基于信號距離的煤礦電網故障區段定位

楊 勇，馮澤鐔，趙建文，李升健

(1.西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054；2.國網江西省電力科學研究院，江西 南昌 330096)

我國煤礦高壓電網的電壓等級大多為10kV或6kV。根據《煤礦安全規程》的規定，井下接地電流必須限制在20A以下，越來越多的煤礦高壓電網開始采取經消弧線圈接地的運行方式，對系統的單相接地故障電流進行限制。

現有的故障定位方法多基于零序網絡對故障信號進行辨識，文獻[1，2]提出利用故障后上下游穩態零序電流的幅值極性差異，定位故障區段。但消弧線圈的補償，使該方法不再適用。文獻[3]利用羅氏線圈放大零序諧波信號，并結合矩陣算法實現對煤礦高壓電網的故障區段定位，但故障矩陣的構建依賴于檢測點上傳的信息，存在抗干擾能力差的問題。文獻[4]通過GHM多小波變換對故障電流處理，改進了傳統小波變換存在奇異點偏移的問題，從而提高故障定位精度，但受礦井下的大量干擾源的影響。文獻[5]通過注入原始脈沖實現礦用電纜的準確定位，但相對應的信號檢測設備的安裝，使得成本有所提高。因此，對于工況環境復雜，干擾源眾多的煤礦電網，上述定位方法均存在一定局限性。

本文通過對發生單相接地故障時暫態正序實部電流特征的分析，利用信號距離算法對故障上下游波形的相似度進行衡量，判別出故障區段。并通過不同故障條件下的仿真，驗證了本方法不受消弧線圈的影響，在不同故障條件下均能識別故障區段。

1 基于正序實部網絡的單相接地故障特性分析

以具有n條饋出線路的經消弧線圈接地的煤礦電網為例，通過瞬時對稱分量法對發生單相接地故障的煤礦電網系統進行解耦得到瞬時正序實部網絡[6-8]，如圖1所示。

圖1 單相接地故障的瞬時正序實部網絡

在圖1的線路l1共設有M、N、P、Q四個監測點，設故障發生在檢測點N、P之間。故障點上游監測點M、N的暫態正序實部電流滿足：

故障點下游監測點P、Q之間的正序實部電流滿足：

對于故障點上下游而言，流過故障上游的電流主要由故障點處的虛擬故障電源提供，以及故障點上游的線路對地電容電流組成；故障點下游為線路對地電容電流。則對于監測點N、P而言，存在以下關系：

各檢測點暫態正序實部電流波形如圖2所示，具有3條饋出線路的系統發生單相接地故障條件下，故障線路l1各檢測點暫態正序實部電流波形(故障發生在NP之間，從上往下依次為上游監測點M、N和下游監測點P、Q波形)，由圖2可知故障特征與理論分析一致。

圖2 各檢測點暫態正序實部電流波形

從圖2可以明顯看出：故障線路上，故障點同側的暫態正序實部電流波形相似，而故障點異側的正序實部電流波形具有差異性。并且，由于正序電流不經消弧線圈，故障特征不受消弧線圈的影響。

2 基于信號距離的故障區段定位

對于波形形狀復雜，不甚規整的暫態過渡階段而言，其分析和處理完全不同于常見的波形規整的正弦信號，無法直接對其幅值、相位、頻率等信號特征比較分析；并且由于暫態過程過于短暫，因此對辨識算法的快速性提出了嚴格的要求。

2.1 信號距離原理

信號距離算法是以加減法運算為主要形式的信號分析方法，具有簡單快速的特點。通過計算兩個信號在對應時刻的差值，并取其絕對值的區間平均值，來表示兩個信號之間的相似程度。

設離散樣本信號x(n)和y(n)來自各態遍歷平穩隨機過程，時限歷程為[0，N]，并假定信號是因果的，則兩信號的互距離定義如下：

式中，Δxy表示兩無時移離散信號之間的距離值。特別，當y(n)≠x(n)時，Δxy表示兩信號間的互距離；而當y(n)=x(n)時，稱Δxy為信號自距離，自距離值恒為零。因此，對于不同信號之間的差異程度的大小，可以根據它們之間的互距離值大小來表征。信號的相似度越低對應的距離值越大，反之越小。

采用信號距離對信號進行分析處理，不僅能夠綜合反應信號中每一頻率分量的相位關系及幅值信息，彌補了依靠單一頻段信息判斷故障的信息的不全面性；同時由于算法本身原理簡單，不涉及復雜的頻率轉換，算法的運算速度得到了有效保障。

2.2 基于信號距離的區段定位方法

將故障線路上相鄰兩個監測點i和j在區間[0，N]的暫態時間內采集到的瞬時正序實部電流帶入式(4)，計算得到該區段的信號距離pij，以便于后續對故障路徑進行判斷及定位故障區段。

針對煤礦電網的多分支結構，分別從以下兩種線路結構，給出故障路徑的判據及定位故障區段的方法。線路結構如圖3所示。

圖3 線路結構

2.2.1 無分支線路

對于圖3(a)所示的無分支線路，若在f1處發生故障，上游線路長度一般較下游線路大，且上游的電流部分為故障源所提供。因此，流過監測點S1與S2的暫態正序實部電流波形存在差異，得到的信號距離較大。

若在f2處發生故障，流過S1與S2的正序實部電流均屬故障上游，均以電容電流為主，因此流過兩個開關的暫態正序實部電流，波形相似，信號距離較小。且若饋線上游存在其余監測點，則所有的信號距離值大小較為相近，彼此相差不超過一個數量級。

