張文海,肖先勇,汪 穎
(1.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院,四川 成都 610065;2.四川大學(xué) 智能電網(wǎng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610065)
為了提高供電可靠性,我國(guó)6~35 kV配網(wǎng)主要采用中性點(diǎn)非有效接地方式[1],發(fā)生占總故障50%~80%[2]的單相接地故障后,傳統(tǒng)故障處理方法通過(guò)人工巡線查找故障點(diǎn),費(fèi)時(shí)耗力,延長(zhǎng)了故障停電時(shí)間。研究準(zhǔn)確有效的單相接地故障定位方法,對(duì)于及時(shí)排除故障、提高供電可靠性有重要理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
現(xiàn)有配網(wǎng)單相接地故障定位有離線法[3-4]和在線法[5-13]。離線法在斷電后通過(guò)注入信號(hào)確定故障位置[3-4],定位效果好,但需停電和外加設(shè)備。在線法根據(jù)在線測(cè)量值進(jìn)行定位,又分故障區(qū)段定位[5-7]和故障測(cè)距[8-10]。前者通過(guò)沿線安裝測(cè)量裝置確定故障區(qū)段,其成本高;后者通過(guò)站端測(cè)量值計(jì)算故障點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)間的距離。文獻(xiàn)[9-11]提出用故障穩(wěn)態(tài)特征進(jìn)行故障測(cè)距,但穩(wěn)態(tài)故障電流小,測(cè)距誤差較大,可靠性低,而暫態(tài)特征相對(duì)比穩(wěn)態(tài)特征更明顯,因此,基于暫態(tài)特征的故障測(cè)距法引起了廣泛關(guān)注,并已被用于故障選線[12]。
隨著電子式互感器的應(yīng)用,測(cè)量信號(hào)可不受鐵芯飽和影響,使基于暫態(tài)特征的故障測(cè)距法成為可能。文獻(xiàn)[13]利用暫態(tài)行波進(jìn)行測(cè)距,但行波法對(duì)裝置要求很高,成本大,不利于實(shí)際應(yīng)用;文獻(xiàn)[14]利用暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行小波變換,結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障測(cè)距,但訓(xùn)練樣本大,且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化后需重新訓(xùn)練。文獻(xiàn)[15]提出利用小波變換提取充電暫態(tài)特征定量計(jì)算故障距離,但計(jì)算結(jié)果易受暫態(tài)信號(hào)衰減特征影響,尚需進(jìn)行深入研究。
本文深入研究了配網(wǎng)單相故障充電暫態(tài)信號(hào)及其衰減特征,在現(xiàn)有暫態(tài)特征測(cè)距法的基礎(chǔ)上,提出一種自適應(yīng)確定充電暫態(tài)信號(hào)有效區(qū)段的故障測(cè)距法。利用快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transform)法分析故障相暫態(tài)信號(hào),判定充電暫態(tài)信號(hào)的有效性,并確定充電信號(hào)頻率,再通過(guò)時(shí)頻分析法進(jìn)一步提取充電暫態(tài)信號(hào)特征,根據(jù)充電暫態(tài)信號(hào)的幅值衰減特征自適應(yīng)確定暫態(tài)信號(hào)的有效區(qū)段,利用有效區(qū)段內(nèi)信號(hào)進(jìn)行故障測(cè)距。并分別對(duì)比研究了采用實(shí)小波、復(fù)小波和S變換提取充電暫態(tài)特征的不同特點(diǎn),比較了故障距離、故障電阻、故障初相角以及噪聲信號(hào)對(duì)3種方法的影響。算例仿真證明,考慮充電暫態(tài)及其衰減特征后,利用S變換法提取特征并進(jìn)行故障測(cè)距的方法,結(jié)果更準(zhǔn)確,具有可行性。
