基于注入信號與小波能量的小電流接地故障選線研究

王建元，張崢

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

0 引 言

在我國3 kV～66 kV中低壓配電網(wǎng)中，其中性點一般選取不接地或者經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地方式。當出現(xiàn)最常見的單相接地故障(約占所有故障80%)，網(wǎng)絡(luò)線電壓依然對稱，故障零序電流甚小，故可帶故障運行1 h ～2 h。但為了避免故障進一步擴大，造成更為嚴重的兩相或者多點接地短路，必須盡快選出故障線路，排除故障。文獻[1]指出系統(tǒng)故障信號微弱，實際線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障情況多變，目前選線效果并不理想，因此如何精準快速的識別故障線路便成為我們研究的重點。

近年來，研究學(xué)者熱衷于利用小波變換良好的時頻特性對暫態(tài)分量進行精細分析，可以克服穩(wěn)態(tài)算法靈敏度低，受消弧線圈影響等問題，文獻[2-3]體現(xiàn)了小波工具在處理不規(guī)則、不穩(wěn)定、突變的暫態(tài)信號時擁有著出色的能力，但故障的暫態(tài)分量存在周期較短，提取困難等問題。文獻[4-6]提出故障發(fā)生后利用母線電壓互感器(PT)向網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)入特殊頻率(220 Hz)的信號，將能夠被信號探測器捕捉到的線路選為故障線路，但由于PT容量受限，入住信號能量較小，當存在較大過渡電阻時，健全饋線也會有分流的注入信號，導(dǎo)致探測器捕捉到多條線路無法進一步選線。文獻[7-8]提出一種基于HHT小電流接地故障選線與在線故障定位的方法，但實際應(yīng)用并不理想。

鑒于上述原因，提出利用小波工具對各條饋線中的注入信號進行低頻能量計算，通過比較能量的大小進行選線。在大量的仿真實驗過程中，考慮了可能影響選線結(jié)果的因素，例如故障點距離母線的長度，線路參數(shù)的大小，中性點的接地方式以及故障合閘角的大小等。充分利用提取的穩(wěn)態(tài)注入信號，克服了暫態(tài)分量存在時間短、難以提取的問題，并成功的解決了注入法在存在過渡電阻時信號分流無法選線的問題。

1 注入信號法

1.1 注入信號法原理

圖1 信號注入原理圖

當信號注入設(shè)備探測到以上電壓大小的改變后，鎖定出故障相A，然后迅速在A與N的線端中間自動接入信號發(fā)生源，因此，注入的特殊頻率信號通過繞組互感經(jīng)過圖1中虛線①、②的路徑流入大地，最后利用線路中的探測裝置即可選線。

1.2 注入信號頻率

為了不對配電網(wǎng)的正常運行造成過多影響，我們所注入信號的能量越小越好，但是配電網(wǎng)絡(luò)是一種高電壓、大電流的非線性強電系統(tǒng)，其中存在著大量的工頻及各次諧波信號，即便某些諧波含量較低，但它的能量也會遠遠大于注入信號的能量。因此，為了避免被網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在的信號所掩蓋，我們必須使注入信號具有特殊性、單一性，易于探測器的檢測。經(jīng)過綜合考量，為了保證選線結(jié)果不被工頻基波及其各次諧波所影響，選擇頻率在工頻N次和N+1次諧波之間的特殊電流信號作為注入信號。本文選取f=220 Hz的電流信號作為注入信號，由于利用小波工具分解信號所得到都低頻系數(shù)a對應(yīng)的頻率范圍在0 Hz ～312.5 Hz，所以在計算小波能量時只需計算各條線路的低頻能量即可。

2 小波能量法

2.1 小波變換簡介

小波變換(WT)是一種繼Fourier之后能夠通過縮放與平移來細分信號的多分辨率分析手段，對于處理復(fù)雜多變的局部信號方面，其擁有著優(yōu)越的時頻特性。利用傳統(tǒng)暫態(tài)小波變換法去解決配電網(wǎng)選線問題是因為在接地故障發(fā)生瞬間，系統(tǒng)饋線中的暫態(tài)零序電流具有非線性、不穩(wěn)定的特點，這種信號非常合適小波工具提取及細化分析。

小波變換是以多尺度分析(MRA)理論作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，滿足如下的雙尺度差分方程：

(1)

(2)

式中φ(t)為尺度函數(shù)；ψ(t)為小波函數(shù)；h(n)和g(n)為小波分解濾波器組系數(shù)。

為了能在各種范圍內(nèi)由粗至細，由輪廓到細節(jié)上洞察波形的特征，離散型小波函數(shù)通過塔式多尺度分析與快速重構(gòu)的馬拉特(Mallat)算法把原始函數(shù)進行變換，在此過程正如反復(fù)利用一組低通與高通的濾波器，得到輸入信號的低頻與高頻分量，各占信號頻帶的一半。采樣頻率在每次分解中縮短至原來的1/2，低頻分量被反復(fù)分解，得到一層又一層的低頻與高頻分量。

2.2 小波能量

3 仿真驗證

配電網(wǎng)發(fā)生單相電阻性接地故障的示意圖如圖2所示，此仿真模型為一所具有3條代表性饋線的110 kV/10 kV變電站，各條饋線正序、負序參數(shù)[9]如下：

架空線：R1=0.414 1 Ω/km，R0=0.564 1 Ω/km,

L1=1.079 mH/km，L0=7.392 4 mH/km,C1=10.74

nF/km，C0=4.209 nF/km;

