郭謀發(fā),高 源,楊耿杰
(福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福建 福州 350108)
諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),由于故障情況復(fù)雜且故障電流較微弱,以及受線(xiàn)路結(jié)構(gòu)參數(shù)、互感器非線(xiàn)性特性、電磁干擾等因素影響,故障暫態(tài)零序電流的頻譜特性、能量分布及衰減特性有著很大的差異,其選線(xiàn)保護(hù)問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)未能得到很好的解決。
綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,根據(jù)是否利用故障信號(hào),可將能在諧振接地系統(tǒng)中應(yīng)用的選線(xiàn)保護(hù)原理分為注入信號(hào)跟蹤法和利用故障信號(hào)法,其中利用故障信號(hào)法又可分為利用故障信號(hào)穩(wěn)態(tài)量和暫態(tài)量2類(lèi)。諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),因故障電流較微弱、電弧不穩(wěn)定及隨機(jī)因素等的影響,基于故障信號(hào)穩(wěn)態(tài)量的選線(xiàn)保護(hù)方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)效果不理想,而利用比故障信號(hào)穩(wěn)態(tài)量大若干倍的故障信號(hào)暫態(tài)量進(jìn)行選線(xiàn)保護(hù)是近年來(lái)該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]:采用的信號(hào)量主要有零序電流、零序電壓、行波及相電流等,采用的特征量主要有能量[2]、突變量[3]、幅值[4]及極性[5]等,采用的數(shù)學(xué)方法主要有小波(包)法、Prony 法、S 變換法、形態(tài)學(xué)法及 HHT 法[6]等。
單一特征量難以適應(yīng)所有故障情況[7];各線(xiàn)路的故障暫態(tài)零序電流波形中包含了極性、幅值及相位等信息,比較各線(xiàn)路故障暫態(tài)零序電流波形差異性,則同時(shí)進(jìn)行了多種信息的比較,有利于提高選線(xiàn)的可靠性。本文利用諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),故障線(xiàn)路與非故障線(xiàn)路暫態(tài)零序電流波形的差異性大于非故障線(xiàn)路間暫態(tài)零序電流波形的差異性的特點(diǎn),提出一種基于暫態(tài)波形差異性識(shí)別的接地選線(xiàn)新方法。該方法求取故障暫態(tài)零序電流波形時(shí)頻分布特征矩陣間的相對(duì)熵,用其表征波形間的差異度,進(jìn)而確定接地的故障線(xiàn)路。
用MATLAB的SPS工具箱搭建含7條出線(xiàn)的諧振接地系統(tǒng)仿真模型[8-9]見(jiàn)圖1。架空線(xiàn)路正序參數(shù):R1=0.17 Ω /km,C1=0.0097 μF /km,L1=1.21 mH /km。架空線(xiàn)路零序參數(shù):R0=0.23 Ω/km,C0=0.008 μF/km,L0=5.5 mH/km。 電纜線(xiàn)路正序參數(shù):R1=0.27 Ω/km,C1=0.339 μF/km,L1=0.255 mH/km。 電纜線(xiàn)路零序參數(shù):R0=2.7 Ω /km,C0=0.28 μF /km,L0=1.019 mH /km。消弧線(xiàn)圈過(guò)補(bǔ)償度設(shè)為5%,計(jì)算得L=0.803 H。
圖1 諧振接地系統(tǒng)仿真模型Fig.1 Simulation model of resonant earthed system
