張國軍，韓靜靜，任榮，田永鋒

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105)

多判據(jù)融合小電流單相接地故障選線方法研究與實(shí)驗(yàn)

張國軍，韓靜靜，任榮，田永鋒

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105)

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線問題一直沒有得到很好的解決，以往單一的選線方法有一定的局限性和適用性，并且故障選線時沒有用到對選線有利的故障信息，選線的靈敏性及可靠性并不高。文中將優(yōu)勢互補(bǔ)的選線方法運(yùn)用模糊理論智能融合，根據(jù)不同的選線方法利用對選線有利的故障數(shù)據(jù)，形成一種多判據(jù)融合的選線方法。實(shí)驗(yàn)室條件下搭建模擬電力系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明選線方法結(jié)果準(zhǔn)確，能適用于各種單相接地故障的小電流接地系統(tǒng)。

小電流接地系統(tǒng);故障選線;模糊理論;多判據(jù)融合

1 引言

我國中低壓配電網(wǎng)大多采用中性點(diǎn)不接地或中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，稱為小電流接地系統(tǒng)［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的幾率高達(dá)80%，單相接地故障發(fā)生時，系統(tǒng)仍可運(yùn)行1～2h，這極大提高了供電的連續(xù)性，而及時和準(zhǔn)確地判斷出故障線路，能防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大、隔離故障并快速恢復(fù)供電，所以，研究單相接地故障選線問題對配電網(wǎng)保護(hù)具有重要的意義。

針對小電流單相接地故障選線這一問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，提出了多種選線方法［2］。根據(jù)電氣特征大致可以分為基于穩(wěn)態(tài)量的方法和基于暫態(tài)量的方法。穩(wěn)態(tài)分析的方法有群體比幅比相法、零序功率法［3，4］、諧波分量法［5］和能量法等，暫態(tài)分析的方法有五次諧波法、小波變換法［6］和首半波法等。由于單一的算法有一定的局限性和適用性，并且故障選線時沒有采用對選線有利的故障信息，也會導(dǎo)致故障選線時的錯選和漏選。基于模糊數(shù)學(xué)的多判據(jù)融合故障選線方法在選線時，根據(jù)小電流接地系統(tǒng)的故障特征統(tǒng)一共性，有效利用系統(tǒng)特殊性，進(jìn)行信息融合。本文根據(jù)小電流接地系統(tǒng)故障狀態(tài)的特征，選擇具有優(yōu)勢互補(bǔ)的三種選線判據(jù)運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，構(gòu)成多重選線判據(jù)，提高小電流單相接地故障選線的可靠性和靈敏性。

2 單相接地故障電氣特征分析

小電流接地系統(tǒng)電力線路中存在對地電容和絕緣電阻，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，由于三相負(fù)載對稱性被破壞，原電力線路平衡被破壞，出現(xiàn)了零序電壓和零序電流［7-9］。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的零序電壓變化趨勢相同，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)由于在變壓器中性點(diǎn)添加了電抗線圈，所以與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的零序電流變化不同。

小電流接地系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地方式發(fā)生單相接地故障時故障線路的零序電流等于其他所有非故障線路零序電流的和，方向是從線路流向母線。如圖1所示，線路1為故障線路，零序電流的方向與非故障線路相反。

小電流接地系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式發(fā)生單相接地故障時的零序電流等于所有非故障線路零序電流以及消弧線圈的補(bǔ)償電流之和，方向由消弧線圈的補(bǔ)償度決定。過補(bǔ)償時，故障線路零序電流方向從母線流向線路;欠補(bǔ)償時，方向是從線路流向母線。如圖2所示，線路1為故障支路，圖中電流方向?yàn)榍费a(bǔ)償時各支路零序電流的方向。