中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí),故障相電壓降到0,非故障相電壓升高到正常相電壓的倍[16]。 故障暫態(tài)信號(hào)包括工頻分量、對(duì)非故障相線路電容的充電暫態(tài)信號(hào)、故障相線路電容的放電暫態(tài)信號(hào),以及消弧線圈中產(chǎn)生的暫態(tài)直流分量4個(gè)分量[16-17],且除工頻分量外的3個(gè)分量均按指數(shù)衰減,衰減暫態(tài)信號(hào)流通路徑如圖1所示。放電信號(hào)由于流通回路電感小,信號(hào)衰減快,振蕩頻率高;而充電信號(hào)流通回路電感大,信號(hào)衰減慢,振蕩頻率低,信號(hào)幅值大[16]。
圖1為含兩回出線的配網(wǎng)模型圖,假設(shè)出線2的c相發(fā)生單相接地故障,RF為故障電阻,M點(diǎn)為變電站端測(cè)量點(diǎn),K為中性點(diǎn)接地方式選擇開關(guān)(閉合時(shí)為諧振接地,斷開時(shí)為不接地)。
圖1 單相接地故障模型Fig.1 Model of single-phase-to-ground fault
以充電暫態(tài)信號(hào)為例,將信號(hào)回路進(jìn)一步簡(jiǎn)化可等效為串聯(lián)RLC電路[15],據(jù)電路理論,當(dāng)回路參數(shù)滿足式(1)時(shí),暫態(tài)信號(hào)為振蕩衰減,否則為直流衰減。因此,對(duì)于確定的故障點(diǎn),系統(tǒng)存在臨界故障電阻,且該電阻由系統(tǒng)等效參數(shù)決定。據(jù)統(tǒng)計(jì),中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障電阻在40 Ω附近[2],仿真發(fā)現(xiàn),故障電阻臨界值為100 Ω左右(由實(shí)際網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和故障情況決定),因此,大部分單相接地故障的充電暫態(tài)信號(hào)都滿足振蕩衰減。振蕩衰減暫態(tài)信號(hào)如式(2)所示[16-17],衰減系數(shù)如式(3)所示[16]。
其中,R、L、C分別為串聯(lián)RLC回路的等效電阻、電感和電容,A為暫態(tài)信號(hào)幅值,δ為暫態(tài)信號(hào)衰減系數(shù),f為暫態(tài)信號(hào)頻率,θ為其初相角。
由式(3)可見,電阻越大,衰減系數(shù)越大,暫態(tài)信號(hào)衰減越快,持續(xù)時(shí)間也越短。對(duì)于確定的故障點(diǎn),回路電阻主要由故障電阻決定,因此故障電阻對(duì)暫態(tài)信號(hào)衰減特征影響很大。圖2為金屬性單相接地故障和故障電阻為40 Ω時(shí)故障相電流波形圖,可見故障電阻對(duì)暫態(tài)信號(hào)衰減特征有很大影響——故障電阻增大明顯導(dǎo)致暫態(tài)信號(hào)持續(xù)時(shí)間變短。因此在進(jìn)行分析時(shí)需根據(jù)暫態(tài)信號(hào)的衰減特征自適應(yīng)確定信號(hào)有效區(qū)段,以保證信號(hào)的合理、充分利用。而故障電壓初相角主要影響暫態(tài)信號(hào)幅值[16],不會(huì)對(duì)暫態(tài)信號(hào)的頻率成分以及信號(hào)衰減特征產(chǎn)生影響。
圖2 不同故障電阻下的故障相電流波形Fig.2 Current waveforms of faulty phase for different fault resistances
