CN100530884C - 基于暂态零序电流的配电网单相接地故障自适应选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及配电网继电保护领域，特别涉及一种基于暂态零序电流频率分布的配电网单相接地故障自适应选线方法。首先对故障前后的零序电流进行小波分解和对每条线路的特征频段进行单枝重构，然后将各线路重构信号中零序电流瞬时值与其它线路对应瞬时值进行符号比较，如果与其它线路不同则给计数器加1，比较完所有采样点后，得到计数器值最大的线路；再特征频段为(4，0)的线路再进行一次自身重构数据的符号比较，若符号统一的点占60%以上，且与其他线路计数器的值相差不超过5，则该线路判为故障线路；否则确定的计数器值最大的线路判为故障线路。本发明提供的选线方法，能够有效利用故障暂态过程中包含的信息，可以大大提高故障选线的可靠性。

Description

基于暂态零序电流的配电网单相接地故障自适应选线方法

技术领域

本发明涉及配电网继电保护领域，特别涉及一种基于暂态零序电流频率分布的配电网单相接地故障自适应选线方法。

背景技术

我国3～66kV配电网均采用中性点不直接接地方式，因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，所以被称为小电流接地系统(NUGS)。它包括中性点不接地系统(NUS)，中性点经消弧线圈接地系统(NES，也称谐振接地系统)和中性点经电阻接地系统(NRS)。

小电流接地系统发生单相接地故障并达到稳态以后，非故障线路只流过本身的对地电容电流，数值很小，该电流可由零序电流互感器测出；故障线路流过所有非故障线路电流的总和，数值也不大，该电流也可由零序电流互感器测出；非故障相电压会升高为线电压，长时间带故障运行极易产生弧光接地，形成两点或多点接地短路，还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，所以必须尽快找到故障线路予以切除。然而小电流接地系统特别是中性点经消弧线圈接地系统(NES，也称谐振接地系统)，在发生单相接地后，由于故障稳态后的故障特征不明显，使得迅速、准确地选出接地故障线路有一定的难度，小电流系统单相接地故障选线一直是继电保护领域未彻底解决的一个难题。

在我国，从1958年起就一直对此问题进行研究，提出了多种选线方法，并开发出了相应的装置。选线原理根据是否利用故障电流可分成两类：第一类包括：①首半波法^[2]；②零序电流相位比较法^[3]；③零序有功功率方向原理^[4]；④五次谐波原理^[5]；⑤群体比幅比相原理^[6]；⑥零序五次谐波电流比幅比相法^[6]；⑦能量法^[7]；⑧最大Δ原理^[8]；⑨零序导纳法^[9][10]等；第二类包括：①拉线法；②注入信号跟踪法^[16][17]等。但是这些方法均有各自的局限性，在实际运行中的选线结果并不能令人满意。这主要是因为小电流接地系统的重要特征就是故障电流稳态分量幅值小，无论是谐波分量还是基波分量，都容易被干扰信号所淹没；二次侧的零序电流又容易受到零序CT(电流互感器)中的不平衡电流的影响；接地点的过渡电阻和非线性特性(如间歇电弧接地)影响接地电流的大小和进入稳态的时间；这一切给信号的检测和选线判断造成困难。注入信号跟踪法，虽然接线简单，不须零序CT回路，但由于注入信号大小及方法的限制一般主要用于10KV及以下电压等级系统，注入信号易被线路对地电容吸收，在中性点经消弧线圈接地系统中注入信号也易被消弧线圈所吸收，另外，探头灵敏度和可靠性易受各种外界因素影响，再者综自站及无人值守站的使用有些不便。

小电流接地系统单相接地时，接地电容电流的暂态分量往往比其稳态值大几倍到几十倍，显然利用提取暂态信号中的特征分量能够显著提高故障选线的精度，小波理论的出现为其暂态信号的提取提供了有力的手段。小波变换作为一种新的时频分析工具，通过小波函数的伸缩和平移产生可变的时频窗，使其在暂态和非平稳信号分析方面具有独特的优越性。另外，小电流接地系统的单相接地故障选线装置不要求像中性点直接接地电网单相接地短路保护那样瞬时动作，可以带有一定的延时动作，这为小波的应用提供了条件。近年来，国内外文献^{[11，12，13，14，15]}中提出了一些利用小波(小波包)变换提取配电网单相接地时的暂态特征量以实现故障选线的新方法。文献[14]中，利用小波变换将故障暂态电流分解，然后根据故障线路和非故障线路小波分解结果的相位和大小的不同来实现故障选线。但由于该方法对于高频序列没有进行再分解，不利于高频带的深层分析，而暂态量中高频成分又占很大比重，这使得该方法选线的可靠性降低。文献[15]中利用小波包的分频特性，先选择暂态零序电压能量比较集中的频段，然后求出各线路暂态零序电流在该频率段下的小波包分解结果，通过对它们极性和大小的比较来实现故障选线。这虽然解决了小波分频不细的问题，但由于暂态量的频率成分和大小受网络参数、故障时刻等多种因素的影响，不同线路的暂态量的频率分布也不总是完全一致的，因此，有的情况下要选择一个各线路暂态量都比较集中的频率段进行选线是十分困难的。