圖1 中性點(diǎn)不接地零序電流流向圖Fig．1 Neutral zero sequence current flow

圖2 欠補(bǔ)償方式零序電流流向圖Fig．2 Compensation owed zero sequence current flow

3 單相接地故障選線模糊模型建立

3.1 零序有功分量法

在電力系統(tǒng)中，由于線路的三相負(fù)載不對稱也會在線路中出現(xiàn)零序電壓，此時線路出現(xiàn)的特征與漏電故障出現(xiàn)的特征是一樣的，同樣會產(chǎn)生有功分量和無功分量。若此時認(rèn)為漏電，則會造成誤判。在電力系統(tǒng)中，一般認(rèn)為產(chǎn)生的零序電壓超過電路相電壓的15%時，則認(rèn)為是漏電發(fā)生。使用有功分量法和無功分量法判斷是否漏電，對于系統(tǒng)會有一個閾值。所以有:

式中，Uφ為電力系統(tǒng)中的相電壓;U0、I0分別為電力系統(tǒng)產(chǎn)生的零序電壓和零序電流;Rh為漏電時的動作電阻;Z0為各條線路的寄生阻抗;Pop、Qop分別為當(dāng)零序電壓是相電壓的15%時的有功分量和無功分量。

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，會由絕緣電阻和對地電容產(chǎn)生故障電流有功分量和無功分量。設(shè)電網(wǎng)故障發(fā)生時的零序電流為I0，零序電壓為U0，則有:

式中，φ為零序電流與基波零序電壓的相位差。

顯然，對應(yīng)于非故障支路有Pa＞0，而對于故障支路有Pa＜Pop，且故障支路的Pa的值較非故障線路的值大得多。

所以，根據(jù)此方法，確定零序有功分量法的隸屬度函數(shù)u1。Pai為第i條線路的零序有功分量值，i= 1，2，…，n。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)及專家經(jīng)驗(yàn)，零序有功分量法的隸屬度函數(shù)u1為:

3.2 零序無功分量法

零序無功分量法利用線路中存在容性阻抗的特性，提取故障電流中的無功分量，計(jì)算出功率分量。在做判據(jù)時，將零序電壓順時針旋轉(zhuǎn)90°，與零序電流做無功分量計(jì)算，所以在故障線路中有Qa＜0，非故障線路有Qa＞0。

零序無功分量法的原理與零序有功分量法相同。則根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)及專家經(jīng)驗(yàn)，零序無功分量法的隸屬度函數(shù)u2為:

3.3 小波分析法

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，利用小波變換將流經(jīng)各線路的暫態(tài)零序電流按一定頻帶寬度進(jìn)行分解并剔除工頻段所在最低頻段后，能量較大的頻段即為該線路暫態(tài)電容電流分布較集中的頻段，也就是故障特征最明顯的特征頻段。根據(jù)大量的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，采用db3小波包對暫態(tài)零序電流進(jìn)行4層分解時所得到的高頻分量最能體現(xiàn)故障線路的特征。本文采用db3小波包對暫態(tài)零序電流進(jìn)行小波變換。

小波變換后，以往的處理方法大多采用的是根據(jù)變換后故障相和非故障相的小波參數(shù)值的幅值和相位不同來判斷，但由于暫態(tài)過程時間較短，信號采集中可能會存在干擾，比幅比相法穩(wěn)定性不足。本文采用相關(guān)分析原理［10］，根據(jù)小波參數(shù)值相似系數(shù)作為選線判據(jù)。

利用小波對暫態(tài)零序電流進(jìn)行分析后，根據(jù)互相關(guān)運(yùn)算公式

對小波信號故障時刻波形兩兩相關(guān)分析，求取線路之間的兩兩相關(guān)系數(shù)，形成相關(guān)系數(shù)矩陣M:

式中，n為系統(tǒng)饋線支路條數(shù);相關(guān)系數(shù)矩陣M中對角線元素為各線路零序電流的自相關(guān)系數(shù)，其值均為1，其余元素為各線路零序電流的兩兩互相關(guān)系數(shù)。根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣求取每條線路相對于其他線路的綜合相關(guān)系數(shù)ρi，i=1，2，…，n，定義本線路與其他線路的相關(guān)系數(shù)平均值作為本線路的綜合相關(guān)系數(shù)，即

根據(jù)式(11)，比較各條線路的綜合相關(guān)系數(shù)，最小綜合相關(guān)系數(shù)對應(yīng)的線路即為故障線路;若最大綜合相關(guān)系數(shù)與最小綜合相關(guān)系數(shù)之差小于閾值ρset時，則判斷系統(tǒng)發(fā)生母線故障。所以，根據(jù)此方法，確定小波分析法的隸屬度函數(shù)u3為:

4 信息融合綜合選線方法

根據(jù)三種不同單一選線方法的局限性及三種選線方法的優(yōu)缺點(diǎn)，利用數(shù)據(jù)融合，可以更好地利用不同配電網(wǎng)的統(tǒng)一共性和特殊性，使用不同的選線方法，并為選線方法分配不同的權(quán)重，提高選線方法的適用性，從而提高小電流接地系統(tǒng)故障選線的可靠性和靈敏性。

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時［11］，故障信號通過電流互感器和電壓互感器測得零序電壓和零序電流后送入選線裝置，經(jīng)過傅里葉分析、小波變換等算法從原始故障信號中提取到各選線判據(jù)所需要的故障信息，如零序電流幅值、零序電壓幅值和相位及經(jīng)小波分析后得到的零序電流的幅值和相位等信息。根據(jù)模糊綜合決策進(jìn)行信息融合［12，13］。因?yàn)橥环N方法在不同的選線系統(tǒng)中得出的選線正確率是不一樣的，所以同一方法在不同的系統(tǒng)中有對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。分別計(jì)算單一選線方法的隸屬度，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)思想及專家經(jīng)驗(yàn)給出各種選線方法的權(quán)重a=［a1，a2，a3］，則各線路的綜合選線的隸屬函數(shù)為:

式中，k=0，1，…，n，表示各線路，其中k=0表示母線。

5 實(shí)驗(yàn)研究

5.1 系統(tǒng)建模

在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建小電流接地系統(tǒng)進(jìn)行單相接地故障的模擬。由于條件有限，實(shí)驗(yàn)電路采用三條支路，將線路中分布參數(shù)集中表示，分別搭建系統(tǒng)的集中絕緣電阻和電容。實(shí)驗(yàn)室條件下，線路發(fā)生單相接地故障應(yīng)用無線控制模塊，通過控制繼電器開關(guān)的通斷來模擬。

由于實(shí)驗(yàn)室三相電源為中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，為模擬中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，采用兩臺380/110V變壓器N1、N2，在N2副邊加入補(bǔ)償線圈，由繼電器KA的關(guān)斷得到中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)室電力系統(tǒng)物理模型如圖3所示，變壓器N1為降壓變壓器，副邊輸出110V電壓，再連接變壓器N2，N2為升壓變壓器，副邊輸出380V電壓，則此時由中性點(diǎn)接地配電系統(tǒng)可得到中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，接入消弧線圈，即可得到中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地配電系統(tǒng)。為簡便實(shí)驗(yàn)過程，通過控制開關(guān)KA的通斷即可實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。分別在三條支路的分支點(diǎn)裝有零序電流互感器TA1～TA3，分別測得零序電流，在變壓器N2副邊即中性點(diǎn)處采集零序電壓。采集信號后，經(jīng)過硬件設(shè)計(jì)電路及各調(diào)理電路進(jìn)行信息處理，根據(jù)硬件電路采用相關(guān)軟件編寫程序，使用C語言編寫多信息融合算法程序，下載到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行故障選線，算法處理過程如圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)室電力系統(tǒng)物理模型Fig．3 Laboratory physicalmodel of power system

圖4 算法流程圖Fig．4 Algorithm flow chart

5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)中主要設(shè)置參數(shù)見表1。

為驗(yàn)證綜合選線方法的有效性、優(yōu)越性以及正確率，對兩種接地方式下發(fā)生金屬性故障情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

按如圖3所示搭建380V中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，各條支路絕緣電阻參數(shù)及分布電容參數(shù)如表1所示，通過控制繼電器的開關(guān)令線路L1發(fā)生單相接地故障，根據(jù)380V配電系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，令故障電阻為2kΩ。

表1 模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab．1 Simulation parameters

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，線路L1發(fā)生金屬性接地故障［14］，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及選線結(jié)果如表2和表3所示。表2中各項(xiàng)參數(shù)值為經(jīng)過程序處理后各支路參數(shù)值。表3數(shù)據(jù)表明，當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生金屬性單相接地故障時，運(yùn)用零序有功分量法選線，效果明顯。但是運(yùn)用綜合評判的數(shù)據(jù)融合選線方法進(jìn)行選線，則效果顯著，同時運(yùn)用小波分析法選線保證了故障選線的正確率。

