基于特征頻帶的非有效接地系統(tǒng)選線技術(shù)

柯立婷

國(guó)網(wǎng)漳州供電公司

基于特征頻帶的非有效接地系統(tǒng)選線技術(shù)

柯立婷

國(guó)網(wǎng)漳州供電公司

隨著人們對(duì)供電可靠性和供電質(zhì)量要求的提高，使其對(duì)配電網(wǎng)非有效接地系統(tǒng)單相接地故障的檢測(cè)和選線方面的研究尤顯重要。本文分析了非有效接地系統(tǒng)單相接地故障的選線問(wèn)題，并對(duì)現(xiàn)存的選線方法提出一種改進(jìn)的思路。根據(jù)特征頻帶的求取進(jìn)行選線，可減小了因測(cè)量、算法誤差而導(dǎo)致錯(cuò)誤選線的概率，從而更為可靠、準(zhǔn)確進(jìn)行故障選線。

非有效接地，單相接地故障，特征頻帶，選線，Matlab仿真

1 非有效接地系統(tǒng)選線存在的問(wèn)題

選線方法有多種，主動(dòng)式選線方式和被動(dòng)式選線方式皆有應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)，但現(xiàn)場(chǎng)反饋的情況都不盡人意。綜合分析，選線困難有如下幾個(gè)原因：

1)故障信號(hào)較微弱。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的配電網(wǎng)，故障信號(hào)特征強(qiáng)弱難于判斷。單相接地故障的穩(wěn)態(tài)電流過(guò)于微弱，通常不大于30A，有時(shí)低于10A。諧波信號(hào)甚至小于故障短路電流的百分十。故障暫態(tài)電流雖比穩(wěn)態(tài)信號(hào)強(qiáng)，但持續(xù)的時(shí)間較短，有時(shí)比較難利用。所以導(dǎo)致基于單因素的故障選線方法難于實(shí)現(xiàn)較高準(zhǔn)確地選線。

2)不穩(wěn)定故障電弧的影響。實(shí)際配電網(wǎng)出現(xiàn)的故障，大部分是間歇性和瞬時(shí)性接地故障，普遍出現(xiàn)弧光接地現(xiàn)象。由于弧道電阻的非線性，電弧多為不穩(wěn)定的。在此情況下，運(yùn)用穩(wěn)態(tài)判據(jù)的選線方法就會(huì)失效。

3)隨機(jī)因素的影響。配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，中性點(diǎn)接地方式、運(yùn)行方式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不是單一不變的。隨著網(wǎng)絡(luò)變化，潮流相應(yīng)變化，所對(duì)應(yīng)故障時(shí)的暫穩(wěn)態(tài)電容電流亦變化。負(fù)荷的變動(dòng)、母線電壓變化、故障的過(guò)渡電阻以及互感器的采樣精度問(wèn)題均對(duì)故障選線造成一定的難度。

2 小波理論基礎(chǔ)及特征頻帶的定義

非有效接地系統(tǒng)故障接地電流的幅值和頻率初始是由暫態(tài)電容電流決定，因此暫態(tài)接地電流的特性可以參照暫態(tài)電容電流的特性。

基于非有效接地系統(tǒng)的故障暫態(tài)分量的特征，從信號(hào)分析的角度出發(fā)，利用小波包變換在時(shí)頻帶分割的良好性質(zhì)，提出用小波包分析故障暫態(tài)信號(hào)，通過(guò)線路不同頻帶內(nèi)能量大小比較確定特征頻帶，再選出特征頻帶能量值最大的線路和極性判斷選出故障線路。

特征頻帶的定義。暫態(tài)零序電流小波包分解實(shí)質(zhì)上，是對(duì)信號(hào)不同頻帶的濾波，而且當(dāng)信號(hào)劃分到不同頻帶，信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)就會(huì)減為一半，這樣總采樣點(diǎn)數(shù)保持不變。

各個(gè)頻帶有相應(yīng)的波形，對(duì)波形進(jìn)行重構(gòu)，并獲得小波包頻帶重構(gòu)后的小波系數(shù)。頻帶的能量值為小波包系數(shù)的累加平方和，每個(gè)頻帶都有一個(gè)能量值，每個(gè)頻帶都有n個(gè)系數(shù)，這樣就可以根據(jù)特征頻帶的定義求取特征頻帶。頻帶的能量值公式：

