諧振接地系統多判據多周期信息融合故障選線方法

牛云濤 李 華 宋志宏 李鳳強 李玲玲*

（1.河北工業大學電氣工程學院 天津 300130 2.機械工業信息研究院 北京 100037）

1 引言

我國中低壓配電網多采用中性點不接地或經消弧線圈接地的方式。隨著我國配電網絡的發展，電力設備的多樣化趨勢和電纜線路的日益增多，致使接地故障電容電流有了很大的增加，采用經消弧線圈接地的運行方式得到更多的應用。諧振系統單相接地故障選線是現有技術最難解決的一種情況，國內外學者對此進行了深入研究，提出了多種選線原理，大致可分為：基于穩態信息的選線方法[1]；基于暫態信息的選線方法[2]和信號注入的選線方法[3]。理論上，上述方法都能判別出故障線路，但在應用上受各種因素的影響，只在特定理想情況下，選線結果才有較高的可靠性，難以達到工程實際的需求。鑒于上述原因，本文在分析諧振接地故障特征的基礎上，選擇具有優勢互補的三種選線方案，以彌補現有單一選線方法的不足，充分利用多方位、多周期內故障特征信息，采用證據理論對相互獨立的各種選線判據進行單周期智能融合，在連續周期內對融合后的選線判據進行再融合，以提高選線結果的可靠性。

2 諧振系統接地故障特征分析

中性點經消弧線圈接地系統發生單相接地故障時，故障線路零序電流等于其它非故障線路零序電流與消弧線圈補償電流之和，方向取決于消弧線圈裝置所設置的補償度。通常消弧線圈的感抗值小于電網絡對地電容值，接地系統工作在過補償方式，過補償時故障線路零序電流的方向由母線流向線路。消弧線圈產生的電流和線路中的零序電流方向相反，使得發生單相接地時故障點的故障電流有所減小，從而使電弧得以熄滅。這也是消弧線圈名字的由來。

3 故障測度與判據構造

為了表征各獨立判據下每條線路的故障程度，引入故障測度的概念，其定義為：某條線路在相應判據下為故障線路確定程度的度量。故障測度值越大，則表明該線路發生故障的可能性越大[4]。

3.1 零序電流5次諧波判據

消弧線圈接地系統發生接地故障時，可忽略消弧線圈對5次諧波所產生的影響。因此，補償后的5次諧波電流成分比基波電流成分大很多，而且諧波分量滿足故障線路零序電流幅值最大，故障線路零序電流與非故障線路零序電流諧波分量的極性相反的選線條件[5]。

假設諧振接地電網共含有n條線路，δk為其中第 k條線路的故障測度，k為線路的標識號，且k=0,1,2，…n，其中 k=0表示母線。母線與各線路的故障測度為

式中，Ik為第 k條線路零序電流5次諧波分量的幅值；IMAX為所有線路中零序電流5次諧波分量幅值的最大值。

上述方法對于正確選線的可信度為

3.2 暫態信息小波判據

單相接地故障發生時由于過渡電阻的不穩定和接地電路構成容性回路的特性，使故障信息中含有豐富的暫態特征量。小波分析對微弱信息的突變信號比較敏感，而且小波尺度分解能有效地濾除噪聲的影響。因此，本文選用工程常用的dbN小波提取故障暫態信息進行選線，結合諧振接地故障選線特點和時頻特性分析，N取10較為合適。

規定各線路故障程度標志位初始值為零。預設零序電流模值的閾值為?，當第k條線路在所選頻帶上進行小波分解后的零序電流模值滿足時，進行各線路極性判斷。如果某線路零序電流極性與其他線路零序電流極性都不同，則該線路故障標志位加 1；若所有線路零序電流極性都相同，則母線故障標志位加1[6-7]。各線路的故障測度為

式中，Lk為第 k條線路故障標志位的對應值，。

李小樹一面癡癡地盯著畫稿，一面小心翼翼地伸手去觸摸畫稿上許春花的臉，大黑貓在李小樹肩頭“喵喵”大叫兩聲后，就縱身跳到許春花的肖像上，它的爪子毫不留情地在許春花的衣服上留下幾條劃痕。李小樹氣憤地把大黑貓裝進紙箱后憐惜地看著畫稿，后又沒完沒了地向我盤問起許春花。

上述方法對于正確選擇故障線路的可信度為

式中，LMAX為各線路故障標志位最大值，針對所建模型進行仿真實驗，結果表明γ取8時最為合適。

3.3 暫態零序有功分量判據

諧振接地系統發生單相接地故障時，其零序有功分量與消弧線圈的補償作用無關，且故障線路與非故障線路的零序電流有功分量方向相反。然而，從故障電流信號中分離出其零序有功分量較為困難，且受不平衡電流影響較大。能量函數可以通過疊加的方法累計有功成分，克服誤差干擾的能力強于有功功率法，但能量函數法易受系統不平衡電流的影響。為了消除系統不平衡電流的影響，利用故障前后零序電流信號對應相減的辦法來消除不平衡電流，其差值作為能量函數的電流積分量，即為能量增量法。能量函數的定義為中性點電壓與線路零序電流乘積的積分，表達式為在能量函數基礎上進行改進，得到的能量增量函數為

基于暫態能量增量法的選線判據為：故障線路能量增量為負值，非故障線路能量增量為正值，且故障線路能量增量絕對值等于非故障線路增量和，若發生母線故障則所有線路能量增量均為正值。各線路故障測度為