其中,m(m=1,2,…,S)為線(xiàn)路編號(hào),S 為線(xiàn)路數(shù);im為第m條非故障線(xiàn)路的零序電流;C0m為第m條非故
故障點(diǎn)零序電源,即故障相電源電壓為系統(tǒng)唯一的零序電壓源[10]。忽略線(xiàn)路阻抗時(shí),零序電壓源u0與任意一條非故障線(xiàn)路零序電流間的關(guān)系為:障線(xiàn)路的等效零序分布電容。
由式(1)可知,非故障線(xiàn)路的暫態(tài)零序電流主要與線(xiàn)路的零序分布電容相關(guān),所有非故障線(xiàn)路的充放電過(guò)程相似,非故障線(xiàn)路間的暫態(tài)零序電流波形差異性較小。而故障線(xiàn)路暫態(tài)零序電流等于非故障線(xiàn)路暫態(tài)零序電流與流經(jīng)消弧線(xiàn)圈的暫態(tài)零序電流的疊加,故障線(xiàn)路的零序電流為:
其中,iL為流經(jīng)消弧線(xiàn)圈的零序電流;iS為第S條線(xiàn)路的零序電流。
因此,故障線(xiàn)路與非故障線(xiàn)路間暫態(tài)零序電流波形的差異性較大。
假設(shè)線(xiàn)路L1及母線(xiàn)在故障合閘角為30°時(shí)發(fā)生單相接地故障,接地電阻為2 kΩ,線(xiàn)路L1接地位置距母線(xiàn)6 km,則線(xiàn)路L1、L4、L7的故障暫態(tài)零序電流波形如圖2所示。
圖2 高阻接地時(shí)故障暫態(tài)零序電流Fig.2 Transient zero-sequence current of grounding fault with high resistance
假設(shè)線(xiàn)路L1及母線(xiàn)在故障合閘角為70°時(shí)發(fā)生金屬性接地,線(xiàn)路L1接地位置距母線(xiàn)6 km,則線(xiàn)路L1、L4、L7的故障暫態(tài)零序電流波形見(jiàn)圖3。
由以上分析可知諧振接地系統(tǒng)的線(xiàn)路發(fā)生單相接地故障時(shí),故障線(xiàn)路與非故障線(xiàn)路間暫態(tài)零序電流波形的差異性大于非故障線(xiàn)路間暫態(tài)零序電流波形的差異性;在故障合閘角及接地電阻等情況相近的條件下,相對(duì)于線(xiàn)路發(fā)生單相接地故障,母線(xiàn)發(fā)生單相接地故障時(shí),各線(xiàn)路的暫態(tài)零序電流波形較相似。
各線(xiàn)路故障后首個(gè)周期的暫態(tài)零序電流波形經(jīng)小波包分解、單支重構(gòu)后得到各頻帶重構(gòu)系數(shù),對(duì)各重構(gòu)系數(shù)進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng),考慮暫態(tài)波形時(shí)頻局部特征,根據(jù)各頻帶頻率大小確定頻帶的時(shí)間窗劃分?jǐn)?shù)量,對(duì)增強(qiáng)后的同頻帶重構(gòu)系數(shù)進(jìn)行等間隔劃分,獲得多組時(shí)頻小塊波形。求取各組時(shí)頻小塊波形的分布特征矩陣,進(jìn)而算得各分布特征矩陣間的相對(duì)熵,用于衡量同組時(shí)間窗波形間的差異程度,得到各組時(shí)間窗的選線(xiàn)結(jié)果。采用等權(quán)重投票法統(tǒng)計(jì)各組時(shí)間窗的選線(xiàn)結(jié)果,得到各頻帶的初步選線(xiàn)結(jié)果,進(jìn)而確定故障線(xiàn)路。
圖3 金屬性接地時(shí)故障暫態(tài)零序電流Fig.3 Transient zero-sequence current of grounding fault with low resistance
各線(xiàn)路故障后首個(gè)周期的暫態(tài)零序電流波形經(jīng)小波包分解重構(gòu)后,均得到多個(gè)頻帶的重構(gòu)系數(shù)[11],假設(shè)某個(gè)頻帶重構(gòu)系數(shù)為:
其中,K為采樣點(diǎn)數(shù)。
對(duì)單頻帶重構(gòu)系數(shù)A做時(shí)域的分割有利于比較各線(xiàn)路對(duì)應(yīng)頻帶波形間的時(shí)頻局部特征[12]。對(duì)A做等時(shí)間間隔的劃分,則各時(shí)間窗內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)量相同,同頻帶等間隔時(shí)間窗劃分方法如圖4所示。
圖4 時(shí)間窗劃分示意圖Fig.4 Schematic diagram of time-window division
根據(jù)各頻帶的頻率范圍確定其時(shí)間窗的劃分?jǐn)?shù)量,頻率越高的頻帶,分割的時(shí)間窗數(shù)量越多。各頻帶按頻率由低到高依次排列,可令前N個(gè)頻帶時(shí)間窗數(shù)量為1,第N+1~2N個(gè)頻帶的時(shí)間窗數(shù)量為2,依此類(lèi)推。對(duì)各線(xiàn)路故障暫態(tài)零序電流波形各頻帶內(nèi)的所有時(shí)間窗進(jìn)行不重復(fù)的編號(hào),將所有線(xiàn)路相同頻帶對(duì)應(yīng)時(shí)間窗內(nèi)的波形歸為同一組,其組數(shù)與該頻帶內(nèi)的時(shí)間窗數(shù)量相等。
取第m條線(xiàn)路某頻帶內(nèi)的一個(gè)時(shí)間窗重構(gòu)系數(shù)B。為增強(qiáng)波形間的差異性,將B中各元素的值B(k)乘以其絕對(duì)值得到:
根據(jù)圖5所示的單時(shí)間窗網(wǎng)格劃分方法,以波形E的最小值作為最低點(diǎn)、最大值作為最高點(diǎn)、最大值與最小值之差作為網(wǎng)格的總高度,在總高度范圍內(nèi)將波形E等分為F個(gè)網(wǎng)格。在一個(gè)時(shí)間窗內(nèi),從上到下依次給網(wǎng)格編號(hào),統(tǒng)計(jì)各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù),若采樣點(diǎn)正好處于網(wǎng)格線(xiàn)(圖中虛線(xiàn)所示)上,將該點(diǎn)劃歸到編號(hào)大的網(wǎng)格,則可得到由各網(wǎng)格內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)組成的列向量Cm如式(5)所示,其元素值的大小反映了采樣點(diǎn)在某個(gè)幅值范圍內(nèi)的聚集程度。
圖5 波形網(wǎng)格劃分示意圖Fig.5 Schematic diagram of waveform grid division
其中,f(f=1,2,…,F(xiàn))為網(wǎng)格編號(hào);Cmf為波形 E 的第f個(gè)網(wǎng)格的采樣點(diǎn)數(shù)。
對(duì)Cm做歸一化處理,即將其各元素除以該時(shí)間窗波形內(nèi)的總采樣點(diǎn)數(shù),得到:
其中,Pmf為第f個(gè)網(wǎng)格的采樣點(diǎn)數(shù)占該時(shí)間窗波形內(nèi)的總采樣點(diǎn)數(shù)的百分比。
同時(shí)考慮所有線(xiàn)路同頻帶內(nèi)的各組時(shí)間窗,可得到矩陣:
將矩陣P內(nèi)元素按行進(jìn)行歸一化處理,即將各元素除以該元素所在行的所有元素之和,得到各線(xiàn)路同頻帶內(nèi)同組時(shí)間窗波形的分布特征矩陣:
其中,P′mf表示第m條線(xiàn)路某頻帶系數(shù)的一個(gè)時(shí)間窗內(nèi)第f個(gè)網(wǎng)格的特征系數(shù)。
相對(duì)熵表示系統(tǒng)處于一個(gè)狀態(tài)相對(duì)處于另一個(gè)狀態(tài)的概率的差異程度[13-14]。將波形分布特征矩陣看成一個(gè)系統(tǒng),矩陣內(nèi)的元素看作該系統(tǒng)的狀態(tài),元素值看作狀態(tài)出現(xiàn)的概率。因此,可用相對(duì)熵表示各線(xiàn)路故障暫態(tài)零序電流波形間的差異性[15-16],進(jìn)而確定故障線(xiàn)路。