電纜：R1=0.305 0 Ω/km，R0=0.453 23 Ω/km,

L1=0.305 3 mH/km，L0=6.672 7 mH/km,C1=196.2

nF/km，C0=196.2 nF/km。

其中將線路L1設(shè)置為15 km電纜線路;L2為20 km架空線路;L3為4 km電纜與6 km架空線的混合線路，變壓器采用Y/Yn接線[10]。饋線末端負荷的大小并不能影響選線結(jié)果，故全部選用ZL=300+j100 。

考慮中性點接地方式以及消弧線圈的補償作用對該方法選線結(jié)果的影響，將開關(guān)K跨接在變壓器低壓側(cè)中性點與消弧線圈之間，當開關(guān)K斷開時，表示中性點不接地系統(tǒng)，當開關(guān)K閉合時，表示諧振接地系統(tǒng)。消弧線圈電感LN的大小為：

(3)

式中fN為50 Hz工頻；l為系統(tǒng)線路的總長；C0為饋線的零序電容；v為失諧度，它的大小代表了不同的補償度，v=(IC-IL)IC。通過Simulink構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型，為了驗證該方法具有較廣泛的適用范圍，仿真過程中組合各種不同的故障情況，故障時刻統(tǒng)一設(shè)置為0.05 s，選線結(jié)果如表1所示。

圖2 配電網(wǎng)單相接地故障示意圖

故障線路R/Ωθ/(°)補償方式X/kmE1E2E3結(jié)果2545過補償5%5261 985183正確2000欠補償5%21134522正確1 00090不接地1031662正確150不接地0.54 384415213正確20060過補償5%1.526310412正確1 00090欠補償5%2147132正確3590欠補償5%8199113 198正確20030不接地35117188正確1 0000過補償5%137789正確

在系統(tǒng)模型發(fā)生故障的同時，向網(wǎng)絡(luò)中注入f=220 Hz能量較弱的低頻電流信號，通過設(shè)置在各條饋線上濾波器的提取，利用db5小波工具對其進行變換得到對應(yīng)的低頻系數(shù)a1～a5，并計算出低頻能量，比較三條線路穩(wěn)態(tài)低頻能量E的大小，能量較大的選作為故障線路。由表2可知，選線結(jié)果均正確，成功解決了當存在過渡電阻時傳統(tǒng)注入法存在信號分流無法選線的問題，同時也克服了暫態(tài)方法存在的難題，該方法不受故障合閘角、補償類型、故障距離的影響，并具有一定的抗過渡電阻能力，可靠性高，能夠準確選擇出故障線路，但隨著過渡電阻的增加，各條線路所計算出的低頻能量也在隨之減小，且它們之間的能量大小也越來越接近。

4 算法適應(yīng)性分析

4.1 抗干擾能力

在實際的配電網(wǎng)故障情況中，往往存在一定的噪聲干擾，在此情況下，該方法仍然可以選擇出故障線路。向注入信號中疊加平坦的白噪聲，其訊噪比設(shè)為25 dB，在不同合閘角及補償度的情況下饋線2距離母線1 km處發(fā)生單相接地故障，接地電阻200 Ω，選線結(jié)果見表2。

表2 噪聲干擾下的選線結(jié)果

4.2 抗過渡電阻能力

以架空線路為例，當饋線2發(fā)生低阻性接地，其過渡電阻50 Ω，合閘角0 Ω，過補償5%，接地點距離母線5 km，故障時刻設(shè)在0.05 s，仿真過程中各線路注入電流波形如圖3所示。

圖3 饋線2低阻50 Ω接地時各饋線注入電流波形

對圖3中提取的各條饋線1 s ～2 s穩(wěn)態(tài)注入電流進行小波變換，將低頻系數(shù)通過公式計算得到各線路小波能量E，結(jié)果如圖4所示。當發(fā)生接地電阻為50 Ω的單相故障時，選線成功。

當饋線2發(fā)生高阻性接地，過渡電阻1 500 Ω，合閘角30 Ω，中性點不接地，接地點距離母線3 km，故障時刻設(shè)在0.05 s，仿真過程中各線路注入電流波形如圖5所示。

圖4 各饋線穩(wěn)態(tài)低頻小波能量

圖5 饋線2高阻1 500 Ω接地時各饋線注入電流波形

由于過渡電阻過高，造成健全饋線1中的注入信號能量高于故障線路2，選線失敗，如圖6所示。由此可知，該方法針對于架空線路雖然具有一定的抗過渡電阻能力，但當接地電阻過高時失效。

圖6 各饋線穩(wěn)態(tài)低頻小波能量

為了解決這一問題，我們可以選擇通過比較各條饋線所提取注入電流的相位的方法進行選線，如圖7所示。

圖7 各饋線注入信號相位對比

5 結(jié)束語

在分析注入法與小波能量法選線原理基礎(chǔ)上，提出了將兩者結(jié)合的選線新方法。通過對各條饋線中220 Hz穩(wěn)態(tài)注入信號的低頻能量計算、分析及比較成功解決了高阻性接地系統(tǒng)注入信號分流的無法正常選線問題，并克服了已往小波能量對于暫態(tài)能量計算時，暫態(tài)信號存在時間短，難以提取等問題。通過搭建系統(tǒng)模型，針對各種不同故障情況進行了大量的仿真實驗，驗證該方法不受合閘角、故障點距母線距離、補償方式等因素的影響，并對其進行了抗干擾及抗過渡電阻能力的適應(yīng)性分析，可以準確選線。