CN109001592A - 一种基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法 - Google Patents

一种基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法 Download PDF

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Abstract

一种基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法，属于电力系统继电保护技术领域，其特征在于：根据谐振接地电网的实际模型搭建仿真模型，针对各线路结构结合故障条件对单相接地故障暂态过程仿真；对故障后各条线路的暂态零序电流进行经验模态分解，求取每条线路的固有模态能量，计算每条线路之间的固有模态能量相对熵，求取每条线路的综合固有模态能量相对熵；选出综合固有模态能量相对熵最大值与最小值，当最大、最小综合固有模态能量相对熵之差大于设定阈值时，判定综合固有模态能量相对熵最大值所对应的线路为故障线路，否则判为母线故障。本发明所述方法不受接地电阻、故障时间的影响，可准确选出故障线路和故障母线，适于推广应用。

Description

一种基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法。
背景技术
目前，我国6～35kV配电网广泛采用中性点经消弧线圈接地的谐振接地系统运行方式。电力系统的运行经验表明，配电网发生单相接地故障的几率可占总故障的80％左右，在各种故障中发生的几率最高。当谐振接地电网中发生单相接地时，由于三相线电压基本保持不变，三相用电设备的正常工作并未受到影响，可以继续运行1～2h。随着配电网的迅速发展，电网中电缆线路的比例上升，缆—线混合线路越来越多，系统线路也增多，系统单相接地故障电容电流增大，长时间运行容易使故障扩大成两点或多点接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，甚至引发电缆和电压胡嘎旗爆炸，烧毁母线，造成人员伤亡事故，造成恶劣的社会影响，给企业带来严重的经济损失。因此，当谐振地系统发生单相接地故障后，应尽快在规定的时间内确定故障线路并予以快速切除，这对提高配电网供电安全和可靠性，保证工矿企业的安全生产，具有很重要的意义。
现有的选线方法大致来说主要是基于稳态信号的选线方法和基于暂态信号的选线方法两种。由于消弧线圈的电感电流补偿故障产生的电容电流，使得故障线路中的故障电流很小，甚至小于健全线路。到目前为止，已经研制出了多种基于零序电流稳态分量的选线装置，但在实际应用中，对于中性点经消弧线圈接地系统效果并不理想。与故障稳态分量相比，利用故障暂态分量选线有很大的优越性：一是暂态分量幅值远远大于稳态分量，是稳态分量的数倍到几十倍，故障检测灵敏度高；二是不受消弧线圈的影响。基于暂态量的选线方法大致有首半波法、小波分析法、Prony法等，但这些方法普遍存在受过渡电阻影响大，信号分解效果不理想等困难。(王清亮，杜辉，赵艺杰，等.基于固有模态能量的暂态量选线方法[J].工矿自动化，2013,39(9)：92-95.)通过求取故障后各馈线的零序暂态电流的固有模态能量，计算各馈线的能量权重因子，通过比较各馈线能力权重因子可准确辨识出故障线路，但发生母线单相接地时，该方法失效。
发明内容
本发明针对基于固有模态能量的暂态量选线方法由于不能识别母线发生单相接地故障的问题，提供了一种基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法。
本发明所述的基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法，根据谐振接地电网的实际模型搭建仿真模型，针对各线路结构结合故障条件对单相接地故障暂态过程进行仿真；对故障后各条线路的暂态零序电流进行经验模态分解，求取每条线路的固有模态能量，计算每条线路之间的固有模态能量相对熵，并求取每条线路的综合固有模态能量相对熵；选出综合固有模态能量相对熵最大值与最小值，当最大、最小综合固有模态能量相对熵之差大于设定阈值时，则判定综合固有模态能量相对熵最大值所对应的线路为故障线路，否则判为母线故障。
本发明所述的基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法，其特征在于：所述故障条件包故障初相角、接地电阻和故障位置。
本发明所述的基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)首先，建立N条中性点经消弧线圈接地系统，针对各线路结构结合故障条件对单相接地故障暂态过程进行仿真，取故障后各条线路的暂态零序电流；
