基于特征頻帶小波包分析的小電流接地故障選線研究

李大鵬，張 畫，李 騰

(北京市電力公司，北京 100031)

我國6～66 kV配電網(wǎng)多采用中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng) (NUGS)，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，流過接地點(diǎn)的電流很小，常被稱為小電流接地系統(tǒng)［1－2］，主要包括中性點(diǎn)不接地系統(tǒng) (NUS)、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng) (NES)。

在小電流接地系統(tǒng)中，單相接地故障是最常見的故障之一。當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流很小，對(duì)供電設(shè)備不會(huì)造成很大危害;故障相電壓降低 (金屬性接地時(shí)為0)，非故障相電壓升高 (最大為線電壓)，但線電壓仍保持對(duì)稱，一般允許繼續(xù)運(yùn)行1～2 h，這是采用小電流接地系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)。

但在單相接地以后，其它兩相的對(duì)地相電壓將升高為線電壓，并且隨著饋線的增多，電容電流增大，容易產(chǎn)生一種不穩(wěn)定的間歇性接地電弧而引起幅值較高的弧光接地過電壓，弧光過電壓持續(xù)時(shí)間長對(duì)電網(wǎng)中絕緣薄弱的設(shè)備威脅較大，長時(shí)間帶故障運(yùn)行將造成兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地，使故障擴(kuò)大。為防止故障擴(kuò)大，必須盡快確定故障線路并予以切除，這就提出了小電流接地系統(tǒng)的故障選線問題。

由于我國小電流接地系統(tǒng)的廣泛使用［3］，單相接地保護(hù)原理和裝置的研究自1958年以來從未間斷，早期采用的方法是通過裝在母線上的電壓互感器開口三角側(cè)零序電壓來檢測是否發(fā)生單相接地故障，若有接地故障，則靠值班人員逐條饋線順序拉閘停電確定故障線路，既浪費(fèi)人力物力，又將嚴(yán)重影響其它線路供電可靠性和安全性。為此，國內(nèi)外的科研工作者對(duì)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)的故障機(jī)理及選線判據(jù)做了大量的研究工作［4－6］，提出了許多選線方法，先后推出了幾代產(chǎn)品，但實(shí)際應(yīng)用效果并不理想，隨著人們對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化水平要求的提高，小電流接地系統(tǒng)接地故障自動(dòng)選線問題更加突出，迫切需要從根本上予以解決。因此，研究自動(dòng)選線技術(shù)和研制自動(dòng)選線裝置，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值［7－8］。

1 小電流接地系統(tǒng)故障時(shí)刻的特征向量

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，各相對(duì)地電壓對(duì)稱，中性點(diǎn)對(duì)地電壓為0，電網(wǎng)中無零序電壓。由于各相對(duì)地電容相同，在相電壓的作用下，各相對(duì)地電容電流幅值相等并超前于對(duì)應(yīng)的相電壓90°，對(duì)地電流和為0。

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，三相電路的對(duì)稱性受到破壞，故障點(diǎn)出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱，如當(dāng)A相發(fā)生單相接地故障后，A相對(duì)地電壓變?yōu)?，其對(duì)地電容被短接，而B相和C相對(duì)地電壓升高倍，對(duì)地電容電流相應(yīng)增大倍，此時(shí)的電壓、電流相量如圖1所示。

圖1 A相接地時(shí)電壓電流相量圖

各相對(duì)地電壓為

故障點(diǎn)的零序電壓為

單相接地故障時(shí)零序電流分布如圖2所示，由圖2可以看出非故障相中流向故障點(diǎn)的電容電流為

非故障線路L1的電容電流為接地點(diǎn)流回的電流為

式 (9)中C0∑為全系統(tǒng)每相對(duì)地電容的總和。

故障線路保護(hù)安裝處零序電流:

圖2 不接地系統(tǒng)零序電流的分布

當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將產(chǎn)生零序電壓。故障瞬間故障線路零序電流由線路流向母線，非故障線路零序電流由母線流向線路。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)也可得出相同結(jié)論，因此，可根據(jù)零序電流暫態(tài)特征形成故障選線判據(jù)。

2 小波包多頻帶極性選線原理

2.1 小波包原理

小波包建立在小波變換基礎(chǔ)上，信號(hào)x(t)連續(xù)小波變換定義為

式 (11)相當(dāng)于信號(hào)x(t)通過了一個(gè)傳遞函數(shù)為φ(ω)的有限沖擊帶通濾波器 (FIR)，選擇不同的m值，相當(dāng)于信號(hào)通過了不同的帶通濾波器，這樣就可以把不同頻帶的信號(hào)分隔開來。

