知道，稳态分量虽然可靠，但幅值较小，难以识别；在发生故障的情况下，暂态分量数值大，但衰减比较快，难以捕捉。鉴于要避除各种影响选线方法的因素，采用了小波分析方法对发生接地瞬间的暂态信号进行分析，提取信号中的特征信息来实现选线，下面对中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统的选线判据进行分析。３．１中性点不接地系统从上面的分析中可以得出：故障相零序电流的第一模最大值最大，且故障相的模最大值的方向与非故障相的方向相反。由于发生故障后，故障相的零序电流第一个到达的最大值比非故障相的零序电流第一个到达的最大值大，并且经过小波分解后，其第一幅值模最大值也为故障相最大，所以可以利用下面方法算出故障相，如表１。表１中性点不接地系统单相故障选线判据Ｔａｂ．１Ｌｉｎｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉｏｎｆｏｒｔｈｅｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅｆａｕｌｔｏｆｎｅｕ￣ａｌｕｎｇｒｏｕｎｄｅｄｓｙｓｔｅｍＰＮＳｆ，ｐｎ，＿／ｐｐＹ，，ｐⅣ表１中：Ｎ表示母线上有条出线。厶×（４）…Ⅳｉ＝１，２，，式中：厶表示第ｉ条线路出现零序电流后第一个最大值点的数值的绝对值；表示第ｉ条线路的零序电流经过Ｄｂ５分解后在第一尺度上的第一幅值极大值。所以，Ｐ为第ｆ条线路上零序电流第一个最大值点的数值，与其经Ｄｂ５分解后的在第一尺度上的第一幅值极大值的乘积。然后将每一行相加，获得ｓｕｍ列，即为各条线路的权重。假设第ｉ条线路故障，设：＝∑（５）”ｎ＝ｌ／ｆ得到的最大值再进行纵向比较，即：＞１．９∑．（６）ｎ＝ｌ／＿ｉｔ－－…Ⅳ≠Ｊ＝ｌ，２，，，Ｊｆ式（６）为大量各种情况下仿真计算后的一最小值，也可称为不接地系统故障线路的门槛阈值。如果某条线路满足式（６），其行标就是故障线路。如果没有满足式（６）的线路，则为母线故障。３．２经消弧线圈接地系统对于中性点经消弧线圈接地系统，由于有消弧线圈的补偿电流对零序电流进行了补偿，使其特征更难提取。但是从上面的理论分析可知，如果改动消弧线圈的电感值，只有故障相的零序电流变化较大，非故障相的零序电流几乎不变。因此为了得到明显的特征量，采用改变前后的数值之差作为寻找故障相的特征前提。其选线判据如表２所示。表２中性点经消弧线圈接地系统单相故障选线判据Ｔａｂ．２Ｌｉｎｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｃｒ—ｉｔｅｒｉｏｎｆｏｒｔｈｅｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｆａｕｌｔ—ｏｆｎｅｕ￣ａｌｇｒｏｕｎｄｅｄｓｙｓｔｅｍｖｉａａｒｃｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｃｏｉｌＡｚｘｐ２ｐ“△ａＰｔＰｌ￣ｐｌ６ｖ，／ｐ，／ｐ△Ｐ２Ａ２ｐＮｐ，７ｐｎａＰＮＡ１ｐ￣／，￣Ｐ２ｐｐＣ△／ⅣⅣ表２中：表示母线上有条出线。Ａｐ＝ＡＬＸ（７）式中：表示第ｆ条线路调整（失谐度）消弧线圈电感值前后出现零序电流后第一个最大值点的数值之差：表示第ｆ条线路的零序电流经过Ｄｂ５分△解后在第一尺度上的第一幅值模极大值。所以，鲁改凤，等小电流接地系统单相接地故障选线方法探究一４７一为第条线路上调整（失谐度）消弧线圈电感值前后出现零序电流后第一个最大值点的数值之差，与其经Ｄｂ５分解后的在第一尺度上的第一幅值极大值的乘积。然后将每一行相加，获得ｓｕｍ列，即为各条线路的权重。假设第ｆ条线路故障，设：ＭｇＺ喜㈤得到的最大值再进行纵向比较，即：×Ｎ％㈩…Ⅳ≠Ｊ：１，２，，，Ｊｆ如果某条线路满足式（９），其行标就是故障线路。如果没有满足式（９）的线路，则为母线故障。由于这种选线方法用的是零序电流的残流，并且由以上分析也知道故障线路在消弧线圈电感值变动时，其变动比较大，丽非故障线路变动比较小，△如果出现ｐ＝０，表２所述算法失效，为了能够避免这种情况发生，需要做以下处理，即把零序电流第一个最大值点的数值之差等于零的，使其等于第一个最大值点的数值之差中大于零数值的最小值。用公式表示如下：，＝ｍｉｎ（Ａｐ，）的下一相为接地相；对于经消弧线圈接地系统，过补偿情况下，则升高相的下一相为接地相。（３）对所有线路的零序电流信号进行去噪处理，得到零序电流第一次到达最大值时的数值。对于经消弧线圈接地的电网，需要改变消弧线圈的电感值，得到零序电流第一个最大值点的数值之差。（４）根据Ｍａｌｌａｔ算法，利用Ｄｂ５小波对去噪后的信号进行５尺度分解。分别求出各条线路在小波变换下第一尺度的第一幅值模极大值。（５）利用上节判据，选出故障线路。４算例仿真按照图５，在Ｍａｔｌａｂ中利用电力系统仿真工具箱建立仿真模型。当线路３发生单相接地故障时，通过提取信号中的第一最大值和经过小波变换的Ｄｂ５分解后的第一尺度最大值，按照上述分析中的判据进行计算，仿真结果如下。ＣＢＡＩ．１１．Ｊｒ上』圭圭ｔＩｌ三＝：．・Ｉ。＋ｊ上ｊ圭圭＿－－－‘●．