基于希爾伯特-黃的配電網單相接地故障選線方法

時雅婷*

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基于希爾伯特-黃的配電網單相接地故障選線方法

時雅婷*

(安徽理工大學電信學院，安徽淮南，232001)

近年來，配電網的網絡拓撲結構隨著不斷變多的分布式電源的加入而變得越來越復雜。本文針對10KV的小電流接地系統，研究一種基于HHT的含分布式電源的配電網單相接地故障選線方法。本文的主要思想是在提取處理復雜故障信號后，利用奇異值檢測法選出故障線路，然后再通過搭建Matlab仿真模型，分析仿真結果，進一步驗證所提算法的自適應性、準確性以及可靠性。

分布式電源；故障選線：奇異值檢測法

引言

配電網中大多采用6-35kv的小電流接地系統。在整個電力系統中，配電網故障發生概率最大，其原因有兩方面，其一，其線路布線復雜，又多置于野外露天環境；另外，近些年的配電網中又逐漸有分布式電源(distributed generation，簡稱DG）加入其中，導致其網絡拓撲變得比之前更復雜。而配網故障中，80%為單相接地短路故障，此種故障的故障電流很小，故障信息提取困難，一直是配電網故障選線、定位的重要難題[1]。發生單相接地故障時，系統仍能運行1-2h，這種電力要求，需要盡快準確找出故障線和位置，但是基于傳統的開關量矩陣算法難以滿足這種電力要求，除此之外大多數人工智能算法的收斂速度偏低，相較于此，本文所提出的Hilbert-huang變換(HHT)優勢明顯，可以自適應的處理各種復雜信號[2-5]。本文在Matlab中進行仿真分析，驗證其可行性及準確性[6]。

1 Hilbert-Huang變換和EMD

1.1 EMD

經驗模態分解(EMD，empirical mode decomposition )提出了固有模態函數（Intrinsic Mode Function，簡稱IMF）概念，其實質就是對一個信號進行平穩化處理，處理后所得結果是由信號在不同尺度的波動分解得到的一系列具有不同特征尺度的數據序列的和，其中的每一個序列就稱為一個IMF，且每個IMF隨信號自身變化而變化。因此，EMD能根據自身信號特點自適應的分析信號。它有兩個作用：?可以使波形更對稱；?去除疊加波形。

對一個復雜信號 x(t) 進行EMD 分解的具體步驟是:

（1）首先確定任一復雜信號 x(t) 上的所有極大值點xmax(t)和極小值點xmin(t)。然后將所有極大值點和所有極小值點分別用一條光滑的曲線聯接起來使兩條曲線間包含所有的信號。將這兩條曲線分別作為x(t) 的上、下包絡線；

（2）計算上、下包絡線的平均值曲線

（3）令h(t)=x(t)-m(t)，檢測h(t)是否滿足IMF的兩個條件，即:

?①整個信號中零點數與極點數必須相等或最多相差卜多于一個；

?②信號上任意一點由局部極大值點確定的包絡線和由局部極小值點確定的包絡線的均

值均為零，即信號關于時間軸局部對稱

如果不滿足上述兩個條件，則把h1(t)當做一個待處理信號，重復上述步驟，直到將h1(t)分解為第一個IMF，此時令

（4）從 x(t) 中分解得到第一個I1(t)后，其剩余值序列r1(t)為

重復上述步驟，直到得到第二個IMF信號I2(t)，第三個IMF信號I3(t)......當剩余信號r(t)變成一個單調函數或者一個常數時，停止篩選。該篩選過程終止準則為

式中T——信號的時間跨度：

hk-1(t)、hk(t)——篩選固有模態函數分量過程中的兩個連續處理結果相對應的時間序列。

由能量守恒定理可知，任一個實信號x(t)都能分解為n階IMF分量與最終得到的殘差rn(t)的和，而且此時的殘差與原信號具有一樣的趨勢，其表達式為

1.2 Hilbert變換

設X(t)為一時間序列,Y(t)是其Hilbert變換,即

EMD先將含有諧波的復雜故障電流信號分解成IMF的和，然后用Hilbert變換，提取線路故障瞬時幅值、相位。篩選出IMF分量中的最高頻率；計算其極值點；它可以反映出故障暫態過程的主要信息，改善時間軸上的信號奇異點，檢測故障線路的極性。通過上述選線方法的理論分析，可以知道，當發生單相接地故障時，小電流接地系統處于信號奇異點，故障線路和非故障路線極性相反，這種判別方法避免了故障時由故障電流振蕩引起的故障方向錯誤。

