專利名稱：基于暫態零序電流的配電網單相接地故障自適應選線方法
技術領域：
本發明涉及配電網繼電保護領域，特別涉及一種基于暫態零序電流頻率分布 的配電網單相接地故障自適應選線方法。
背景技術：
我國3 66kV配電網均釆用中性點不直接接地方式，因其發生接地故障時，流過接 地點的電流小，所以被稱為小電流接地系統(NUGS)。它包括中性點不接地系統(NUS)， 中性點經消弧線圈接地系統(NES，也稱諧振接地系統)和中性點經電阻接地系統(NRS)。 小電流接地系統發生單相接地故障并達到穩態以后，非故障線路只流過本身的對地 電容電流，數值很小，該電流可由零序電流互感器測出；故障線路流過所有非故障線路 電流的總和，數值也不大，該電流也可由零序電流互感器測出；非故障相電壓會升高為 線電壓，長時間帶故障運行極易產生弧光接地，形成兩點或多點接地短路，還會引起全 系統過電壓，進而損壞設備，破壞系統安全運行，所以必須盡快找到故障線路予以切除。 然而小電流接地系統特別是中性點經消弧線圈接地系統(NES，也稱諧振接地系統)， 在發生單相接地后，由于故障穩態后的故障特征不明顯，使得迅速、準確地選出接地故 障線路有一定的難度，小電流系統單相接地故障選線一直是繼電保護領域未徹底解決的 一個難題。
在我國，從1958年起就一直對此問題進行研究，提出了多種選線方法，并開發出 了相應的裝置。選線原理根據是否利用故障電流可分成兩類第一類包括①首半波法 [21; 零序電流相位比較法131;③零序有功功率方向原理W; 五次諧波原理'51;⑤ 群體比幅比相原理[61;⑥零序五次諧波電流比幅比相法W;⑦能量法m;⑧最大A (Isincp)原理81; (1)零序導納法[91()1等；第二類包括①拉線法；②注入信號跟蹤 法[161|171等。但是這些方法均有各自的局限性，在實際運行中的選線結果并不能令人 滿意。這主要是因為小電流接地系統的重要特征就是故障電流穩態分量幅值小，無 論是諧波分量還是基波分量，都容易被干擾信號所淹沒；二次側的零序電流又容易 受到零序CT(電流互感器)中的不平衡電流的影響；接地點的過渡電阻和非線性特 性(如間歇電弧接地)影響接地電流的大小和進入穩態的時間；這一切給信號的檢 測和選線判斷造成困難。注入信號跟蹤法，雖然接線簡單，不須零序CT回路，但 由于注入信號大小及方法的限制一般主要用于10KV及以下電壓等級系統，注入信 號易被線路對地電容吸收，在中性點經消弧線圈接地系統中注入信號也易被消弧線圈
所吸收，另外，探頭靈敏度和可靠性易受.各種外界因素影響，再者綜自站及無人值 守站的使用有些不便。
小電流接地系統單相接地時，接地電容電流的暫態分量往往比其穩態值大幾倍 到幾十倍，顯然利用提取暫態信號中的特征分量能夠顯著提高故障選線的精度，小 波理論的出現為其暫態信號的提取提供了有力的手段。小波變換作為一種新的時頻分 析工具，通過小波函數的伸縮和平移產生可變的時頻窗，使其在暫態和非平穩信號分析 方面具有獨特的優越性。另外，小電流接地系統的單相接地故障選線裝置不要求像中性 點直接接地電網單相接地短路保護那樣瞬時動作，可以帶有一定的延時動作，這為小波 的應用提供了條件。近年來，國內外文獻DU2'"'"'^中提出了一些利用小波(小波包) 變換提取配電網單相接地時的暫態特征量以實現故障選線的新方法。文獻[14]中，利用 小波變換將故障暫態電流分解，然后根據故障線路和非故障線路小波分解結果的相位和 大小的不同來實現故障選線。但由于該方法對于高頻序列沒有進行再分解，不利于高頻 帶的深層分析，而暫態量中高頻成分又占很大比重，這使得該方法選線的可靠性降低。 文獻[15]中利用小波包的分頻特性，先選擇暫態零序電壓能量比較集中的頻段，然后求 出各線路暫態零序電流在該頻率段下的小波包分解結果，通過對它們極性和大小的比較 來實現故障選線。這雖然解決了小波分頻不細的問題，但由于暫態量的頻率成分和大小 受網絡參數、故障時刻等多種因素的影響，不同線路的暫態量的頻率分布也不總是完全 一致的，因此，有的情況下要選擇一個各線路暫態量都比較集中的頻率段進行選線是十 分困難的。
因此，針對配電網單相接地故障的自身特點以及對繼電保護的要求，需 要研究性能更佳具有廣闊.的應用前景和實用價值的故障選線方法。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的缺陷，更有效地利用故障暫態過程中包含的信息， 提出了一種基于暫態零序電流頻率分布的配電網單相接地故障自適應選線方法，進行配 電網單相接地的故障選線，本發明采用如下的技術方案
