基于能量與相關(guān)性的諧振接地系統(tǒng)選線新方法

楊新偉， 劉偉娜， 江博

(1.河南師范大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院， 河南 新鄉(xiāng) 453007；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司 咸寧供電公司， 湖北 咸寧 437100)

基于能量與相關(guān)性的諧振接地系統(tǒng)選線新方法

楊新偉1， 劉偉娜1， 江博2

(1.河南師范大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院， 河南 新鄉(xiāng) 453007；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司 咸寧供電公司， 湖北 咸寧 437100)

針對(duì)諧振接地系統(tǒng)單一選線方法易發(fā)生誤判、易受訓(xùn)練樣本影響等問(wèn)題，提出基于能量與相關(guān)性的諧振接地系統(tǒng)選線新方法。首先計(jì)算線路各相電流突變量和每條線路的綜合相關(guān)系數(shù)，然后用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法計(jì)算每條線路相電流突變量所對(duì)應(yīng)的固有模態(tài)能量權(quán)重系數(shù)，取每條線路三相固有模態(tài)能量權(quán)重系數(shù)中的最大值作為本線路的綜合能量系數(shù)值，最后通過(guò)二維判據(jù)求取特征距離。仿真結(jié)果表明，基于能量與相關(guān)性的諧振接地系統(tǒng)選線新方法實(shí)現(xiàn)了母線故障判別，且在一定程度上提高了判據(jù)裕度，適用范圍更廣。

諧振接地系統(tǒng)； 故障選線； 單相接地故障； 固有模態(tài)能量； 相關(guān)性

[6]可知，健全線路各相電流突變量幅值相同，波形一致；故障線路中兩健全相突變量幅值相同，波形一致，而故障相突變量則不具備此特征。因此，可利用相關(guān)性進(jìn)行選線。一般用相關(guān)系數(shù)形容2個(gè)信號(hào)的相似程度，2個(gè)信號(hào)相差越大，相關(guān)系數(shù)就越小[8-9]。健全線路各相間突變量之間的相關(guān)系數(shù)接近于1，故障線路兩健全相突變量之間相關(guān)系數(shù)接近于1，而故障線路故障相與健全相突變量之間的相關(guān)系數(shù)較小。本文利用故障后一個(gè)周期的數(shù)據(jù)減去故障前一個(gè)周期的數(shù)據(jù)，求得線路各相電流突變量，然后求取AB，BC，CA兩相突變量之間的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)ρij計(jì)算公式為

(1)

式中：Ipi，Ipj分別為第p條線路的i，j兩相電流突變量；n為故障發(fā)生時(shí)刻；N為信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

通過(guò)計(jì)算各線路AB、BC、CA兩相突變量之間的相關(guān)系數(shù)，可得到相關(guān)系數(shù)矩陣D為

(2)

式中：ρpAB，ρpBC，ρpCA分別為第p條線路AB，BC，CA兩相突變量之間的相關(guān)系數(shù)；l為系統(tǒng)線路總條數(shù)。

定義第p條線路的綜合相關(guān)系數(shù)為第p條線路AB，BC，CA兩相電流突變量之間相關(guān)系數(shù)中的最小值,即第p條線路的綜合相關(guān)系數(shù)可表示為

(3)

綜合相關(guān)系數(shù)最小的饋線即為故障線路。

2 基于相電流突變量能量的選線方法

基于零序電流固有模態(tài)能量的故障選線方法利用故障線路固有模態(tài)能量權(quán)重系數(shù)最大的原理進(jìn)行選線，但在架空線路上發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障架空線路零序電流幅值極可能出現(xiàn)小于健全電纜零序電流幅值的情況，導(dǎo)致故障架空線路零序電流固有模態(tài)能量權(quán)重系數(shù)值小于健全電纜能量權(quán)重系數(shù)值，引起誤判。

由參考文獻(xiàn)[6]可知，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相電流突變量幅值最大，而故障線路健全相和其他線路相電流突變量幅值都較小。因此，可利用相電流能量判別故障饋線。

