CN103163417B - 一种基于短时窗高低频暂态能量比值的虚幻接地识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于短时窗高低频暂态能量比值的虚幻接地识别方法，属电力系统继电保护技术领域。当中性点经消弧线圈接地的配电网发生“故障”时，提取故障后短时窗内的故障线路电压数据，计算得到系统中性点零序电压；运用小波变换技术对系统中性点零序电压数据进行分解和重构，得到各频带下的能量；选取最高频带能量和最低频带能量的比值作为判据特征量，通过比较判据特征量和预先设置阀值的大小，对虚幻接地和单相接地故障进行判定。大量仿真表明该方法鲁棒性好，有很好的实用性。

Description

一种基于短时窗高低频暂态能量比值的虚幻接地识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于短时窗高低频暂态能量比值的虚幻接地识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

当中性点经消弧线圈接地的配电网正常运行时，消弧线圈处于过补偿状态。当系统馈线增多时，系统容性电流增大，自动调谐装置会自动跟踪电容电流的变化调节消弧线圈投入值，调节过程中系统很有可能进入全补偿状态，从而产生并联谐振过电压，谐振过电压可能会接近甚至超过单相接地故障时的中性点位移电压，这种现象称为虚幻接地。如果中性点电压的升高是因单相接地故障引起的，应调节消弧线圈使脱谐度减小，向全补偿方向调节；若中性点电压的升高是因虚幻接地引起的，则应调节消弧线圈使其脱谐度增大，向过补偿增大的方向调节，以消除串联谐振，使系统恢复正常。

单相接地和虚幻接地引起的中性点位移电压在稳态数值上区别不明显，故很难通过比较中性点位移电压稳态值的大小来对虚幻接地和单相接地进行辨识。实际运行经验表明，目前存在两种方法对识别虚幻接地和单相接地是十分有效的。一种是出现中性点电压升高后，调节消弧线圈档位变化，通过监测由此引起的中性点电压变化来区分二者。另一种方法是通过监测零序电压的上升斜率对二者加以区分。但上述两种方法所需时窗都较长，不利于及时发现单相接地故障。

发明内容

本发明的目的是克服现有识别中性点经消弧线圈接地的配电网虚幻接地和单相接地方法的不足，提出一种基于短时窗高低频暂态能量比值的虚幻接地识别方法。

本发明基于短时窗高低频暂态能量比值的虚幻接地识别方法是：当中性点经消弧线圈接地的配电网发生故障时，提取故障后短时窗内的故障线路电压数据，计算得到系统中性点零序电压；运用小波变换技术对系统中性点零序电压数据进行分解和重构，得到各频带下的能量；选取最高频带能量和最低频带能量的比值作为判据特征量，通过比较判据特征量和预先设置阀值的大小，判定是虚幻接地还是单相接地故障。具体步骤如下：

(1)当中性点经消弧线圈接地的配电网发生故障后，选线装置立即启动并录波，提取测量端测得的故障线路电压数据，通过下式计算得到系统中性点零序电压u₀(k)：

$u_0\left(k\right)=\frac{1}{3}(u_A\left(k\right)+u_B\left(k\right)+u_C\left(k\right))$

式中：u_A(k)、u_B(k)、u_C(k)分别为故障线路A、B、C三相电压；k＝1、2、3…N，N为采样序列长度；

(2)利用小波变换技术，对配电网故障后5ms时窗内的零序电压数据进行分解，再对各分解尺度下的小波系数进行单支重构，得到包含下式信息的信号分量：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_j\left(n\right):[2^{-(j+1)}{f}_s,2^{-j}{f}_2]\\ A_j\left(n\right):[0,2^{-j}{f}_s]\end{array}\right.$

式中，D_j(n)为信号高频分量的小波重构系数；A_j(n)为信号低频分量的小波重构系数；f_s为信号的采样频率；j＝1，2，3…J，J为最大分解尺度；

(3)按下式计算信号分量各频带的能量E_j(n)：

$E_j\left(n\right)=D_j^2\left(n\right);$

$x\left(n\right)=\underset{j=1}{\overset{m+1}{\mathrm{\Σ}}}{D}_j\left(n\right);$

式中，D_j(n)为信号高频分量的小波重构系数，x(n)为信号序列，m为小波变换尺度，n＝1，2，3……；

(4)选取信号分量最高频带的能量W_h和最低频带的能量W_l，将其比值作为判据特征量；

(5)通过仿真实验，设置能量比阀值ρ_set，将判据特征量ρ与阀值ρ_set相比较，进行故障识别：若ρ＜ρ_set，判定为虚幻接地，若ρ＞ρ_set，判定为单相接地故障。

