CN110488155A - 一种应用于柔性接地系统的单相接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于柔性接地系统的单相接地故障选线方法，该方法包括故障时间定位、暂态特征信号提取和故障馈线判别三个步骤，具体为：1)对中性点零序电压信号进行小波包分解，将模极大值点对应的时间点作为实际故障时间；2)选取实际故障时间前后各1/4和3/4个周期的馈线零序电流信号进行小波包分解、重构，提取暂态特征波形；3)计算各馈线暂态特征波形的综合灰色T型关联系数，将其与阈值比较，确定故障馈线。本发明有效地反映架空线和电缆动态变化趋势的关联性，减小了因为电缆和架空线路对地容值差异而导致的误判，满足了柔性接地系统对于选线快速性和准确性的要求，具有可行性和实用价值。

Description

一种应用于柔性接地系统的单相接地故障选线方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，尤其涉及一种应用于柔性接地系统的单相接地故障选线方法。

背景技术

配电网作为电力系统的重要组成部分，其与用户密切相关。近年来，配电网拓扑不断发展，使用的电缆线路不断增多，谐振接地方式已经难以满足快速消弧的要求。为了解决这一问题，相关学者提出了柔性接地的概念。柔性接地是指在传统谐振接地的基础上，当单相接地故障发生时，投入电力电子装置进行补偿，在短时间内抑制接地点电流接近为0，从而实现故障电弧的完全熄灭。现有的柔性接地方案有开环补偿方案和闭环补偿方案。开环补偿方案通过估算得到补偿电流，有源逆变器相当于电流源，该方案的逆变器工作原理类似于有源滤波器，闭环补偿方案反馈故障点处电压，有源逆变器相当于电压源，输出电压使故障点处电压强制为0。无论是哪一种柔性接地方案，均对选线技术提出了更高的要求：(1)准确性，选线结果决定补偿过程中参数值的计算，将直接影响到柔性接地方案的可靠性；(2)快速性，柔性接地需要在极短的时间(通常为几个工频周期)实现灭弧，这大大缩短了选线的时间。目前，主要有如下几种选线方法：

(1)首半波法：将母线暂态零序电压初始极性和各条馈线暂态零序电流极性进行比较，与母线暂态零序电压极性相反的线路为故障馈线。但是该方法需要采集故障后首半个周期的波形，对快速性和数据同步性要求较高，可靠性较差。

(2)能量法：利用非故障馈线与故障馈线暂态零序电压电流先求得暂态过程的能量，再通过比较能量大小和方向的差异实现选线。但是该方法忽略了大量高频信号量，容易导致误选。

(3)时频域分析法：该方法以小波变换和小波包变换为主，小波包变换在小波变换基础之上提升了高频分辨率，因此更加有利于故障信号处理。小波包变换先将故障暂态信号在每一个频带上进行分解，再确定能够反映故障特征最明显的频带，最后利用该频带内信号的幅值、极性和相位、熵值等特征量进行选线。时频域分析法有很强的信号提取能力，能够在短时间内实现对暂态信号的处理，但是该方法受采样频率和配网复杂程度的影响，准确性受到影响。

(4)相似比较法：通过求相关系数或灰色关联度来判别馈线零序电流波形之间的相似程度，找出与其它线路差异性最大的馈线作为故障馈线。该方法选线准确性高于上述其他方法，但需较长周期的波形提取故障波形中包含的暂态分量。

综上所述，传统应用场合下的选线方法均无法同时满足柔性接地系统对于选线快速性和准确性的要求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于柔性接地系统的单相接地故障选线方法，以解决现有配电网选线方法应用于柔性接地系统存在的不足。

技术方案：为实现上述目的，本发明一种应用于柔性接地系统的单相接地故障选线方法，通过小波包对采集到的故障零序电压、电流信号进行处理，提取准确的暂态特征信号，计算各馈线暂态特征信号的综合灰色T型关联系数。

所述柔性接地系统为采用单相逆变器作为单相接地故障灭弧装置的配电系统，其中单相逆变器的投切状态受开关控制，当故障发生时，开关闭合，单相逆变器经过变压器耦合接入配电网低压侧中性点，与消弧线圈并联，补偿故障电流的有功和谐波部分，实现电弧快速熄灭。

具体的，选线方法包括如下步骤：

步骤一：确定故障时间：系统在正常运行时持续采集中性点零序电压和馈线零序电流，并至少保存两个周期的数据。当零序电压瞬时值超过15％相电压最大值时，判断发生故障。对零序电压进行小波包变换，确定模极大值点，将此点对应的时间点记为t₀；

步骤二：提取暂态特征波形：选择采样频率为10kHz，取故障时刻前后各1/4和3/4个周期的馈线零序电流信号进行小波包分解，并在第一个节点处重构得到暂态特征信号；

步骤三：判别故障馈线：根据暂态特征信号，计算出n条馈线的综合灰色T型关联系数[μ₁,μ₂,…,μ_n]。设定阈值μ_set＝0.2，当μ_k＝min[μ₁,μ₂,…,μ_n]<μ_set时，判断馈线k故障；当μ_k＝min[μ₁,μ₂,…,μ_n]≥μ_set时，判断母线故障。