一１．一一：＝／，ＪｌＪ一Ｉｌ圭士ｃｎ线路ｌ线路２线路３Ｔａｂ．３Ｎｅｕｔｒａｌｕｎｇｒｏｕｎｄｅｄｓｙｓｔｅｍ．４８．电力系统保护与控制续表３在中性点经消弧线圈接地系统仿真中，我们分母线故障仿真，如表４所示，均能正确选择出来故别对不同长度的线路、故障发生时的不同角度以及障线路。表４中性点经消弧线圈接地系统Ｔａｂ．４Ｎｅｕｔｒａｌｇｒｏｕｎｄｅｄｓｙｓｔｅｍｖｉａａｒｃ－ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｃｏｉｌ对中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统在正确选择出来故障线路。故障点处有过渡电阻影响，仿真结果如表５，均能鲁改风，等小电流接地系统单相接地故障选线方法探究．．４９．．表５故障处经过渡电阻接地Ｔａｂ．５Ｆａｕｌｔｓｐｏｔｇｒｏｕｎｄｖｉａｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ５总结分析了信号经小波变换之后主要特征体现在模极大值上，使零序电流第一个最大值点的数值之差与模极大值相乘，相当于模极大值是一个权重，增加选线信号的强度，最后提出了自己的选线判据与选线步骤。通过对中性点不接地系统发生金属性接地和经过渡电阻接地、中性点经消弧线圈接地系统发生金属性接地和经过渡电阻接地各种情况进行仿真的结果分析，可以看出，此方法可避免线路长度、发生故障时的相角以及过渡电阻对其造成的影响。因此，针对中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统所形成的此选线判据是正确的。参考文献［１］贺家李，宋从矩。电力系统继电保护原理【Ｍ１．三版。北京：中国电力出版社，１９９４．Ｅ２］吴玲，孙莹．连续小波变换在小电流接地系统单相接—地故障选线中的应用【Ｊ】．继电器，２００３，３１（１１）：２０２４。ＷＵＬｉｎｇ．ＳＵＮＹｉｎｇ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｖｅｌｅｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｔｏｓｅｌｅｃｔｔｈｅｆａｕｌｔｌｉｎｅｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅｅａｒｔｈ—ｆａｕｌｔｓｉｎｎｏｎｓｏｌｉｄｅａｒｔｈｅｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｒｅｌａｙ，２００３，３１（１１）：２０－２４．［３］彭玉华．小波变换与工程应用【Ｍ】．北京：科学出版社，１９９９．［４］陈基明．小波分析基础【Ｍ】．上海：上海大学出版社，２００２．收稿日期：２００９－１２－１７；修回日期：２０１０－０３－２２作者简介：鲁改凤（１９６３－），女，副教授，本科，主要从事电力系统安全运行与保护教学、研究及电力设计等；Ｅ．ｍａｉｌ：ｌｕｇａｉｆｅｎｇ￣２ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ化雨（１９８９－），男，主要研究方向为电气工程及其自动化：金小兵（１９８４一），男，助工，研究生，硕士，主要从事电力系统安全运行与保护工作及研究（上接第４３页ｃｏｎｔｉｎｕｅｄｆｒｏｍｐａｇｅ４３）［６］汪定伟，王俊伟，王洪峰，等．智能优化方法（Ｍ】．北京：高等教育出版社，２００７．［７］彭东海．基于模拟退火的混合遗传算法［Ｊ】．湖南工程学院学报，２００５，１５（３）．ＰＥＮＧＤｏｎｇ－ｈａｉ．Ａｍｉｘｅｄｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｎｅａｌｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕｎａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２００５，１５（３）．［８］张铭，王丽萍，安有贵，等．水库调度图优化研究【Ｊ】．武汉大学学报：工学版，２００４，３７（３）．——ＺＨＡＮＧＭｉｎｇ，ＷＡＮＧＬｉｐｉｎｇ，ＡＮＹｏｕｇｕｉ，ｅｔａ１．Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｓｔｕｄｙｏｎｒｅｓｅｒｖｏｉｒｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｈａ￣［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＥｄｉｔｉｏｎ．２００４，３７（３）．—收稿日期：２００９一Ｏ８１４；—修回日期；２００９１０～０ｇ作者简介：邵琳（１９８４－），女，硕士研究生，主要从事水（火）—电调度自动化方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｎｅｒ７＠１６３．ｃｏｍ