本发明的原理是：

一、中性点零序电压暂态量提取

当中性点经消弧线圈接地的配电网故障发生后，启动元件立即启动，通过测量端测得的数据可求得中性点零序电压u₀(k)：

$u_0\left(k\right)=\frac{1}{3}(u_A\left(k\right)+u_B\left(k\right)+u_C\left(k\right))---\left(1\right)$

式中：u_A(k)、u_B(k)、u_C(k)分别为故障线路A、B、C三相电压；k＝1、2、3…N，N为采样序列长度；

二、最高频带能量的求取

提取故障后5ms时窗的零序电压数据利用小波变换技术对其进行分解。设离散信号为x(n)，对各分解尺度下的小波系数进行单支重构后，得到的信号分量所包含信息如式(2)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{D}_j\left(n\right):[2^{-(j+1)}{f}_s,2^{-j}{f}_2]\\ A_j\left(n\right):[0,2^{-j}{f}_s]\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，D_j(n)为信号高频分量的小波重构系数；A_j(n)为信号低频分量的小波重构系数；f_s为信号的采样频率；j＝1，2，3…J，J为最大分解尺度。

原始信号序列x(n)可表示为各分量的和，即：

$x\left(n\right)=D_1\left(n\right)+A_1\left(n\right)=D_1\left(n\right)+D_1\left(n\right)+D_1\left(n\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_j\left(n\right)+A_m\left(n\right)---\left(3\right)$

令D_m+1(n)＝A_m(n)，则有：

$x\left(n\right)=\underset{j=1}{\overset{m+1}{\mathrm{\Σ}}}{D}_j\left(n\right)---\left(4\right)$

式中，m为小波变换尺度，n＝1，2，3……。

对于正交小波变换，变换后各尺度的能量可直接由其单支重构后的小波重构系数的平方得到，即：

$E_j\left(n\right)=D_j^2\left(n\right)---\left(5\right)$

选取最高频带能量W_h和最低频带能量W_l的比值作为判据特征量。

三、虚幻接地判定

通过大量仿真实验，找出最恰当的判据特征量数值，设置为能量比阀值ρ_set。若ρ＜ρ_set时，判定虚幻接地，若ρ＞ρ_set时，判定单相接地故障。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、以最高频带能量和最低频带能量的比值，消除了干扰信号对判定方法的影响；

2、采用5ms短时窗进行判定分析，能及时发觉接地故障；

3、本方法鲁棒性好。

附图说明

图1为本发明实施例谐振系统单相接地故障仿真模型；

图2为本发明实施例1单相基地故障时系统中性点零序电压图；

图3为本发明实施例3虚幻接地时系统中性点零序电压图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

当中性点经消弧线圈接地的配电网发生故障时，提取故障后短时窗内的故障线路电压数据，计算得到系统中性点零序电压；运用小波变换技术对系统中性点零序电压数据进行分解和重构，得到各频带下的能量；选取最高频带能量和最低频带能量的比值作为判据特征量，通过比较判据特征量和预先设置阀值的大小，判定是虚幻接地还是单相接地故障。

实施例1：如图1所示的110kV/35kV谐振系统单相接地故障仿真模型，它有6条馈线，Z字型变压器中性点通过消弧线圈串联电阻接地。架空馈线L₁＝15km、L₃＝18km、L₅＝30km，线–缆混合馈线L₄＝17km，其架空馈线12km、电缆5km，电缆馈线L₂＝6km、L₆＝8km。其中，架空馈线为JS1杆型，LGJ－70型导线，档距80m，电缆馈线为YJV23-35/95型电缆。该电网中的G为无限大电源；T为主变压器，变比为110kV/35kV，联结组别为Y_N/d11；T_Z是Z字形变压器；L为消弧线圈；R为消弧线圈的阻尼电阻。馈线采用架空线路、架空线—电缆混合线路和电缆线路三种线路。

现假设馈线L₁距离母线5km处发生A相接地故障，故障初始相角分别为0°，采样率设为10kHz。在该模型下，仿真得到单相接地故障时中性点零序电压值如图2所示。

选取装置启动后5ms时窗内的零序电压数据，利用db4小波进行6层小波分解并计算各频带的能量值，如表1所示。选取最高频带(2.5～5kHz)能量和最低频带(0～0.078125kHz)能量的比值作为判据特征量ρ。