首先通過(guò)EMD(經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解)對(duì)第p條線路i相電流突變量進(jìn)行分解，得到m個(gè)IMF分量和一個(gè)剩余分量rc[10-11]。第p條線路i相電流突變量的固有模態(tài)能量為

(4)

式中：fpix表示第p條線路i相電流第x個(gè) IMF分量。

定義每條線路三相固有模態(tài)能量值最大者為本線路的綜合能量值，則第p條線路的綜合能量值Ep為

(5)

第p條線路權(quán)重系數(shù)為其綜合能量值與總綜合能量值之比，即

(6)

由于故障線路相電流固有模態(tài)能量值最大，所以故障線路綜合能量值也最大。因此，可判斷權(quán)重系數(shù)最大的線路為故障線路。

3 基于相電流能量與相關(guān)性的選線方法

雖然基于相電流突變量固有模態(tài)能量的選線方法在一定程度上解決了零序電流固有模態(tài)能量法不能應(yīng)用在架空線路上的問(wèn)題，但未解決母線故障判別問(wèn)題。當(dāng)電纜線路發(fā)生故障時(shí)，基于相電流突變量相關(guān)性的選線法也會(huì)出現(xiàn)判據(jù)裕度較小的問(wèn)題。因此，本文提出以二維坐標(biāo)融合2種判據(jù)的方法，使二者能相互補(bǔ)充。

由于故障線路的綜合相關(guān)系數(shù)最小，而其綜合權(quán)重系數(shù)最大，在以線路綜合相關(guān)系數(shù)為橫軸、線路綜合權(quán)重系數(shù)為縱軸的坐標(biāo)系中，健全線路坐標(biāo)點(diǎn)在第1象限橫軸的右上方，接近點(diǎn)(1,0)；故障線路坐標(biāo)點(diǎn)在第1或第2象限縱軸上方，接近點(diǎn)(0,1)。因此，本文以線路所代表的點(diǎn)與點(diǎn)(0,1)的距離作為故障判據(jù)，第p條線路所表示的點(diǎn)(ρp,αp)與點(diǎn)(0,1)的特征距離dp為

(7)

當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，特征距離最小值所對(duì)應(yīng)的線路為故障線路。而當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，由于各線路相電流突變量波形都相同，所以各線路綜合相關(guān)系數(shù)都接近于1。結(jié)合特征距離公式可知，此時(shí)各線路特征距離都很大。現(xiàn)設(shè)定一閾值dset，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，若線路各特征距離都大于dset，則表示母線發(fā)生故障，否則特征距離最小值所對(duì)應(yīng)的線路為故障線路，具體選線流程如圖1所示。其中U0，Um分別為系統(tǒng)零序電壓和額定電壓。

圖1 選線流程

4 仿真分析

4.1 仿真模型

利用仿真軟件EMTP搭建110/10 kV配電網(wǎng)經(jīng)消弧線圈接地模型，如圖2所示，其中架空線路與電纜線路參數(shù)引自參考文獻(xiàn)[12]。本文中每條饋線都接有負(fù)荷，用一個(gè)(400+j20)Ω的阻抗代替；消弧線圈采用過(guò)補(bǔ)償方式運(yùn)行，補(bǔ)償度為8%，消弧線圈電感值為0.982 H；采樣頻率為100 kHz,仿真時(shí)間設(shè)為0.04 s，發(fā)生單相接地故障時(shí)刻為0.02 s。

圖2 110/10 kV配電網(wǎng)經(jīng)消弧線圈接地模型

4.2 仿真結(jié)果分析

現(xiàn)通過(guò)2組仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證本文所提選線方法的有效性。第1組仿真條件：故障位置為線路1的10%處，故障合閘角a為0°，故障電阻為5 Ω。第2組仿真條件：故障位置為線路4的10%處，故障合閘角a為0°，故障電阻為500 Ω。由于篇幅限制，現(xiàn)只給出第1組仿真條件下故障線路1和健全線路4各相電流突變量，如圖3、圖4所示。