充電暫態(tài)特征測(cè)距原理可理解為基于高頻分量的阻抗法。由于故障時(shí)大部分暫態(tài)信號(hào)均經(jīng)故障點(diǎn)與地構(gòu)成流通回路,通過(guò)高頻分量定量計(jì)算可計(jì)算出故障距離,原理如圖3所示。該方法利用了單相接地故障暫態(tài)分量幅值大且不受消弧線圈影響的優(yōu)點(diǎn);由于無(wú)需采用工頻分量,從原理上避免了負(fù)荷電流和系統(tǒng)不平衡影響;當(dāng)線路通過(guò)高頻分量時(shí),線路的電抗更大,可更有效減小故障電阻的影響,提高計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性。
圖3 暫態(tài)信號(hào)故障測(cè)距原理圖Fig.3 Principle of fault locationbased on transient signal
圖3中,M點(diǎn)為變電站出線側(cè)的測(cè)量點(diǎn),F(xiàn)點(diǎn)為故障點(diǎn),I為頻率f下的電流,ZL為線路在頻率f下的阻抗,RF為故障電阻。
假定提取暫態(tài)信號(hào)中頻率為f的分量作為待分析量,對(duì)于衰減的頻率f分量也可利用對(duì)稱分量法進(jìn)行分析[18]:
其中,UM、UF分別為M點(diǎn)和F點(diǎn)在頻率f下的電壓,UM1、UM2、UM0分別為 M 點(diǎn)處頻率 f下的正、負(fù)、零序電壓,UF1、UF2、UF0分別為 F 點(diǎn)處頻率 f下的正、負(fù)、零序電壓,I1、I2、I0分別為頻率 f下的正、負(fù)、零序電流,ZL1、ZL2、ZL0分別為故障線路在頻率 f下的正、負(fù)、零序阻抗。
根據(jù)各序分量具有獨(dú)立性可列寫下式:
根據(jù)單相接地故障邊界條件有:
聯(lián)立式(4)—(6)有:
由式(7)可進(jìn)一步得:
其中,Im 表示求復(fù)數(shù)虛部;XL1、XL2、XL0分別為故障線路在頻率 f下的正、負(fù)、零序電抗值;xl1、xl2、xl0分別為在頻率f下的線路單位電抗,L1、L2、L0分別為線路正、負(fù)、零序單位電感;l為故障線路長(zhǎng)度。
由式(8)、(9)可得,利用頻率 f下的電壓、電流以及線路參數(shù)計(jì)算出的故障距離為:
將式(10)用幅值和相角形式也可寫作:
其中,φ為頻率f信號(hào)的電壓、電流相位差。
可見,若高頻分量流經(jīng)變電站端測(cè)量點(diǎn)并經(jīng)地構(gòu)成流通回路,可通過(guò)對(duì)該頻率分量定量分析計(jì)算出故障距離。在單相接地故障暫態(tài)信號(hào)中,理論上,充、放電暫態(tài)信號(hào)均滿足條件,但由于充電信號(hào)幅值更大,更有利于計(jì)算,因此利用充電暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行故障測(cè)距。
在提取充電暫態(tài)信號(hào)特征前,先根據(jù)快速傅里葉變換判斷充電暫態(tài)信號(hào)有效性并識(shí)別充電暫態(tài)信號(hào)特征頻率。以故障后2個(gè)基波周期故障相電壓、電流信號(hào)進(jìn)行分析,考慮信號(hào)采樣頻率為10 kHz。
單相接地故障暫態(tài)信號(hào)集中于 0.3~3 kHz[19],由于充電暫態(tài)信號(hào)幅值更大[16],因此利用該頻段內(nèi)頻譜幅值特征確定充電暫態(tài)信號(hào)特征。首先確定該頻段范圍內(nèi)信號(hào)幅值極值點(diǎn),若最大極值點(diǎn)信號(hào)幅值大于該頻段范圍內(nèi)所有極值點(diǎn)均值的2倍,則判定充電信號(hào)有效,且最大極值點(diǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)頻率為充電信號(hào)頻率。由于暫態(tài)電壓信號(hào)幅值受線路阻抗、信號(hào)頻率的影響,不能準(zhǔn)確反映信號(hào)強(qiáng)弱,因此以電流暫態(tài)信號(hào)分析為主,以電壓暫態(tài)分析為輔。
