CN101404408A - 利用相对能量的配网缆-线混合线路故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明是利用特征频带相对能量的配电网线－缆混合线路故障选线自适应方法。本方法为：当母线零序电压瞬时值越限时，故障选线装置立即启动并录波；利用形态滤波器对各条线路暂态零序电流进行滤波预处理；应用小波包分解，按照能量最大的观点确定各条线路暂态零序电流的特征频段，剔除稳态分量及其它频带信息，提高选线裕度；根据故障线路的暂态电容电流在特征频段衰减最快的原理，比较特征频段下故障后一个周期内前1/4周期和最后1/4周期的相对能量大小，籍此形成故障选线判据。原理分析和仿真表明，利用故障后一个周期内首个与最后1/4周期的相对能量实现选线，放大了故障暂态特征，避开了CT饱和引起的间断角对选线准确性的影响，该方法选线准确、可靠。

Description

利用相对能量的配网缆-线混合线路故障选线方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体地说是利用相对能量的配网缆-线混合线路故障选线方法。

背景技术

随着城市建设的快速发展，配电网中的架空线路因影响城市发展而不得不进行电缆化和入地化改造。铺设电缆不仅能够提高输送容量，降低变电站的出线规模，而且还能减少单位输送容量的运行维护费用和施工难度，有利于市容美观。由于电缆的对地电容比较大，系统发生单相接地故障后，电缆线路的暂态量较纯架空线路更为丰富，因此，充分利用缆-线混合线路暂态特征进行选线，能大大提高选线的可靠性。

小电流接地系统发生单相接地故障时，线电压仍对称而且故障电流较小，为了提高供电可靠性，规程规定系统可以继续运行1~2 h，此亦为应用较复杂的算法实现选线提供了时间上的宽容条件。我国许多学者在配电网故障选线方面做了大量研究。由于故障稳态量很小，再加上电网本身和负荷的复杂性，致使实际工程中难以提取出有效的故障信号。近年来，有学者着眼于利用故障行波实现选线的研究，此类方法需要1MHz左右的采样频率，对硬件要求较高，且由于配电网线路较短，行波传播速度很快，加之配电网故障信号的干扰较多，导致行波波头不易捕捉，降低了基于行波波头分析的故障选线方法的可靠性。配电网故障暂态量的幅值比稳态量大十几倍到几十倍，因而，学者们更关注于对暂态特征的研究，提出了许多基于暂态量的选线方法。由于谐振接地系统在消弧线圈补偿作用下，故障零序电流可能出现倒相现象，以及电流互感器饱和引起二次电流失真等多种因素的影响，这些方法尚未完善地解决配电网单相接地故障选线这一难题。完善的选线方法应能避开各种影响因素，具有很高的可靠性，且算法具有自适应性。

数学形态学计算简单，对实时信号和图像处理的速度快、时延小，因此逐渐应用于电力系统的各个领域。已有文献将形态学用于暂态信号滤波，形态滤波方法能够在保留信号暂态特性的前提下，有效地去除信号中混杂的尖峰脉冲、白噪声和高频噪声等干扰，提高故障选线的准确性。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有小电流接地系统选线方法的不足，提出了一种选线结果准确、可靠的利用相对能量的配网缆-线混合线路故障选线方法。

本发明采用形态滤波对故障零序电流进行预处理，提出了基于小波包分解的相对能量故障选线自适应方法。

工作原理：小电流接地系统发生单相接地故障时，故障线路对地电容放电，健全线路对地电容充电，故障线路与健全线路具有不同的充放电回路，流过故障线路与健全线路的暂态电容电流具有不同的幅值和衰减速度，采集流过故障线路与健全线路的暂态电容电流，通过比较各线路相对能量的大小实现完善的选线。

小波包分析在多分辨分析基础上提出了一种更为精细的暂态信号分析方法，能更精确有效地提取故障信号暂态分量。以往小波包分析用于纯架空线路的配电网接地故障选线，大多是通过比较故障信号暂态分量的幅值大小和极性来实现选线的。缆-线混合线路的暂态电容电流自由振荡频率更高，且衰减时间更短，原理分析和仿真表明，利用故障后一个周期内首个与最后1/4周期的相对能量实现选线，放大了故障暂态特征，避开了CT饱和引起的间断角对选线准确性的影响。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、该方法采用形态滤波对信号进行预处理，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，可以提高故障选线的灵敏性和可靠性，与采用传统的数字滤波器相比，使用廉价的微处理器芯片便可实现。

