基于波形畸變熵的小電流接地系統高阻故障接地選線方法

國網新疆電力有限公司昌吉供電公司 馬金財 何 龍 朱詠明 安徽正廣電電力技術有限公司 劉 俊

我國中低壓（6～66kV）配電網絡接地方式多為諧振接地、不接地或高阻接地，當系統發生接地故障，故障電流較為微弱，尤其是當接地點故障電阻較高時，故障特征不明顯，為確定故障線路帶來了困難，然而，準確辨識故障線路是繼電保護動作的依據，為此，對故障線路進行辨識并采取下一步的保護動作不僅能夠及時排除故障，還能夠防止造成進一步的危害。此外，單相接地故障長期運行會產生惡性事故，給企業帶來嚴重的經濟損失，造成相當惡劣的社會影響。因此，探尋解決中性點非有效接地電網故障選線難題的理論，研究高靈敏度、高可靠性的選線方法，對提高配電網的供電安全性，保證工礦企業的安全生產，具有重要的理論意義和很強的使用價值[1]。

1 小電流接地系統發生單相金屬性接地故障

1.1 小電流接地系統故障危害

目前，針對小電流接地系統接地故障的線路辨識方面，國內外研究者做出了大量的研究，所提方法大致可以分為暫態量選線法和穩態量選線法。其中，穩態量選線法主要有接地監視法、有功分量法、5次諧波分量法、殘留增量法、負序電流法、零序導納法等。暫態量選線法主要有首半波法、能量法、小波分析法、Prony 法等。上述方法一般是利用故障時電氣參量的特征值作為辨識故障線路的依據，如利用諸如接地故障時零序電壓、工頻電容電流的大小及方向、零序電流有功分量、接地時5次諧波分量、暫態分量首半波等。不過，上述特征在中性點不接地系統運行方式下，故障經高阻接地時，多面臨信號微弱、受干擾大等的問題而造成了選線不準確問題[2]。

有鑒于此，提出一種利用故障信號暫態波形畸變熵對接地故障進行選線的方法，利用PMU 所提供的故障信息電測量數據，針對故障時線路電壓電流波形特征建立了畸變熵指標，指標放大了原本微弱的故障特征，并具有較強的抗干擾性，利用ATP仿真驗證了所提方法有效性[3]。

1.2 金屬接地故障機理

小電流接地系統如圖1所示。

圖1 小電流系統接地故障示意圖

系統沒有發生故障時，每一相都會有對地的電容C0。正常運行情況下，三相的電流之和為0，三相的相對地電壓都相等。假定A 相發生了單相接地故障，對故障信號進行采樣得到時間序列x(t)，可表示如下，考慮到5次諧波最為突出，為此以5次諧波為主：

式（1）中，Xmn為5次倍頻分量幅值；α5為5次諧波正弦分量的幅值；b5為5次諧波余弦分量的幅值；α5為t=0時刻該分量的相角。據此得到系數如下：

其中，ω1為基頻分量角頻率；T 為基頻分量周期。提取故障信號暫態分量當中的故障特征可以利用全波傅里葉算法進行分析。全波傅里葉算法的基本原理是將周期函數分解為正弦和余弦分量，用于微機保護中計算基波分量和倍頻分，是針對周期函數、相對來說比較普遍的一種算法，假定被采樣信號是一個周期函數,除基波外還含有不衰減的直流分量和各次諧波。

可得故障信號的相角與輸入信號的幅值如下。

式（6）中，P=ω/ω1為諧波次數，ω1為基波角頻率，當存在故障時，對線路電壓采樣，得到第k 個采樣點的值為：

定義波形畸變熵如下式：

式（8）中，I(n),U(n)分別為電流電壓在系統正常運行時的各次諧波分量；I＇(n)，U＇(n)分別為故障情況下的電流電壓各次諧波分量。取合適的C1和C2，可以使上式兩個計算值位于[0,1]之間。

當系統發生了接地故障，接地故障所在線路的電壓電流波形發生的畸變可以通過式（8）所定義的諧波畸變熵表征出來，正常線路的Hi,Hv接近于0，故障線路的熵值接近于1。

2 算例分析

利用ATP-EMTP 平臺搭建輻射狀配電網，如圖2所示。主變T 變比為110/10kV，YY 型接線，額定容量31.5MVA，空載損耗31.05kW，短路損耗190kW，空載電流0.67%，短路電壓10.5%，系統出線L1～L4由架空線路和電纜線路組成。

圖2 輻射狀配電網系統

圖2中，電力線路采用自動計算參數的架空線路/電纜模型(LCC)來模擬。負荷阻抗統一采用ZL=400+j20Ω。仿真模擬不接地系統發生單相接地故障情況，當接地電阻為1Ω 時，部分結果如圖3所示。

圖3 接地故障時中性點電壓和故障電流

調整接地過渡電阻， 分別取1Ω，10Ω，50Ω，100Ω，200Ω，250Ω，得到不同故障下中性點電壓和故障電流，利用波形比對的方法將其與標準波形進行比較，計算波形畸變熵，結果見表1。

表1 不接地過渡電阻下故障信號波形畸變熵

由表1可見，利用所提波形畸變熵能夠在接地電阻低于250Ω 的情況下，很好地指征故障線路，并與正常線路有所區別，證明了方法的有效性。

調整中性點接地方式，改變為諧振接地和高阻接地方式，兩種方式下的中性點電壓和故障點電流波形如圖4所示。

過渡電阻取值仍然為1Ω、10Ω、50Ω、100Ω、200Ω、250Ω，得到不同故障電阻下中性點電壓和故障電流。利用波形比對的方法將其與標準波形進行比較，計算波形畸變熵，結果如圖5所示。

圖5 不同接地方式下故障信號波形畸變熵

由圖5可見，采用波形畸變熵，對于諧振接地和高阻接地兩種不同方式下，在發生單相接地故障時，對故障線路和非故障線路進行畸變熵計算，仍然具有非常明顯的區別，a 機故障線路的畸變熵大于0.5，而非故障線路的畸變熵低于0.5，即使在不同的過渡電阻影響下，這種區別仍然存在且明顯，表明所提方法在不同接地方式下均不受過渡電阻的影響，能夠準確區分故障線路和非故障線路，說明了方法的普適性。

3 結語

利用接地故障時PMU 監測得到的故障信號中諧波含量較為豐富的特征，提出波形畸變上的辨識和表現，通過仿真驗證了方法對不同電阻接地故障均能準確辨識，如果再配上完善的配電自動化裝置，結合本文算法，有望提高檢測故障線路的準確性，為線路絕緣狀態監測和預警提供更有力的依據，也可提高電網的供電可靠性。