一種基于暫態零序電流的配電網單相接地故障自適應選線方法，按下列步驟執行
(1) 實時對母線零序電壓和各條線辟的零序電流進行釆集，對采集到的零序電壓進行 有效值計算，并不斷與整定值進行比較， 一旦零序電壓大于整定值，則判斷有線 路發生單相接地故障；
(2) 用db小波對各線路故障前后各一周的零序電流進行四層分解，得到各個子頻段的 分解系數；
(3) 按公式<formula>formula see original document page 4</formula>計算各個子頻段的能量，其中最大者就是能量最集中的頻
段，式中^"(")為小波包分解第(J;A)子頻段下的系數；
(4) 選取每條線路能量最集中的頻段即特征頻段進行單枝重構；
(5) 將各線路重構信號中零序電流瞬時值與其它線路對應瞬時值進行符號比較，如果 與其它線路不同則給計數器加1，比較完所有采樣點后，得到計數器值最大的線路;
(6) 特征頻段為(4， 0)的線路再進行一次自身重構數據的符號比較，若符號統一的 點占60%以上，且與其他線路計數器的值相差不超過5，則該線路判為故障線路； 否則將步驟(5)中確定的計數器值最大的線路判為故障線路。
本發明具有如下的技術效果
1. 由于暫態量的頻率成分和大小受網絡參數、故障時刻等多種因素的影響，不同線路的 暫態量的頻率分布也不總是完全一致的，因此，有的情況下要選擇一個各線路暫態量 都比較集中的頻率段進行選線是十分困難的。基于暫態零序電流頻率分布的配電網單 相接地故障自適應選線方法自適應地選擇在故障暫態特征最明顯的頻段下進行分析 和比較，因而能夠更加有效地利用故障暫態過程中包含的信息，不會出現因干擾和測 量誤差而導致故障特征被湮沒的情況，可以大大提高故障選線的可靠性。
2. 本方法采用小波包對暫態電容電流進行分解，解決了小波分頻不細的向題，利用db
小波包進行四層分解，選線頻帶寬度為125Hz，既達到良好的選線效果，又易于實現。
3. 本發明利用暫態電容電流、選擇在故障暫態特征最明顯的頻段下進行選線，從原理上 看，選線結果不受中性點是否接有消弧線圈、輸電線路長度、過渡電阻大小、負荷、 短路點位置以及故障時刻等多種參數的影響。
4. 配電網在相電壓過零點附近發生單相接地故障情況下，現有的選線方法大多存在"選 線死區"。本發明通過比較各線路零序電流中直流分量和基頻分量的重構信號的大小 實現了無死區的故障選線。
5. 我國的配電網龐大，大型的工礦企業眾多，加上接地選線又一直是配電網繼電保護的 .薄弱環節，本發明專利有利于改善配電網接地保護的性能，實現無死區的故障選線。
圖l本發明的配電網單相接地故障自適應選線方法流程圖。
具體實施例方式
本發明提供的選線方法，針對故障后各線路暫態電容電流頻率分布的不同情況，自 適應地選擇在故障暫態特征最明顯的頻段下進行分析和比較，因而能夠更加有效地利用 故障暫態過程中包含的信息，不會出現因干擾和測量誤差而導致故障特征被湮沒的情況， 可以大大提高故障選線的可靠性。由于采用的是暫態電容電流，此方法不受輸電線路長 度、過渡電阻大小、負荷、中性點接不接消弧線圈、接地點位置以及故障時刻等多種參 數的影響，可以實現高成功率的故障選線，尤其是能解決相電壓過零附近單相接地存在 "選線死區"的問題。下面首先從本發明的選線方法的原理開始，對本發明做進一步詳 述。1.配電網發生單相接地故障的暫態特征當中性點經消弧線圈接地的電網發生單相接地故障時，流過故障線路的暫態零序電流 力由暫態電容電流厶和暫態電感電流A兩部分疊加而成。<formula>formula see original document page 6</formula>(3)式中i&為暫態自由振蕩分量；厶^為暫態直流分量；icw、力..w為穩態工頻分量； 為暫態自由振蕩分量的角頻率；^為自由振蕩分量的衰減系數。對暫態電容電流A來說，它所含的自由振蕩分量i&的頻率主要集中在高頻段，而暫 態電感電流A卻主要是由工頻量和非周期分量構成，兩者頻率差別懸殊故不可能相互補 償，因此工頻狀態下關于殘流、失諧度和和諧度等概念在暫態分析時都是不適用的。