基于IMF分量的配網小電流接地系統高阻接地故障診斷

【關鍵詞】IMF 分量；配網；小電流接地；高阻接地；故障診斷方法

引言

配網是電力系統的重要組成部分，能夠將電能輸送到各個用戶，確保用戶的用電穩定性。小電流接地系統的優勢，體現在中性點接地方式上。當故障發生時，不會形成短路回路，減小了故障電流，確保用電設備的安全。通過高阻接地，將高阻抗設備與中性點接地，形成更加安全的用電環境。然而，故障電流減小，增加了故障診斷、檢測、排除的難度，同樣會影響配網安全。針對此類問題，研究人員設計了多種診斷方法。

其中，文獻[1]提出基于VMD-TEO與全信號采集的配網小電流接地系統高阻接地故障診斷方法，主要是利用VMD全信號測量，對故障電流、相電壓和零序電壓行波信號進行檢測，并通過能量算子TEO進行行波測距，確保故障診斷的準確性。[1]然而，該方法容易受到噪聲等因素影響，存在故障診斷失誤的問題。文獻[2]提出基于拐點密集區凹凸波動特性的配網小電流接地系統高阻接地故障診斷方法，主要是提取出接地故障特征分量，并選擇拐點密集區進行歸一化處理，得到各個饋線的凹凸波動特性，從而快速找出故障區間，實現故障準確診斷。[2]但是，該方法增加了大量的計算步驟，計算復雜度較高，無法適應高阻接地故障診斷場景。因此，本文結合了IMF分量的優勢，設計了配網小電流接地系統高阻接地故障診斷方法。

一、配網小電流接地系統高阻接地故障IMF診斷方法設計

（一）提取配網小電流接地系統高阻接地故障特征

配網的電網結合越合理，供電可靠性越高，以輻射狀結構設計，提高了電網的運行靈活性。高阻接地故障由高阻值設備接觸樹木、地面引起，接地介質不同，故障特征也不同[3]。純電阻性高阻接地故障，故障電流較為微弱，不容易出現畸變，通過IMF分量放大故障特征，確保故障診斷效果。電弧性高阻接地故障，接地介質接觸不穩定，故障特征更加復雜[4]。本文利用IMF分量，描述等效接地電阻升高引起的故障電流幅值特征、電弧性特征，確保后續故障診斷的準確性。電弧性特征通過熱平衡方程來描述，公式如下：

式（1）中，g為電弧電導；t為故障開始時刻；d為導數；k為時間常數；ai為第i條線路的輸入功率；p0為散熱功率。在配網正常運行時，當ai＞p0時，g處于增大的狀態。當配網出現小電流接地故障時，ai＜p0，g處于衰減的狀態。電流幅值特征表示為：

式（2）中，i為故障電流幅值特征；u為暫態電壓。當配網正常運行時，i處于穩態變化；當配網故障時，i存在異常波動[5]。通過g的增大或衰減狀態，i的波動狀態，確定當前配網的運行狀態。

（二）基于IMF分量構建接地系統高阻接地故障診斷模型

本文將高阻接地故障信號作為原始信號，將故障診斷問題變換為變分問題，每個模態函數，均存在一個解析信號，能夠獲取單邊頻譜，從而提高高阻接地故障診斷的準確性。將接地系統高阻接地故障信號分為多個IMF分量，求取故障診斷交替方向的最優解，從而實現接地故障的精準診斷[6]。假設原始信號為k，分解成m個IMF分量，構建出高阻接地故障診斷模型，表達式如下：

式（3）中，G（k）為高阻接地故障診斷模型表達式；為原始信號k對應的導數；g（k）為故障信號的電弧性特征；i（k）為故障信號的電流幅值特征；j為常數；um為第m個模態信號。引入二次乘法因子與算子，將故障診斷約束性問題，變換為非約束性變分問題，得到故障診斷的最優解，形成更加準確的IMF分量[7]。故障診斷最優解表示為：

