基于小波分析的配電網內小電流接地選線方法研究

高 蔚

(國網寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750000)

基于小波分析的配電網內小電流接地選線方法研究

高 蔚

(國網寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750000)

對目前國內外選線技術進行研究，分析暫態量選線優勢。針對現有配電網內選線技術正確率低，現場選線裝置易受電流信號小、干擾大、信噪比小等因素影響，提出將小波分析方法擴展至配電網內進行小電流接地選線，而不僅局限于變電站內。利用小波包對典型配電網進行建模，并利用矩陣實驗室(Matrix Laboratory，Matlab)進行仿真驗證，結果證明該方法能夠準確、可靠選出配電網內接地線路。

小波分析；配電網；小電流接地；選線

0 引言

單相接地故障約占電力系統接地總故障80%左右，若發生間歇性弧光接地，還會產生幅值高達2.5～3.5倍相電壓值的過電壓[1]。實踐中常采用主變電站加開閉所或級聯開閉所方式供電，進、出線多用電纜且長度短，大多在10 km以內，出線供電半徑小。文獻[1]規定：對于3～10 kV電纜線路構成且不直接連接發電機的系統，當電容電流超過30 A且又需要接地故障條件下運行時，應采用中性點經消弧線圈接地方式。

現有的選線方法主要分兩類[2-3]：基于穩態信號的選線方法和基于暫態信號的選線方法。而在諧振接地系統中，由于消弧線圈產生的電感電流對故障產生的電容電流進行了補償，使得穩態條件下故障線路中的故障電流很小，甚至小于健全線路，因而傳統的基于故障穩態信息的檢測方法對于諧振接地系統選線效果很差。暫態信號持續時間短的特點，讓迅速有效地提取故障發生時的信息成為暫態信號選線的重點。小波分析能夠提高對奇異性、瞬時性故障信號檢測的正確率，通過對暫態故障信號進行更深入的分析來提高故障選線的準確率。

1 小波分析選線擴展至配電網內原理

單相接地故障發生后，把零序電流互感器輸出的信號進行小波分解，把高頻分量投影到小波包的某一子空間，對于與故障點最近的母線而言，此時故障線路電流對應的模極大值普遍大于健全線路的對應值，而健全線路零序則有相同的變化趨勢，極值與極性基本相同。假設母線自身發生單相接地故障，母線上所有的出線有相同的變化趨勢且對應的模極大值大體相等、極性相同；而對于電源/變壓器到故障點之間的其他母線而言，給故障點供電的出線的模極大值、極性不同于本段母線的其他出線。擬采用模極大值選線方法先在每段母線自身及所有出線范圍內選出可能的故障點，再控制主站綜合各段母線識別信息選出故障位置。

2 小波函數及分解變換尺度選取

擬以暫態信號為諧振接地的暫態電流信號，且以暫態電容電流分量為主，其自由振蕩頻率一般是300～1 500 Hz。在小波函數和分解層數上，為減小頻譜泄漏和混疊，要求小波有較好的頻域特性和奇異性檢測效果，因而選擇工程中應用最廣泛的db小波族中頻域特性最好且奇異性檢測效果適中的db10小波，分解層數選擇為4層。暫態信號采樣頻率選為10 000 Hz，可以識別最大5 000 Hz的信號，基本滿足暫態電容電流自由振蕩頻率的要求。

對各線路零序暫態電流用選取的db10小波進行4層分解，利用小波的奇異性檢測原理找出各尺度對應的模極大值。生成模極大值矩陣Mij如下：

3 Matlab單相接地仿真計算

發生單相接地后，系統中各處都出現很高的零序電壓，各保護安裝處檢測到零序電壓超過定值，啟動小波分析模塊，對采樣到的數據進行小波分解，得到結果，然后把小波分析結果各尺度下的模極大值連同位置信息上發所屬區域控制中心，區域控制中心則以轄區內各母線為中心，根據與其相連的各條出線保護上報的小波分析各尺度下的模極大值進行選線，選出本轄區內有最大接地可能的線路或元件。圖1為典型開閉所接線系統圖，利用Matlab對該方法進行仿真計算。

圖1 典型開閉所供電系統結構圖

以2號母線為例。在編號為2的母線處，分別對編號為②、③、④的保護安裝處的零序電流值進行小波分析，得到分解結果。根據分解結果得到模極大值矩陣M2：

該矩陣第一行和第三行的模極大值在第四列，第二行的模極大值在第三列，各行的極大值都不在統一尺度，應選擇信號暫態突變特征最明顯的尺度作為選線尺度。經過計算，第四尺度突變特征最為明顯，故選擇尺度四作為選線尺度，在該尺度下第一行的元素模值遠比其他兩個大，且極性與其他二者相反，從而得出結論：在與2號母線相連的出線中，3號線路接地的可能性最大。同理得：

由上可得，各段母線處發生接地可能性最大的元件分別是8號線路及以下位置、12號線路及以下位置、13號母線自身或該段進線開關以上部分。

從電源開始，2號母線選線結果顯示，3號出線及以下位置可能會發生接地故障，而3號出線即6號母線的進線，對該段線路首末端的小波分析結果進行比較：

因而判定故障在3號線路以下。根據6號母線的選線結果，該段可能的接地點位置應該在該母線的8號出線及以下位置，該段線路為13號母線的電源進線，對該段線路首末端的小波分析結果進行比較：

其模極大值大小相近且極性相同，因而判定故障在8號線路以下；根據13號母線的選線結果，該段可能的接地點位置應該在該母線自身或該段進線開關以上部分，結合線路8的首末端零序電流小波分解模極大值比較結果，再對比所選線路母線進線處經過濾波降噪等處理的零序電流波形，最終確定短路點為13號母線本身。

從以上仿真可知利用小波分析進行小電流接地故障選線并不僅適用于單一的變電站內，對故障選線的范圍可從單一的變電站內擴展至區域配電網，該方法利于調度系統統籌管理，仿真表明該方法能夠可靠選出接地線路。

4 結論

本文研究了利用小波分析進行單相接地故障選線的方法，并提出利用小波包對配電網進行小電流故障選線。該方法具有以下特點：

(1) 利用小波分析對故障選線的范圍從單一的站內擴展至區域配電網，利于調度系統統籌管理，仿真表明該方法能夠可靠選出接地線路，使之可以在整個供電網系統內選線，而不是只能在站內使用。

(2) 小波分析能夠提高對奇異性、瞬時性故障信號檢測的正確率，通過對暫態故障信號進行更深入的分析來提高故障選線的準確率。

(3) 系統發生單相接地后，把小波分析結果各尺度下的模極大值連同位置信息上發所屬區域控制中心，區域控制中心則以轄區內各母線為中心，根據與其相連的各條出線保護上報的小波分析各尺度下的模極大值進行選線，選出本轄區內有最大接地可能的線路或元件。

(4) 該方法通過比較零序電流小波變換模極大值的大小和極性實現故障選線，克服了傳統方法中因穩態零序電流較小而誤選的缺點，且不受故障電阻及系統運行方式的影響，能可靠實現故障選線。

[1]DL/T620—1997 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S]

[2]郝玉山，高曙，楊以涵，等.MLN系列小電流接地微機選線裝置動作原理[J].電力情報，1994(2)

[3]王祖光.微機小電流接地系統接地選擇裝置[J].電力系統自動化，1993(6)

2014-11-05

高蔚(1975—)，女，陜西人，工程師，從事電力系統自動化工作。