對非故障線路而言，其流經的零序電流中只含有暫態電容電流，而不含電感電流分當相電壓峰值附近故障時，由于暫態電感電流較暫態電容電流要小得多，因此不論 故障線路還是非故障線路，它們的零序電流的暫態特性均由暫態電容電流確定，其能量 也主要集中在高頻段300 1500Hz (暫態電容電流自由振蕩頻率)。在暫態過程的初始階 段，不論電網的中性點為消弧線圈接地還是不接地方式，暫態零序電流在高頻段的特性 (頻率、幅值)主要是由暫態電容電流所確定。但是，當故障發生在相電壓過零值附近時，情況就有所不同。這時，由于暫態電容 電流中的自由振蕩分量為零，而基頻分量較大，因此非故障線路暫態零序電流的能量主 要集中在低頻段0 50Hz。對故障線路來說，其零序電流中的暫態電感電流分量較暫態 電容電流分量大的多，所以其暫態零序電流的特性主要決定于'暫態電感電流。由式(3) 可知，暫態電感電流是由直流分量和工頻分量構成的，因此故障線路暫態零序電流的能 量集中在低頻段0 50Hz。相對于非故障線路，故瞎線路暫態零序電流中含有較大的直流 分量。2.小波包的分頻原理和單枝重構提取各頻段信息的原理 .db小波包是由db小波擴展而來。db小波除了具有小波的一般性質外，在多分辨分析 中db小波構成的是一個共軛正交濾波器組系統(CQF)。db小波的階次越高，正規性條件越好，幅頻特性也愈接近理想。當選取較高階的db 小波時，其構成的CQF系統可近似看成是由一個理想低通濾波器和一個理想帶通濾波器 組成；由圖l可知它們的歸一頻帶分別為(0 n/2)和(Ji/2 Tt)。因此采樣頻率為/; 的離散信號經J'層db小波包分解后，被劃分成2^個子頻段，其中第A個子頻段C/;A)所包含的局部信息的頻率范圍為[^r，" **("i)]。另外，CQF系統還具有的一個重要性質是能量無損性，即其輸入信號JC(")和輸出信 號少(w)滿足下列方禾呈<formula>formula see original document page 7</formula>(4)<formula>formula see original document page 7</formula>(5)<formula>formula see original document page 7</formula>(6)其中為輸入信號能量、 為輸出信號能量。這就表明，原始信號經CQF系統濾波后，能量較大的輸出信號在原始信號中所占的比重也較大。因此，通過比較各頻段下db小波包分解結果的能量，就可以確定原始信號 的頻率分布情況。根據上述分析再結合CQF系統的特性可知，當配電網發生單相接地故障時，利用db 小波包將流經各線路的暫態零序電流按一定頻帶寬度進行分解，按公式(7)確定的能量 最大的頻段對應的就是該線路暫態電流分布最集中的頻段，也是故障特征最明顯的頻段。 式中^"(")為小波包分解第(J;A)子頻段下的系數。<formula>formula see original document page 7</formula> (7)對于基本小波^y)經伸縮與位移引出的函數族，如果滿足框架條件則原始信號x(O可以根據小波變換結果穩定地重構。重構公式<formula>formula see original document page 7</formula>(8)式中力'^;和^' ^;為與力r^和g(V相對應的小波重構濾波器組系數。式(7)的重構 公式中，c廣或《力可取為o，這時的重構過程稱為單枝重構。在重構結果^-'中，只含低頻信息(《"=0)或高頻信息"^=0)。實際上通過小波重構算法，可以得到原始信號在不同頻段下的信息，而這就為暫態信號處理提供了一個重要的分析手段。 3.自適應選線的原理因為暫態電容電流自由振蕩的頻率一般集中在300 1500Hz，所以取釆樣頻率為 4000Hz，采樣數據窗長取的是短路前后各l周；選取db小波進行小波包分解；考慮到最 終用于故障選線的頻帶寬度應選擇適當，若過細，則頻帶對應采樣點數過少，降低故障 選線的可靠性；若過寬，則信息含量增加，不利于進一步信號分析。綜合兩方面，選線