因此，针对配电网单相接地故障的自身特点以及对继电保护的要求，需要研究性能更佳具有广阔的应用前景和实用价值的故障选线方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，更有效地利用故障暂态过程中包含的信息，提出了一种基于暂态零序电流频率分布的配电网单相接地故障自适应选线方法，进行配电网单相接地的故障选线，本发明采用如下的技术方案：

一种基于暂态零序电流的配电网单相接地故障自适应选线方法，按下列步骤执行：

(1)实时对母线零序电压和各条线路的零序电流进行采集，对采集到的零序电压进行有效值计算，并不断与整定值进行比较，一旦零序电压大于整定值，则判断有线路发生单相接地故障；

(2)用db小波对各线路故障前后各一周的零序电流进行四层分解，得到各个子频段的分解系数；

(3)按公式 $\mathrm{\ϵ}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\left[{\mathrm{\ω}}_k^{\left(j\right)}\left(n\right)\right]}^2$ 计算各个子频段的能量，其中最大者就是能量最集中的频段，式中ω_k ^(j)(n)为小波包分解第(j，k)子频段下的系数；

(4)选取每条线路能量最集中的频段即特征频段进行单枝重构；

(5)将各线路重构信号中零序电流瞬时值与其它线路对应瞬时值进行符号比较，如果与其它线路不同则给计数器加1，比较完所有采样点后，得到计数器值最大的线路；

(6)特征频段为(4，0)的线路再进行一次自身重构数据的符号比较，若符号统一的点占60％以上，且与其他线路计数器的值相差不超过5，则该线路判为故障线路；否则将步骤(5)中确定的计数器值最大的线路判为故障线路。

本发明具有如下的技术效果：

1.由于暂态量的频率成分和大小受网络参数、故障时刻等多种因素的影响，不同线路的暂态量的频率分布也不总是完全一致的，因此，有的情况下要选择一个各线路暂态量都比较集中的频率段进行选线是十分困难的。基于暂态零序电流频率分布的配电网单相接地故障自适应选线方法自适应地选择在故障暂态特征最明显的频段下进行分析和比较，因而能够更加有效地利用故障暂态过程中包含的信息，不会出现因干扰和测量误差而导致故障特征被湮没的情况，可以大大提高故障选线的可靠性。

2.本方法采用小波包对暂态电容电流进行分解，解决了小波分频不细的问题，利用db小波包进行四层分解，选线频带宽度为125Hz，既达到良好的选线效果，又易于实现。

3.本发明利用暂态电容电流、选择在故障暂态特征最明显的频段下进行选线，从原理上看，选线结果不受中性点是否接有消弧线圈、输电线路长度、过渡电阻大小、负荷、短路点位置以及故障时刻等多种参数的影响。

4.配电网在相电压过零点附近发生单相接地故障情况下，现有的选线方法大多存在“选线死区”。本发明通过比较各线路零序电流中直流分量和基频分量的重构信号的大小实现了无死区的故障选线。

5.我国的配电网庞大，大型的工矿企业众多，加上接地选线又一直是配电网继电保护的薄弱环节，本发明专利有利于改善配电网接地保护的性能，实现无死区的故障选线。

附图说明

图1本发明的配电网单相接地故障自适应选线方法流程图。

具体实施方式

本发明提供的选线方法，针对故障后各线路暂态电容电流频率分布的不同情况，自适应地选择在故障暂态特征最明显的频段下进行分析和比较，因而能够更加有效地利用故障暂态过程中包含的信息，不会出现因干扰和测量误差而导致故障特征被湮没的情况，可以大大提高故障选线的可靠性。由于采用的是暂态电容电流，此方法不受输电线路长度、过渡电阻大小、负荷、中性点接不接消弧线圈、接地点位置以及故障时刻等多种参数的影响，可以实现高成功率的故障选线，尤其是能解决相电压过零附近单相接地存在“选线死区”的问题。下面首先从本发明的选线方法的原理开始，对本发明做进一步详述。

