论文部分内容阅读
摘要:在特征频带内，故障线的零序电流与非故障线的能量值和相位都会出现较大的差异，而小波包分解的进行故障选线的优点就在于能够完全捕捉和充分利用故障量的暂态特征，实现正确选线。本文结合软件仿真进行分析阐述了金属性接地的故障线路选线。
关键词：金属性；接地故障；配网；选线；小波
Abstract: in the characteristic frequency band, fault line of zero sequence current with the fault line of their power and phase will appear larger difference, and wavelet packet decomposition of the advantages of fault location is able to fully capture and make full use of the transient characteristics of the fault, and realize the correct route. This paper analyses the simulation software fault line of gold attribute grounding and location.
Keywords: gold attributes; Ground fault; Distribution network; Route; wavelet
中图分类号： U264.7+4 文献标识码：A文章编号：
0引言
在电力系统10kV配网运用较多的接地方式为：（1）中性点不接地，（2）中性点经高电阻接地，（3）中性点经消弧线圈接地，（4）中性点经消弧线圈并联电阻接地。由于中性点经高阻接地方式的小电流接地系统在发生单相接地时，接地电流往往限制在10A以下，可以有效抑制弧光接地过电压的幅值。高阻接地方式常用于以下场合:如规模较小，系统电容电流小于10A的农村、城镇、城市配电网;对人身安全要求较高，如存在煤矿、油田等易发生爆炸负荷的工业供电网，宜采用较高的中性点电阻以降低单相接地电流。故本文重点对中性点经高阻接地方式的小电流接地系统发生接地故障选线进行浅析。
1故障分析
图1为中性点经高阻接地发生单相故障的原理图。
当发生接地故障，接地电流为
式中 一为全系统对地电容电流。
由式中得出，相对于中性点不接地系统，高阻接地增加了单相故障接地电流。但由于故障电流仍限制在10 A以下，非故障线的对地电容很小，而高阻侧电流受到电阻的限制，利用故障电流进行选线依然困难。国内外学者对小电流接地系统进行了大量的研究，提出了很多选线方法，但一直未得到很好的解决。
传统的小电流接地系统故障选线多是基于故障信号的稳态分量，但由于稳态信号不明显，故选线效果不佳，采用特征明显的暂态信号进行故障选线具有明显的优势，若能充分利用有用信号，可以大大提高选线效果。小波分析对时域和频域都有局部化的能力，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，而在高频部分刚好相反[3]，特别适用于分析电力系统故障时产生的具有奇异性、变化较快的信号。
2小波包系的选择
小波包分析相对于小波分析，对信号的低频部分和高频部分都进行了分解，这样做的好处就是使我们能够提取出特定时间及频率上的点的信息[4]。本文选取了db15小波系，具有以下几方面的考虑:
(1)采用a6正交小波包设计的共扼正交滤波器具有能量无损性和功率互补性，并具有线性相位，所以利用dbN正交小波包分解后.仍能保留原始信号的特征。
(2)对于电力系统单相接地故障進行选线，时间局部性要求不是很严格，而对频率局部性要求较高。选择小波系dbN时，随着序号N的增大，时间局部性变差，频率局部性变好。对于本文的应用，为防止频率混叠，选择dbN小波系，同时也不能一味提高N值，随着城市配电网中电力电子装置、电弧炉、家用电器等非线性用电设备的引人，谐波日渐严重，N值的增加也可能引入更多的干扰因素。
本文采用的采样频率为10 kHz，用小波包的零序电流5层分解后，每个节点的频率宽度为156.25 Hz，其中(5.0)节点频带范围为(0一156.25) Hz，在以后进行能量分析时可以不考虑(5.0)节点，这样做的好处就是可以消除三次谐波对选线的干扰。
3特征频带和选线判据
3.1特性频带的选取