確定充電暫態(tài)信號(hào)頻率后,可用時(shí)頻分析方法提取充電暫態(tài)信號(hào)并進(jìn)行定量計(jì)算。本文分別用實(shí)小波、復(fù)小波和S變換法提取充電信號(hào),并進(jìn)行對(duì)比研究,尋找更適合的方法。
3.2.1 實(shí)小波變換
小波變換按其變換系數(shù)為實(shí)數(shù)還是復(fù)數(shù)分為實(shí)小波和復(fù)小波[20],經(jīng)實(shí)小波變換提取出的信號(hào)僅包含幅值信息。由于充電暫態(tài)信號(hào)為按指數(shù)衰減的正弦信號(hào)[17],因此選擇式(12)所示的 Morlet小波為母小波,變換尺度根據(jù)母小波中心頻率和充電暫態(tài)信號(hào)頻率計(jì)算,如式(13)所示。
其中,C為常數(shù),s為小波變換尺度,fa為母小波中心頻率(可通過(guò)MATLAB內(nèi)置函數(shù)計(jì)算),fs為信號(hào)采樣頻率,fc為充電信號(hào)頻率。
圖4(a)為實(shí)小波變換提取的充電信號(hào)幅值,可見其充電信號(hào)振蕩衰減特性。電壓、電流信號(hào)的相位差可根據(jù)信號(hào)對(duì)應(yīng)極值點(diǎn)間的時(shí)間差并結(jié)合充電頻率進(jìn)行計(jì)算,如式(14)所示。
其中,φ為充電頻率電壓、電流相位差;ωc為充電角頻率;fc為充電頻率;ts為電壓超前電流的時(shí)間(即電壓、電流對(duì)應(yīng)極值點(diǎn)的時(shí)間差),如圖4(a)所示。
由于不同故障下暫態(tài)信號(hào)衰減速度不同,需根據(jù)衰減特征確定有效區(qū)段,所有參數(shù)計(jì)算均用該區(qū)段內(nèi)的信號(hào)。故障距離用式(11)計(jì)算,用電壓、電流信號(hào)計(jì)算對(duì)應(yīng)極值點(diǎn),計(jì)算出的故障距離為一組序列,取有效區(qū)段范圍故障距離的均值作為最后結(jié)果。信號(hào)有效區(qū)段的自適應(yīng)確定方法見第4節(jié)。
3.2.2 復(fù)小波變換
復(fù)小波變換實(shí)質(zhì)上是將信號(hào)沿2個(gè)正交空間分別作實(shí)小波變換,系數(shù)分別作為變換結(jié)果的實(shí)部和虛部,其包含信號(hào)幅值和相位信息[20]。
同樣選擇Morlet小波為母小波,圖4(b)為復(fù)小波變換提取的充電信號(hào)幅值曲線圖??梢?,與實(shí)小波變化結(jié)果有差異,主要是由于復(fù)小波變換結(jié)果是幅值相角形式,而實(shí)小波變換是瞬時(shí)值形式,但其實(shí)質(zhì)基本相同。
由于復(fù)小波變換結(jié)果為復(fù)數(shù)值,同時(shí)包含了信號(hào)幅值和相位信息,故障距離可用式(10)計(jì)算。值得注意的是,由于信號(hào)衰減,且電壓、電流之間存在相位差,因此不能直接用同一時(shí)刻值進(jìn)行計(jì)算,需將相位對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化為時(shí)間對(duì)應(yīng),修正式(10)為式(15):
ts可根據(jù)電壓、電流的相位差并結(jié)合式(14)計(jì)算,相位差如式(16)所示。
其中,angle()代表求復(fù)數(shù)信號(hào)相角,UM(t)、I(t)分別為經(jīng)復(fù)小波變換提取出的t時(shí)刻的充電電壓、電流信號(hào)復(fù)數(shù)值。
與利用實(shí)小波變換計(jì)算故障距離相似,所有分析均用有效區(qū)段范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行。計(jì)算出的故障距離同樣為一組序列,但序列點(diǎn)數(shù)大幅增加。
3.2.3 S變換
S變換是以Morlet小波為母小波的連續(xù)小波變換的延伸,相當(dāng)于相位校正后的小波變換,其結(jié)果用時(shí)頻矩陣表達(dá)[21],行為時(shí)間,列為頻率。經(jīng)S變換后,由式(17)確定變換結(jié)果相鄰 2 行的頻率差[21],再結(jié)合充電暫態(tài)信號(hào)頻率確定充電暫態(tài)信號(hào)所在行,提取出該行信號(hào)即為充電暫態(tài)信號(hào)。
