基于模極大值理論的配電網(wǎng)接地保護(hù)研究

2017-02-25 15:24:04 大云網(wǎng)　點(diǎn)擊量：評論 (0)

摘要：針對配電網(wǎng)單相接地故障選線困難的問題，應(yīng)用小波變換模極大值理論，對故障后的電氣量進(jìn)行分析，反應(yīng)零序電流的突變情況，根據(jù)其在各條線路上的極性和大小的不同變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)故障選線。判據(jù)采用做內(nèi)積的

摘要：針對配電網(wǎng)單相接地故障選線困難的問題，應(yīng)用小波變換模極大值理論，對故障后的電氣量進(jìn)行分析，反應(yīng)零序電流的突變情況，根據(jù)其在各條線路上的極性和大小的不同變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)故障選線。判據(jù)采用做內(nèi)積的方法，在對含有誤差的信號進(jìn)行處理時(shí)具有良好的容錯(cuò)性，因而能夠獲得更高的選線精度。該方法適用于小接地電流系統(tǒng)的各種中性點(diǎn)運(yùn)行方式，并且現(xiàn)場安裝簡單、不需要定值整定。EMTP仿真結(jié)果表明，該方法是有效的、可靠的。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng) 故障選線小波變換奇異性檢測

　　1 引言

　　單相接地電弧能夠自行熄滅的中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)稱為小接地電流系統(tǒng)[1]，主要以中性點(diǎn)不接地、經(jīng)高阻接地及經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的形式出現(xiàn)。我國3～60kV的配電網(wǎng)通常都屬于小接地電流系統(tǒng)。

　　小接地電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，電源與故障點(diǎn)之間并不形成低阻抗回路，短路電流很小，同時(shí)線電壓仍然保持對稱，不影響對用戶的連續(xù)供電，所以不必立即跳閘，規(guī)程規(guī)定可以繼續(xù)運(yùn)行1～2個(gè)小時(shí)。但是，為了防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，必須及時(shí)、準(zhǔn)確地選出故障線路，并且予以切除。

　　為解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入而廣泛的研究，提出了基于穩(wěn)態(tài)分量、暫態(tài)分量及外施影響的多種選線方法（例如：比幅、比相法，諧波法，補(bǔ)償法，零序?qū)Ъ{法，功率法；首半波法，能量法，譜功率法，小波法；拉路法，殘余電流增量法，注入信號法）[2]，并開發(fā)出了相應(yīng)的保護(hù)裝置，先后推出了幾代產(chǎn)品。然而迄今為止，此類裝置在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中的效果仍然不能令人滿意。

　　本文提出應(yīng)用小波變換模極大值理論，找出故障后電氣量的變化特點(diǎn)，并把與之相對應(yīng)的模極大值作為特征量來分析，建立出簡單、可靠的選線判據(jù)。大量的EMTP仿真數(shù)據(jù)表明，該方法是正確的、可靠的。

　　2 基本原理

　　通過對小接地電流系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的零序電壓、電流進(jìn)行奇異性檢測，可以確定出它們在故障后突變部分的極性和大小，比較其在各條出線上的不同變化情況，可以識別出故障線路。

　　我們將無限次可導(dǎo)的函數(shù)稱為光滑的或沒有奇異性，若函數(shù)在某處有間斷或某階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，則稱其在此處有奇異點(diǎn)。奇異性檢測就是要將信號的奇異點(diǎn)識別出來并判斷其奇異程度。數(shù)學(xué)上，通常用Lipschitz指數(shù)來刻畫信號的奇異性[3]。由于小波變換極大值在多尺度上的表現(xiàn)與Lipschitz指數(shù)之間存在對應(yīng)關(guān)系[4]，這為通過小波變換檢測信號奇異點(diǎn)并區(qū)分奇異點(diǎn)提供了依據(jù)。即小波變換后的模極大值能夠反應(yīng)接地故障的某些特征，所以本方法利用此理論實(shí)現(xiàn)故障選線。