綜上，得到判據1：對于無分支的線路，故障路徑直接便可確定，故障路徑即為此無分支線路。

2.2.2 帶分支線路

煤礦電網線路結構復雜，不乏多分支線路，舉圖3(b)所示線路進行適當分析。

為便于分析描述，對分支節點處的相鄰檢測點之間的信號距離進行計算，并將其記為rkl(k，l分別為節點前后相鄰的監測點)。

當故障在f3處發生時，流過S1的電流來自故障上游；而流過S2與S3的暫態正序實部電流來自下游支路，得到的r12與r13均較大。由于在這種故障情況下，在故障節點后，選擇分支1或分支2對后續故障區段的定位無影響。為簡便起見，一般將分支處信號距離較小的分支，作為故障分支。

若故障發生在f4處，流過S1與S2的正序實部電流均為上游網絡的電容電流，波形相似性大；而流過S3的電流仍為下游支路的電容電流，存在r12

綜上，得到判據2：對于帶分支線路，若分支節點處相鄰檢測點暫態正序實部電流互距離值小的分支段，為故障分支。對于有分支節點的線路，重復利用判據2，直到線路末端，得到故障路徑。

待故障路徑確定后，將故障路徑上各區段的信號距離值作為向量P中的元素，形成區段定位向量：

P=[p12，p23，…，p(m-1)m]

(7)

若某一區段發生接地故障，區段定位向量中最大元素pmax=max{pij}對應為故障區段。

2.3 故障區段定位流程

經過大量學者及科研單位的深入研究，故障選線技術現已頗為成熟，并推出了一系列適用于礦井的微機選線裝置，故本文的定位方法建立在故障線路已知的情況下，進行基于信號距離的故障區段定位。定位方法的步驟如下所示，其流程如圖4所示。

圖4 區段定位流程圖

1)確定故障線路。首先對是否發生故障進行判別，檢測母線上瞬時零序電壓，當其超過0.15倍額定電壓幅值時，發生單相接地故障。根據集中式區段定位的原理，啟動故障選線算法，確定故障線路，并將選線結果上報主站。

2)采集暫態正序實部電流信號。通過故障線路上的各監測點，對故障后1/4工頻周期內的三相電流進行采集。采樣頻率選為10kHz，即每工頻周期采樣200點。并通過瞬時對稱分量法獲得相應的瞬時正序實部電流，上傳至主站。

3)計算相鄰檢測點的信號距離值。主站根據傳輸過來的1/4工頻周期正序電流信息計算故障線路上各相鄰檢測點之間的暫態正序實部電流互距離值。

4)確定故障路徑。根據故障線路是否存在分支節點，決定下一步驟的執行。若故障線路無分支，則故障路徑即為該故障線路；若存在分支節點，則通過比較分支節點處相鄰監測點的區段信號距離值判斷故障分支，直到線路末端，確定故障路徑。

5)定位故障區段。將故障路徑上各區段的信號距離值重構，得到故障區段定位向量P，根據向量中的最大元素pmax=max{pij}定位故障區段。

3 仿真實驗

3.1 仿真模型

依據實際煤礦電網結構，通過Matlab/Simulink軟件平臺對系統進行仿真建模，如圖5所示。該仿真系統為典型單源輻射式網絡結構，以中性點經消弧線圈接地方式運行，共有3回出線，各檢測點編號及饋線區段長度如圖5所示。電纜線路采用π形參數模型，其正序參數為R1=0.11Ω/km，L1=0.52mH/km，C1=0.29μF/km；零序參數為R0=0.34Ω/km，L0=1.54mH/km，C0=0.19μF/km。系統以過補償狀態運行，脫諧度v為-10%，零序電感L=1.364H，采樣頻率為10kHz。

圖5 10kV煤礦電網仿真模型

3.2 仿真算例

對圖5所示系統，在線路l3的監測點S3-S4之間設置單相接地故障，故障時刻為0.02s，系統以脫諧度v為-10%的過補償狀態運行；漏電電阻Rf取100Ω；漏電角q=90°。故障線路上各監測點的暫態正序實部電流如圖6所示。

圖6 故障線路各檢測點的瞬時正序實部電流

從圖6可以明顯看出，對于故障點異側的暫態瞬時正序實部電流波形差異顯著；而位于故障點同側的暫態瞬時正序實部電流波形相似度較高。

分別對故障后1/4周期的相鄰監測點之間的正序實部電流進行信號距離計算。由于在分支節點1和分支節點2處存在r12

3.3 方法適應性驗證

設定仿真系統在0.02s發生單相接地故障，故障位置設為監測點S3至S4之間，在不同漏電初始角的情況下，漏電電阻為100Ω時，故障路徑及區段定位向量的計算結果見表1；通過設定漏電初始角q=60°，分別在不同漏電電阻的條件下，對故障區段進行判定，不同漏電電阻下故障區段定位結果見表2。漏電角設定為90°且漏電電阻定為100Ω的條件下，針對不同的故障位置，對故障定位方法進行了驗證，不同故障區間下故障區段定位結果見表3。

表1 不同漏電角故障區段定位結果(Rf=100Ω)

表2 不同漏電電阻下故障區段定位結果(θ=60°)

表3 不同故障區間下故障區段定位結果(90°，100Ω)

由表1—表3可知，對于不同漏電角、漏電電阻及不同故障位置發生單相接地故障時，在分支節點處，故障支路的信號距離值均小于健全支路，故障路徑判定正確；故障路徑上區段定位向量中信號距離值最大的元素恒對應故障區段。可見本方法在不同故障條件下均能準確定位，具有有效性及適用性。

4 結 語

本文通過正序實部電流不流經消弧線圈的特性，從原理上避免了消弧線圈對定位方法的影響。并從比較波形相似度的角度出發，利用信號距離算法，對系統故障線路上各區段的正序實部電流信號距離值進行比較，以此定位故障區段。在不同故障條件下的仿真實驗表明，方法具有一定的適應性。