根据权利要求1所述的一种应用于柔性接地系统的单相接地故障选线方法，其特征在于：所述的综合灰色T型关联系数定义过程如下：

假设第k根馈线的暂态信号序列S_k在采样时段内包含n个数据点，写成行向量形式为S_k＝(s_k1,s_k2,…,s_kn)，定义由m根馈线暂态信号组成的矩阵S为：

序列S_i在第t个采样点处的增量可以表示为：

Δs_it＝s_i(t+1)-s_it，t＝1,2,...,n-1

序列S_i在采样区间上增量绝对值的平均值为：

序列S_i在第t个采样点处增量的平均值为：

任意两个信号序列S_i和S_j在第t个采样点处的灰色T型关联系数ρ_ij[S_it,S_jt]定义为：

其中

S_i和S_j在采样时间段上的灰色T型关联系数ρ_ij为：

灰色T型关联系数矩阵ρ为：

馈线k与其他馈线的综合灰色T型关联系数被定义为：

步骤一中，选用Coiflet5小波，对零序电压进行小波包变换，确定模极大值点。

步骤二中，对故障时刻前后各1/4和3/4个周期的馈线零序电流信号进行4层小波包分解。

工作原理：本发明单相接地故障选线方法，包括故障时间定位、暂态特征信号提取和故障馈线判别三个步骤，通过小波包实现故障时刻的定位并快速准确提取故障信号中的暂态特征量，定义馈线的综合灰色T型关联系数，分析各馈线波形相对变化趋势的相似程度实现选线。具体为：(1)对中性点零序电压信号进行小波包分解，将模极大值点对应的时间点作为实际故障时间；(2)选取实际故障时间前后各1/4和3/4个周期的馈线零序电流信号进行小波包分解、重构，提取暂态特征波形；(3)计算各馈线暂态特征波形的综合灰色T型关联系数，将其与阈值比较，确定故障馈线。

有益效果：本发明具有如下优点：

(1)故障馈线与非故障馈线的关联系数差异明显，两者零序电流的变化趋势总体方向相反，无论何种类型的故障，选线正确率高；

(2)定义综合灰色T型关联系数表示馈线动态变化趋势之间的相似性，可以有效反映架空线和电缆动态变化趋势的关联性，从而减小因为电缆和架空线路对地容值差异而导致的误判；

(3)仅根据一个周期采样信号，实现选线功能，满足柔性接地系统对于快速性的要求；

(4)利用小波包对信号进行快速的处理，去除高频干扰，放大了信号的特征，有利于准确选线；

(5)本发明方法用于柔性接地系统，可以满足其对选线快速性和准确性的要求。

附图说明

图1为本发明的柔性接地系统及选线方法示意图；

图2为本发明的基于灰色T型关联度的选线流程示意图；

图3为本发明的仿真模型示意图；

图4为某单相接地故障发生条件下，馈线零序电流暂态信号；

图5为某单相接地故障发生条件下，经过小波包处理后的馈线零序电流暂态信号。

具体实施方式

如图1所示，本发明通过小波包对采集到的故障零序电压、电流信号进行处理，提取准确的暂态特征信号，计算各馈线暂态特征信号的综合灰色T型关联系数。

所述柔性接地系统为采用单相逆变器作为单相接地故障灭弧装置的配电系统，其中单相逆变器的投切状态受开关控制，当故障发生时，开关闭合，单相逆变器经过变压器耦合接入配电网低压侧中性点，与消弧线圈并联，补偿故障电流的有功和谐波部分，快速实现电弧熄灭。

图2所示为本发明的基于灰色T型关联度的选线流程示意图，按照如下步骤进行：

步骤一：确定实际故障时间：系统在正常运行时持续采集中性点零序电压和馈线零序电流，并至少保存两个周期的数据。当零序电压瞬时值超过15％相电压最大值时，判断发生故障。选用Coiflet5小波，对零序电压进行小波包变换，确定模极大值点，将此点对应的时间点记为t₀；

步骤二：提取暂态特征波形：选择采样频率为10kHz，取故障时刻前后各1/4和3/4个周期的馈线零序电流信号进行4层小波包分解，并在第一个节点处重构得到暂态特征信号；

步骤三：判别故障馈线：根据暂态特征信号，计算出n条馈线的综合灰色T型关联系数[μ₁,μ₂,…,μ_n]。设定阈值μ_set＝0.2，当μ_k＝min[μ₁,μ₂,…,μ_n]<μ_set时，判断馈线k故障；当μ_k＝min[μ₁,μ₂,…,μ_n]≥μ_set时，判断母线故障。

