CN108663599A - 基于暂态高频分量相关性分析的单相接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

一种基于暂态高频分量相关性分析的单相接地故障选线方法是根据母线零模电压瞬时值大小判断是否发生单相接地故障，对各馈线故障后两个工频周期的零模电流用db10小波进行5层小波包分解，去除最低频段后将各节点小波包分解系数重构求和得故障暂态高频电容电流分量，求取各馈线两两之间的相关系数矩阵M；设S _i 为第i条馈线故障暂态高频电容电流分量的相关性累加系数，当ρ _ij ＞ρ _set时，S _i 值加1，否则S _i 值减1，可得相关性累加系数矩阵S；若S _i ＞0恒成立，则母线发生故障；若仅有一条馈线的S _i ＜0，则该线路为故障线路；若S _i ＜0恒成立，则将高频段小波包能量总和最大的线路判定为故障线路。本发明经RTDS仿真实验验证，具有很好的精确性、适应性等。

Description

基于暂态高频分量相关性分析的单相接地故障选线方法

技术领域

本发明涉及一种单相接地故障选线方法，特别是一种用于中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的选线方法，具体是指用db10小波包对各馈线故障发生后两个工频周期的零模电流进行5层分解，提取故障暂态高频分量，利用相关性分析和高频段小波包能量总和构成的互补判据实现单相接地故障选线。

背景技术

长期以来，谐振接地系统单相接地故障选线一直是未有效解决的难题，当中性点采用消弧线圈接地方式后，基于功率零序方向型的保护原理不再成立，原有的单相接地保护装置的适用性受到了前所未有的挑战，为了解决谐振接地系统单相接地故障选线的难题，先后提出了五次谐波保护法、零序电流有功分量保护法、首半波法、注入信号法等，以上选线方法易受接地方式、消弧线圈补偿度等因素影响，投入较大且故障稳态信号不易被检测等，极易导致误判或漏判。

传统的利用相关性分析进行选线的方法主要有：文献《基于时域下相关分析法的小电流接地故障选线》通过计算各出线零序电流和母线零序电压导数之间的相关系数实现故障选线；文献《谐振接地电网故障选线相关分析法》、专利《一种基于故障信号暂态相关分析的配电网小电流接地故障选线方法》（申请号201310672204.5，已授权）直接对各线路暂态零序电流或相电流进行相关性分析形成相关系数矩阵，利用最大最小相关系数差值确定故障线路，当接地电阻较大、故障初相角较小时，故障暂态特征不明显，直接利用暂态零序电流或相电流结合相关性分析进行选线极易导致错选，选线效果大幅降低。文献《基于高频分量相关度分析的故障选线方法》利用EMD分解提取各线路零序电流纯故障分量中的暂态频率分量，利用瞬时频率分析剔除工频分量，提取相应的高频分量，形成相关系数矩阵并求出各线路综合相关系数，利用综合相关系数最大值与最小值之差确定故障线路，该选线方法只是去除工频分量，无法去除零序电流中的低频暂态感性分量，如果不继续加以处理，会降低选线的准确性，甚至误判，选线效果欠佳；文献《基于暂态主频分量相关性分析的故障选线算法》、《基于主频零序功率的配电网故障选线新方法》利用prony算法提取各馈线主频零序电流和母线主频零序电压，根据故障线路与非故障线路暂态主频分量存在显著差异，各非故障线路暂态主频分量波形相似的特点，利用相关性分析得出综合相关系数进行正确选线，或将各馈线主频零序电流和母线主频零序电压二者相乘计算各馈线所对应的主频零序功率，根据各线路主频零序功率得到相关系数矩阵，利用综合相关系数进行选线，但线路主频易受网络参数、故障发生时刻等多种因素的影响，不同线路的主频也不一定相一致，因此，该选线方法的实际效果还有待于观察。