1.配电网发生单相接地故障的暂态特征

当中性点经消弧线圈接地的电网发生单相接地故障时，流过故障线路的暂态零序电流i_d由暂态电容电流i_c和暂态电感电流i_L两部分叠加而成。

i_d＝i_c+i_L    (1)

$i_c=i_{C.\mathrm{os}}+i_{C.\mathrm{st}}$

$=I_{\mathrm{cm}}[(\frac{{\mathrm{\ω}}_f}{\mathrm{\ω}}\sin \mathrm{\φ}-\cos \mathrm{\φ}\cos {\mathrm{\ω}}_{f}t)e^{-\mathrm{\δt}}+\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})]---\left(2\right)$

$i_L=i_{L.\mathrm{dc}}+i_{L.\mathrm{st}}=I_{\mathrm{Lm}}[{\cos \mathrm{\φe}}^{\frac{i}{{\mathrm{\τ}}_L}}-\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})]---\left(3\right)$

式中：i_Cos为暂态自由振荡分量；i_Ldc为暂态直流分量；i_C.st、i_L.st为稳态工频分量；ω_f为暂态自由振荡分量的角频率；δ为自由振荡分量的衰减系数。

对暂态电容电流i_C来说，它所含的自由振荡分量i_Cos的频率主要集中在高频段，而暂态电感电流i_L却主要是由工频量和非周期分量构成，两者频率差别悬殊故不可能相互补偿，因此工频状态下关于残流、失谐度和和谐度等概念在暂态分析时都是不适用的。

对非故障线路而言，其流经的零序电流中只含有暂态电容电流，而不含电感电流分量。

当相电压峰值附近故障时，由于暂态电感电流较暂态电容电流要小得多，因此不论故障线路还是非故障线路，它们的零序电流的暂态特性均由暂态电容电流确定，其能量也主要集中在高频段300～1500Hz(暂态电容电流自由振荡频率)。在暂态过程的初始阶段，不论电网的中性点为消弧线圈接地还是不接地方式，暂态零序电流在高频段的特性(频率、幅值)主要是由暂态电容电流所确定。

但是，当故障发生在相电压过零值附近时，情况就有所不同。这时，由于暂态电容电流中的自由振荡分量为零，而基频分量较大，因此非故障线路暂态零序电流的能量主要集中在低频段0～50Hz。对故障线路来说，其零序电流中的暂态电感电流分量较暂态电容电流分量大的多，所以其暂态零序电流的特性主要决定于暂态电感电流。由式(3)可知，暂态电感电流是由直流分量和工频分量构成的，因此故障线路暂态零序电流的能量集中在低频段0～50Hz。相对于非故障线路，故障线路暂态零序电流中含有较大的直流分量。

2.小波包的分频原理和单枝重构提取各频段信息的原理

db小波包是由db小波扩展而来。db小波除了具有小波的一般性质外，在多分辨分析中db小波构成的是一个共轭正交滤波器组系统(CQF)。

db小波的阶次越高，正规性条件越好，幅频特性也愈接近理想。当选取较高阶的db小波时，其构成的CQF系统可近似看成是由一个理想低通滤波器和一个理想带通滤波器组成；由图1可知它们的归一频带分别为(0～π/2)和(π/2～π)。因此采样频率为f_s的离散信号经j层db小波包分解后，被划分成2^j个子频段，其中第k个子频段(j，k)所包含的局部信息的频率范围为 $[\frac{f_s}{2^{j+1}}\·k,\frac{f_s}{2^{j+1}}\·(k+1)].$

另外，CQF系统还具有的一个重要性质是能量无损性，即其输入信号x(n)和输出信号y(n)满足下列方程：

${\mathrm{\ϵ}}_x=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{x}^T\left(n\right)x\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{x}_i^2\left(n\right)\right]---\left(4\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_y=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{y}^T\left(n\right)y\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{y}_i^2\left(n\right)\right]---\left(5\right)$

ε_x＝ε_y    (6)

其中：ε_x为输入信号能量、ε_y为输出信号能量。

这就表明，原始信号经CQF系统滤波后，能量较大的输出信号在原始信号中所占的比重也较大。因此，通过比较各频段下db小波包分解结果的能量，就可以确定原始信号的频率分布情况。

