杜昌要

杜昌要（1970-）男，工程師，平?jīng)鲂掳裁簶I(yè)有限責(zé)任公司，研究方向：煤礦電網(wǎng)自動(dòng)化。

我國(guó)的配電網(wǎng)電壓等級(jí)通常為35KV、10KV 以及6KV，針對(duì)目前配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱接地故障后的故障特征，本文給出了一種基于綜合信息融合的故障選線方法，在引入有功分量、零序電流以及五次諧波分量的背景下，給出了各種方法的權(quán)重分配方案。使用MATLAB 仿真10KV 配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)本文提出的選線方案進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明該方法受接地電阻、故障初相角的影響較小，選線結(jié)果準(zhǔn)確。

在我國(guó)的中低壓系統(tǒng)中大多數(shù)都采用小電流接地方式。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱接地故障時(shí)，中性點(diǎn)電壓會(huì)有一定的偏移，不過三相線電壓仍然還是保持對(duì)稱，不需要急切的切除故障，這樣的中性點(diǎn)接地方式使得供電的可靠性有所提高。不過為了事故進(jìn)一步擴(kuò)大為兩點(diǎn)或者多點(diǎn)接地，還是需要盡快找到發(fā)生故障的線路，因此有必要進(jìn)行故障選線技術(shù)的研究。目前常用的故障選線方法主要包括基于故障穩(wěn)態(tài)信息的選線方法以及基于故障暫態(tài)信息的選線方法兩大類，基于穩(wěn)態(tài)的選線技術(shù)包括群體比幅比相法、有功分量法以及能量函數(shù)法；基于暫態(tài)的選線技術(shù)包括首半波原理以及小波分析法。本文在融合了傳統(tǒng)的幾種選線方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合權(quán)值整定方法，提出了基于多種信息量融合的選線技術(shù)，有效解決了單一選線方案帶來的誤差，由于引入了線路故障分量隸屬度以及每一種選線方法準(zhǔn)確度的權(quán)重分配問題，通過判斷故障時(shí)每一種方案的選線結(jié)果接近理論分析的程度來確定權(quán)重，調(diào)用了能夠反映故障的所有信息，因此必然能夠提高選線準(zhǔn)確度。通過仿真軟件和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況充分驗(yàn)證了該方法具有可靠、準(zhǔn)確的選線結(jié)果。

1 零序點(diǎn)電流幅值、相位比較法

通過比較各條饋線的零序電流幅值和相位信息，從而達(dá)到故障選線的目的。該方法的原理是先比較每一條饋線支路的零序電流幅值，挑選出若干條零序電流幅值比較大的饋線作為可疑接地饋線，隨后深入的去比較這幾條線路的零序電流相位信息，進(jìn)而確定最終的故障線路。由于接地線路零序電流的相位與正常運(yùn)行線路的相位相反，因此，上述判斷中如果某一條饋線的零序電流相位與剩余運(yùn)行線路的相反，確定這條線路為故障線路；但是在所有可疑線路的相位相同的情況下，就判斷母線出現(xiàn)了接地故障。

定義在配電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地時(shí)，線路i 的零序電流的變化值為Δibi，Δibi可以當(dāng)作是標(biāo)量處理，表征第 條饋線故障前后的變化數(shù)值，其符號(hào)代表變化的方向；母線零序電流前后的變化量Δibk=∑Δibi,i=1,…,n，n 為正常饋線的條數(shù)。依據(jù)理論分析，接地線路在出現(xiàn)單相接地后Δibi值變化的最大，同時(shí)變化方向與正常運(yùn)行的線路相反。因此，可以通過判斷接地前后零序電流變化量的幅度大小選擇故障線路，變化幅度越大，成為故障線路的可能性越大。因此，由第i 條線路的前后變化量得到的故障測(cè)度隸屬函數(shù)表示如下：

Δib,max表示Δibi的最大值，電網(wǎng)中各條線路的故障測(cè)度隸屬函數(shù)值都通過計(jì)算 Δib,max實(shí)現(xiàn)，這樣做意味著饋線故障測(cè)度值隨著饋線的暫態(tài)變化量增大而加大，接地線路凸顯出來的可能性更大。

盡管零序電容電流暫態(tài)分量復(fù)雜度高于穩(wěn)態(tài)分量，但其中包含著很多的故障信息量，這可以作為利用暫態(tài)變化量法來計(jì)算的重要理論支撐，是否將變化量融入到綜合選線中，我們可以根據(jù)饋線中帶有的暫態(tài)信息情況來決定。

2 零序電流有功分量比較法

通過比較饋線之間的零序電流有功分量的大小和方向的不同點(diǎn)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確選線的目的。正常運(yùn)行中饋線零序電流有功分量方向與母線的零序電壓方向一致，本支路對(duì)地電阻流過的電流構(gòu)成了零序電流的有功部分；接地饋線零序電流有功分量方向與PT開口三角處電壓方向相反，所有不接地線路對(duì)地電阻流過的電流構(gòu)成了該故障線路的零序電流有功部分。通過上述分析，因此可以通過識(shí)別故障時(shí)候各條饋線零序電流有功分量方向和大小來構(gòu)建選線方案，接地線路的零序電流有功部分?jǐn)?shù)值最大，而且與其它線路饋線的方向不同，適用于中低壓電纜的小電流接地系統(tǒng)。