圖3 故障線路1各相突變量

圖4 健全線路4各相突變量

從圖3、圖4可知，健全線路各突變量相電流幅值相同，波形一致;故障線路中兩健全相突變量幅值相同，波形一致，而故障相突變量與其健全相波形相差較大。通過(guò)觀測(cè)相電流突變量幅值可知，故障線路故障相突變量幅值遠(yuǎn)比其他相電流突變量幅值大。最終通過(guò)2組實(shí)驗(yàn)得到的各線路各綜合相關(guān)系數(shù)與權(quán)重系數(shù)見表1、表2。

表1 線路1的10%處發(fā)生故障時(shí)的系數(shù)

表2 線路4的10%處發(fā)生故障時(shí)的系數(shù)

根據(jù)表1、表2中的數(shù)據(jù)可得到圖5、圖6。由圖5和圖6可知，故障數(shù)據(jù)所表示的點(diǎn)與點(diǎn)(0,1)相距較近，而正常數(shù)據(jù)所表示的點(diǎn)與其相距較遠(yuǎn)，說(shuō)明利用特征距離選線是可行的，且裕度較高。

圖5 表1中數(shù)據(jù)的二維坐標(biāo)

圖6 表2中數(shù)據(jù)的二維坐標(biāo)

為了分析所提方法的適用性，利用其計(jì)算不同故障條件下線路所表示的點(diǎn)與點(diǎn)(0，1)之間的特征距離。經(jīng)多次試驗(yàn)，本文取閾值為0.9，然后通過(guò)流程圖判別故障線路，結(jié)果見表3、表4。

從表3和表4可知，當(dāng)線路上發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路特征距離較小，在0～0.7內(nèi)波動(dòng)，而健全線路特征距離均大于1，因此，根據(jù)特征距離能很好地判別出故障，尤其在架空線路故障時(shí)判別結(jié)果非常好。當(dāng)母線上發(fā)生單相接地故障時(shí)，各線路特征距離均大于閾值0.9，因此，根據(jù)特征距離也能判別出母線故障。

表3 線路故障時(shí)各線路特征距離與判別結(jié)果

表4 母線故障時(shí)各線路特征距離與判別結(jié)果

由以上分析可知，本文所提方法受故障電阻、故障合閘角、故障位置的影響較小，解決了固有能量法不能判別母線故障的問(wèn)題，且與相關(guān)性選線法相比，提高了裕度，不易發(fā)生誤判。

5 結(jié)語(yǔ)

基于相電流的能量與相關(guān)性的諧振接地系統(tǒng)選線方法以二維坐標(biāo)的形式融合了能量法與相關(guān)性法，與傳統(tǒng)的融合方法相比，避免了訓(xùn)練樣本的影響；與單一判別方法相比，既能判別母線故障，也在一定程度上提高了判據(jù)裕度，且受故障電阻、故障合閘角、故障位置的影響較小，對(duì)不同故障情況均能較好地識(shí)別，非常適用于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的配電網(wǎng)系統(tǒng)選線。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡佐,李欣然,石吉銀.基于殘流與首半波綜合的接地選線方法研究[J].繼電器,2006,34(7):6-9.

[2] 趙建文,李科,隨曉娜,等.多級(jí)數(shù)據(jù)模糊融合選線新方法[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2016,28(2):56-60.

[3] 郭謀發(fā),林妙玉,楊耿杰.諧振接地系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)信息智能融合選線方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2013,41(7):60-66.

[4] 吳樂(lè)鵬,黃純,林達(dá)斌,等.基于暫態(tài)小波能量的小電流接地故障選線新方法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2013,33(5):70-75.

[5] 束洪春,徐亮,彭仕欣,等.諧振接地電網(wǎng)故障選線相關(guān)分析法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2008,28(9):6-9.

[6] 宋國(guó)兵,李廣,于葉云,等.基于相電流突變量的配電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011,35(21):84-90.

[7] 王清亮,杜輝,趙藝杰,等.基于固有模態(tài)能量的暫態(tài)量選線方法[J].工礦自動(dòng)化,2013,39(9):92-95.