以上选线方法皆未考虑当母线有两条出线且线路发生单相接地故障时相关性分析选线的适应性、正确性，具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的旨在解决谐振接地系统单相接地故障选线准确度低、可靠性差的难题，提出一种基于暂态高频分量相关性分析的单相接地故障选线方法，该选线方法在不同接地电阻、故障初相角、消弧线圈补偿度、故障位置等因素影响下均能够正确选线，完全适用于中性点经消弧线圈接地的供配电系统。

本发明为实现其目的所采取的技术方案是：利用db10小波对各馈线单相接地故障发生后两个工频周期的零模电流进行5层小波包分解，去掉包含稳态工频量和暂态感性分量的最低频段后，对各节点小波包分解系数重构求和，提取出故障暂态高频电容电流分量，根据单相接地故障发生后故障线路与非故障线路重构故障暂态高频电容电流信号波形存在显著差异，各非故障线路重构故障暂态高频电容电流信号波形相似的特点，利用相关性分析进行选线；同时利用故障线路高频段小波包能量总和大于非故障线路高频段小波包能量总和的特点，构成单相接地故障选线的互补判据，克服了母线有两条出线时相关性分析无法自动进行选线的难题，可对谐振接地系统单相接地故障进行快速的选线，按照如下具体方法步骤进行实现：

一种基于暂态高频分量相关性分析的单相接地故障选线方法，所述选线方法是按下列具体步骤进行的：

（1）当母线零模电压瞬时值u ₀(t) ＞整定值时，单相接地故障选线算法启动，以8kHz的采样频率记录各馈线故障发生后两个工频周期的零模电流i(t)；

（2）利用db10小波对各馈线故障发生后两个工频周期的零模电流i(t)进行5层小波包分解，得到各节点的小波包分解系数；

（3）去掉包含稳态工频量和暂态感性分量的最低频段，对各节点小波包分解系数重构求和，得各馈线故障暂态高频电容电流分量，各馈线故障暂态高频电容电流分量两两之间的相关系数记为ρ _ij ，ρ _ij 可表示为：

上式中x _i （n）、y _j （n）为第i条馈线和第j条馈线的重构故障暂态高频电容电流信号；n为采样序列，n=1表示故障发生时刻；N为各馈线故障暂态高频电容电流分量数据长度；ρ _ij （i≠j）为互相关系数，取值范围为[-1,1]；ρ ₁₁、ρ ₂₂、、ρ _pp为自相关系数，其值均为1；

利用相关性分析可得各馈线故障暂态高频电容电流分量两两之间的相关系数矩阵M，如下所示：

（4）设S _i 为第i条馈线故障暂态高频电容电流分量的相关性累加系数，初值设为0，根据相关性强弱系数表，实际使用中考虑充足的选线裕度，设相关性阈值ρ _set=0.5，当ρ _ij ＞ρ _set时，S _i 值加1；当ρ _ij ＜ρ _set时，S _i 值减1，i为馈线编号，i=1,2,3, …，p；根据求出的S _i 构成相关性累加系数矩阵；

（5）对分解出的各节点小波包分解系数按照下式求取各子频带所对应的能量：

去除包含稳态工频量和暂态感性分量的最低频带后，按照下式求取各频带的能量总和：

上述两式中E _qk 为零模电流小波包分解到第[q,k]子频带的能量；为分解到[q,k]子频带的小波包分解系数，每个子频带共有m个（m=N/2 ^q ），q为分解的层数，k为小波包分解的第k个节点；E为剔除包含工频量和暂态感性分量的最低频带后各子频带的小波包能量总和;

（6）若S _i ＞0恒成立，则判定为母线发生单相接地故障；若仅有一条馈线的相关性累加系数满足S _i ＜0，则判定该条线路为单相接地故障线路；若S _i ＜0恒成立，表明母线出线数l=2，相关性分析选线判据失效，利用去掉最低频段后的高频段小波包能量总和进行判断，高频段小波包能量总和最大的线路判定为单相接地故障线路。

本发明上述选线方法技术方案与现有选线方法相比具有以下的优点。

本选线方法是利用故障线路、非故障线路故障暂态高频电容电流分量波形和高频段小波包能量总和的差异，构成单相接地故障选线的互补判据，克服了母线有两条出线时利用相关性分析选线失败后无法进行正确选线的难题。