其中,Δf為相鄰2行的頻率差,fs為信號(hào)采樣頻率,N為被分析信號(hào)的點(diǎn)數(shù)。
經(jīng)S變換提取出的充電暫態(tài)信號(hào)與經(jīng)復(fù)小波變換提取的結(jié)果相似,均為復(fù)數(shù)值序列,因此分析處理方法與前面相同。經(jīng)S變換提取出的充電暫態(tài)信號(hào)幅值如圖4(c)所示,可見經(jīng)S變換提取的充電暫態(tài)信號(hào)平滑性更好。
第1.2節(jié)分析了影響暫態(tài)衰減特征的主要因素,可見不同故障時(shí)暫態(tài)信號(hào)持續(xù)時(shí)間差異很大。因此定量計(jì)算暫態(tài)信號(hào)時(shí),若選固定區(qū)段信號(hào)進(jìn)行分析,區(qū)段選擇過(guò)長(zhǎng)時(shí)可能引入無(wú)效信號(hào),導(dǎo)致結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性降低,選擇過(guò)短則不能保證暫態(tài)信號(hào)的充分利用,因此需根據(jù)暫態(tài)衰減特征自適應(yīng)確定信號(hào)有效區(qū)段。
原始暫態(tài)信號(hào)中包含了多種暫態(tài)頻率分量,而本文以充電暫態(tài)信號(hào)為分析對(duì)象,為避免其他暫態(tài)信號(hào)對(duì)有效區(qū)段的影響,確定信號(hào)有效區(qū)段時(shí)利用時(shí)頻分析提取出的充電暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。在確定暫態(tài)信號(hào)有效區(qū)段起始點(diǎn)時(shí),由于信號(hào)變換法本身的特點(diǎn),初始部分有一定程度的畸變,如圖4所示,可用2個(gè)充電信號(hào)周期后的信號(hào)作有效區(qū)段起始點(diǎn)。在確定信號(hào)有效區(qū)段終止點(diǎn)時(shí),根據(jù)信號(hào)幅值自適應(yīng)確定,以充電電流信號(hào)為分析對(duì)象,對(duì)實(shí)小波變換提取的信號(hào),以一個(gè)充電周期內(nèi)的信號(hào)均方根值RMS(Root Mean Square)小于第1個(gè)充電周期內(nèi)均方根值的5%作為判斷標(biāo)準(zhǔn);對(duì)復(fù)小波變換和S變換提取的信號(hào),直接以電流信號(hào)幅值小于最大幅值的5%作為判據(jù)。
圖5為經(jīng)3種方法計(jì)算出的故障距離序列曲線圖,并給出了幅值自適應(yīng)確定的信號(hào)有效區(qū)段。由圖可見,經(jīng)復(fù)小波變換確定的有效區(qū)段長(zhǎng)度為0.0185 s,而經(jīng)S變換確定的有效區(qū)段長(zhǎng)度為0.021 s。經(jīng)S變換計(jì)算出的故障距離序列平滑性更好,且其信號(hào)有效區(qū)段更長(zhǎng),更利于實(shí)際應(yīng)用。
圖5 經(jīng)3種方法計(jì)算的故障距離序列曲線Fig.5 Sequence curves of fault distance calculated by three methods
基于MATLAB建立35 kV架空線路模型,見圖6。 線路參數(shù)如下[12]:正序電阻 0.17 Ω/km,零序電阻 0.23 Ω/km,正序電感 1.2 mH/km,零序電感 5.48 mH/km,正序電容 9.697 nF/km,零序電容 6 nF/km??紤]網(wǎng)絡(luò)過(guò)補(bǔ)償度為10%,串聯(lián)電阻值按消弧線圈感抗的10%選取,計(jì)算見文獻(xiàn)[12],取電感L=6.92 H,串聯(lián)電阻R=217.36 Ω。
