高 蔚

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750000)

基于小波分析的配電網(wǎng)內(nèi)小電流接地選線方法研究

高 蔚

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏 銀川 750000)

對(duì)目前國(guó)內(nèi)外選線技術(shù)進(jìn)行研究，分析暫態(tài)量選線優(yōu)勢(shì)。針對(duì)現(xiàn)有配電網(wǎng)內(nèi)選線技術(shù)正確率低，現(xiàn)場(chǎng)選線裝置易受電流信號(hào)小、干擾大、信噪比小等因素影響，提出將小波分析方法擴(kuò)展至配電網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行小電流接地選線，而不僅局限于變電站內(nèi)。利用小波包對(duì)典型配電網(wǎng)進(jìn)行建模，并利用矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory，Matlab)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明該方法能夠準(zhǔn)確、可靠選出配電網(wǎng)內(nèi)接地線路。

小波分析；配電網(wǎng)；小電流接地；選線

0 引言

單相接地故障約占電力系統(tǒng)接地總故障80%左右，若發(fā)生間歇性弧光接地，還會(huì)產(chǎn)生幅值高達(dá)2.5～3.5倍相電壓值的過(guò)電壓[1]。實(shí)踐中常采用主變電站加開(kāi)閉所或級(jí)聯(lián)開(kāi)閉所方式供電，進(jìn)、出線多用電纜且長(zhǎng)度短，大多在10 km以內(nèi)，出線供電半徑小。文獻(xiàn)[1]規(guī)定：對(duì)于3～10 kV電纜線路構(gòu)成且不直接連接發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)，當(dāng)電容電流超過(guò)30 A且又需要接地故障條件下運(yùn)行時(shí)，應(yīng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式。

現(xiàn)有的選線方法主要分兩類[2-3]：基于穩(wěn)態(tài)信號(hào)的選線方法和基于暫態(tài)信號(hào)的選線方法。而在諧振接地系統(tǒng)中，由于消弧線圈產(chǎn)生的電感電流對(duì)故障產(chǎn)生的電容電流進(jìn)行了補(bǔ)償，使得穩(wěn)態(tài)條件下故障線路中的故障電流很小，甚至小于健全線路，因而傳統(tǒng)的基于故障穩(wěn)態(tài)信息的檢測(cè)方法對(duì)于諧振接地系統(tǒng)選線效果很差。暫態(tài)信號(hào)持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，讓迅速有效地提取故障發(fā)生時(shí)的信息成為暫態(tài)信號(hào)選線的重點(diǎn)。小波分析能夠提高對(duì)奇異性、瞬時(shí)性故障信號(hào)檢測(cè)的正確率，通過(guò)對(duì)暫態(tài)故障信號(hào)進(jìn)行更深入的分析來(lái)提高故障選線的準(zhǔn)確率。

1 小波分析選線擴(kuò)展至配電網(wǎng)內(nèi)原理

單相接地故障發(fā)生后，把零序電流互感器輸出的信號(hào)進(jìn)行小波分解，把高頻分量投影到小波包的某一子空間，對(duì)于與故障點(diǎn)最近的母線而言，此時(shí)故障線路電流對(duì)應(yīng)的模極大值普遍大于健全線路的對(duì)應(yīng)值，而健全線路零序則有相同的變化趨勢(shì)，極值與極性基本相同。假設(shè)母線自身發(fā)生單相接地故障，母線上所有的出線有相同的變化趨勢(shì)且對(duì)應(yīng)的模極大值大體相等、極性相同；而對(duì)于電源/變壓器到故障點(diǎn)之間的其他母線而言，給故障點(diǎn)供電的出線的模極大值、極性不同于本段母線的其他出線。擬采用模極大值選線方法先在每段母線自身及所有出線范圍內(nèi)選出可能的故障點(diǎn)，再控制主站綜合各段母線識(shí)別信息選出故障位置。

2 小波函數(shù)及分解變換尺度選取

擬以暫態(tài)信號(hào)為諧振接地的暫態(tài)電流信號(hào)，且以暫態(tài)電容電流分量為主，其自由振蕩頻率一般是300～1 500 Hz。在小波函數(shù)和分解層數(shù)上，為減小頻譜泄漏和混疊，要求小波有較好的頻域特性和奇異性檢測(cè)效果，因而選擇工程中應(yīng)用最廣泛的db小波族中頻域特性最好且奇異性檢測(cè)效果適中的db10小波，分解層數(shù)選擇為4層。暫態(tài)信號(hào)采樣頻率選為10 000 Hz，可以識(shí)別最大5 000 Hz的信號(hào)，基本滿足暫態(tài)電容電流自由振蕩頻率的要求。

對(duì)各線路零序暫態(tài)電流用選取的db10小波進(jìn)行4層分解，利用小波的奇異性檢測(cè)原理找出各尺度對(duì)應(yīng)的模極大值。生成模極大值矩陣Mij如下：