定義向量 P′m關(guān)于 P′n的相對(duì)熵為:
則各線(xiàn)路同頻帶同組時(shí)間窗波形相互間的相對(duì)熵組成的矩陣為:
令第m條線(xiàn)路某頻帶一個(gè)時(shí)間窗波形相對(duì)其他線(xiàn)路同頻帶同組時(shí)間窗波形的相對(duì)熵為:
由各線(xiàn)路相對(duì)其他線(xiàn)路同頻帶同組時(shí)間窗波形的相對(duì)熵構(gòu)成列向量Md,對(duì)其各元素做歸一化處理,即將各元素除以其所在行的所有元素之和得到:
其中,M′m為Mm歸一化后的值,越大說(shuō)明其對(duì)應(yīng)的時(shí)間窗波形與其他線(xiàn)路同組時(shí)間窗波形差異性越大。
由大量仿真得到,當(dāng)式(12)中線(xiàn)路某時(shí)間窗波形相對(duì)熵的最大值比次大值大0.1,即滿(mǎn)足式(13)時(shí),最大值所對(duì)應(yīng)的線(xiàn)路為該組時(shí)間窗波形的疑似故障線(xiàn)路,此時(shí)該線(xiàn)路的疑似故障次數(shù)加1,否則認(rèn)為該組時(shí)間窗波形無(wú)線(xiàn)路發(fā)生故障。依次求出各組時(shí)間窗的疑似故障線(xiàn)路。
其中,a1為 M′d中最大相對(duì)熵;a2為 M′d中次大相對(duì)熵;i=1,2,…,S。
在單個(gè)頻帶內(nèi),疑似故障次數(shù)最多的線(xiàn)路,若其疑似故障次數(shù)超過(guò)該頻帶一半的時(shí)間窗數(shù)時(shí),則該頻帶擁有一張有效選票,選票只能投向疑似故障次數(shù)最多的線(xiàn)路;否則,該頻帶投棄權(quán)票。等權(quán)重表示一個(gè)頻帶的選票數(shù)只有一張,總票數(shù)等于線(xiàn)路的頻帶數(shù)。
統(tǒng)計(jì)各頻帶的投票結(jié)果,棄權(quán)票越多,母線(xiàn)發(fā)生故障的可能性越大;棄權(quán)票越少,線(xiàn)路發(fā)生故障的可能性越大。
最終選線(xiàn)判據(jù)為:若棄權(quán)票數(shù)大于3/4的總票數(shù),判定母線(xiàn)故障;否則,有效票數(shù)最多的線(xiàn)路為故障線(xiàn)路。
故障暫態(tài)零序電流波形頻率范圍:純架空線(xiàn)組成的系統(tǒng)約為0~1500 Hz,純電纜線(xiàn)組成的系統(tǒng)約為0~3000 Hz。取故障后各線(xiàn)路一個(gè)周期的故障暫態(tài)零序電流數(shù)據(jù),考慮裕度,本文的纜線(xiàn)混合系統(tǒng)的頻率分析范圍取0~3500 Hz,信號(hào)采樣頻率為10 kHz,經(jīng)7層小波包分解后得到128個(gè)頻段,每個(gè)頻段的頻帶寬度約為39 Hz,經(jīng)抗混疊處理并將各頻段按頻率由低到高排列,其中第0~90個(gè)頻段的頻帶總寬度約為3500 Hz。令前10個(gè)頻帶的時(shí)間窗數(shù)量都為1,每隔10個(gè)頻帶,頻帶的時(shí)間窗數(shù)量增加1,網(wǎng)格數(shù)取5。
設(shè)線(xiàn)路L3在距母線(xiàn)2 km處發(fā)生單相接地故障,當(dāng)接地電阻為200 Ω、消弧線(xiàn)圈電感值為0.803 H、過(guò)補(bǔ)償度為5%、故障合閘角為60°時(shí),得到各線(xiàn)路1個(gè)周期的故障暫態(tài)零序電流仿真波形見(jiàn)圖6。
經(jīng)小波包7層分解后,處理小波混頻并將分解系數(shù)進(jìn)行單支重構(gòu),各頻帶按頻率由低到高排列。第1個(gè)頻帶第1個(gè)時(shí)間窗(也是唯一的時(shí)間窗)的單支重構(gòu)系數(shù)波形如圖7所示。
將線(xiàn)路L3第1個(gè)頻帶第1個(gè)時(shí)間窗系數(shù)的單支重構(gòu)系數(shù)波形的各點(diǎn)數(shù)據(jù)乘以其絕對(duì)值,得到重構(gòu)后的增強(qiáng)波形,如圖8所示。