图3所示为本发明的仿真模型示意图，系统包含5根馈线，L₁为15.5km架空线，L₂为20km架空线，L₃为5km架空线和8km电缆的混合线路，L₄为20km电缆，L₅为8km电缆；系统电源电压等级为110kV；变压器额定电压为110/10.5kV，额定容量为50MVA，空载电流1％，空载损耗35kW，短路损耗250kW，短路电压比10％；接地电阻为Rd；每根馈线的有功负载为4×106W，无功负载为3×106Var。线路采用分布参数模型，参数值如表1所示。按照上述参数，计算出系统总对地容值ΣC＝1.26×10-5F。令消弧线圈过补偿度为5％，可求得消弧线圈电抗值L＝0.256H，消弧线圈的内阻R_L为感抗的10％，R_L＝8Ω。

表1

图4、图5所示分别为某单相接地故障发生条件下馈线零序电流暂态信号和经过小波包处理后的馈线零序电流暂态信号，可以发现相较于原始暂态波形，提取后的波形特征滤除了高频干扰，平滑了波形曲线，加强了非故障馈线之间的相似性以及故障馈线与非故障馈线之间的差异性，增强了灰色T型关联度选线系数计算的准确性。为了验证选线方法的通用性，分别改变故障发生线路和位置，根据图2所述步骤，计算出[μ₁,μ₂,μ₃,μ₄,μ₅]，选线结果如表2所示。可以得出以下结论：(1)无论何种类型的故障，选线正确率100％；(2)非故障馈线中，架空线路的关联系数与电缆的关联系数相差不大，证明了采用灰色T型关联度进行选线，可以有效反映架空线和电缆动态变化趋势的关联性，从而减小因为电缆和架空线路对地容值差异而导致的误判；(3)故障馈线与非故障馈线的关联系数差异明显，两者零序电流的变化趋势总体方向相反；(4)母线故障可以看作是所有馈线都为非故障馈线的特殊情况，在该情况下，各条馈线零序电流的综合灰色T型关联系数相差不大。

表2

Claims (5)

1.一种应用于柔性接地系统的单相接地故障选线方法，其特征在于：通过小波包对采集到的故障零序电压、电流信号进行处理，提取暂态特征信号，计算馈线暂态特征信号的综合灰色T型关联系数；

所述柔性接地系统为采用单相逆变器作为单相接地故障灭弧装置的配电系统，所述单相逆变器的投切状态受开关控制，当故障发生时，开关闭合，单相逆变器经过变压器耦合接入配电网低压侧中性点，与消弧线圈并联，补偿故障电流的有功和谐波部分，电弧熄灭。

2.根据权利要求1所述的应用于柔性接地系统的单相接地故障选线方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一：确定故障时间：在系统运行时持续采集中性点零序电压和馈线零序电流，并保存两个以上周期的数据；当零序电压瞬时值超过15％相电压最大值时，判断发生故障；对零序电压进行小波包变换，确定模极大值点，将此点对应的时间点记为t₀；

步骤二：提取暂态特征波形：选择采样频率为10kHz，取故障时刻前后各1/4和3/4个周期的馈线零序电流信号进行小波包分解，并在第一个节点处重构得到暂态特征信号；

步骤三：判别故障馈线：根据暂态特征信号，计算出n条馈线的综合灰色T型关联系数[μ₁,μ₂,…,μ_n]；设定阈值μ_set＝0.2，当μ_k＝min[μ₁,μ₂,…,μ_n]<μ_set时，判断馈线k故障；当μ_k＝min[μ₁,μ₂,…,μ_n]≥μ_set时，判断母线故障。

3.根据权利要求1所述的应用于柔性接地系统的单相接地故障选线方法，其特征在于：所述的综合灰色T型关联系数定义过程如下：

假设第k根馈线的暂态信号序列S_k在采样时段内包含n个数据点，写成行向量形式为S_k＝(s_k1,s_k2,…,s_kn)，定义由m根馈线暂态信号组成的矩阵S为：

序列S_i在第t个采样点处的增量可以表示为：

Δs_it＝s_i(t+1)-s_it，t＝1,2,...,n-1序列S_i在采样区间上增量绝对值的平均值为：

序列S_i在第t个采样点处增量的平均值为：

任意两个信号序列S_i和S_j在第t个采样点处的灰色T型关联系数ρ_ij[S_it,S_jt]定义为：

其中

S_i和S_j在采样时间段上的灰色T型关联系数ρ_ij为：

灰色T型关联系数矩阵ρ为：

馈线k与其他馈线的综合灰色T型关联系数被定义为：

4.根据权利要求2所述的应用于柔性接地系统的单相接地故障选线方法，其特征在于：步骤一中，选用Coiflet5小波，对零序电压进行小波包变换，确定模极大值点。

5.根据权利要求2所述的应用于柔性接地系统的单相接地故障选线方法，其特征在于：步骤二中，对故障时刻前后各1/4和3/4个周期的馈线零序电流信号进行≧4层的小波包分解。