其中， 是第(j,k)子頻帶下的小波包分解系數(shù)。

運(yùn)用小波包對(duì)暫態(tài)零序電流進(jìn)行分析，先去掉工頻所在的頻帶。對(duì)于配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，特征頻帶為能量最大的頻帶；對(duì)于配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，能量最大頻帶不能作為特征頻帶，暫態(tài)接地電容電流的五次諧波頻帶不受接地消弧線圈的影響，主要集中在能量值次大的頻帶上(并且避開(kāi)高頻電感電流產(chǎn)生的頻帶)。特征頻帶選取最大值和次大值的頻帶，可以減小因?yàn)閮x器測(cè)量和計(jì)算的誤差造成選線錯(cuò)誤的概率，提高了選線的可靠性。

3 基于MATLAB的故障選線仿真

為驗(yàn)證新的選線方法，運(yùn)用Matlab仿真軟件建立一個(gè)配電網(wǎng)模型，模擬單相接地故障，根據(jù)單一變量方法分別設(shè)置中性點(diǎn)接地方式、故障位置、故障時(shí)刻、故障線路類型等算例進(jìn)行選線方法的準(zhǔn)確性分析測(cè)試。

1) 配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)模型。配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)為一個(gè)110kV/10kV變電站，共有五條出線，為架空線路和電力電纜混合線路。主變壓器通過(guò)Z型變壓器模擬中性點(diǎn)，中性點(diǎn)有中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈和中性點(diǎn)不接地兩種接地方式。

2)選線程序流程圖。首先讀取母線的零序電壓和各線路的零序電流，根據(jù)單相故障的母線電壓特征和各線路零序電流的特征判斷是否單相故障。若沒(méi)有發(fā)生故障，則應(yīng)間隔一段時(shí)間繼續(xù)讀取并判斷；若是發(fā)生接地故障，則應(yīng)提取各線路的零序電流值進(jìn)行小波包分析，并判斷各線路的零序電流極性。若極性全相同，則為母線故障；否則應(yīng)選出各線路特征頻帶，根據(jù)特征頻帶定義求出特征頻帶線路，繼而判斷其極性是否與其它線路相反。若是，則此線路為故障線路；否則應(yīng)選出極性與其它線路相反的線路為故障線路。不能選出則選線失敗。

3)配電網(wǎng)仿真算例。根據(jù)驗(yàn)證的需要，本章從接地方式、補(bǔ)償度、線路類型、故障位置、故障時(shí)刻和接地電阻六個(gè)方面設(shè)置11個(gè)算例。由實(shí)驗(yàn)得出，單憑特征頻帶的求取判斷故障是不夠的。在母線故障用特征頻帶求取判斷理論上是無(wú)效的，如果強(qiáng)行判斷，則會(huì)出現(xiàn)誤判；故障短路電流較小也產(chǎn)生了誤判。所以不僅要依靠特征頻帶的求取，也需要極性做輔助判斷。兩種方法的結(jié)合，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)選線判斷。

4 結(jié)論

故障選線方法是故障排除的第一個(gè)步驟，只有正確地實(shí)現(xiàn)了故障選線，才能實(shí)現(xiàn)正確的定位。特征頻帶的選取的選線方法綜合傅里葉算法、首半波法、能量原則等優(yōu)勢(shì)。對(duì)小波函數(shù)的選取、采樣頻率和數(shù)據(jù)窗、邊界效應(yīng)的處理和頻率混疊情況進(jìn)行充分考慮，并做一定措施處理，避免了有些因素對(duì)選線結(jié)果的影響。仿真算例根據(jù)單一變量準(zhǔn)則分別對(duì)接地方式、故障位置、故障時(shí)刻、故障線路類型和過(guò)渡電阻等因素進(jìn)行選線方法的測(cè)試。仿真結(jié)果表明小波包分析具有對(duì)故障暫態(tài)零序電流的良好時(shí)頻分割特性，對(duì)微弱信號(hào)識(shí)別有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，能準(zhǔn)確和精確地反應(yīng)故障信息。仿真結(jié)果說(shuō)明該選線方法是切實(shí)可行的，在各種情況下，均能正確地選出故障線路。

[1] 楊建國(guó).小波分析及其工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 毛鵬，孫雅明，張兆寧，杜紅衛(wèi).小波包在配電網(wǎng)單相接地故障選線中的應(yīng)用[J],電網(wǎng)技術(shù)，2000，24(6)：9-14.

[3] 戴劍鋒，張艷霞.基于多頻帶分析的自適應(yīng)配電網(wǎng)故障選線研究[J]，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003,23(5)：44-48

[4] Chaari 0，Basted P Prony’s method：1t11 effect tool for the analysis ofearth fault currents in Petersen·coil—protected networks[J]．IEEE Trans PWRD，1995，10(3)