通過上述分析，可以依據(jù)線路的有功功率向量來識(shí)別接地線路。我們可以根據(jù)這種機(jī)理來定義第i 條饋線的故障測(cè)度隸屬函數(shù)，采用的函數(shù)表達(dá)式如下：

由公式（2）可以得到，在比較所有線路的零序有功功率過程中，其它線路的故障測(cè)度隸屬函數(shù)值由其中的最大值來決定，這樣做的意義是突出零序有功功率最大的饋線，這樣正好滿足了我們構(gòu)思故障測(cè)度隸屬函數(shù)的設(shè)計(jì)。鑒于零序有功分量的計(jì)算只受基波分量的影響，因此采集到的零序電流的畸變率和各次諧波對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度有較大影響，因此我們可以得出這樣的結(jié)論，當(dāng)電網(wǎng)的電能質(zhì)量不符合規(guī)程要求的時(shí)候，單一的這種方案會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的結(jié)果不準(zhǔn)確，從而出現(xiàn)了誤選。

3 能量函數(shù)法

把線路的瞬態(tài)功率（瞬態(tài)電壓乘以瞬態(tài)電流）的積分當(dāng)作能量函數(shù)，在有接地故障發(fā)生之前，不計(jì)絕緣電阻的影響，饋線的電流和電壓相位互差900，因此此時(shí)饋線的能量函數(shù)恒為零；當(dāng)有接地故障發(fā)生后，線路的電流和電壓失去了正交性，接地線路與正常運(yùn)行線路的能量數(shù)值符號(hào)相反，同時(shí)接地線路能量值等于非接地線路能量總和，對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)而言，接地線路能量值等于消弧線圈與正常運(yùn)行線路的能量總和。對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)而言，能量函數(shù)法等效為基于零序電流方向的選線技術(shù)；另外，電阻元件零序能量函數(shù)單調(diào)上升，有利于通過能量函數(shù)法實(shí)現(xiàn)選線；而電感和電容元件的零序能量是周期性波動(dòng)的，其能量函數(shù)也是波動(dòng)的，不利于實(shí)現(xiàn)選線。

設(shè)置零序電壓的相位為900。接地線路的零序電流相位近似270°，正常運(yùn)行饋線的零序電流相位近似為900?？梢圆捎靡欢ǖ姆绞桨蚜阈螂妷号c零序電流相角差轉(zhuǎn)移到[0°,180 ]° 上，轉(zhuǎn)換方式如下：

式中：φ5i——饋線i 中5次諧波的零序電流相對(duì)于零序電壓的相位差；

φ5ci——變換結(jié)果，并且φ5ci∈ [0°,180°]

經(jīng)過公式（3）這樣的變換，可以實(shí)現(xiàn) φ5ci∈ [0°,180° ]的轉(zhuǎn)換，倘若 φ5ci越靠近0°，則說明實(shí)現(xiàn)變換之前的 φ5i越靠近90°，線路i 視為接地線路的概率越小；倘若 φ5ci越偏向于180°，則說明實(shí)現(xiàn)變換之前的 φ5i越靠近-90 °，線路i 成為接地線路的概率也就越大。因此，該函數(shù)值增加時(shí)，所對(duì)應(yīng)的饋線成為接地的概率增大。據(jù)此我們能夠定義饋線i 的故障測(cè)度隸屬函數(shù)

基于上述原理的分析，采用諧振接地系統(tǒng)時(shí)，配電網(wǎng)某條饋線的一相發(fā)生接地，接地饋線的5 次諧波零序電流的相位相比其它沒有發(fā)生接地的饋線，呈相反的關(guān)系。即理想狀態(tài)下只有接地饋線的5 次諧波零序電流的相位出現(xiàn)在第三或者第四象限（假設(shè)零序電壓的相位為0°的情況下），同時(shí)非接地饋線的相位落在y 軸正半軸的一、二象限。但是受實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響，現(xiàn)場(chǎng)情況有時(shí)候并不一定呈現(xiàn)上述結(jié)論，如互感器相位偏差這樣的情況，都能夠使兩條以上線路的5 次諧波零序電流相位出現(xiàn)在第三或第四象限?；谏鲜龅那闆r，提高了這種單一的方案出現(xiàn)誤選的可能性。

4 融合多種特征信息的選線技術(shù)

由于上述3 種選線方案是在相互孤立的基礎(chǔ)上分析的，為了實(shí)現(xiàn)多種故障特征信息的融合，需要轉(zhuǎn)化到統(tǒng)一的表達(dá)式。首先，將現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)處理過后計(jì)算每一種方案的故障測(cè)度；然后估測(cè)每一種算法在故障選線方面的權(quán)重；最后，依據(jù)計(jì)算到的測(cè)度值和權(quán)值計(jì)算出每一條線路的故障概率，選取概率最大的為故障線路。

5 結(jié)語

本文針對(duì)煤礦配電網(wǎng)中小電流接地故障的選線技術(shù)進(jìn)行了探討和研究，并對(duì)故障的穩(wěn)態(tài)信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)的分析，提出了一種綜合信息融合的選線方案。本文的不足之處在于，受到應(yīng)用的限制，沒能在實(shí)際的配電網(wǎng)中進(jìn)行論證。