本选线方法是以小波包变换和相关性分析为基础，充分利用故障暂态特征量，避免了故障特征不明显时可能导致选线失败情况的发生，提高了故障选线的可靠性和准确性。

本选线方法是基于故障线路、非故障线路故障暂态高频电容电流幅值大、易检测的特点，该故障选线原理简单，极易在现有继保系统中拓展实现，完全适应于谐振接地系统。

本选线方法的选线原理得出：对于中性点不接地、经高阻接地的小电流接地系统，该选线方法同样适用。

附图说明

图1是本发明中性点经消弧线圈接地的供电系统仿真模型。

图2是本发明具体实施例1中线路L4发生单相接地故障时线路L1零模电流波形。

图3是本发明具体实施例1中线路L4发生单相接地故障时线路L2零模电流波形。

图4是本发明具体实施例1中线路L4发生单相接地故障时线路L3零模电流波形。

图5是本发明具体实施例1中线路L4发生单相接地故障时线路L4零模电流波形。

图6是本发明具体实施例2中线路L4发生单相接地故障时线路L3零模电流波形。

图7是本发明具体实施例2中线路L4发生单相接地故障时线路L4零模电流波形。

图8是本发明具体实施例1中线路L4发生单相接地故障时线路L1的重构故障暂态高频电容电流分量。

图9是本发明具体实施例1中线路L4发生单相接地故障时线路L2的重构故障暂态高频电容电流分量。

图10是本发明具体实施例1中线路L4发生单相接地故障时线路L3的重构故障暂态高频电容电流分量。

图11是本发明具体实施例1中线路L4发生单相接地故障时线路L4的重构故障暂态高频电容电流分量。

图12是本发明具体实施例1中单相接地故障选线结果图表。

图13是本发明具体实施例2中线路L4发生单相接地故障时线路L3的重构故障暂态高频电容电流分量。

图14是本发明具体实施例2中线路L4发生单相接地故障时线路L4的重构故障暂态高频电容电流分量。

图15是本发明具体实施例1中线路L4发生单相接地故障时线路L1的各频段小波包能量柱形图。

图16是本发明具体实施例1中线路L4发生单相接地故障时线路L2的各频段小波包能量柱形图。

图17是本发明具体实施例1中线路L4发生单相接地故障时线路L3的各频段小波包能量柱形图。

图18是本发明具体实施例1中线路L4发生单相接地故障时线路L4的各频段小波包能量柱形图。

图19是本发明具体实施例2中线路L4发生单相接地故障时线路L3的各频段小波包能量柱形图。

图20是本发明具体实施例2中线路L4发生单相接地故障时线路L4的各频段小波包能量柱形图。

图21是本发明的单相接地故障选线流程图。

图22是本发明的在各种故障因素影响下的单相接地故障选线结果图表。

具体实施方式

以下将通过说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为上述发明的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

具体实施例1

为叙述方便，本发明的具体实施例1设定母线有4条出线。中性点经消弧线圈接地的供电系统发生单相接地故障时，利用上述发明方法可以实现完善的单相接地故障选线，具体实施例1过程如下所示。

附图1为中性点经消弧线圈接地的供电系统仿真模型，AC Type为35kV交流电源，T0为变压器，变比为35kV/6kV，采用△/Y型接法，中性点经消弧线圈接地，采用过补偿方式，补偿度设定为5%，消弧线圈损耗设定为3%；变压器T1、T2、T3、T4变比分别为6kV/0.38kV、6kV/0.66kV、6kV/1.14kV、6kV/3.3kV；采样频率设定为8kHz，线路L4为单相接地故障线路。

当母线零模电压瞬时值u ₀(t)>整定值时，单相接地故障选线算法启动，记录各馈线故障发生后两个工频周期的零模电流i(t)，如附图2、附图3、附图4、附图5所示。

对各馈线故障发生后两个工频周期的零模电流用db10小波进行5层小波包分解，去除包含稳态工频量和暂态感性分量的最低频段，对各节点小波包分解系数进行重构求和得故障暂态高频电容电流分量，结果如附图8、附图9、附图10、附图11所示。