頻帶寬度定為125Hz，根據db小波包的頻率二分特性，分解層數為4層。相電壓峰值附近發生單相接地故障時，暫態電感電流較暫態電容電流小得多，各線 路零序電流的暫態特性均由暫態電容電流確定。因此，在小波包分解的第四層，按公式 (7)確定出能量最大的頻段，也就是故障暫態特征最明顯的頻段，在該頻段下進行分析 和比較能有效地利用故障暫態過程中包含的信息，大大提高故障選線的可靠性。由于非 故障線路的暫態電容電流流入接地點后一定要從故障線路流回，因此，在按能量最大原則確定的各線路暫態電容電流最集中的頻段下，只有故障線路滿足其零序電流的小波包分解結果既有較大的能量，并且極性又和與其進行比較的線路相反。考慮到原始信號 經四層小波分解后數據量較少，不利于直接通過小波包分解系數來反映各信號之間的關 系，因此，可以進行單枝重構，然后通過比較各線路特征頻段下的小波重構后電流瞬時 值的符號，與其他線路極性相反計數器最多的線路判為故障線路。當故障發生在相電壓過零點附近時，暫態電容電流中的自由振蕩分量為零，線路暫態零序電流的能量主要集中在低頻段0—50Hz。所以，其暫態零序電流的特性主要取決于暫 態電感電流，對故障和非故障線路分解四層后，(4， 0)頻段能量最大。對各線路該頻 段進行單枝重構，則故障線路的零序電流中含有大量的直流分量，重構信號偏于時間軸 一側，即符號不變；而非故障線路的符號是周期變化的。因此，采用在特征頻段中比較 重構電流瞬時值符號的方法判斷出故障線路。直流分量的大小還同時受過渡電阻和鐵芯 飽和程度的影響，隨著過渡電阻阻值的增加，故障線路零序電流中直流分量與基頻分量 的能量比呈減小的趨勢，不過仿真結果表明當過渡電阻為20KQ時，二者的比仍大于l， 同非故障線路相比還是偏于時間軸一側的。這表明相電壓過零點附近發生故障時，不論 接地點是否存在過渡電阻，采用比較重構后電流瞬時值符號進行選線的方法都有效。用 該方法進行故障選線有足夠的靈敏度。結合圖1，對本發明的將最佳實施方案描述如下選線裝置實時對母線零序電壓和各條線路的零序電流進行采集。對采集到的零序電 壓進行有效值計算，并不斷與整定值進行比較。 一旦零序電壓大于整定值，說明有線路 發生單相接地故障，立刻起動下面的自適應選線方案。1、 用db小波對各線路故障前后各一周的零序電流進行四層分解，得到各個子 頻段的分解系數；2、 按公式(7)計算各個子頻段的能量，其中最大者就是能量最大的頻段，也 就是故障暫態特征最明顯的頻段；3、 選取每條線路能量最集中的頻段即特征頻段進行單枝重構；4、 各線路重構信號中零序電流瞬時值都與其它線路對應瞬時值進行符號比較， 如果與其它線路不同則給計數器加1，比較完所有采樣點后計數器值最大的線路就可能是故障線路；5、 考慮到故障發生在相電壓過零點附近時，暫態零序電流的特性主要取決于暫
態電感電流，(4， 0)頻段能量最大。根據此特點，對特征頻段為(4， 0) 的線路再進行一次自身重構數據的符號比較。若符號統一的點占60%以上， 且與其他線路計象器的值相差不超過5 (分解四層后每個頻段只有十幾個點 參與比較)，則該線路判為故障線路；否則將計數器值最大的線路判為故障 線路。參考文獻[1] Harminen E， Lehtonen M. Characteristics of earth faults in electrical distribution networks with high impedance earthing[J]. Electric Power System Research, 1998， (44): 155-161[2]姜彤，小電流接地系統單相接地故障選線裝置，哈爾濱工業大學，碩士學位論文，1995[3] Baldwin T， Renovich F. Fault locating in ungrounded and high-resistance grounded systems[J]. IEEE Trans, on Industry Application, 2001， 37(4): 1152-1159[4]袁進伶、張濤，5 66kV電力系統電容電流自動跟蹤補償及接地選線裝置原理及應 用，中國電力，1998， 31(1): 67-68[5]龐華等，新型小電流接地系統微機消諧選線綜合裝置的原理及應用，電力情報， 1994， (1): 62-66[6]郝玉山，楊以涵，任元恒，等，MLN系列小電流接地微機選線裝置動作原理[J]，電力情報，1994， (2): 7-11 [7]何奔騰，胡為進，能量法小電流接地選線原理，浙江大學學報(自然科學報)， 1998， 32(4): 