基于小波包方法的配電網(wǎng)故障選線與仿真研究

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(國網(wǎng)中衛(wèi)供電公司，寧夏 中衛(wèi) 755000)

1 引言

我國中低壓配電網(wǎng)廣泛采用中性點(diǎn)不直接接地方式，在這種系統(tǒng)中，單相接地故障率最高，約占配電網(wǎng)故障80%以上[1]。由于故障電流很小，檢測比較困難，其選線問題一直未能很好的解決。傳統(tǒng)的利用穩(wěn)態(tài)故障特征的選線方法[2]不適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)及電弧接地故障，而基于暫態(tài)特征的選線方法[3]由于不受接地類型消弧線圈影響而受到普遍關(guān)注。而小波包理論為分析暫態(tài)特征提供了一個(gè)很好的工具。利用小波包變換對暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行多層分解，選擇故障特征最明顯的頻段進(jìn)行分析，提高故障選線的可靠性。

本文對配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的故障信號(hào)特征進(jìn)行了分析，并對其進(jìn)行了仿真。利用小波包分解各線路的暫態(tài)零序電流，在特征頻帶內(nèi)進(jìn)行幅值與極性綜合比較選出故障線路。通過MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障選線，具有較高的靈敏度。

2 系統(tǒng)單相接地故障分析

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的零序等效網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)單相接地時(shí)的零序等效網(wǎng)絡(luò)圖

配電網(wǎng)在發(fā)生單相接地故障后，系統(tǒng)的零序電壓u0和暫態(tài)接地電流的暫態(tài)分量id.os分別為：

u0=Umsin(ωt+φ)

(1)

(2)

式中，ω0為回路的自由振蕩角頻率;L0為三相線路和電源、變壓器等在零序回路中的等效電感。

一般地，ω0/ω比較大，且iC.os和iL.os的頻率相差比較大，在發(fā)生故障的初始階段，暫態(tài)接地電流的幅值和頻率主要由暫態(tài)電容電流所決定[5,6]。

3 小波包基本理論

小波包分析為信號(hào)提供了一種更加精細(xì)的分析方法。它將頻帶進(jìn)行多層次劃分，根據(jù)被分析信號(hào)的特征，自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶，使之與信號(hào)頻譜相匹配，從而提高了時(shí)域分辨率[7]。

3.1 小波包定義

(3)

式中，h(k)為低通濾波器系數(shù)；g(k)為高通濾波器系數(shù)，且g(k)=(-1)kh(1-k)，即系數(shù)具有正交關(guān)系。由式(3)構(gòu)造的序列{un(t)}稱為由基函數(shù)u0(t)=φ(t)確定的正交小波包。

式中，ak-2l與bk-2l為多尺度分析的分解序列。

3.2 小波包函數(shù)和分解層數(shù)的選取

dbN(其中N為小波序號(hào))小波系列是工程應(yīng)用較多的小波函數(shù)，這一小波的特點(diǎn)是隨著序號(hào)N的增大，時(shí)域支撐長度變長，時(shí)間局部性變差；同時(shí)正則性增加，頻域局部性變好，適合奇異點(diǎn)檢測。

綜合考慮在時(shí)頻域內(nèi)進(jìn)行分析的需要，并結(jié)合故障選線問題的特點(diǎn)，本文選用db6小波包進(jìn)行分析。在確定小波包函數(shù)后應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)姆纸鈱訑?shù)，層數(shù)過少則頻帶寬度過大，信息量增加，可能引入更多的干擾成分，降低可靠性。層數(shù)過多則頻帶寬度過小，頻帶對應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)過少，不利于分析。本文選擇4層小波包分解。

4 小波包選線原理與步驟

配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，各線路零序電流的暫態(tài)分量是奇異的、非平穩(wěn)信號(hào)，持續(xù)時(shí)間短。由于傅里葉變換分析時(shí)缺乏時(shí)域局部性，而小波包變換是一種新興的時(shí)頻分析方法，適合處理奇異和非平穩(wěn)信號(hào)。

配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)故障特征主要表現(xiàn)在各出線零序電流上，利用db6小波包將各饋線的暫態(tài)零序電流進(jìn)行4層分解成16個(gè)子頻帶，其能量較大的頻帶包含了暫態(tài)電流的主要特征。為了減少消弧線圈補(bǔ)償?shù)臅簯B(tài)電感電流對工頻所在的低頻頻段的影響，剔除工頻所在的最低頻段后，選擇能量最大的頻段為該線路暫態(tài)電流分布集中的特征頻帶。在特征頻帶內(nèi)利用各線路零序電流波形的極性與幅值關(guān)系來確定故障線路。其步驟如下：

(1) 確定故障相，其依據(jù)是故障相電壓降低而健全相電壓升高。

(2) 判斷故障線路，其依據(jù)是故障線路的小波包分解的特征頻帶內(nèi)模極大值點(diǎn)的極性和非故障線路特征頻帶內(nèi)的模極大值點(diǎn)的極性相反，且故障線路的模極大值數(shù)值最大。