2、该方法应用小波包分解，在特征频带上使用相对能量法，不仅排除了工频量和其他非特征频带的影响，而且更加有效地利用故障暂态信息。

3、该方法使用故障后一个周期内前1/4周期和最后1/4周期的相对能量构造选线判据，放大了故障暂态特征，有效减小了电流互感器饱和对选线准确性的影响。

4、该方法利用相对能量实现选线，克服了长线电容电流对选线的影响，对电弧故障具有较强的适应性。选线算法具有自适应性。

附图说明：

图1为本发明故障零序电流。

图2为发明滤波前、后的故障零序电流。其中：(a)含噪零序电流(b)消噪零序电流。

图3为发明CT二次电流典型曲线。

图4为本发明的故障选线方法流程图。

图5辐射状谐振接地系。

图6各频带的能量分布。

具体实施方式：

一、先进行故障暂态分析：

1、能量分布特性

小电流接地系统发生单相接地故障后，在故障点有衰减很快的暂态电容电流和衰减较慢的暂态电感电流流过，如图1所示。故障接地电流i_d的表达式为：

式中：I_cm为电容稳态幅值；ω_f为暂态自由分量振荡分量的角频率；τ_c为电容回路的时间常数；I_Lm为电感电流的稳态值；τ_L为电感回路的时间常数。

由图1可见，暂态接地电流的幅值很大，但持续时间很短，约为0.5~1.0个工频周期。电缆线路由于线路分布参数特性与架空线路不同，其暂态电容电流自由振荡的持续时间一般为0.5个工频周期左右。

在首半波，健全线路对地电容的充放电相似，其零序电流的暂态分量的幅值、相位及衰减速度相近；而故障线路由于附加零序电压源的存在，其零序电流的暂态分量与其它线路的差异较大。故障线路的零序电流与非故障线路零序电流相比，有一个较大的冲击电流。在故障后1/4个周期内，故障线路零序电流的包络线面积比非故障线路零序电流的包络线面积大。由此可见，故障线路的暂态能量较健全线路衰减快，故障线路故障后一个周期内前1/4周期和最后1/4周期的相对能量最大。

由图1和公式(1)可见，故障线路和健全线路零序电流的稳态分量不随故障时间的推移而衰减。因此，剔除零序电流中不衰减和衰减较慢的频率分量，提取出故障特征最明显的频带将提高基于相对能量的故障选线裕度。

2、形态滤波

由于复杂的现场环境、故障电流小以及各种变频调速装置及工业用电弧炉等波动负荷的影响，小电流接地系统录波装置所采集到的信号不可避免的存在噪声，为提高故障选线的准确性，必须在选线前加以滤除。

基于数学形态学的消噪滤波方法，算法简便易行、物理意义明确、实用有效，在数字图像处理与识别领域应用很广。形态学滤波可以用形态基本开闭运算来理解，其开运算可以用于过滤信号上方的峰值噪声，除去毛刺及小桥结构；而闭运算可用于平滑或抑制信号下方的波谷噪声，填平小沟结构。基于形态学开、闭运算可以构建三种滤波算法：交替滤波器、混合滤波器、交替混合滤波器。

交替滤波器：

[(f)co(g)](n)＝(f·gοg)(n)         (2)

混合滤波器：

[(f)mix(g)](n)＝(f·g+fοg)(n)/2    (3)

交替混合滤波器：

[(f)altmix(g)](n)＝[(f)co(g)+(f)mix(g)](n)/2    (4)

形态滤波方法是基于结构元素填充探测的思想，结构元素的形状是影响滤波性能的关键因素。采用形态数字滤波器，通过选取合适的结构元素，可有效去除电力信号中的各种宽带或窄带干扰。最优结构元素的选取与干扰的类型和频率、待处理数据序列和采样率等因素密切相关，常用的结构元素有直线形、斜线形、三角形、圆形等。在信号消噪方面，结构元素形状越复杂，宽度越长，其提取信号的能力就越强，所耗费的时间也越长。圆形结构元素具有较强的平滑能力，去噪效果最明显，但对暂态信息部分进行了过度平滑，削弱了信号暂态特征；直线形结构元素在滤除脉冲的同时，能有效降低白噪声等其它噪声，且具有较好的自适应性。考虑到小电流接地系统故障信号特点以及简化程序资源的需要，选取直线形的结构元素对含噪故障零序电流进行滤波如图2所示。