(2)对步骤(1)中各条线路故障暂态零序电流进行经验模态分解(EMD分解)，分解后得到有限个固有模态分量(IMF)和一个剩余项，第k条线路故障暂态零序电流的EMD分解可表示为：
式中，cj(t)为固有模态分量，r(t)为剩余项，m为IMF分量的数量；
(3)计算第k条线路的有限个固有模态分量(IMF)的能量和剩余项的能量，可表示为；
式中，n为离散信号的长度，t为采样点；
(4)将步骤(3)中的有限个IMF能量和剩余项能量求和，得到第k条线路的固有模态能量，表示为；
式中，N为馈线数量；
(5)计算各条线路的能量权重系数，即某条线路固有模态能量与所有出线的能量总和的比值，表示为；
(6)定义馈线Li相对于馈线Lj的固有模态能量相对熵，用来度量两个随机分布的差异，表示为：
(7)假设配电网共有N条馈线，则可形成一个N×N阶相对熵矩阵，矩阵M的对角线元素为0，即每条线路与自己本身无差异，表示为：
(8)求上述相对熵矩阵每一个行向量的平均值，做为该线路的综合固有模态能量相对熵，表示为；
式中，N为馈线数；
(9)选出综合固有模态能量相对熵最大值smax与最小值smin，计算最大、最小综合固有模态能量相对熵之差，选线判据可表示为：
当Δs＝smax-smin>设定阀值时，则判定smax对应的线路为故障线路；
当Δs＝smax-smin≤设定阀值时，则判定为母线故障。
本发明所述的基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法，所述设定阀值为0.5。
本发明所述的基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法，步骤(1)所述的暂态零序电流为故障后的首个1/4周期内的暂态零序电流。故障后首个1/4周期内的零序电流幅值、频率的暂态特征明显，第二个周期及以后趋于稳态，故选择首个1/4周期内的零序电流。
本发明所述的基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法，根据谐振接地电网的实际模型搭建的仿真模型对单相接地故障暂态过程进行仿真；经过故障后各条线路的暂态零序电流进行经验模态分解，求取每条线路的固有模态能量，计算固有模态能量相对熵；选出综合固有模态能量相对熵最大值与最小值，通过与预设阀值的比较判定故障线路，本发明所述方法不受接地电阻、故障时间的影响，可准确选出故障线路和故障母线，适于推广应用。
附图说明
图1为本发明所述的谐振接地系统仿真结构图；
图2为本发明所述发生单相接地故障后，某一条线路1/4周期内的零序电流；
图3为某条线路暂态零序电流经EMD分解后得到的IMF分量和一个剩余项；
图4为本发明所述基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法的选线流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明所述基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法进行详细说明。
实施例一
本发明所述基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法，如图4所示，包括如下具体步骤：
(1)利用MATLAB/Simulink仿真软件建立N条出线10kV中性点经消弧线圈接地系统，针对不同故障初相角、不同接地电阻、不同故障位置、不同线路结构情况下，对单相接地故障暂态过程进行仿真，取故障后首个1/4周期内各条线路的暂态零序电流；
(2)对步骤(1)中各条线路故障暂态零序电流进行经验模态分解(EMD分解)，分解后得到有限个固有模态分量(IMF)和一个剩余项，第k条线路故障暂态零序电流的EMD分解可表示为：
式中，cj(t)为固有模态分量，r(t)为剩余项，m为IMF分量的数量；
(3)计算第k条线路的有限个固有模态分量(IMF)的能量和剩余项的能量，可表示为；
式中，n为离散信号的长度，t为采样点；
(4)将步骤(3)中的有限个IMF能量和剩余项能量求和，得到第k条线路的固有模态能量，可表示为；
式中，N为馈线数量；
(5)计算各条线路的能量权重系数，即某条线路固有模态能量与所有出线的能量总和的比值，可表示为：
(6)定义馈线Li相对于馈线Lj的固有模态能量相对熵，用来度量两个随机分布的差异，可表示为：
(7)假设配电网共有N条馈线，则可形成一个N×N阶相对熵矩阵，矩阵M的对角线元素为0，即每条线路与自己本身无差异，可表示为：
(8)求上述相对熵矩阵每一个行向量的平均值，做为该线路的综合固有模态能量相对熵，可表示为；
N为馈线数；