根据上述分析再结合CQF系统的特性可知，当配电网发生单相接地故障时，利用db小波包将流经各线路的暂态零序电流按一定频带宽度进行分解，按公式(7)确定的能量最大的频段对应的就是该线路暂态电流分布最集中的频段，也是故障特征最明显的频段。式中ω_k ^(j)(n)为小波包分解第(j，k)子频段下的系数。

$\mathrm{\ϵ}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\left[{\mathrm{\ω}}_k^{\left(j\right)}\left(n\right)\right]}^2---\left(7\right)$

对于基本小波ψ(t)经伸缩与位移引出的函数族，如果满足框架条件则原始信号x(t)可以根据小波变换结果稳定地重构。重构公式

$c_n^{j-1}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{h}_{n-2k}^{\′}{c}_k^{\left(j\right)}+\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_{n-2k}^{\′}{d}_k^{\left(j\right)}---\left(8\right)$

式中h’(n)和g’(n)为与h(n)和g(n)相对应的小波重构滤波器组系数。式(7)的重构公式中，c_k ^(j)或d_k ^(j)可取为0，这时的重构过程称为单枝重构。在重构结果c_n ^j-1中，只含低频信息( $d_k^{\left(j\right)}=0$ )或高频信息( $c_k^{\left(j\right)}=0$ )。实际上通过小波重构算法，可以得到原始信号在不同频段下的信息，而这就为暂态信号处理提供了一个重要的分析手段。

3.自适应选线的原理

因为暂态电容电流自由振荡的频率一般集中在300～1500Hz，所以取采样频率为4000Hz，采样数据窗长取的是短路前后各1周；选取db小波进行小波包分解；考虑到最终用于故障选线的频带宽度应选择适当，若过细，则频带对应采样点数过少，降低故障选线的可靠性；若过宽，则信息含量增加，不利于进一步信号分析。综合两方面，选线频带宽度定为125Hz，根据db小波包的频率二分特性，分解层数为4层。

相电压峰值附近发生单相接地故障时，暂态电感电流较暂态电容电流小得多，各线路零序电流的暂态特性均由暂态电容电流确定。因此，在小波包分解的第四层，按公式

(7)确定出能量最大的频段，也就是故障暂态特征最明显的频段，在该频段下进行分析和比较能有效地利用故障暂态过程中包含的信息，大大提高故障选线的可靠性。由于非故障线路的暂态电容电流流入接地点后一定要从故障线路流回，因此，在按能量最大原则确定的各线路暂态电容电流最集中的频段下，只有故障线路满足：其零序电流的小波包分解结果既有较大的能量，并且极性又和与其进行比较的线路相反。考虑到原始信号经四层小波分解后数据量较少，不利于直接通过小波包分解系数来反映各信号之间的关系，因此，可以进行单枝重构，然后通过比较各线路特征频段下的小波重构后电流瞬时值的符号，与其他线路极性相反计数器最多的线路判为故障线路。

当故障发生在相电压过零点附近时，暂态电容电流中的自由振荡分量为零，线路暂态零序电流的能量主要集中在低频段0-50Hz。所以，其暂态零序电流的特性主要取决于暂态电感电流，对故障和非故障线路分解四层后，(4，0)频段能量最大。对各线路该频段进行单枝重构，则故障线路的零序电流中含有大量的直流分量，重构信号偏于时间轴一侧，即符号不变；而非故障线路的符号是周期变化的。因此，采用在特征频段中比较重构电流瞬时值符号的方法判断出故障线路。直流分量的大小还同时受过渡电阻和铁芯饱和程度的影响，随着过渡电阻阻值的增加，故障线路零序电流中直流分量与基频分量的能量比呈减小的趋势，不过仿真结果表明当过渡电阻为20KΩ时，二者的比仍大于1，同非故障线路相比还是偏于时间轴一侧的。这表明相电压过零点附近发生故障时，不论接地点是否存在过渡电阻，采用比较重构后电流瞬时值符号进行选线的方法都有效。用该方法进行故障选线有足够的灵敏度。

结合图1，对本发明的将最佳实施方案描述如下：

选线装置实时对母线零序电压和各条线路的零序电流进行采集。对采集到的零序电压进行有效值计算，并不断与整定值进行比较。一旦零序电压大于整定值，说明有线路发生单相接地故障，立刻起动下面的自适应选线方案。

