基于小波分析的故障選線仿真研究

張耀天

（成都電業局，四川 成都 610000）

1 問題的提出

我國配電網廣泛采用小電流接地系統。由于系統故障信號非常微弱，當發生單項接地故障后，很難辨別出故障線路。一些方法已被研究以解決故障選線問題，但都不能很好的解決不同故障情況。我們考慮到對故障發生時所產生的暫態信號分量所提供的故障信息加以利用，作為判斷故障線路的依據。并作為處理暫態信號時需要的一種比較合適的分析手段。

小波變換(或稱小波分析)是近年來發展壯大起來的應用數學領域的一個分支，己經在多個領域取得了應用，引起各學科的廣泛注意。作為一種新穎的時頻分析方法，小波變換具有良好的時頻局部性，并且隨著分析信號頻率高低的變化自適應地調節其時頻窗的形狀，被認為是暫態信號的理想分析工具。因此，本文嘗試將小波變換應用于小電流接地系統選線問題的解決。

2 小波函數的選取

與標準傅立葉變換相比，小波分析中所用到的小波函數不具有唯一性，即小波函數的選擇具有多樣性。用不同的小波基分析同一問題會產生不同的效果，所以目前并沒有一個公用的原則來選擇小波函數，實際中選用定型分析結合實驗的方法。DbN小波系是工程上應用較多的小波函數，這一小波系的特點是隨著序號N的增加，時域支撐長度變長，時間局部性變差；濾波器長度變長，頻域局部性變好。本文應用對時間局部性要求不是很嚴格，而對頻域局部性要求則較高，以防止頻域混疊。并且本文提出的選線方法，要求濾波器的長度不能太短，否則靈敏度不高，甚至誤判。另外，對從零序電流互感器或零序電流濾過器獲得的故障暫態電流進行小波分解，其實質是讓信號通過一組高低通組合的共軛正交濾波器阻，不斷地將信號劃分到不同的頻段上，濾波器組每做一次，采樣間隔增加一倍，數據點數則減半。對于相同頻段，小波分解系數的多少與所用小波的濾波器的長度有關，濾波器長度越長，則個數越多，選線判據的靈敏度相應越高。不過也不能一味追求濾波器的長度，因為對于諧波干擾越來越嚴重的配電系統，小波分解系數的個數的增加也可能引入更多的干擾因素，降低判據的可靠性。綜合各種因素，并通過采用多種小波進行仿真實驗比較，決定選用db6小波。

4 選線步驟

根據以上的選線原理分析，我們擬定了以下的選線步驟:①選擇合適的小波函數;②對故障信號進行小波分解;③選擇能量最大的分解尺度作為故障“特征尺度”信息;④對“特征尺度”信息進行小波重構;⑤利用故障線路與非故障線路的極性不同選線。

5 仿真模型的建立

本文在仿真過程中采用的主要仿真分析工具是MATLAB的SIMULINK及小波工具箱 。

圖1所示的是一個有5回出線的10kV電網，線路參數為 ： 線 路 長 度 l1=7.3km，l2=2.5km，l3=5.56km，l4=4.30km，l5=7.3km。 線路參數為 R1=0.45Ω/km,L1=1.35mH/km，C1=8.9μF/km,零序參數 R0=0.945/km,L0=4mH/km,C0=8uF/km,發電機參數：額定電壓為35kV；變壓器參數：變比為35/10kV,補償方式為過補償。

圖1 回出線10kV電網

因為10kV配電網多采用架空線路，其暫態電容電流自由震蕩的頻率一般集中在300～1500Hz，所以在仿真中取采樣頻率為10000，在進行小波包分解時選取的db6小波，考慮到最終用于故障選線的頻帶寬度應選擇適當，若過細，則頻帶對應采樣點數過少，降低故障選線的可靠性若過寬，則信息含量增加，不利于進一步信號分析。綜合兩方面，分解層數為5層。對各線路的零序電流進行小波變換。

6 仿真及分析

在仿真分析中，主要考慮了線路長短、補償情況、接地電阻等情況進行了大量仿真。為了突出主要問題，選取幾種典型情況進行詳細分析。算例(由于篇幅所限，此處只舉一例)：中性點不接地系統，線路5在2km處，t=0.025秒時刻（A相電壓正峰值處）A相發生接地故障處串接200電阻故障，利用Matlab中Simulink搭建的仿真模型,各線路的零序電流進行小波變換，如圖2所示。

圖2 各線路零序電流的小波變換結果

從上述圖中可以看出，在中性點不接地系統中，線路5的小波變換極性與其他線路的正好相反，因此可以確定線路5就是故障線路。

7 結語

總結本文的研究工作，得出了以下的結論:理論上，小電流接地系統發生單相接地故障時，其零序電流暫態過程中含有大量的高頻特征信息，并且這些特征不受中性點接地方式的影響，對這些高頻特征信息進行提取、分析，可構成故障選線的判據。

小波分析具有良好的時域和頻域分辨能力，適合于處理非平穩、突變的信號。本文在分析現有各種選線方法利弊的基礎上，提出了基于小波分析的小電流接地系統單相接地選線的新方法。對于饋線的瞬時性接地故障和母線接地故障，該方法依據故障后故障線路和非故障線路的零序暫態電流在小波分析的特征尺度上的極性呈現不同的特征選出故障線路。

大量的仿真結果表明，本文提出的故障選線方法不受故障初相角、故障位置故障相等因素的影響，既適用于中性點不接地系統，也適用于經消弧線圈接地系統。

[1]董新洲.賀家李.葛耀中.小波變換第2講離散小波變換[J].繼電器，1999，27(2)：57-60.

[2]葉杰宏.陳少華.鄭帥.電力故障信號的小波分析[J].揚州大學學報,2005,（8）：51-54.

[3]黃忠霖.周向明.控制系統MATLAB計算及仿真實訓[J].北京：國防工業出版社，2004：76-110.