3、特征频带的确定

小电流接地系统故障零序电流的暂态特征在其特征频带表现得尤为突出。根据能量最大原则，利用小波包分解可以确定零序电流的特征频带。

采用db10小波包对各线路零序电流作4层分解，剔除工频所在的最低频带(4，0)后(本文中频带(j，k)均指小波包分解得到的第j层第k个频带)，能量最大的频带包含了暂态电容电流的主要特征。因此，按频带将所有线路暂态零序电流的能量求和，能量和最大的频带必然综合反映了各线路之间的本质关系。按(5)式计算各线路暂态零序电流在除(4，0)外各频带上的能量ε，并按频带计算各频带上所有线路暂态零序电流的能量和值，选择能量和最大值所在的频带为特征频带。

$\mathrm{\ϵ}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\left[{\mathrm{\ω}}_k^{\left(j\right)}\left(n\right)\right]}^2---\left(5\right)$

式(5)中ω_k ^(j)(n)为小波包分解第(j，k)子频带下的系数，每个子频带下共有n个系数。

4、相对能量的求取

小电流接地系统发生单相接地故障后，根据叠加原理，故障系统可分解为由三相电压和传输网络及负载组成的正常运行系统和由发生故障后故障点假定电压源和传输网络组成的故障分量系统。由此，可定义线路的零序能量函数为：

$W_i\left(t\right)={\∫}_0^t{u}_0\left(\mathrm{\τ}\right)i_{0i}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ},i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n---\left(6\right)$

式(6)中，W_i(t)为故障后第i条线路的零序能量函数，u₀(t)为母线零序电压，i_0i(t)为第i条线路的零序电流。

由此定义故障后1/4个周期的暂态能量为：

$W_i={\∫}_0^{\frac{T}{4}}{u}_0\left(\mathrm{\τ}\right)i_{0i}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ},i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n---\left(7\right)$

忽略零序电压的影响，联合式(5)和式(7)可得故障后1/4个周期特征频带的暂态能量为：

$W_{i\_\mathrm{first}}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\left[{\mathrm{\ω}}_{i\_\mathrm{first}}\left(n\right)\right]}^2,i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n---\left(8\right)$

式(8)中W_{i_first}为第i条线路故障后1/4个周期特征频带的暂态能量，ω_{i_first}为第i条线路故障后1/4个周期特征频带小波包分解系数。

同理可得故障后一个周期内最后1/4个周期特征频带的暂态能量W_{i_last}。则各线路特征频带内故障后的一个周期前1/4个周期和最后1/4个周期的相对能量E_i为：

$E_i=\frac{W_{i\_\mathrm{first}}}{W_{i\_\mathrm{last}}},i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n---\left(9\right)$

5、CT饱和的影响

正常情况下，电流互感器(CT)铁芯的磁通密度较低，流入励磁回路的电流很小，能够真实传变一次电流。在故障情况下，CT铁芯磁密超过铁芯材料的饱和磁密，引起CT饱和，二次电流的传变出现缺损。由于故障电流中存在周期性工频分量，CT铁芯的磁密呈现周期性变化的特点，一次电流反向过零时，CT铁芯磁密下降，退出饱和，因此CT进退饱和也存在周期性规律。CT饱和与不饱和相间，二次电流也随之呈现饱和缺损和线性传变相间的特征。

由于小电流接地系统故障零序电流含有丰富的非周期暂态分量和高次谐波分量，这些分量极易使得电流互感器铁芯饱和，导致二次电流失真。如何避开CT饱和引起的间断角对选线准确性的影响，是实现完善选线不可回避的问题。电流互感器饱和情况下二次电流的典型曲线如图3所示。

图3中，T为二次电流的工频周期。由图3可见，CT铁芯饱和，其饱和传变特性对故障后一个周期内前T/4和最后T/4的波形影响不大，T/4到3T/4的波形发生畸变。

由此，采用特征频带内故障后的一个周期前T/4和最后T/4的相对能量构造选线判据，能有效的降低CT铁芯饱和造成的一次电流传变至二次电流发生失真对选线结果的影响。

小电流接地系统发生单相接地故障时，利用上述原理可以实现完善的故障选线。具体实现流程如图4所示。

本发明的技术方案(故障选线方法)如下：

基于上述分析，小电流接地系统发生单相接地故障时，故障线路对地电容放电，而健全线路对地电容充电。故障线路与健全线路具有不同的充放电回路，因此，流过故障线路与健全线路的暂态电容电流具有不同的幅值和衰减速度。利用这一特征可实现完善的选线算法，实现步骤(如图4所示)为：

1、采用形态滤波对各线路故障零序电流进行消噪预处理。

2、利用db10小波包对各线路消噪零序电流作4层分解，按式(5)计算各线路暂态零序电流在剔除(4，0)外各频带上的能量，并按频带计算各频带上所有线路的能量和，确定特征频带。