1、用db小波对各线路故障前后各一周的零序电流进行四层分解，得到各个子频段的分解系数；

2、按公式(7)计算各个子频段的能量，其中最大者就是能量最大的频段，也就是故障暂态特征最明显的频段；

3、选取每条线路能量最集中的频段即特征频段进行单枝重构；

4、各线路重构信号中零序电流瞬时值都与其它线路对应瞬时值进行符号比较，如果与其它线路不同则给计数器加1，比较完所有采样点后计数器值最大的线路就可能是故障线路；

5、考虑到故障发生在相电压过零点附近时，暂态零序电流的特性主要取决于暂态电感电流，(4，0)频段能量最大。根据此特点，对特征频段为(4，0)的线路再进行一次自身重构数据的符号比较。若符号统一的点占60％以上，且与其他线路计数器的值相差不超过5(分解四层后每个频段只有十几个点参与比较)，则该线路判为故障线路；否则将计数器值最大的线路判为故障线路。

参考文献：

[1]Hanninen E，Lehtonen M.Characteristics of earth faults in electricaldistribution networks with high impedance earthing[J].Electric PowerSystem Research，1998，(44)：155-161

[2]姜彤，小电流接地系统单相接地故障选线装置，哈尔滨工业大学，硕士学位论文，1995

[3]Baldwin T，Renovich F.Fault locating in ungrounded and high-resistancegrounded systems[J].IEEE Trans.on Industry Appl ication，2001，37(4)：1152-1159

[4]袁进伶、张涛，5~66kV电力系统电容电流自动跟踪补偿及接地选线装置原理及应用，中国电力，1998，31(1)：67-68

[5]庞华等，新型小电流接地系统微机消谐选线综合装置的原理及应用，电力情报，1994，(1)：62-66

[6]郝玉山，杨以涵，任元恒，等，MLN系列小电流接地微机选线装置动作原理[J]，电力情报，1994，(2)：7-11

[7]何奔腾，胡为进，能量法小电流接地选线原理，浙江大学学报(自然科学报)，1998，32(4)：451-456

[8]檀国彪，等，基于最大

(或Δ

)原理的微机选线装置

[9]曾祥君，尹项根，张哲，等，零序导纳法馈线接地保护的研究[J]，中国电机工程学报，2001，21(4)：5-10

[10]IEEE recommended practice for grounding of industrial and commercial powersystem[C].IEEE std 142-1991，1992，11-28

[11]王建赜，基于小波变换的电力系统暂态信号分析方法研究，哈尔滨工业大学，博士学位论文，1999

[12]葛耀中，小波变换与继电保护技术，继电器，1998，26(4)：1-6

[13]操丰梅、苏沛埔，小波变换在配电自动化接地故障检测中的应用研究，电力系统自动化，1999，23(13)：33-36

[14]王建赜，李威，等，解析信号小波分析及其在电力系统中的应用[J]，电力系统自动化，2000，24(22)：28-31

[15]毛鹏，孙雅明，等，小波包在配电网单相接地故障选线中的应用[J]，电网技术，2000，24(6)：9-13

[16]王慧等，“S注入法”与选线定位，电力自动化设备，1999，19(3)：18-20

[17]曾祥君，尹项根，于永源，等，基于注入变频信号法的经消弧线圈接地系统控制与保护新保护，中国电机工程学报，2000，20(1)：29-32，36

Claims (1)

1.一种基于暂态零序电流的配电网单相接地故障自适应选线方法，其特征在于，按下列步骤执行：

(1)实时对母线零序电压和各条线路的零序电流进行采集，对采集到的零序电压进行有效值计算，并不断与整定值进行比较，一旦零序电压大于整定值，则判断有线路发生单相接地故障；

(2)用db小波对各线路故障前后各一周的零序电流进行四层分解，得到各个子频段的分解系数；

(3)按公式 $\mathrm{\ϵ}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\left[{\mathrm{\ω}}_k^{\left(j\right)}\left(n\right)\right]}^2$ 计算各个子频段的能量，其中最大者就是能量最集中的频段，式中ω_k ^(j)(n)为小波包分解第(j，k)子频段下的分解系数；

(4)选取每条线路能量最集中的频段即特征频段进行单枝重构；

(5)将各线路单枝重构后生成的重构信号中零序电流瞬时值与其它线路对应瞬时值进行符号比较，如果同一时刻某线路是正的而其它线路是负的或者某线路是负的，而其它线路是正的，则给计数器加1，比较完所有采样点后，得到计数器值最大的线路；

(6)特征频段为(4，0)的线路再进行一次自身重构数据的符号比较，若符号统一的点占60％以上，且与其他线路计数器的值相差不超过5，则该线路判为故障线路；否则将步骤(5)中确定的计数器值最大的线路判为故障线路。

Images