第1個(gè)頻帶的時(shí)間窗數(shù)量為1,將圖8的各波形等分為5個(gè)網(wǎng)格,各網(wǎng)格采樣點(diǎn)數(shù)矩陣見(jiàn)式(14)。
圖6 線(xiàn)路故障暫態(tài)零序電流波形Fig.6 Fault transient zero-sequence current waveforms
圖7 第1個(gè)頻帶第1個(gè)時(shí)間窗系數(shù)單支重構(gòu)后波形Fig.7 Reconstructed waveforms of first time window for first frequency band in single scale
圖8 差異性增強(qiáng)后波形Fig.8 Difference-enhanced waveforms
求相對(duì)熵過(guò)程中有對(duì)數(shù)計(jì)算,為使相對(duì)熵的計(jì)算不受0值的影響,將矩陣C內(nèi)的元素值全部加1后對(duì)各元素做歸一化處理,得到:
經(jīng)式(9)計(jì)算后,可得相對(duì)熵矩陣式(16)。
經(jīng)式(11)和(12)計(jì)算后,各線(xiàn)路的總相對(duì)熵為:
由式(17)和疑似故障線(xiàn)路判據(jù),該時(shí)間窗內(nèi)線(xiàn)路L3為疑似故障線(xiàn)路。
因第1個(gè)頻帶內(nèi)時(shí)間窗僅1個(gè),由等權(quán)重投票選線(xiàn)可知,該頻帶有有效票1張,且投向線(xiàn)路L3,故總票數(shù)加1。第1個(gè)頻帶選線(xiàn)投票結(jié)束后,選票信息見(jiàn)表1。
表1 選票信息表Tab.1 Vote information
所有90個(gè)頻帶都執(zhí)行選線(xiàn)投票,結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 最終選票信息表Tab.2 Final vote information
據(jù)最終選線(xiàn)判據(jù),因 4<90×3/4,且線(xiàn)路 L3得到的有效票數(shù)最多,故線(xiàn)路L3為故障線(xiàn)路。
同樣故障條件下,第1個(gè)頻帶第1個(gè)時(shí)間窗系數(shù)單支重構(gòu)后的系數(shù)波形如圖7所示。若跳過(guò)式(4)的計(jì)算過(guò)程,其余計(jì)算過(guò)程與3.1節(jié)一致,則得到各網(wǎng)格采樣點(diǎn)數(shù)矩陣為:
相對(duì)熵矩陣M如式(19)所示。
對(duì)式(19)中的相對(duì)熵做歸一化處理,得式(20)。
比較式(17)和式(20)可知,差異性增強(qiáng)處理后故障線(xiàn)路的熵值要大于未增強(qiáng)前的熵值。
仿真系統(tǒng)如圖1所示,在不同故障合閘角、不同故障位置、不同接地電阻、不同補(bǔ)償度、不同信噪比噪聲干擾、采樣不同步及兩點(diǎn)接地等情況下,驗(yàn)證本文所提選線(xiàn)方法的可靠性和正確性。
a.故障合閘角不同。
當(dāng)過(guò)補(bǔ)償度為5%時(shí),在不同故障合閘角情況下,線(xiàn)路L7在距離母線(xiàn)1 km處發(fā)生接地電阻為2 kΩ的單相接地故障,選線(xiàn)結(jié)果見(jiàn)表3,由表中數(shù)據(jù)可知,選線(xiàn)結(jié)果不受故障合閘角的影響。
表3 不同故障合閘角的選線(xiàn)結(jié)果Tab.3 Results of faulty line selection for different fault switching angles
b.故障位置不同。
當(dāng)故障合閘角為70°、過(guò)補(bǔ)償度為5%時(shí),線(xiàn)路L7在不同位置發(fā)生金屬性單相接地故障,選線(xiàn)結(jié)果見(jiàn)表4,表中距母線(xiàn)為0時(shí)表示母線(xiàn)接地故障。由表4可知,選線(xiàn)結(jié)果不受故障位置的影響。