根据文献[5]，小电流接地系统发生单相接地后，线路零序阻抗随着频率的变化，会出现容、感性交替出现，但首频段都为容性，当系统中有多条线路时，如图2所示。
图2传输线零序阻抗的相频特性图
由图可知，在 内，所有线路从母线处检测的入端线路阻抗呈容性，即所有线路的零序电流为容性电流，将此频段定义为特征频带。在特征频带内，系统单相短路后的零序电流满足两条规律:
(1)故障线路的零序电流为系统所有非故障线路的对地电容电流之和。当系统有两条出线时，故障线路电流等于非故障线路电容电流;当系统有两条以上出现，则故障线路电流大于任何一条非故障线路。
(2)特征频带内，非故障线路零序电容电流从母线流向线路，而故障线路刚好相反，母线接地时，所有的电流都是从母线流向线路。
在特征频带之外，由于线路的零序阻抗相频特性不断变化，以上两个规律不再满足，若选用特性频带以外的特征量进行选线，会造成误判。特征频带的范围受系统的网络结构影响，不同的小电流接地系统特征频带范围不一致。本文综合了大量关于小电流接地系统的选线分析和仿真结果，并留有一定裕量，确定特征频带为[0,1800] Hz。
3. 2选线判据
根据特征频带内的线路零序电容的分布，提出以下算法:
(1)对各条线路的零序电流求幅频特性曲线，选取幅值特性最大值出线作为准故障线路。用db15小波包对准故障线路零序电流五层分解，选取第五层能量最大节点(除包含基波和三次谐波的节点(5.0)之外)。
(2)再用db15小波包对所有线路零序电流五层分解，选择上一步求得的能量最大节点，对比每条线路在该节点内首半波相位，相位与所有其他线路相反则可去确定为故障线路。
4故障仿真
用MATLAB软件SimPowerSystems库建立模型如图3所示，对不同故障进行仿真。
图3小电流接地故障仿真系统模型
L1为架空线路，L2、L3、L4、L5为缆-线混搭线路，L6为电容器专用电缆。架空线路参数为:R1=0. 17Ω/km, R0=0. 23Ω/km; L1=7. 6e-3H/ km, L0=34.4e-3H/ km;C1=6.1e-8F/km, C0=3.8e-8F/km,电缆参数为：R1=0. 024Ω/km, R0=0. 19Ω/km, L1=5. 16e-4H/ km，L0=0. 398e-4H/ km；C1=3.08e-7F/km，C0=2.03e-7F/km。
4.1接地方式
现场中接地故障设定为金属性接地，对此类故障接地进行仿真试验。
4.1.1金属性接地
设线路L3在0. 10 s时，C相发生金属性接地:
表1各线路电流幅频特性最值
由表1可知，线路L3幅频特性的最值最大，设L3为准故障线路。用小波包对准故障线路进行五层分解，求取31个节点能量(除去了首节点(5.0)。
图4准故障线路暂态特征量第五层小波节点能量分布
由图4可知，节点(5.3)能量最大，可以选定此频段(312. 5-468. 75 Hz)进行相位比较。
由图5一目了然，线路L3的首半波相位与其他4条线路相反，由此判断，线路L3为故障线路。
图5各出线暂态特征量节点(5.3)波形
改变金属性接地的故障位置和故障时间，仿真结果如表2可以得出，对于小电流接地系统的金属性故障，利用小波包对暂态信号进行分析实现选线具有很高的正确率。
表2金属性接地故障的选线结果
5结束语
在特征频带内，故障线的零序电流与非故障线的能量值和相位都会出现较大的差异，而小波包分解的进行故障选线的优点就在于能够完全捕捉和充分利用故障量的暂态特征，实现正确选线，针对现场中的各种不同故障现象都具有良好的选择性。
参考文献
[1]吕军，陈维江，齐波，等。10KV配电网经高阻接地方式下过电压及接地故障选线〔J].高电压技术，2009,35(11):2728-2734.
[2]黄芳，陈志军，蒋晓宇.小电流接地系统故障选线算法综述〔Il.江苏电机工程,2005,24(3);80-84.
[3]Mallat S G.A Theory for Multiresolution Signal Decomposition : TheWavelet Representation[J].IEEE Tram on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1989,11(7) :674-693.
[4]葛哲学，沙威.小波分析理论与MATLAB 82007实现[M].北京:电子工业出版社，2007.
[5]薛永端，冯祖仁，徐丙垠.中性点非直接接地电网单相接地故障暂态特性分析[J].西安交通大学学报，2004,38(2):196-199.