　　2.1 小波函數(shù)的選取

　　小波函數(shù)在理論上有無限多種，由其引出的小波基所具有的性質(zhì)也各不相同，可以滿足各種問題的需要。但對同一個(gè)信號利用不同的小波基進(jìn)行處理，取得的效果并不相同，甚至差異較大。所以為了得到令人滿意的結(jié)果，就必須對小波函數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x取。雖然目前還沒有一個(gè)成熟的方法來選擇在解決具體問題時(shí)所需的最佳小波函數(shù)，但通常的做法是把各種小波函數(shù)分類，并總結(jié)出每類小波函數(shù)的性質(zhì)和特點(diǎn)，結(jié)合要解決的問題來確定使用哪一類，并在該類中進(jìn)行試驗(yàn)比較來確定使用哪一個(gè)小波函數(shù)[5]。

　　如上所述，針對小接地電流系統(tǒng)故障選線的具體問題：為了減小頻譜的泄漏和混疊，要求小波函數(shù)具有好的頻域特性。dbN小波系是工程上應(yīng)用較多的小波函數(shù)，這一小波系的特點(diǎn)是隨著序號N的增大，時(shí)域支集變長，時(shí)間局部性變差；同時(shí)，正則性增加，頻域局部性變好。但是當(dāng)N增大到10以后，dbN小波在頻域內(nèi)的分頻表現(xiàn)與N為10時(shí)很接近。

　　綜合考慮在時(shí)頻兩域內(nèi)進(jìn)行分析的需要，并結(jié)合故障選線問題的特點(diǎn)，通過采用幾種小波進(jìn)行多次仿真計(jì)算，證明使用db10小波可以得到較為理想的結(jié)果。所以本文選用db10小波，其尺度函數(shù)和小波函數(shù)的波形分別如圖1（a）和（b）所示。

　　2.2 選線判據(jù)

　　首先，對各出線上零序電流在故障前一個(gè)周波和故障后三個(gè)周波內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，得到相應(yīng)的一組模極大值，其中n表示線路編號，i表示出現(xiàn)摸極大值的序號。然后，任意選定一條出線作為參考線路，將其上零序電流的小波變換模極大值組分別與其它線路上的零序電流的小波變換模極大值組做內(nèi)積，并把這一內(nèi)積結(jié)果作為一種測度，用S來表示。

　　式（1）中，j是被任意選定的那條參考線路的編號；k是剩余線路的編號，即k = 1，2，… n，且k ≠ j；n是總的出線數(shù)目；m是模極大值的個(gè)數(shù)。

　　這樣，就可以建立如下的選線判據(jù)：

　　（1）若Sjk不同時(shí)大于零或小于零，則使成立的線路是非故障線路；而使成立的線路是故障線路。

　　（2）若Sjk同時(shí)小于零，則線路j為故障線路。

　　（3）若Sjk同時(shí)大于零，則為母線故障。

　　2.3 選線判據(jù)的說明

　　首先，由于小波變換自身算法上的原因，在變換過程中會把數(shù)據(jù)窗的右邊界當(dāng)成突變點(diǎn)，使得各尺度分量在右邊界附近會出現(xiàn)較大值，這就是小波變換的邊界效應(yīng)。為了克服邊界效應(yīng)給選線帶來的不利影響，只取前兩個(gè)周波內(nèi)的摸極大值做內(nèi)積。

　　其次，做內(nèi)積的實(shí)質(zhì)是在進(jìn)行極性比較。幅值大的模極大值在比較過程中有利，結(jié)果可靠；而幅值小的模極大值在比較過程中就會有容易受誤差的影響，以至于得到錯(cuò)誤結(jié)論。通過做內(nèi)積的辦法，就相當(dāng)于使幅值大者的比較結(jié)果在測度中占有高權(quán)重，而幅值小者的比較結(jié)果在測度中占有低權(quán)重。這樣就在很大程度上克服了誤差的影響，從而提高了選線精度。