(3) 若所有線路的模極大值點(diǎn)的極性都相同，且模極大值數(shù)值相差不大，則為母線故障。

5 系統(tǒng)建模與仿真分析

5.1 仿真模型

本文運(yùn)用MATLAB仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真分析與驗(yàn)證。采用MATLAB/Simulink搭建了一個(gè)110/10kV的小電流接地系統(tǒng)模型，所用的仿真模型如圖2所示，系統(tǒng)包含5條出線。

圖2 小電流接地系統(tǒng)仿真模型

線路的各參數(shù)為：正序電阻為0.45Ω/km，零序電阻為0.7Ω/km，正序電感為1.1714mH/km，零序電感為3.9065mH/km，正序電容為0.061μF/km，零序電容為0.038μF/km。各線路長度分別為：L1=8km；L2=10km；L3=13km；L4=15km；L5=20km。

消弧線圈設(shè)為8%過補(bǔ)償方式，則消弧線圈電感為L=1.287H；其串聯(lián)電阻的阻值取為消弧線圈電抗值的10%，即RL=40.4Ω。

5.2 仿真分析

5.2.1 算例1：線路故障

線路3距離母線3 km處，C相在T=0.01517s(即故障角90°)時(shí)發(fā)生單相接地故障，接地電阻Rf為200Ω。得到系統(tǒng)的三相電壓、零序電壓如圖3所示。各線路的零序電流波形如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)三相電壓波形和零序電壓波形

圖4 各線路零序電流波形

該次故障的選線具體過程如下：

先進(jìn)行故障相判別。故障發(fā)生后根據(jù)圖3(a)所示系統(tǒng)三相電壓波形，由于C相電壓降低，而A相、B相電壓升高，所以判斷C相為故障相。

進(jìn)行故障線路判別。對各出線零序電流進(jìn)行小波包分解后，提取各出線零序電流的小波包特征頻帶波形如圖5所示。

圖5 各線路特征頻帶波形

分析圖5可以知道，線路1、2、4和5的首波頭極性均相同且都是向下，而線路3的首波頭極性向上，且其波形的幅值明顯大于其他4條線路的幅值。由此根據(jù)選線判據(jù)得出，線路3發(fā)生了接地故障。這與實(shí)際情況相吻合，選線結(jié)果準(zhǔn)確。

5.2.2 算例2：母線故障

設(shè)T=0.0033s(即故障角為60°)時(shí)系統(tǒng)母線發(fā)生接地故障，接地電阻為100Ω。對各出線零序電流進(jìn)行4層小波包分解，提取各出線零序電流的小波包能量最大的特征頻帶波形如圖6所示。由圖6可以看出，5條線路的零序電流在其各自的特征頻帶內(nèi)的波形首波極性相同都是向下，且其幅值比較接近。根據(jù)選線原理，得出各線路未故障，判斷為母線故障，選線結(jié)果準(zhǔn)確。

5.2.3 算例3：電弧故障

本文利用間歇性接地故障來模擬電弧接地故障。仿真時(shí)設(shè)置開關(guān)的定時(shí)打開和關(guān)斷來表征電弧的重燃和熄滅[8]，1s內(nèi)燃熄弧100次。線路5在T=0.005s(即故障角90°)時(shí)發(fā)生A相電弧接地故障，接地電阻為10Ω。對各出線零序電流進(jìn)行小波包分解，提取的各出線零序電流的小波包特征頻帶波形如圖7所示。

圖6 各線路特征頻帶波形

圖7 各線路特征頻帶波形

由圖7可分析得，配電網(wǎng)發(fā)生電弧故障后，各線路的零序電流中暫態(tài)含量很豐富，經(jīng)小波包分解后，各線路特征頻帶的小波包能量很高。線路1、2、3和4的特征頻帶波形中首波頭極性均相同且都向上，而線路5的波頭極性與其他線路的相反，且其幅值明顯大于其他4條線路的波形幅值。因此得出系統(tǒng)中線路5發(fā)生了故障。選線結(jié)果準(zhǔn)確。

5.2.4 方法有效性驗(yàn)證

采用上述方法對不同的故障線路、故障點(diǎn)位置、過渡電阻及故障合閘角等故障類型進(jìn)行了大量的仿真分析，其仿真的選線結(jié)果如表1所示。仿真結(jié)果表明小波包暫態(tài)選線方法能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)故障選線，其選線可靠性較高，不受故障類型和中性點(diǎn)接地方式的影響。

表1 系統(tǒng)在不同故障條件下的選線結(jié)果

6 結(jié)語

本文對中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障進(jìn)行了仿真。針對目前的基于零序電流比幅比相法選線的不足，采用小波包變換對線路的零序電流進(jìn)行多分辨率分析，根據(jù)能量最大原則選擇特征頻帶，在特征頻帶內(nèi)利用模極大值及極性進(jìn)行故障選線。仿真結(jié)果表明，基于小波包變換的暫態(tài)選線方法靈敏度較高，該方法不受故障點(diǎn)位置、過渡電阻及故障合閘角的影響，簡單可靠。

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