对各馈线重构的故障暂态高频电容电流分量进行两两相关性分析，相关系数记为ρ _ij ，ρ _ij 可表示为：

上式中x _i （n）、y _j （n）为第i条馈线和第j条馈线的重构故障暂态高频电容电流信号；n为采样序列，n=1表示故障发生时刻；N为各馈线故障暂态高频电容电流分量数据长度；ρ _ij （i≠j）为第i条馈线与第j条馈线的互相关系数，取值范围为[-1,1]；ρ ₁₁、ρ ₂₂、、ρ _pp为自相关系数，其值均为1。

利用相关系数公式可得当线路L4发生单相接地故障时的各馈线之间的相关系数矩阵M：

设S _i 为各馈线故障暂态高频电容电流分量的相关性累加系数，初值设为0。根据相关参考文献及相关性强弱系数表，实际使用中考虑充足的选线裕度，设相关性阈值ρ _set=0.5。当ρ _ij ＞ρ _set时，S _i 值加1；当ρ _ij ＜ρ _set时，S _i 值减1（i为馈线编号，i=1,2,3,,p）。由相关系数矩阵M可得当线路L4发生单相接地故障时相关性累加系数矩阵S：

根据相关性累加系数矩阵可知选线结果，如表图12所示。表中：R _g为接地点过渡电阻值；L为故障线路长度； L _f为故障点距离母线的距离；θ为故障初相角。

选线结果与仿真设定的故障线路一致。

具体实施例2

对附图1的中性点经消弧线圈接地的供电系统仿真模型进行修改，只保留6kV高压供电线路L3和L4，设定线路L4发生单相接地故障。

当母线零模电压瞬时值u ₀(t)>整定值时，单相接地故障选线算法启动，记录各馈线故障发生后2个工频周期的零模电流i(t)，如附图6、附图7所示。

对各馈线故障发生后2个工频周期的零模电流用db10小波进行5层小波包分解，去除包含稳态工频量和暂态感性分量的最低频段，对各节点小波包分解系数进行重构求和得故障暂态高频电容电流分量，如附图13、图14所示。

对线路L3和L4重构的故障暂态高频电容电流分量进行两两相关性分析，相关系数记为ρ _ij ，ρ _ij 可表示为：

上式中x _i （n）、y _j （n）为第i条馈线和第j条馈线的重构故障暂态高频电容电流信号；n为采样序列，n=1表示故障发生时刻；N为各馈线故障暂态高频电容电流分量数据长度；ρ _ij （i≠j）为第i条馈线与第j条馈线的互相关系数，取值范围为[-1,1]；ρ ₁₁、ρ ₂₂、、ρ _pp为自相关系数，其值均为1。

利用相关系数公式可得当线路L4发生单相接地故障时线路L3和L4之间的相关系数矩阵M：

由相关系数矩阵M可知，当母线有两条出线且线路发生单相接地故障时，不管是利用综合相关系数还是最大最小相关系数差值都无法确定故障线路，此时需要修改故障选线流程图，借助其它方法确定故障线路。

设S _i 为各馈线故障暂态高频电容电流分量的相关性累加系数，初值设为0。根据相关参考文献及相关性强弱系数表，实际使用中考虑充足的选线裕度，设相关性阈值ρ _set=0.5。当ρ _ij ＞ρ _set时，S _i 值加1；当ρ _ij ＜ρ _set时，S _i 值减1（i为馈线编号，i=1,2,3,,p）。由相关系数矩阵M可得当线路L4发生单相接地故障时相关性累加系数矩阵S：

由相关性累加系数矩阵S可知，当母线有两条出线且线路发生接地故障时，各馈线的相关性累加系数S _i ＜0恒成立，如附图21故障选线流程图所示，当满足这一判据时立即进行跳转，通过求取高频段小波包能量总和进行选线。