[6]李烨，杨炳元，李博.基于电弧模型的小电流接地系统故障选线分析 [J].内蒙古电力技术，2010,28(3);17-20.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：金属性；接地故障；配网；选线；小波
Abstract: in the characteristic frequency band, fault line of zero sequence current with the fault line of their power and phase will appear larger difference, and wavelet packet decomposition of the advantages of fault location is able to fully capture and make full use of the transient characteristics of the fault, and realize the correct route. This paper analyses the simulation software fault line of gold attribute grounding and location.
Keywords: gold attributes; Ground fault; Distribution network; Route; wavelet
中图分类号： U264.7+4 文献标识码：A文章编号：
0引言
在电力系统10kV配网运用较多的接地方式为：（1）中性点不接地，（2）中性点经高电阻接地，（3）中性点经消弧线圈接地，（4）中性点经消弧线圈并联电阻接地。由于中性点经高阻接地方式的小电流接地系统在发生单相接地时，接地电流往往限制在10A以下，可以有效抑制弧光接地过电压的幅值。高阻接地方式常用于以下场合:如规模较小，系统电容电流小于10A的农村、城镇、城市配电网;对人身安全要求较高，如存在煤矿、油田等易发生爆炸负荷的工业供电网，宜采用较高的中性点电阻以降低单相接地电流。故本文重点对中性点经高阻接地方式的小电流接地系统发生接地故障选线进行浅析。
1故障分析
图1为中性点经高阻接地发生单相故障的原理图。
当发生接地故障，接地电流为
式中 一为全系统对地电容电流。
由式中得出，相对于中性点不接地系统，高阻接地增加了单相故障接地电流。但由于故障电流仍限制在10 A以下，非故障线的对地电容很小，而高阻侧电流受到电阻的限制，利用故障电流进行选线依然困难。国内外学者对小电流接地系统进行了大量的研究，提出了很多选线方法，但一直未得到很好的解决。
传统的小电流接地系统故障选线多是基于故障信号的稳态分量，但由于稳态信号不明显，故选线效果不佳，采用特征明显的暂态信号进行故障选线具有明显的优势，若能充分利用有用信号，可以大大提高选线效果。小波分析对时域和频域都有局部化的能力，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，而在高频部分刚好相反[3]，特别适用于分析电力系统故障时产生的具有奇异性、变化较快的信号。
2小波包系的选择
小波包分析相对于小波分析，对信号的低频部分和高频部分都进行了分解，这样做的好处就是使我们能够提取出特定时间及频率上的点的信息[4]。本文选取了db15小波系，具有以下几方面的考虑:
(1)采用a6正交小波包设计的共扼正交滤波器具有能量无损性和功率互补性，并具有线性相位，所以利用dbN正交小波包分解后.仍能保留原始信号的特征。
(2)对于电力系统单相接地故障進行选线，时间局部性要求不是很严格，而对频率局部性要求较高。选择小波系dbN时，随着序号N的增大，时间局部性变差，频率局部性变好。对于本文的应用，为防止频率混叠，选择dbN小波系，同时也不能一味提高N值，随着城市配电网中电力电子装置、电弧炉、家用电器等非线性用电设备的引人，谐波日渐严重，N值的增加也可能引入更多的干扰因素。
本文采用的采样频率为10 kHz，用小波包的零序电流5层分解后，每个节点的频率宽度为156.25 Hz，其中(5.0)节点频带范围为(0一156.25) Hz，在以后进行能量分析时可以不考虑(5.0)节点，这样做的好处就是可以消除三次谐波对选线的干扰。
3特征频带和选线判据
3.1特性频带的选取
根据文献[5]，小电流接地系统发生单相接地后，线路零序阻抗随着频率的变化，会出现容、感性交替出现，但首频段都为容性，当系统中有多条线路时，如图2所示。
图2传输线零序阻抗的相频特性图
