基于小波包及相關分析的故障選線方法

作者簡介：熊姍霞（1988—），女，湖北荊門人，碩士研究生，研究方向：自控設備與精密檢測技術（E-mail：gxunxsx@163.com）；黃洪全（1962—），男，湖北荊州人，副教授，研究方向：自控設備與精密檢測技術。

摘要：分析小電流接地系統故障選線的現狀及穩態選線方法的優缺點，仔細研究配網單項接地故障特征后研究用暫態電容電流進行選線，判據如下：先將暫態電壓信號利用小波包變換進行分解，得到的能量最大值所對應的即為特征頻帶，再將各零序電流在特征頻帶逐一分解，將各條線路得到的小波系數組成相關性矩陣，將矩陣中的元素取平均值得到各條線路與其他線路的平均互相關系數，數值最小者對應的為故障線路。判斷過程簡潔明了，抗干擾能力強，不受中性點接地方式、電網結構等的影響，能夠適應小電流接地系統中多種故障模式，并且用MATLAB/WAVELET仿真驗證了本判據的可行性和正確性。

關鍵詞：小電流接地系統；單相接地故障；小波變換；相關分析； 暫態量

中圖分類號：TP277文獻標識碼：A

1引言

中性點不接地或經消弧線圈接地是電力系統中常見的小電流接地方式。雖然接地電流小，零序阻抗大，發生故障后還可以持續運行1-2個小時[1]，但是長時間運行會對線路絕緣安全產生不利影響，如在線路絕緣不良處產生對地擊穿很容易引發兩項或更多項對地短路事故。因此，快速準確地找到故障線路，對于電網的正常運行及人民生活盡然有序意義重大。

目前，各種各樣的故障選線方法也隨著電力系統保護技術的發展而依次出現[2]。由于消弧線圈的電感電流和電容電流是電網接地故障時的主要變化量，而且暫態量要遠大于穩態量[3]，因此本文利用暫態故障信息來進行故障選線。而且，電網故障的暫態信息也隨著高頻微處理器的發展和廣泛應用而容易采樣得到。

小波分解能夠簡單的提取出各個時間段上信號的特性， 從而彌補了Fourier 變換的不足，使故障線路的暫態信息處理更加準確[4]。文獻[7]提出的利用小波變換對暫態電流信號進行逐層分解，選出故障特征最明顯的暫態信號，通過對比采樣點對應的小波分解系數的正負來實現選線。但只對相位進行比較，沒有充分采用信號波形的具體幅值信息，對應的暫態故障信息也相應丟失，因此，該方法準確性不強。文獻[8]指出利用暫態零序電流波形識別的相關分析法。但該電流信號是穩態工頻分量和暫態分量及噪聲等疊加的，其中，穩態工頻分量包含故障穩態工頻分量和三相對地電容不對稱引起的分量。如果不及時濾掉故障線路和健全線路中共有的部分，就會降低選線保護的裕度，有時甚至會導致誤判。

文獻[9]提出的將相關分析與小波變換相結合的方法雖然克服了上面的缺點，但在選取電容電流分布最集中的頻段時，根據文中公式所得到的特征頻段，忽視了線路中零序電壓對特征頻段的影響，選線準確率不高。

本文在總結了以上各種方法的優點及缺點的基礎上，將小波包變換和相關分析原理結合起來研究出了一種改進選線方法，先將暫態電壓信號利用小波包變換進行分解，得到的能量最大值所對應的頻段即為特征頻段，再將各零序電流在特征頻段逐一分解，將各條線路得到的小波系數組成相關性矩陣，將矩陣中的元素取平均值得到各條線路與其他線路的平均互相關系數，數值最小者對應的即為故障線路。選線步驟簡潔明了，適用性強，并用實驗證明了本方法的正確性和可靠性。

2小波包理論分析[5]

小波分析方法是一種窗口形狀可改變但面積固定，頻率窗和時間窗都能變化的局域化時頻分析方法。其定義如下：

當L2發生C相接地故障時，線路中由于分布電容與分布電感的作用會在短時間內產生電容的充放電電流。C相電壓降低后，導致C0產生頻率很高的放電電流；而由于A，B相電壓的升高，就會產生由電源電感供給的低頻充電電流。因此，L2接地時的暫態信號比穩態信號大很多，而且頻率也更豐富，為故障的特征量的選取創造了有利條件。

由上面分析可知，故障發生時正常線路零序電流基本一致，充放電過程相似。而由于故障零序電壓源的存在，線路零序電流差別明顯。因此，可以比較正常線路與故障線路之間的相似性來選線。

5選線判據

針對上面接地系統的故障特征，對暫態信號的零序電流利用小波包分解。由于線路的諧振接地電網發生故障時，自由振蕩頻率通常在300～1500 Hz，因此為了準確提取暫態純故障的分量，根據采樣定理可知，采樣頻率應選為3.33kHz；而且，由于小波包的分解樹4級節點中（4，0）節點表示頻率的帶寬為0～104 Hz，因此必須濾除工頻分量的干擾，在求小波包分解樹4級節點中把能量最大的節點（4，0）節點去除。由于故障發生后，信號的暫態過程僅能持續到故障后幾個工頻周期，而且故障發生后的一個周期暫態特征最明顯，因此，本文選擇故障后一個周期及前半個周期時間段的信號做小波變換。

選線判據：利用dB12小波包對各條出線的暫態波形進行4級小波包分解，由于小波變換的模極大值點與信號突變點是一一對應的[3]，根據式W=∑Nn=1x2（n）就可求出零序電壓小波包分解樹中4級節點中能量（W）最大值的節點，并以該節點號作為參考，選取各零序電流小波包分解樹的4級節點中與該節點相同序號的節點，以該節點的小波包系數組成相關矩陣，經計算得到的平均互相關系數最小者即為故障線路。若相關系數的最大值與最小值之差Δρ小于設定值ρset（ρset=0.5）[3]時，則判定系統發生母線接地故障。

本選線方法的優點在于利用小波包變換把暫態電流特征提取出來，通過其小波系數的相關性比較，就可以得到故障線路。電網發生單相接地時，零序電壓變化大，把它作為衡量標準可以避免由于系統干擾而導致測量結果不準確的問題。

7結論

本文利用小波變換的時頻特性及相關分析的優勢， 對小電流接地系統中發生單相接地故障后的暫態零序電流進行了分解， 根據故障線路和非故障線路平均互相關系數大小選出故障線路。該判據抵抗擾動能力強，判斷結果準確可靠，不受電

網結構及故障合閘角等因素的影響，使用條件廣，且隨著高速處理器的快速發展，該選線方法容易與DSP結合起來，制作成高精度的選線裝置，顯著提高選線速度和準確率，具有很高的推廣使用價值。

參考文獻

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