表1 单相接地故障(初始相角0°)时各频带能量及高低频带能量比值

针对该模型，通过大量仿真实验，将能量比阀值ρ_set设为3e^-4时满足使用要求。因为ρ＝3.46e^-4＞ρ_set＝3e^-4，判定为单相接地故障，与假设情况一致，判断正确。

实施例2：如图1所示的110kV/35kV谐振系统单相接地故障仿真模型，其参数在实施例1中做了详细说明，这里不再累述。现假设馈线L₁距离母线5km处发生A相接地故障，故障初始相角分别为60°。

选取装置启动后5ms时窗内的零序电压数据，利用db4小波进行6层小波分解并计算各频带的能量值，如表2所示。选取最高频带(2.5～5kHz)能量和最低频带(0～0.078125kHz)能量的比值作为判据特征量ρ。

表2 单相接地故障(初始相角60°)时各频带能量及高低频带能量比值

如实施例1所述，针对该模型通过大量仿真实验，能量比阀值ρ_set设为3e^-4。因为ρ＝3.97e^-4＞ρ_set＝3e^-4，判定为单相接地故障，与假设情况一致，判断正确。

实施例3：如图1所示的110kV/35kV谐振系统单相接地故障仿真模型，其参数在实施例1中做了详细说明，这里不再累述。现假设馈线L₁发生虚幻接地。在该模型下，仿真得到虚幻接地时中性点零序电压值如图3所示。

选取装置启动后5ms时窗内的零序电压数据，利用db4小波进行6层小波分解并计算各频带的能量值，如表3所示。选取最高频带(2.5～5kHz)能量和最低频带(0～0.078125kHz)能量的比值作为判据特征量ρ。

表3 虚幻接地时各频带能量及高低频带能量比值

如实施例1所述，针对该模型通过大量仿真实验，能量比阀值ρ_set设为3e^-4。因为ρ＝5.31e^-5＜ρ_set＝3e^-4，判定为虚幻接地，与假设情况一致，判断正确。

上面结合附图对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (1)

1.一种基于短时窗高低频暂态能量比值的虚幻接地识别方法，其特征在于：当中性点经消弧线圈接地的配电网发生故障时，提取故障后短时窗内的故障线路电压数据，计算得到系统中性点零序电压；运用小波变换技术对系统中性点零序电压数据进行分解和重构，得到各频带下的能量；选取最高频带的能量和最低频带的能量比值，作为判据特征量；通过比较判据特征量和预先设置阀值的大小，判定是虚幻接地还是单相接地故障；

具体步骤如下：

(1)当中性点经消弧线圈接地的配电网发生故障后，选线装置立即启动并录波，提取测量端测得的故障线路电压数据，通过下式计算得到系统中性点零序电压u₀(k)：

$u_0\left(k\right)=\frac{1}{3}(u_A\left(k\right)+u_B\left(k\right)+u_C\left(k\right))$

式中：u_A(k)、u_B(k)、u_C(k)分别为故障线路A、B、C三相电压；k＝1、2、3…N，N为采样序列长度；

(2)利用小波变换技术，对配电网故障后5ms时窗内的零序电压数据进行分解，再对各分解尺度下的小波系数进行单支重构，得到包含下式信息的信号分量：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_j\left(n\right):[2^{-(j+1)}{f}_s,2^{-j}{f}_s]\\ A_j\left(n\right):\left[{\mathrm{0,2}}^{-j}{f}_s\right]\end{array}\right.$

式中，D_j(n)为信号高频分量的小波重构系数；A_j(n)为信号低频分量的小波重构系数；f_s为信号的采样频率；j＝1，2，3…J，J为最大分解尺度；

(3)按下式计算信号分量各频带的能量E_j(n)：

$E_j\left(n\right)=D_j^2\left(n\right);$

$x\left(n\right)=\underset{j=1}{\overset{m+1}{\mathrm{\Σ}}}{D}_j\left(n\right);$

式中，D_j(n)为信号高频分量的小波重构系数，x(n)为信号序列，m为小波变换尺度，n＝1，2，3……；

(4)选取信号分量最高频带的能量W_h和最低频带的能量W_l，将其比值作为判据特征量；

(5)通过仿真实验，设置能量比阀值ρ_set，将判据特征量ρ与阀值ρ_set相比较，进行故障识别：若ρ＜ρ_set，判定为虚幻接地，若ρ＞ρ_set，判定为单相接地故障。