　　再次，小波奇異性檢測反應(yīng)的是信號的奇異性，不要求信號是躍變的[6]。所以，盡管本方法使用暫態(tài)過程中的數(shù)值來分析，但是在相電壓過零附近發(fā)生單相接地，本方法仍然有效。

　　另外，因本方法是基于暫態(tài)分量的選線方法，所以在實(shí)際使用中，雖然可以瞬時(shí)選出接地線路，但是為了區(qū)分瞬時(shí)性故障和永久性故障，還需要判斷一個(gè)延時(shí)后故障是否仍然存在，才決定是否執(zhí)行跳閘操作。

　　3 仿真分析

　　對某個(gè)35kV的輻射狀小接地電流系統(tǒng)（如圖2所示）在中性點(diǎn)運(yùn)行方式為經(jīng)消弧線圈接地時(shí)進(jìn)行仿真分析。順便指出，本方法對中性點(diǎn)不接地、經(jīng)高阻接地系統(tǒng)同樣適用。

　　假設(shè)距線路4始端24公里處于0.315秒時(shí)A相發(fā)生接地，以過渡電阻為1歐姆、采樣率為10 kHz為例，按照前邊所述方法實(shí)現(xiàn)選線。限于篇幅，僅給出線路2（正常線路）和線路4（故障線路）的分析波形，如圖3、4、5所示。

　　這里選定線路1為參考線路，線路2、3、4、5上零序電流的模極大值測度分別為351.1、540.7、-1200.5和216.8，根據(jù)上述判據(jù)可知線路4為故障線路。

　　為了便于比較，在過渡電阻、采樣率以及參考線路都同前的情況下，采用此方法對圖2所示系統(tǒng)分別做短線路近端、短線路遠(yuǎn)端、長線路近端、長線路遠(yuǎn)端及母線接地時(shí)的仿真分析，所得的小波變換模極大值測度列于表1。由于線路1是參考線路，其測度是與自身的小波變換模極大值做內(nèi)積的結(jié)果（必然是正數(shù)），故該線路的小波變換模極大值測度不需要算出來，表中用“＋”表示。這樣，按照前述選線判據(jù)分析這些數(shù)據(jù)，都能夠非常準(zhǔn)確地選出故障線路。

　　還是以圖2所示系統(tǒng)為例，在采樣率仍為10 kHz，而過渡電阻增大到2000歐姆、參考線路變?yōu)槌鼍€2的情況下，進(jìn)一步檢驗(yàn)該方法，所得仿真數(shù)據(jù)示于表2。其中的數(shù)值，一方面說明參考線路是可以任意選定的，同樣都能夠得到正確的選線結(jié)果；另一方面說明本方法抗過渡電阻的能力非常強(qiáng)。

　　4 結(jié)論

　　由于本方法取用故障點(diǎn)附近幾個(gè)周波的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)選線，此時(shí)電氣量的變化通常很明顯，特征量幅值較大，所以具有很高的選線精度。同時(shí)，小波奇異性檢測反應(yīng)的是信號的奇異性，不要求信號是躍變的。所以，即使在相電壓過零附近發(fā)生單相接地，暫態(tài)過程不明顯的情況下，本方法仍然有效。

　　選線判據(jù)中采用做內(nèi)積的方法，實(shí)質(zhì)是在進(jìn)行優(yōu)化的極性比較，對含有誤差的信號具有良好的容錯(cuò)性，而且不需要設(shè)置閥值。不論是中性點(diǎn)不接地、經(jīng)高阻接地還是經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，本方法都適用。在系統(tǒng)不同位置、經(jīng)不同過渡電阻接地的情況下，所得到的選線結(jié)果也都很精確，可見，此方法具有很強(qiáng)的魯棒性。

　　需要指出，本方法適用于母線上至少有三條出線的情況，而在只有兩條出線的時(shí)候?qū)А?/div>

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