3 Matlab單相接地仿真計(jì)算

發(fā)生單相接地后，系統(tǒng)中各處都出現(xiàn)很高的零序電壓，各保護(hù)安裝處檢測(cè)到零序電壓超過(guò)定值，啟動(dòng)小波分析模塊，對(duì)采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解，得到結(jié)果，然后把小波分析結(jié)果各尺度下的模極大值連同位置信息上發(fā)所屬區(qū)域控制中心，區(qū)域控制中心則以轄區(qū)內(nèi)各母線為中心，根據(jù)與其相連的各條出線保護(hù)上報(bào)的小波分析各尺度下的模極大值進(jìn)行選線，選出本轄區(qū)內(nèi)有最大接地可能的線路或元件。圖1為典型開(kāi)閉所接線系統(tǒng)圖，利用Matlab對(duì)該方法進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖1 典型開(kāi)閉所供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

以2號(hào)母線為例。在編號(hào)為2的母線處，分別對(duì)編號(hào)為②、③、④的保護(hù)安裝處的零序電流值進(jìn)行小波分析，得到分解結(jié)果。根據(jù)分解結(jié)果得到模極大值矩陣M2：

該矩陣第一行和第三行的模極大值在第四列，第二行的模極大值在第三列，各行的極大值都不在統(tǒng)一尺度，應(yīng)選擇信號(hào)暫態(tài)突變特征最明顯的尺度作為選線尺度。經(jīng)過(guò)計(jì)算，第四尺度突變特征最為明顯，故選擇尺度四作為選線尺度，在該尺度下第一行的元素模值遠(yuǎn)比其他兩個(gè)大，且極性與其他二者相反，從而得出結(jié)論：在與2號(hào)母線相連的出線中，3號(hào)線路接地的可能性最大。同理得：

由上可得，各段母線處發(fā)生接地可能性最大的元件分別是8號(hào)線路及以下位置、12號(hào)線路及以下位置、13號(hào)母線自身或該段進(jìn)線開(kāi)關(guān)以上部分。

從電源開(kāi)始，2號(hào)母線選線結(jié)果顯示，3號(hào)出線及以下位置可能會(huì)發(fā)生接地故障，而3號(hào)出線即6號(hào)母線的進(jìn)線，對(duì)該段線路首末端的小波分析結(jié)果進(jìn)行比較：

因而判定故障在3號(hào)線路以下。根據(jù)6號(hào)母線的選線結(jié)果，該段可能的接地點(diǎn)位置應(yīng)該在該母線的8號(hào)出線及以下位置，該段線路為13號(hào)母線的電源進(jìn)線，對(duì)該段線路首末端的小波分析結(jié)果進(jìn)行比較：

其模極大值大小相近且極性相同，因而判定故障在8號(hào)線路以下；根據(jù)13號(hào)母線的選線結(jié)果，該段可能的接地點(diǎn)位置應(yīng)該在該母線自身或該段進(jìn)線開(kāi)關(guān)以上部分，結(jié)合線路8的首末端零序電流小波分解模極大值比較結(jié)果，再對(duì)比所選線路母線進(jìn)線處經(jīng)過(guò)濾波降噪等處理的零序電流波形，最終確定短路點(diǎn)為13號(hào)母線本身。

從以上仿真可知利用小波分析進(jìn)行小電流接地故障選線并不僅適用于單一的變電站內(nèi)，對(duì)故障選線的范圍可從單一的變電站內(nèi)擴(kuò)展至區(qū)域配電網(wǎng)，該方法利于調(diào)度系統(tǒng)統(tǒng)籌管理，仿真表明該方法能夠可靠選出接地線路。

4 結(jié)論

本文研究了利用小波分析進(jìn)行單相接地故障選線的方法，并提出利用小波包對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行小電流故障選線。該方法具有以下特點(diǎn)：

(1) 利用小波分析對(duì)故障選線的范圍從單一的站內(nèi)擴(kuò)展至區(qū)域配電網(wǎng)，利于調(diào)度系統(tǒng)統(tǒng)籌管理，仿真表明該方法能夠可靠選出接地線路，使之可以在整個(gè)供電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)選線，而不是只能在站內(nèi)使用。

(2) 小波分析能夠提高對(duì)奇異性、瞬時(shí)性故障信號(hào)檢測(cè)的正確率，通過(guò)對(duì)暫態(tài)故障信號(hào)進(jìn)行更深入的分析來(lái)提高故障選線的準(zhǔn)確率。

(3) 系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，把小波分析結(jié)果各尺度下的模極大值連同位置信息上發(fā)所屬區(qū)域控制中心，區(qū)域控制中心則以轄區(qū)內(nèi)各母線為中心，根據(jù)與其相連的各條出線保護(hù)上報(bào)的小波分析各尺度下的模極大值進(jìn)行選線，選出本轄區(qū)內(nèi)有最大接地可能的線路或元件。

(4) 該方法通過(guò)比較零序電流小波變換模極大值的大小和極性實(shí)現(xiàn)故障選線，克服了傳統(tǒng)方法中因穩(wěn)態(tài)零序電流較小而誤選的缺點(diǎn)，且不受故障電阻及系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，能可靠實(shí)現(xiàn)故障選線。

[1]DL/T620—1997 交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合[S]

[2]郝玉山，高曙，楊以涵，等.MLN系列小電流接地微機(jī)選線裝置動(dòng)作原理[J].電力情報(bào)，1994(2)

[3]王祖光.微機(jī)小電流接地系統(tǒng)接地選擇裝置[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1993(6)

2014-11-05

高蔚(1975—)，女，陜西人，工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化工作。