451-456[8]檀國彪，等，基于最大扱"p (或A(扱w))原理的微機選線裝置[9]曾祥君，尹項根，張哲，等，零序導納法饋線接地保護的研究[J]，中國電機工程學報，2001， 21(4): 5-10 [10] IEEE recommended practice for grounding of industrial and commercial powersystem[C].IEEE std 142-1991， 1992， 11-28 [11]王建賾，基于小波變換的電力系統暫態信號分析方法研究，哈爾濱工業大學，博士學位論文，1999 [12]葛耀中，小波變換與繼電保護技術，繼電器，1998， 26(4): l-6 [13]操豐梅、蘇沛埔，小波變換在配電自動化接地故障檢測中的應用研究，電力系統自動化，1999， 23(13): 33-36 [14]王建賾，李威，等，解析信號小波分析及其在電力系統中的應用[J]，電力系統自動化，2000， 24(22): 28-31[15]毛鵬，孫雅明，等，小波包在配電網單相接地故障選線中的應用[J]，電網技術, 2000， 24(6): 9-13[16]王慧等，"S注入法"與選線定位，電力自動化設備，1999， 19(3): 18-20 [17]曾祥君，尹項根，于永源，等，基于注入變頻信號法的經消弧線圈接地系統控制 與保護新保護，中國電機工程學報，2000， 20(1): 29-32， 3權利要求
1.一種基于暫態零序電流的配電網單相接地故障自適應選線方法，其特征在于，按下列步驟執行(1)實時對母線零序電壓和各條線路的零序電流進行采集，對采集到的零序電壓進行有效值計算，并不斷與整定值進行比較，一旦零序電壓大于整定值，則判斷有線路發生單相接地故障；(2)用db小波對各線路故障前后各一周的零序電流進行四層分解，得到各個子頻段的分解系數；(3)按公式<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>ϵ</mi><mo>=</mo><munder> <mi>Σ</mi> <mi>n</mi></munder><msup> <mrow><mo>[</mo><msubsup> <mi>ω</mi> <mi>k</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>J</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="A2007100598300002C1.gif" wi="120" he="37" img-content="drawing" img-format="tif"/-->計算各個子頻段的能量，其中最大者就是能量最集中的頻段，式中ωk(J)(n)為小波包分解第(j，k)子頻段下的系數；(4)選取每條線路能量最集中的頻段即特征頻段進行單枝重構；(5)將各線路重構信號中零序電流瞬時值與其它線路對應瞬時值進行符號比較，如果與其它線路不同則給計數器加1，比較完所有采樣點后，得到計數器值最大的線路；(6)特征頻段為(4，0)的線路再進行一次自身重構數據的符號比較，若符號統一的點占60％以上，且與其他線路計數器的值相差不超過5，則該線路判為故障線路；否則將步驟(5)中確定的計數器值最大的線路判為故障線路。
全文摘要
本發明涉及配電網繼電保護領域，特別涉及一種基于暫態零序電流頻率分布的配電網單相接地故障自適應選線方法。首先對故障前后的零序電流進行小波分解和對每條線路的特征頻段進行單枝重構，然后將各線路重構信號中零序電流瞬時值與其它線路對應瞬時值進行符號比較，如果與其它線路不同則給計數器加1，比較完所有采樣點后，得到計數器值最大的線路；對特征頻段為(4，0)的線路再進行一次自身重構數據的符號比較，若符號統一的點占60％以上，且與其他線路計數器的值相差不超過5，則該線路判為故障線路；否則確定的計數器值最大的線路判為故障線路。本發明提供的選線方法，能夠有效利用故障暫態過程中包含的信息，可以大大提高故障選線的可靠性。
文檔編號H02H7/26GK101154807SQ200710059830
公開日2008年4月2日 申請日期2007年10月11日 優先權日2007年10月11日
發明者張艷霞, 戴劍鋒, 勇 石 申請人:天津大學