式（4）中， 為最優IMF分量，也就是故障診斷最優解； 為二次乘法因子；δ（k）為懲罰算子。將 作為基礎值，各IMF分量不斷更新，達到 的條件，才能輸出診斷結果，確保診斷的準確性。小電流接地系統出現故障時，中性點電阻、電流，在零序過零點位置存在非線性畸變。根據零序電流的時域波形，反映高阻接地故障的非線性畸變程度，求解高阻接地非線性畸變整定值，進一步滿足故障診斷的需求。高阻接地非線性畸變整定值表示為：

式（5）中，iz、uz為高阻接地非線性畸變的電流、電壓整定值；ω為權重； 、 為初相角。當輸出的 ，滿足iz、uz的整定需求時，能夠進一步確定 為最優IMF分量，真正意義上實現接地故障的精準診斷。

二、仿真實驗

為了驗證本文設計的方法，是否滿足配網小電流接地系統高阻接地故障診斷需求，本文搭建了一個仿真實驗平臺，對上述方法進行了仿真分析。最終的實驗結果則以文獻[1]基于VMD-TEO與全信號采集的診斷方法、文獻[2]基于拐點密集區凹凸波動特性的診斷方法，以及本文設計的基于IMF分量的診斷方法進行對比的形式呈現。具體實驗準備過程以及最終的診斷結果如下所示。

（一）實驗過程

本次實驗在PSCAD/EMTDC仿真平臺，對10kV小電流接地系統進行仿真分析。在接地系統仿真模型上，模擬出多種高阻接地故障類別，利用饋線初始端設置零序電流，確保本次實驗數據的準確性。仿真模型如下圖1所示。

如圖1 所示， L 1 、L 2 為架空線路， 線路電阻為0.17Ω～0.24Ω；L3為電纜線路，線路電阻為0.26Ω～2.6Ω；L4、L5為架空與電纜混合線路。通過開關K控制接地方式，形成金屬性、電弧性、瞬時性等12組接地故障類別，確保故障診斷實驗的有效性。

（二）實驗結果

在上述實驗條件下，本文隨機選取出12組高阻接地故障類別，分別分析了中性點位移電壓、零序電流、IMF分量能量比等指標。IMF分量能量比是通過IMF分量提取的故障特征參數，能量比越高，故障特征越明顯，越容易實現高精度診斷。在其他條件均已知的情況下，對比了文獻[1]基于VMDTEO與全信號采集方法的診斷性能、文獻[2]基于拐點密集區凹凸波動特性方法的診斷性能，以及本文設計的基于IMF分量方法的診斷性能。實驗結果如下表1所示。

如表1所示，kSp_1為金屬性高阻接地；kSp_3為電弧性高阻接地；kSp_4為瞬時性高阻接地；kSp_5為永久性高阻接地；kSp_7為高電壓等級高阻接地；kSp_8為單相高阻接地；kSp_9為多相高阻接地；kSp_10為周期性高阻接地；kSp_11為隨機性高阻接地；kSp_2、kSp_6、kSp_12為正常。在其他條件均一致的情況下，使用文獻[1]基于VMD-TEO與全信號采集的高阻接地故障診斷方法之后，IMF分量能量比相對較小，故障診斷特征不明顯，出現較多的失誤問題。使用文獻[2]基于拐點密集區凹凸波動特性的高阻接地故障診斷方法之后，IMF分量能量比有所增加，但仍低于0.9，同樣存在一定的失誤，亟須對其進一步優化。而使用本文設計的基于IMF分量的高阻接地故障診斷方法之后，IMF分量能量比較高，故障診斷特征明顯，診斷結果均正確，符合本文研究目的。

結束語

近些年來，電力系統不斷發展，配網的安全性與可靠性成為人們關注的重點。在配網系統中，小電流接地系統以其獨特的運行優勢，為電網的穩定運行提供了保障。然而，小電流接地故障發生時，故障電流相對微弱，加大了故障診斷的難度。因此，本文利用IMF分量，設計了配網小電流接地系統高阻接地故障診斷方法。從故障特征、診斷模型等方面，診斷出高阻接地類別。通過IMF分量，增強故障特征，真正意義上提高了故障診斷的準確性，為配電網的運行提供安全性保障。