(9)选出综合固有模态能量相对熵最大值smax与最小值smin，计算最大、最小综合固有模态能量相对熵之差，选线判据可表示为：
当Δs＝smax-smin>0.5时，则判定smax对应的线路为故障线路；
当Δs＝smax-smin≤0.5时，则判定为母线故障。
实施例二
如图1，建立了一个4条馈线的缆线混合谐振接地系统模型，馈线1为纯架空线路，长度15km，馈线2、4为电缆线路，长度分别为8km和2km，馈线3为电缆-架空线混合线路，其中电缆长1.5km，架空线路长12km,，过补偿度7.5％。
利用MATLAB/Simulink仿真软件建立图1所示的仿真模型，针对不同故障初相角、不同接地电阻、不同故障位置、不同线路结构情况下，对单相接地故障暂态过程进行仿真，取故障后各条线路的零序电流和母线零序电压信号。
当母线零序电压大于20％的母线额定电压时，启动选线程序，从存储器中读取各馈线故障后1/4周期的暂态零序电流，图2为读取的其中一条线路的暂态零序电流。
对各条线路暂态零序电流逐一进行EMD分解，图3为其中一条线路经EMD分解后得到c1—c7共7个IMF分量和一个r剩余项。并计算每条线路的固有模态能量。
计算每条线路的固有模态能量及能量权重系数。
求取各条馈线的固有模态能量相对熵矩阵及其综合固有模态能量相对熵。
选出综合固有模态能量相对熵最大值smax与最小值smin，当最大、最小综合固有模态能量相对熵之差Δs大于0.5时，则判定smax对应的线路为故障线路，否则判为母线故障。
通过改变接地电阻以及故障初相角等故障条件进行大量仿真，仿真结果如表1所示，仿真结果正确。
表1仿真结果
上述发明内容为本发明的基本原理，并结合附图对本发明的具体实施方式做了详细说明，但本发明并不仅限于上述实施方式，对于本专业的技术人员，可以在不脱离本发明的宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法，其特征在于：根据谐振接地电网的实际模型搭建仿真模型，针对各线路结构结合故障条件对单相接地故障暂态过程进行仿真；对故障后各条线路的暂态零序电流进行经验模态分解，求取每条线路的固有模态能量，计算每条线路之间的固有模态能量相对熵，并求取每条线路的综合固有模态能量相对熵；选出综合固有模态能量相对熵最大值与最小值，当最大、最小综合固有模态能量相对熵之差大于设定阈值时，则判定综合固有模态能量相对熵最大值所对应的线路为故障线路，否则判为母线故障。
2.根据权利要求1所述的基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法，其特征在于：所述故障条件包故障初相角、接地电阻和故障位置。
3.根据权利要求2所述的基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)首先，建立N条中性点经消弧线圈接地系统，针对各线路结构结合故障条件对单相接地故障暂态过程进行仿真，取故障后各条线路的暂态零序电流；
(2)对步骤(1)中各条线路故障暂态零序电流进行经验模态分解(EMD分解)，分解后得到有限个固有模态分量(IMF)和一个剩余项，第k条线路故障暂态零序电流的EMD分解可表示为：
式中，cj(t)为固有模态分量，r(t)为剩余项，m为IMF分量的数量；
(3)计算第k条线路的有限个固有模态分量(IMF)的能量和剩余项的能量，可表示为；
式中，n为离散信号的长度，t为采样点；
(4)将步骤(3)中的有限个IMF能量和剩余项能量求和，得到第k条线路的固有模态能量，表示为；
式中，N为馈线数量；
(5)计算各条线路的能量权重系数，即某条线路固有模态能量与所有出线的能量总和的比值，表示为；
(6)定义馈线Li相对于馈线Lj的固有模态能量相对熵，用来度量两个随机分布的差异，表示为：
(7)假设配电网共有N条馈线，则可形成一个N×N阶相对熵矩阵，矩阵M的对角线元素为0，即每条线路与自己本身无差异，表示为：
(8)求上述相对熵矩阵每一个行向量的平均值，做为该线路的综合固有模态能量相对熵，表示为；
式中，N为馈线数；
(9)选出综合固有模态能量相对熵最大值smax与最小值smin，计算最大、最小综合固有模态能量相对熵之差，选线判据可表示为：
当Δs＝smax-smin>设定阀值时，则判定smax对应的线路为故障线路；
当Δs＝smax-smin≤设定阀值时，则判定为母线故障。
4.根据权利要求3所述的基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法，其特征在于：所述设定阀值为0.5。
5.根据权利要求4所述的基于暂态量的谐振接地系统单相接地故障选线方法，其特征在于：步骤(1)所述的暂态零序电流为故障后的首个1/4周期内的暂态零序电流。
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