小波包變換建立在小波變換基礎(chǔ)上，定義為

式 (12)中的h0和h1相當(dāng)于長度為2N的低通和高通濾波器。

一個(gè)信號(hào)的采樣頻率確定后，則信號(hào)的檢測頻率范圍就已確定。在實(shí)際應(yīng)用中，小波分析和小波包分析均可以通過一組濾波器來實(shí)現(xiàn)。利用濾波器組實(shí)現(xiàn)小波分析的過程如下:被分析信號(hào)通過鏡像濾波器后，信號(hào)頻帶被劃分為低頻和高頻2個(gè)頻帶，低頻信號(hào)下采樣后，進(jìn)行第2次鏡像分解，不斷重復(fù)這個(gè)過程，j次分解后就能把信號(hào)劃分到(ω/2j，ω/2j+1) 的頻帶上。

利用濾波器組實(shí)現(xiàn)小波包變換的過程類似于小波變換，兩者不同之處在于小波濾波器組是對(duì)低頻頻帶不斷二進(jìn)劃分，而小波包是同時(shí)對(duì)高頻和低頻頻帶二進(jìn)劃分，最后整個(gè)頻帶被劃分成多個(gè)均勻的頻帶。

小波包分解的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 小波包分解的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 小波包極性選線算法

發(fā)生單相接地故障后，非故障線路零序電流中的暫態(tài)高頻分量投影到SFB(特征頻帶)上，呈現(xiàn)相同變換趨勢的波形特征，而故障線路呈現(xiàn)幾乎相反的變化特征。當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，所有線路呈現(xiàn)幾乎相同的變化特征。在諧波及噪聲干擾嚴(yán)重的情況下，大多數(shù)的小波分解系數(shù)符合上述特征，只有少數(shù)小波分解系數(shù)的極性由于受干擾而變得沒有規(guī)律，因此，可通過比較小波包分解系數(shù)的極性，采用少數(shù)服從多數(shù)的原則確定選線結(jié)果［9－10］。利用此規(guī)則構(gòu)成了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線判據(jù)。

選線過程:

a． 小波包分解

選用db類小波，選取故障暫態(tài)數(shù)據(jù)，在指定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，分解表達(dá)式如下:

式中 a，b——db類小波包濾波器系數(shù);

d——小波包分解系數(shù)。

b． 對(duì)小波包分解系數(shù)取極性

第j條出線故障暫態(tài)零序電流進(jìn)行小波包分解后的小波包系數(shù)為dj［i］。

c． 選線

根據(jù)故障線路暫態(tài)零序電流小波包分解系數(shù)極性與非故障線路分解系數(shù)極性相反原理進(jìn)行選線。

3 小波包特征頻帶極性選線法

3.1 PSCAD仿真模型

為驗(yàn)證算法的準(zhǔn)確性，利用PSCAD建立一個(gè)110 kV變電站，其高壓側(cè)連接至110 kV系統(tǒng)，低壓側(cè)為35 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，共有5回饋線通過降壓變壓器向用戶供電。模型主要模塊有三相110 kV交流電力系統(tǒng)、三相雙繞組升壓變壓器、架空線路、靜止電容無功補(bǔ)償裝置、電流表和故障發(fā)生裝置。

仿真時(shí)間為0.2 s，步長為25 μs，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)線路4發(fā)生單相接地故障時(shí)的仿真波形如圖4所示，3I01、3I02、3I03、3I04、3I05分別為各條線路零序電流。

圖4 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)仿真波形

由圖4可見，故障線路4暫態(tài)零序電流與非故障線路零序電流極性相反。

3.2 小波包特征頻帶極性選線法

采用PSCAD試驗(yàn)的零序電流采樣數(shù)據(jù)，取故障前30個(gè)點(diǎn)與故障后90個(gè)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)周波暫態(tài)數(shù)據(jù)，采用db15小波進(jìn)行小波包分解，對(duì)線路1～5的零序電流分別進(jìn)行db15小波包分解，5條線路在節(jié)點(diǎn) (5，3)處小波包分解系數(shù)如圖5所示，帶*的波形表示故障線路，其它的波形表示非故障線路，可見故障線路4的小波包分解系數(shù)與其它線路的分解系數(shù)大部分是異號(hào)。

圖5 各條出線小波包分解系數(shù)

對(duì)各條線路的小波包分解系數(shù)取極性，然后比較極性可得出故障線路為線路4。

3.3 算法特征

小波包極性選線算法有很強(qiáng)的適用性，在過渡電阻較大、故障初相角較小、故障點(diǎn)離母線較近時(shí)也能準(zhǔn)確選線，但若在小波包選線法分析的頻帶內(nèi)遇到干擾，則選線結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

4 結(jié)束語

主要分析了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)刻零序電流的暫態(tài)特性，在選定特征頻帶內(nèi)發(fā)生饋線故障時(shí)，故障線路暫態(tài)零序電流相位與非故障線路相位相差180°，根據(jù)此特性設(shè)計(jì)的基于特征頻帶小波包極性選線算法具有很強(qiáng)的適用性，PSCAD仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該算法選線的準(zhǔn)確性。

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