3、依次计算各条线路故障后一个周期特征频带内零序电流前1/4周期和后1/4周期的相对暂态能量E_i。

4、选出各条线路相对能量中前三个最大值，并按大小顺序排列为E_j、E_k、E_m，当|E_j|≤|E_k|+|E_m|成立时，判定系统发生母线接地故障；否则，相对能量最大的线路j即为故障线路。

本发明的具体实现步骤如下：

1、当母线零模电压瞬时值u_n(t)大于K_uU_n，故障选线装置立即启动，记录下故障后1个周波各馈线的零模电流，其中K_u一般取值为0.15，U_n表示母线额定电压；

2、采用形态滤波对各线路故障零序电流进行消噪预处理，选取直线形的结构元素对故障零序电流进行滤波；

3、利用db10小波包对各线路消噪零序电流作4层分解，按式(5)计算各线路暂态零序电流在剔除(4，0)外各频带上的能量，并按频带计算各频带上所有线路的能量和，确定特征频带；

4、利用公式(6)、(7)、(8)、(9)，依次计算各条线路故障后零序电流特征频带内一个周期首个T/4和最后T/4的相对暂态能量E_i，其中，T为工频周期。

5、选出各条线路相对能量中前三个最大值，并按大小顺序排列为E_j、E_k、E_m，当|E_j|≤|E_k|+|E_m|成立时，判定系统发生母线接地故障；否则，相对能量最大的线路j即为故障线路。

实施例：

架空馈线L₁在故障合闸角30°、距母线5km处经20Ω过渡电阻发生单相接地故障时，采用14位A/D以10kHz采样频率对图5所示系统进行录波，得到各线路零序电流。采用形态滤波器对各线路零序电流滤波后，利用db10小波包对各线路故障后前T/4的零序电流进行4层分解。根据小波包的频率二分特性，各频带宽度为312.5Hz。按式(5)计算各线路零序电流在各频带下的能量，并按频带将所有线路零序电流的能量求和，得到低频段的16个频带所有线路零序电流的能量和分布如图6所示。

由图6可见，剔除基频所在频带(4，0)后，能量和的最大值所在的频带(4，1)即为特征频带。

利用db10小波包对各线路故障后的第1个周期的后1/4个周期的零序电流进行4层分解，求取各线路在特征频带(4，1)下的相对能量E为：

E＝[226.41 27.02 25.96 28.14 28.21 29.72]

可见，相对能量较大的三条线路依次是线路1、6、5，且|E₁|＞|E₆|+|E₅|，由此可判定相对能量最大的线路L₁为故障线路。

发生单相接地故障时，零序电流的暂态过程随故障合闸角、电弧电阻、故障距离和消弧线圈补偿度的变化而变化。在研究中，采用相对能量法对不同故障合闸角的单相接地故障进行选线，仿真结果如表1所示。

表1故障选线结果表

Claims (2)

1、一种利用相对能量的配电网缆-线混合线路故障选线方法，当母线零序电压瞬时值越限时，故障选线装置立即启动并记录波；利用形态滤波器对各条线路暂态零序电流进行滤波预处理；应用小波包分解，按照能量最大的观点确定各条线路暂态零序电流的特征频段，剔除稳态分量及其它频带信息，提高选线裕度，其特征在依据故障线路的暂态电容电流在特征频段衰减最快的原理，比较特征频段下故障后一个周期内前1/4周期和最后1/4周期的相对能量大小，籍此形成故障选线判据，输出选线结果。

2、根据权利要求1所述的利用相对能量的配电网缆-线混合线路故障选线方法，该方法的具体步骤如下：

(1)当母线零序电压瞬时值u_n(t)大于K_uU_n，故障选线装置立即启动，记录下故障后1个周波各馈线的零序电流，其中K_u一般取值为0.15，U_n表示母线额定电压；

(2)采用形态滤波对各线路故障零序电流进行消噪预处理，选取直线形的结构元素对故障零序电流进行滤波；

(3)利用db10小波包对各线路消噪零序电流作4层分解，按公式(5)计算各线路暂态零序电流在剔除(4，0)外各频带上的能量，并按频带计算各频带上所有线路的能量和，确定特征频带；

(4)利用公式(6)、(7)、(8)、(9)，依次计算各条线路故障后零序电流特征频带内一个周期首个T/4和最后T/4的相对暂态能量E_i，其中，T为工频周期；

(5)选出各条线路相对能量中前三个最大值，并按大小顺序排列为E_j、E_k、E_m，当|E_j|≤|E_k|+|E_m|成立时，判定系统发生母线接地故障；否则，相对能量最大的线路j即为故障线路。

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