由图可知，在 内，所有线路从母线处检测的入端线路阻抗呈容性，即所有线路的零序电流为容性电流，将此频段定义为特征频带。在特征频带内，系统单相短路后的零序电流满足两条规律:
(1)故障线路的零序电流为系统所有非故障线路的对地电容电流之和。当系统有两条出线时，故障线路电流等于非故障线路电容电流;当系统有两条以上出现，则故障线路电流大于任何一条非故障线路。
(2)特征频带内，非故障线路零序电容电流从母线流向线路，而故障线路刚好相反，母线接地时，所有的电流都是从母线流向线路。
在特征频带之外，由于线路的零序阻抗相频特性不断变化，以上两个规律不再满足，若选用特性频带以外的特征量进行选线，会造成误判。特征频带的范围受系统的网络结构影响，不同的小电流接地系统特征频带范围不一致。本文综合了大量关于小电流接地系统的选线分析和仿真结果，并留有一定裕量，确定特征频带为[0,1800] Hz。
3. 2选线判据
根据特征频带内的线路零序电容的分布，提出以下算法:
(1)对各条线路的零序电流求幅频特性曲线，选取幅值特性最大值出线作为准故障线路。用db15小波包对准故障线路零序电流五层分解，选取第五层能量最大节点(除包含基波和三次谐波的节点(5.0)之外)。
(2)再用db15小波包对所有线路零序电流五层分解，选择上一步求得的能量最大节点，对比每条线路在该节点内首半波相位，相位与所有其他线路相反则可去确定为故障线路。
4故障仿真
用MATLAB软件SimPowerSystems库建立模型如图3所示，对不同故障进行仿真。
图3小电流接地故障仿真系统模型
L1为架空线路，L2、L3、L4、L5为缆-线混搭线路，L6为电容器专用电缆。架空线路参数为:R1=0. 17Ω/km, R0=0. 23Ω/km; L1=7. 6e-3H/ km, L0=34.4e-3H/ km;C1=6.1e-8F/km, C0=3.8e-8F/km,电缆参数为：R1=0. 024Ω/km, R0=0. 19Ω/km, L1=5. 16e-4H/ km，L0=0. 398e-4H/ km；C1=3.08e-7F/km，C0=2.03e-7F/km。
4.1接地方式
现场中接地故障设定为金属性接地，对此类故障接地进行仿真试验。
4.1.1金属性接地
设线路L3在0. 10 s时，C相发生金属性接地:
表1各线路电流幅频特性最值
由表1可知，线路L3幅频特性的最值最大，设L3为准故障线路。用小波包对准故障线路进行五层分解，求取31个节点能量(除去了首节点(5.0)。
图4准故障线路暂态特征量第五层小波节点能量分布
由图4可知，节点(5.3)能量最大，可以选定此频段(312. 5-468. 75 Hz)进行相位比较。
由图5一目了然，线路L3的首半波相位与其他4条线路相反，由此判断，线路L3为故障线路。
图5各出线暂态特征量节点(5.3)波形
改变金属性接地的故障位置和故障时间，仿真结果如表2可以得出，对于小电流接地系统的金属性故障，利用小波包对暂态信号进行分析实现选线具有很高的正确率。
表2金属性接地故障的选线结果
5结束语
在特征频带内，故障线的零序电流与非故障线的能量值和相位都会出现较大的差异，而小波包分解的进行故障选线的优点就在于能够完全捕捉和充分利用故障量的暂态特征，实现正确选线，针对现场中的各种不同故障现象都具有良好的选择性。
参考文献
[1]吕军，陈维江，齐波，等。10KV配电网经高阻接地方式下过电压及接地故障选线〔J].高电压技术，2009,35(11):2728-2734.
[2]黄芳，陈志军，蒋晓宇.小电流接地系统故障选线算法综述〔Il.江苏电机工程,2005,24(3);80-84.
[3]Mallat S G.A Theory for Multiresolution Signal Decomposition : TheWavelet Representation[J].IEEE Tram on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1989,11(7) :674-693.
[4]葛哲学，沙威.小波分析理论与MATLAB 82007实现[M].北京:电子工业出版社，2007.
[5]薛永端，冯祖仁，徐丙垠.中性点非直接接地电网单相接地故障暂态特性分析[J].西安交通大学学报，2004,38(2):196-199.
[6]李烨，杨炳元，李博.基于电弧模型的小电流接地系统故障选线分析 [J].内蒙古电力技术，2010,28(3);17-20.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。