基于暫態電流方向和能量的故障選線法

李 臻， 劉 鵬， 蔡 軍

(智能電網運行與控制湖南省重點實驗室(長沙理工大學)，湖南 長沙 410114)

基于暫態電流方向和能量的故障選線法

李 臻， 劉 鵬， 蔡 軍

(智能電網運行與控制湖南省重點實驗室(長沙理工大學)，湖南 長沙 410114)

在配電網諧振接地系統中，現有選線方法由于故障邊界不明顯，易發生誤判，因此提出了基于暫態電流方向和能量的故障選線法。在依據特征頻帶下故障線路比健全線路暫態零序電流幅值較大，且兩者相位相差180°基礎上，分別定義了能量參數與綜合方向參數，然后結合二維判據進行融合得到最終判據——特征距離，其中特征距離最小的線路為故障線路。仿真結果表明，此方法解決了現有各線路特征頻帶選取不一的難題，且進一步提高了故障判據裕度，受故障合閘角、故障電阻、故障位置等因素的影響較小，更能適用于結構較復雜的配電網故障選線。

諧振接地系統； 單相接地故障； 小波包； 綜合方向參數； 能量參數； 二維判據

0 引言

諧振接地系統由于消弧線圈的作用會使基于穩態分量特征的健全線路與故障線路故障邊界微弱，穩態選線法已不適用于此系統故障選線，因此現許多學者提出了利用其他分量進行故障選線。其中注入信號法[1-2]利用特殊信號分布進行故障選線，能很好地判別低阻接地故障，但系統若發生高阻接地故障時，故障線路上特殊信號分布較弱，不易判別出故障線路，存在一定的局限性。智能融合法[3-4]通過融合多源故障特征量進行故障選線，彌補了單一選線法適用范圍不廣的缺點，但此類方法非常注重訓練樣本的選取，若選取不合理則會導致最終判別正確率不高的問題。小波包能量法[5]利用各線路特征頻帶能量大小進行故障選線，存在特征頻帶選取不一的問題，且此方法運用在含電纜線路較多的配電網系統時，則會出現判據裕度過低的現象。小波包相關性法[6]利用故障線路與健全線路特征頻帶信號方向相反的原理進行故障選線，但此方法用相關系數作為故障判據并不能很好地表征極性相反的特征，因此有待提高。小波包幅值與極性法[7]通過綜合運用特征頻帶的幅值與方向進行故障選線，在一定程度上減小了誤動的產生，但此類方法僅把2種故障判據方法用與門進行聯接，這就變相地減小了故障判據裕度和適用范圍。

因此本文在改進了小波包能量法判據與小波包相關性法判據的基礎上提出了基于暫態電流方向和能量的故障選線法，通過二維判據融合改進的2種方法，達到進一步提高判據裕度和適用范圍的目的。

1 小波包相對能量因子選線

通過文獻[8]可知，當配電網系統發生單相接地故障時，故障暫態零序電流幅值比健全線路零序電流幅值較大，為了進一步擴大故障邊界，常采用小波包提取暫態特征頻帶信號作為特征量進行故障選線。小波包分析既能對低頻部分進行分析，也能對高頻部分進行分析，因此具有較高的時頻分辨率[9-10]。它可分為小波包分解與小波包重構兩部分，其原理如下所示:

(1)

(2)

若對原始信號進行j層分解與重構，則在第j層可得到2j個節點，即能分解和重構成2j各頻帶信號。其中小波包分解與重構后的第i節點能量E(i)[11]可表示為：

(3)

文獻[5]11 在根據能量最大值原則確定暫態零序電流特征頻帶的基礎上提出了基于特征頻帶能量大小故障選線法，此方法存在各線路特征頻帶不一致的問題，且判據裕度不足。因此，本文針對第一個問題提出一種新的特征頻帶提取方法：若按能量最大值原則選取的各線路暫態零序電流特征頻帶一致時，則以此時各線路暫態零序電流能量最大的頻帶為特征頻帶；當按能量最大值原則選取的各線路暫態零序電流特征頻帶不一致時，以按能量最大值原則選取暫態零序電壓下的頻帶作為特征頻帶。針對判據裕度不足的問題，本文在特征頻帶新選擇方案的基礎上提出一種小波包相對能量因子選線法，以拉大故障線路與健全線路的邊界，尤其是故障架空線路與正常電纜線路的故障邊界，其公式如下所示：

(4)

(5)

式中：m表示系統出線條數；Ei為線路i特征頻帶的能量；pi為第i條線路特征頻帶能量占總能量的比率；Pi為第i條線路的相對能量因子。

通過上式求得的故障線路相對能量因子將遠遠大于健全線路相對能量因子。為了方便設定判據閾值，需對Pi進行歸一化處理得到能量參數如下所示：

(6)