c.接地電阻不同。
當(dāng)合閘角為40°、過(guò)補(bǔ)償度為5%時(shí),接地電阻不同情況下,線(xiàn)路L4距母線(xiàn)3 km處發(fā)生單相接地故障,選線(xiàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由于接地電阻主要影響暫態(tài)零序電流波形的幅值,因此,選線(xiàn)結(jié)果不受接地電阻的影響。
表4 不同故障位置的選線(xiàn)結(jié)果Tab.4 Results of faulty line selection for different fault locations
表5 不同接地電阻的選線(xiàn)結(jié)果Tab.5 Results of faulty line selection for different grounding resistances
d.補(bǔ)償度不同。
由于消弧線(xiàn)圈的過(guò)補(bǔ)償作用,使得諧振接地系統(tǒng)單相接地故障零序電流減小,減小量與消弧線(xiàn)圈的補(bǔ)償度有關(guān)。當(dāng)故障合閘角為30°、接地電阻為2 kΩ時(shí),線(xiàn)路L4在距離母線(xiàn)2 km處發(fā)生單相接地故障,此時(shí)不同補(bǔ)償度下的選線(xiàn)結(jié)果見(jiàn)表6,表中補(bǔ)償度為0表示中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),補(bǔ)償度為100%表示完全補(bǔ)償。由表6可知,所提方法對(duì)諧振接地系統(tǒng)在不同補(bǔ)償度下發(fā)生單相接地故障均適用。
表6 不同補(bǔ)償度的選線(xiàn)結(jié)果Tab.6 Results of faulty line selection for different compensation degrees
e.信噪比噪聲干擾不同。
工程應(yīng)用中,需考慮外界噪聲干擾對(duì)接地選線(xiàn)方法的影響。當(dāng)故障合閘角為90°、過(guò)補(bǔ)償度為5%時(shí),線(xiàn)路L6在距離母線(xiàn)2 km處發(fā)生單相接地故障,接地電阻為2 kΩ,表7為不同信噪比情況下的選線(xiàn)結(jié)果。由表7數(shù)據(jù)可知,所提選線(xiàn)方法能在噪聲干擾的情況下正確選線(xiàn)。
f.燃弧間距的間歇性電弧不同。
表7 不同噪聲信噪比的選線(xiàn)結(jié)果Tab.7 Results of faulty line selection for different signal-to-noise ratio
當(dāng)故障合閘角為40°、接地電阻為2 kΩ、過(guò)補(bǔ)償度為5%時(shí),線(xiàn)路L1在距離母線(xiàn)8 km處發(fā)生不同燃弧間距的間歇性電弧故障,選線(xiàn)結(jié)果如表8所示。由表可見(jiàn),在燃弧間距不同時(shí),所提方法均可正確選線(xiàn)。
表8 不同燃弧間距下的選線(xiàn)結(jié)果Tab.8 Results of faulty line selection for different arc spacing
運(yùn)用小波包對(duì)故障暫態(tài)零序電流信號(hào)進(jìn)行分解重構(gòu),得到不同頻帶內(nèi)的小波包重構(gòu)系數(shù);在時(shí)域上對(duì)各頻帶小波包重構(gòu)系數(shù)進(jìn)行分塊,得到各組時(shí)間窗波形,求其波形分布特征矩陣,進(jìn)而算得各組時(shí)間窗波形分布特征矩陣間的相對(duì)熵,用于衡量各組時(shí)間窗波形間的差異程度,得到各組時(shí)間窗的選線(xiàn)結(jié)果,按等權(quán)重投票選線(xiàn)方法獲得最終的故障線(xiàn)路。理論分析和大量仿真結(jié)果表明了所提選線(xiàn)方法的有效性。