对分解出的各节点小波包分解系数按照下式求取各子频带所对应的能量：

去除包含稳态工频量和暂态感性分量的最低频带后，按照下式求取各频带的能量总和：

上述两式中E _qk 为零模电流小波包分解第[q,k]子频带的能量；为分解到 [q,k]子频带的小波包分解系数，每个子频带共有m个（m=N/2 ^q ），q为分解的层数，k为小波包分解的第k个节点；E为剔除包含工频量和感性分量的最低频带后各子频带的小波包能量总和。

由以上两式可得当母线有两条出线且线路L4发生单相接地故障时线路L3和L4的各频段小波包能量，如附图19、附图20所示。由附图19、附图20可得线路L3和L4的高频段小波包能量总和为399.0和508.6，故障线路L4的高频段小波包能量总和大于非故障线路L3的高频段小波包能量总和，高频段小波包能量总和最大的线路L4为单相接地故障线路。

选线结果与仿真设定的故障线路一致。

为验证在各种随机故障因素影响下该选线方法能否正确的选出单相接地故障线路，随机在母线和线路L4上设置单相接地故障点，改变各故障因素，对此选线方法进行验证。结果如图表22所示。

由图表22可以看出，在各种随机故障因素影响下，无论是线路还是母线发生单相接地故障，该选线方法均能够正确的选出故障线路。

Claims (1)

1.一种基于暂态高频分量相关性分析的单相接地故障选线方法，所述选线方法是按下列具体步骤进行的：

（1）当母线零模电压瞬时值u ₀(t) ＞整定值时，单相接地故障选线算法启动，以8kHz的采样频率记录各馈线故障发生后两个工频周期的零模电流i(t)；

（2）利用db10小波对各馈线故障发生后两个工频周期的零模电流i(t)进行5层小波包分解，得到各节点的小波包分解系数；

（3）去掉包含稳态工频量和暂态感性分量的最低频段，对各节点小波包分解系数重构求和，得各馈线故障暂态高频电容电流分量，各馈线故障暂态高频电容电流分量两两之间的相关系数记为ρ _ij ，ρ _ij 可表示为：

上式中x _i （n）、y _j （n）为第i条馈线和第j条馈线的重构故障暂态高频电容电流信号；n为采样序列，n=1表示故障发生时刻；N为各馈线故障暂态高频电容电流分量数据长度；ρ _ij （i≠j）为互相关系数，取值范围为[-1,1]；ρ ₁₁、ρ ₂₂、、ρ _pp为自相关系数，其值均为1；

利用相关性分析可得各馈线故障暂态高频电容电流分量两两之间的相关系数矩阵M，如下所示：

（4）设S _i 为第i条馈线故障暂态高频电容电流分量的相关性累加系数，初值设为0，根据相关性强弱系数表，实际使用中考虑充足的选线裕度，设相关性阈值ρ _set=0.5，当ρ _ij ＞ρ _set时，S _i 值加1；当ρ _ij ＜ρ _set时，S _i 值减1，i为馈线编号，i=1,2,3, …，p；根据求出的S _i 构成相关性累加系数矩阵；

（5）对分解出的各节点小波包分解系数按照下式求取各子频带所对应的能量：

去除包含稳态工频量和暂态感性分量的最低频带后，按照下式求取各频带的能量总和：

上述两式中E _qk 为零模电流小波包分解到第[q,k]子频带的能量；为分解到[q,k]子频带的小波包分解系数，每个子频带共有m个（m=N/2 ^q ），q为分解的层数，k为小波包分解的第k个节点；E为剔除包含工频量和暂态感性分量的最低频带后各子频带的小波包能量总和;

（6）若S _i ＞0恒成立，则判定为母线发生单相接地故障；若仅有一条馈线的相关性累加系数满足S _i ＜0，则判定该条线路为单相接地故障线路；若S _i ＜0恒成立，表明母线出线数l=2，相关性分析选线判据失效，利用去掉最低频段后的高频段小波包能量总和进行判断，高频段小波包能量总和最大的线路判定为单相接地故障线路。