因此可知故障線路能量參數為1，而健全線路能量參數將接近于0，此方法可通過設定適宜的閥值進行故障判別，且可看出其判據裕度較高，不易發生誤判。

2 小波包新相關性選線

通過文獻[8]22 可知，當配電網系統發生單相接地故障時故障暫態零序電流方向與健全線路零序電流方向相反，基于此原理，文獻[6]17 提出了基于小波包相關性選線方法，利用相關系數函數來表征故障線路與健全線路特征頻帶信號方向近似相反，即當兩線路均為健全線路時，兩線路相關系數接近于1，而當兩線路有一條為故障線路時兩線路相關系數接近于-1。為了更能突顯故障邊界，本文在特征頻帶新選擇方案的基礎上提出了一種方向參數的概念，以刻畫兩波形相位的差異，公式如下所示：

(7)

式中：Ii，Ij分別表示線路i、j暫態零序電流特征頻帶信號；αij表示為這兩信號之間的方向參數；N為信號數據長度；n=1表示故障發生時刻。

(8)

式中：αi表示為線路i的綜合方向參數。

3 二維信息融合故障判據原理

通過上述分析可知，當諧振接地系統發生單相接地故障時，本文所提的2種判據均能很好地判別出故障線路，但為了能進一步提高保護判據裕度，本文提出了二維判據概念融合這2種判據。

(9)

圖1 二維判據故障選線流程圖

4 仿真結果與分析

4.1仿真模型

本文基于ATP仿真軟件對10 kV諧振接地系統進行仿真模型搭建，如圖2所示。其中線路1、線路3、線路5分別為10 km、25 km、20 km的純架空線路，線路4、線路6分別為10 km、8 km的純電纜線路，而線路2為10 km的架空-電纜混合線路，其中架空段與電纜段均長5 km。線路參數設置具體值如表1和表2所示[12]；變壓器以△/Y的方式連接，其額定變比為110 kV/10.5 kV；消弧線圈采用過補償，補償度為8%，電感值應設為0.703 H；每線路末端均接有負荷，用400+j20 Ω的阻抗表示；采樣頻率為10 kHz。

圖2 諧振接地系統仿真模型圖

線路類型零序參數R0/(Ω·km-1)L0/(mH·km-1)C0/(μF·km-1)架空0235480009電纜035154019

表2 線路正序參數

4.2仿真驗證與分析

為了簡要說明本文所提2種單一判據的優越性，可通過一組仿真實驗進行對比分析。現模擬線路4的90%處發生了合閘角為30°、故障電阻為5 Ω的單相接地故障，通過小波包db12基函數進行5層分解，按傳統零序電流能量最大原理可知，6條線路所對應的特征頻帶節點分別為(5,18)、(5,6)、(5,14)、(5,6)、(5,3)、(5,1)，因此可看出各線路最大能量下的特征頻帶不一致，若直接利用各線路的特征頻帶進行分析則會出現誤判現象。現通過對零序電壓進行小波包分解，其中第3頻帶能量值最大，根據本文特殊頻帶選取流程可知第3頻帶為特征頻帶，若此時根據文獻[5，6]11，17故障判據流程，選取每條線路第3頻帶為特征頻帶時各線路所對應綜合相關系數為[0.572，0.584，0.581，-0.987，0.568，0.5804]，所對應的歸一化小波包能量系數為[0.000，0.141，0.000，1.000，0.001，0.422]。而根據本文所提2種方法判據流程圖可知本文所提出的綜合方向參數為[0.6000,0.6000,0.6000，-1,0.6000，0.6000]，能量參數為[0.0000,0.0200,0.0000,1.0000,0.0000,0.073]。通過這些結果可知本文所提2種判據的裕度均比傳統判據較高，尤其是基于小波包相對能量因子選線法的能量參數判據。

為了驗證本文所提2種單一判據的適應性，現分別模擬架空線路1、電纜線路4、混合線路2發生不同條件的單相接地故障，其對應的判別結果分別如表3和表4所示。從表3結果可知，無論是架空、電纜或者混合線路發生單相接地故障時，故障線路的綜合參數判據均為-1，而健全線路的綜合參數判據均為0.6，因此可知此方法擁有很好地故障判據裕度，且受故障位置、故障合閘角、故障電阻、網絡結構影響較小，能很好地適用于結構較復雜的諧振接地系統。而從表4結果可知，故障線路能量參數為1，各健全線路能量參數均接近于0，因此可知判據裕度也較高，能很好地進行故障判別，不易出現誤判現象。相對于這2種改進的方法，傳統方法所計算得到的結果如表5和表6所示，通過這2個表中結果與表3、4結果進行對比，可明顯看出本文提出的2種新穎判據相比傳統選線方法判據具有更加明顯的故障邊界，具有一定的創新性。