2 仿真

如圖1所示，線路1、2分別發生單相接地故障，先判斷故障時，線路是否接有DG，分析此時的故障信號，再進行選線[7]。

圖1 含DG的配電網系統

建立上圖10KV配電網的Matlab仿真模型。其中設置電源容量為100MVA，降壓變壓器：變比為10.5/0.69，DG容量為2MW，負載Y型連接，功率為1MW、2MW，3MW，表1為各線路參數。

表1 配電網線路相關參數

在不同的故障切換角、過渡電阻、消弧線圈的補償程度及故障測距條件下，對小電流接地系統進行了大量仿真，并分析了HHT對故障線路和改善線路電流時的作用，找出故障線路。L2、L3各自的故障仿真結果顯示，故障時DG主要給系統提供正序、負序電流，零序分量很小。表明線路是否接有DG，基于HHT對故障時零序電流的奇異值檢測都能實現故障選線。如圖2所示，故障線路L2的極性明顯與L1、L3相反，表明故障在L2上。

圖2 L2故障

本文通過對單相接地故障分析表明，在小電流接地故障發生時，對暫態零序電流信號做Hilbert huang變換，由圖2可以看到，波形差異更明顯。結果表明，故障暫態電流幅值總是比故障點電流幅值大。因此，這種方法不受故障的條件和接地方式的影響，暫態量克服了穩態信號小幅度不利于故障檢測的問題，從而可以準確可靠地配電。

這種方法一方面適用于較大的故障暫態電流，克服小電流穩態時故障難以檢測，選線困難的情況。當故障角度小，線路高頻暫態電流也小，EMD可以自適應濾除高頻干擾電流，根據故障線路低頻電流單調性進行判斷 ; 而當故障角較大，由于高頻振蕩波的基數較大，波形相對對稱，故障特征明顯，故障方向很容易判斷。另一方面，也克服電流互感器不僅易飽和且在一個周期內易發生單相接地故障的問題。

3 結束語

通過仿真，驗證了DG并網后，零序分量故障前后變化不大，故將HHT的奇異值檢測法應用到含DG的配電網單相接地故障選線中，通過小電流接地系統的故障暫態過程分析，本文提出了基于HHT的改進算法，它不依賴于配電網結構，能自適應地分解故障特征，也可以過濾低頻分量，避免不確定性的高頻干擾可能產生的誤差，提高選線精度。算法自身所需數據量不多，具有很好的自適應性，選線快速準確，可靠性高，且經濟靈活，仿真結果表明本文所述方法的可行性，為了優化配電網自動化選線提供可行方案。

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Single - Phase - to - Ground Fault Line Selection Method of Distribution Network Based on HHT

SHI Yating*

(Anhui University of Science and Technology, Anhui Huainan, 232001, China)

In recent years, the network topology of distribution network becomes more and more complex with the addition of more and more distributed power supplies. In this paper, a method of Single - phase - to - ground fault line selection for a small current grounding system based on 10KV distribution network is proposed, which is based on HHT. The main idea of this paper is on the extraction of complex fault signal, using the singular value method to detect the fault line, and then by building Matlab simulation model, simulation results verify the proposed algorithm, adaptive, accuracy and reliability.

distributed generation; fault line selection; singular value detection method

時雅婷. 基于希爾伯特-黃的配電網單相接地故障選線方法[J]. 數碼設計, 2017, 6(5): 63-64.

SHI Yating. Single - Phase - to - Ground Fault Line Selection Method of Distribution Network Based on HHT[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 63-64.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.026

TM733

A

1672-9129(2017)05-0063-02

2017-01-21；

2017-03-01。

時雅婷（1992-），女，安徽肥東人，在讀碩士研究生，研究方向為電力系統監測。E-mail:1940589124@qq.com