[8] 胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理:理論、算法與實(shí)現(xiàn)[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[9] 王韶,朱姜峰.基于改進(jìn)相關(guān)性分析法的配電網(wǎng)絡(luò)單相接地故障選線[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2012,40(15):76-81.

[10] 穆鋼,史坤鵬,安軍,等.結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的信號(hào)能量法及其在低頻振蕩研究中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(19):36-41.

[11] 杜輝.基于固有模態(tài)能量的暫態(tài)量選線方法研究[D].西安:西安科技大學(xué),2013.

[12] 康小寧,劉鑫,索南加樂(lè),等.基于矩陣束算法的經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障選線新方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(12):88-93.

New line selection method of resonant grounding system based on energy and correlation

YANG Xinwei1， LIU Weina1， JIANG Bo2

(1.College of Electronic and Electrical Engineering, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China；2.Xianning Power Supply Company, State Grid Hubei Power Company, Xianning 437100, China)

In view of problem that single line selection method of resonant grounding system prones to misjudgment and is easily affected by the training samples, new line selection method of resonant grounding system based on energy and correlation was proposed. Firstly, current mutation of each phase and comprehensive correlation coefficient of each line are calculated;then EMD algorithm is used to calculate weight coefficient of intrinsic mode energy corresponding to phase current mutation of each line, and the maximum value of weight coefficient of intrinsic mode energy of three phases in each line is taken as the comprehensive energy coefficient value of the line;finally,feature distance of each line is obtained according to the two-dimensional criterion.The simulation results show that the new line selection method of resonant grounding system based on energy and correlation achieves bus fault diagnosis, improves criterion margin in a certain extent, and has wide scope of application.

resonant grounding system; fault line selection; single-phase grounding fault; intrinsic mode energy; correlation

2016-07-28；

2016-10-28；責(zé)任編輯：胡嫻。

楊新偉(1982-),男，河南新鄉(xiāng)人，講師，碩士，主要從事電氣自動(dòng)化方面的教學(xué)與研究工作， E-mail:2558332053@qq.com。

1671-251X(2016)12-0059-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.013

TD611

A

時(shí)間：2016-12-01 10:44

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161201.1044.013.html

0 引言

1 基于相電流突變量相關(guān)性的選線方法

楊新偉，劉偉娜，江博.基于能量與相關(guān)性的諧振接地系統(tǒng)選線新方法[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(12)：59-63.

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)故障電流較小，故障特征不明顯，許多學(xué)者針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了研究，已取得了一些成果。基于故障行波的選線方法[1]具有檢測(cè)速度較快、準(zhǔn)確率較高的特點(diǎn)，但對(duì)采樣設(shè)備要求較高，需投入較大成本。基于數(shù)據(jù)融合的選線方法[2-3]判別效果較好，但需要大量具有代表性的訓(xùn)練樣本才能保證較高的判別準(zhǔn)確率，且計(jì)算量較大，運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)。基于小波能量的選線方法[4]由于小波基選取的問(wèn)題，很難實(shí)際應(yīng)用。基于零序電流相關(guān)性的選線方法[5]在純架空線纜中應(yīng)用效果較好，但應(yīng)用在混合線路中時(shí)效果則不太理想。參考文獻(xiàn)[6]針對(duì)該問(wèn)題提出了基于相電流相關(guān)性的選線定位方法，該方法提高了判據(jù)裕度，但還有待改進(jìn)。基于零序電流固有模態(tài)能量的選線方法[7]在純電纜線路中的應(yīng)用效果較好，而在含有架空線路時(shí)，容易發(fā)生誤判，且不能判別出母線故障。由參考文獻(xiàn)[6]可知，故障線路故障相電流突變量幅值遠(yuǎn)比其他相電流突變量幅值大，因此，以相電流突變量能量進(jìn)行選線要比零序電流能量選線可靠，但該方法未解決母線故障判別問(wèn)題。 本文在此基礎(chǔ)上，提出了基于相電流能量與相關(guān)性的選線方法。該方法解決了母線故障判別問(wèn)題，與單一方法相比，在一定程度上提高了裕度，不易出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。