表3 不同線路故障時各線路綜合方向參數與判別結果

表4 不同線路故障時各線路能量參數與判別結果

表5 不同線路故障時各線路綜合相關系數與判別結果

表6 不同線路故障時各線路能量系數與判別結果

表7 不同線路故障時各線路特征距離與判別結果

通過上述仿真結果分析可知，本文所提2種單一判據均有很好的故障判據裕度，現利用二維判據結合這2種單一判據，求取得到的特征距離結果如表7所示，經大量結果分析dset可取0.85。通過表7可知，故障線路的特征距離為0，而健全線路的特征距離均接近于1.9，因此，相比綜合方向參數判據與能量參數判據進一步提高了故障判據裕度，更能適用于工況較復雜的配電網系統故障選線。

5 結論

本文分別改進了小波包能量法與相關性法，在此基礎上提出了基于暫態電流方向和能量的故障選線法。借助二維判據融合了新穎的綜合方向參數判據與能量參數判據，在很大程度上提高了故障保護判據裕度，且不受系統網絡結構、故障位置、合閘角、故障電阻的影響，非常適用于工況較復雜、結構較復雜的諧振接地系統故障選線。

[1] 程樂峰，殷林飛，余濤. 基于變頻信號注入原理的防帶地線合閘檢測裝置設計[J]. 電測與儀表, 2016, 53(21): 115-123.

[2] 林凌. 注入變頻信號法的消弧線圈自動測量補償研究[D]. 北京：北京交通大學，2015.

[3] 廖桂源，李彩林，施偉，等. 基于EMD聚類算法的配電網單相接地故障選線方法[J]. 電力科學與工程，2014，30(2):57-61.

[4] 趙建文，李科，隨曉娜，等. 多級數據模糊融合選線新方法[J]. 電力系統及其自動化學報, 2016, 28(2): 56-60.

[5] 吳樂鵬．配電網單相接地故障選線與定位方法的研究[D]．長沙：湖南大學，2012．

[6] 熊姍霞，黃洪全，楊兆陽. 基于小波包及相關分析的故障選線方法[J]. 計算技術與自動化，2013，32(3)：16-19.

[7] 劉渝根，王建南，馬晉佩，等. 結合小波包變換和5次諧波法的諧振接地系統綜合故障選線方法[J]. 高電壓技術,2015,41(5):1519-1525.

[8] 吳麗娜，劉觀起. 諧振接地系統單相故障仿真與分析[J]. 電力科學與工程，2014，30(7):21-26.

[9] 韓曉娟，陳躍燕，張浩，等. 基于小波包分解的混合儲能技術在平抑風電場功率波動中的應用[J].中國電機工程學報,2013,33(19):8-13.

[10] 盧蕓，徐駿. 基于小波包分解的風電混合儲能容量配置方法[J]. 電力系統保護與控制,2016,44(11):149-154.

[11] 郭洪英. 基于回復電壓極化譜小波包變換的變壓器絕緣老化診斷方法[J]. 電力系統保護與控制,2016,44(24):170-175.

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

A Method About Selection of Grounding Fault Line Based on Transient Current Direction and Energy

LI Zhen, LIU Peng, CAI Jun

(Hunan Province Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)

For the existing line selection methods, due to the ambiguous boundaries in the resonant grounded system, they are prone to make mistake. In this paper, a new method for grounding fault line selection based on transient current direction and energy for distribution network is presented. Firstly, a new energy parameter and comprehensive direction parameter are defined according to the fact that the amplitude of the zero-sequence current of the fault line is bigger than that of a normal line and that the phase difference between them is 180°. Then, the two criterions are fused by two-dimensional criterions, and the distance of the fault line is the smallest. Simulation results show the method may solve the existing problem of varying frequency band selection, and may improve the failure criterion margin remarkably. What′s more, the influence of the fault switching angle, fault location, and fault resistance, etc., on the simulation results obtained by the proposed method is small, so it is more suitable to be used to select fault line for distribution networks with more complex structure.

resonant grounding system；single phase to grounding fault；wavelet packet；energy parameter；comprehensive direction parameter；two-dimensional criterion

2017-05-05。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.08.003

TM771

：A

：1672-0792(2017)08-0013-06

李臻(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統運行與控制。