假設(shè)出線1的c相發(fā)生單相接地故障,考慮信號(hào)采樣頻率10 kHz。由于充電暫態(tài)信號(hào)不受消弧線圈影響[1],限于篇幅,本文僅列出了中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真結(jié)果,如表1所示,中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的結(jié)果相近,誤差計(jì)算如下:
圖6 仿真配網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Structure model of distribution system for simulation
為了比較3種方法受故障距離、故障電阻、故障初相角以及噪聲的影響,考慮故障距離為10 km,故障電阻為20 Ω、故障初相角為90°、信噪比為80 dB時(shí),比較分析各因素對(duì)各方法的影響,如圖7所示。
從圖7(a)可看出,當(dāng)故障距離較小時(shí),測(cè)距相對(duì)誤差較大,隨故障距離增加,基于實(shí)小波變換的方法有一定的波動(dòng),而基于復(fù)小波變換和S變換的方法則逐漸減小并趨于穩(wěn)定,故障距離對(duì)方法的整體影響不大。圖7(b)分析了故障電阻對(duì)方法的影響,可見,隨故障電阻增大,誤差有所增加,主要原因在于故障電阻增大導(dǎo)致信號(hào)衰減速度增加,信號(hào)有效區(qū)段減小,但故障電阻小于70 Ω時(shí),誤差小于8%,能滿足實(shí)際要求。由圖7(c)可見,故障初相角對(duì)實(shí)小波變換影響明顯,但對(duì)復(fù)小波和S變換影響很小。由圖7(d)可發(fā)現(xiàn),3種方法的抗噪聲能力均較強(qiáng),僅在信噪比很低時(shí)有較小影響。
表1 3種信號(hào)變換方法在不同故障情況下的測(cè)距比較Tab.1 Comparison of fault location among three signal transformation methods for different fault cases
圖7 不同因素對(duì)3種方法的影響比較Fig.7 Comparison of influencing factors among three methods
結(jié)合表1和圖7可見,不同故障情況下,復(fù)小波和S變換法的測(cè)距精度較實(shí)小波變換法高,且這2種方法基本不受故障初相角和噪聲的影響,受故障距離和故障電阻的影響小,能滿足實(shí)際測(cè)距需要。結(jié)合圖4和圖5,利用S變換提取的信號(hào)平滑性更好,計(jì)算的故障距離有效序列長(zhǎng)度更長(zhǎng),因此S變換法更有利于進(jìn)行故障測(cè)距。
根據(jù)故障暫態(tài)信號(hào)及其衰減特征自適應(yīng)確定信號(hào)有效區(qū)段,用充電暫態(tài)信號(hào)定量計(jì)算故障距離,保證了暫態(tài)信號(hào)的充分、合理利用,提高了測(cè)距的準(zhǔn)確性和可靠性。分別用3種方法提取充電暫態(tài)特征,對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),復(fù)小波和S變換法受故障距離、故障初相角以及噪聲的影響小,可實(shí)現(xiàn)對(duì)小電阻接地故障的準(zhǔn)確測(cè)距。綜合考慮變換方法提取信號(hào)的平滑性以及信號(hào)有效區(qū)段長(zhǎng)度,S變換更具優(yōu)勢(shì)。利用該方法只需進(jìn)行單端測(cè)量,且不受負(fù)荷以及系統(tǒng)不平衡影響。
本文對(duì)提出方法的原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究,并用仿真證明了方法的準(zhǔn)確性和可行性,在工程應(yīng)用中,尚需對(duì)更快速、準(zhǔn)確的特征提取方法,以及高阻故障定位和故障分支確定等進(jìn)行深入研究。