上述方法對于正確選擇故障線路的可信度為

4 諧振接地系統多判據多周期故障選線

運用證據理論將上述三種單一選線判據進行單周期融合，然后對融合后的各個選線結果再次進行多周期證據組合，最終給出綜合了全面故障信息的準確結果。

4.1 線路故障的基本信度分配函數

諧振接地系統單相接地故障選線問題，最終目的是從備選線路中選出故障線路，所以系統中所有可能的故障線路構成了識別框架：。

在充分考慮諧振接地電網故障選線不確定性的情況下，以各條線路的故障測度為自變量而構造的線路故障基本信度分配函數為

式中，mjk為第 j個判據下線路 k的信度分配值，j=1,2,3，k=0,1,…,n；δjk為第j個判據下線路 k的故障測度；ρj為第j個判據下得到故障線路的可信度。

4.2 故障選線中的信息融合

根據上述各線路故障基本信度分配函數，選線可信度信息融合的證據組合規則為

4.3 故障選線算法流程

利用所提方法對諧振接地系統單相接地故障進行選線，其步驟為：首先，實時采集各線路零序電流判斷故障發生時刻，提取保存故障發生后的故障信息，分別計算三種判據下的單周期各線路故障測度值，延時1s后，提取下個周期數據繼續進行各個判據單周期故障測度值。根據故障信號是否消失決定是否進行下個周期選線，以此類推。然后，對三個判據進行單周期融合，最后進行多判據多周期信息融合，根據融合后的結果進行選線決策。故障信息融合連續選線的流程如圖1所示。

圖1 故障信息融合連續選線的流程圖Fig.1 Tree of multi periodic fault information fusion

5 諧振系統接地故障仿真與建模

以Matlab/Simulink仿真軟件為平臺，以中性點經消弧線圈接地方式運行的110kV/10kV變電所，母線帶四條出線的分布式輸電線路為仿真對象，諧振接地電網仿真模型如圖2所示。

圖2 諧振接地電網Matlab仿真模型Fig.2 MATLAB simulation model of resonant earthed network

過補償參數按v=110%設置，采樣頻率為5kHz。系統主要參數設置如下：正序參數： R1=0.392Ω/km，L1=0 .9426×10? 3Η / km，C1=6 9.32×10? 9F/km； 零序參數：R0=0 .73 Ω / km，L0=4 .4685×10?3Η / km，C0=5 2.33× 1 0?9F/km ；變壓器電抗：Zr=0 .6984+ j0.5658Ω；線路長度： L1=1 0km，L2=3 5km，L3=1 5km，L4=45km。

系統故障設置為L1線路的50%處，經450Ω電阻接地，故障發生時刻為0.05 s，為模擬實際故障選線應用中的復雜環境，在仿真波形中加入了噪聲干擾，從故障前兩個周波開始采集信息，對連續的三個周期進行故障選線，記5個周波為一個周期，周期間的延長時間為1.5 s。第一周期各條線路的零序電流波如圖 3～圖6所示。采集故障發生前后三個周期的數據，不同周期不同判據下的各線路基本信度分配值見表1～表3。

圖3 線路L1的零序電流波形圖Fig.3 Zero sequence current picture of line L1

圖4 線路L2的零序電流波形圖Fig.4 Zero sequence current picture of line L2

圖5 線路L3的零序電流波形圖Fig.5 Zero sequence current picture of line L3

圖6 線路L4的零序電流波形圖Fig.6 Zero sequence current picture of line L4

表1 第1周期各線路基本信度分配值Tab.1 Distribution of basic reliability of each line in the first cycle

表2 第2周期各線路基本信度分配值Tab.2 Distribution of basic reliability of each line in the second cycle

表3 第3周期各線路基本信度分配值Tab.3 Distribution of basic reliability of each line in the third cycle

由表1～表3可以看出，由于第1周期系統極其不穩定，5次諧波判據作出了線路 L2為故障線路的錯誤判斷，暫態小波選線判據錯誤地選出故障線路為母線的結果，有功分量判據雖然作出了線路L1為故障線路的正確結果，但是不確定度較高。這說明依據第1周期的故障特征數據作出的選線結果不可靠。第2周期中，盡管三個判據都能做出正確的決策，但是5次諧波和暫態小波法不確定度較高，有功分量法可信度與其他線路較為接近；第3周期中，5次諧波判據錯誤的決策L2為故障線路，暫態小波判據和有功分量法均能做出線路 L1為故障線路，但不確定度較高。

通過以上分析可知，單一選線判據具有一定的局限性，如果僅依靠某種單一選線方法進行故障選線，那么系統發生錯選故障線路的可能性很大。利用D-S證據理論合成的各周期及連續周期各線路包括母線的基本信度分配值如表4所示。

表4 周期融合各線路基本信度分配值Tab.4 Distribution of basic reliability of each line with cycle information fusion

通過對三個周期的故障數據進行連續融合后，得到線路 L1為故障線路，同時其基本信度分配值被極大突顯出來，不確定度也被極大削減，充分說明本文提出的基于D-S證據理論諧振接地系統多判據多周期故障選線方法的有效性。

6 結論

本文所提出的基于D-S證據理論的諧振接地系統多判據多周期連續故障選線方法，充分考慮了各方面的故障信息，將不同的故障證據進行有效合成，將諧振系統單相接地故障選線問題轉化為證據推理問題，克服了單一選線方法的局限性和和單一周期內信息融合的片面性。仿真結果表明基于D-S證據理論的多判據多周期連續故障選線方法具有較高的選線精度。

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