表2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的有關(guān)特征量Tab．2 Relevant characteristics in non-ground neutral system

表3 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)故障隸屬度Tab．3 Failuremembership in non-ground neutral system

圖5為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)故障相零序電流及零序電壓波形，發(fā)生故障時，故障相零序電壓相位超前零序電流。

在搭建中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)時，根據(jù)實(shí)際配電系統(tǒng)要求，采用微過補(bǔ)償方式進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)絕緣電阻及分布電容參數(shù)，補(bǔ)償線圈電感值為1.38H。

圖5 中性點(diǎn)不接地零序電壓電流波形圖Fig．5 Zero sequence voltage and currentwaveforms in non-ground neutral system

在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，線路L1發(fā)生金屬性接地故障，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及選線結(jié)果如表4和表5所示。表5數(shù)據(jù)表明:在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中發(fā)生金屬性單相接地故障時，由于存在補(bǔ)償線圈，運(yùn)用零序無功分量法選線，效果不是很明顯。但是運(yùn)用綜合評判的數(shù)據(jù)融合選線方法進(jìn)行選線，則效果顯著。同時，小波分析法的運(yùn)用提高了選線的準(zhǔn)確率，避免了漏選及錯選。

表4 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的有關(guān)特征量Tab．4 Relevant characteristics in arc-suppressioncoil-ground neutral system

表5 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障隸屬度Tab．5 Failuremembership in arc-suppressioncoil-ground neutral system

圖6為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障相零序電流及零序電壓波形，發(fā)生故障時，故障相零序電壓相位超前零序電流。

圖6 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地零序電壓電流波形圖Fig．6 Zero sequence voltage and currentwaveforms in arc-suppression-coil-ground neutral system

6 結(jié)論

本文提出了一種基于綜合評判的多判據(jù)融合選線方法。該方法通過選用零序有功分量法、零序無功分量法、小波分析法三種優(yōu)勢互補(bǔ)的基本選線方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，根據(jù)系統(tǒng)故障相與非故障的零序電壓和零序電流的不同特性，構(gòu)造單一選線方法的隸屬度函數(shù);然后，通過綜合評判進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)選線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不受接地方式和接地電阻的影響，抗干擾能力強(qiáng)，判斷結(jié)果準(zhǔn)確可靠，保證了故障選線的正確率，有效減少了電網(wǎng)發(fā)生漏電時的漏選和錯選的情況，且該選線方法容易在現(xiàn)有的選線裝置條件下或電力系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

［1］王艷松，解飛(Wang Yansong，Xie Fei)．配電網(wǎng)單相接地保護(hù)(Relay protection of single-phase to ground fault in distribution networks)［J］．高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering)，2008，34(2):303-307．

［2］程路，陳喬夫(Cheng Lu，Chen Qiaofu)．小電流接地系統(tǒng)單相接地選線技術(shù)綜述(A survey on faulty line selection technology for single-phase grounded transmission line in small current neutral grounded system)［J］．電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology)，2009，33 (18):219-224．

［3］牟龍華(Mu Longhua)．零序電流有功分量方向接地選線保護(hù)原理(Principle of selective grounding fault protection based on active component direction of zero-sequence current)［J］．電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology)，1999，23(9):60-62．

［4］張利，楊鵬，司冬梅，等(Zhang Li，Yang Peng，SiDongmei，et al．)．基于零序功率方向的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在線故障定位(Online fault location of neutral point ungrounded distribution network based on zero-sequence power direction)［J］．電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power System)，2008，32(17):79-82．

［5］李斌，束洪春(Li Bin，Shu Hongchun)．諧振接地系統(tǒng)單相接地故障瞬時功率分析(Analysis on instantaneous power during single-phase earth fault occurred in resonant grounded system)［J］．電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology)，2012，36(7):260-268．

［6］王耀南，霍百林，王輝(Wang Yaonan，Huo Bailin，Wang Hui)．基于小波包的小電流接地系統(tǒng)故障選線的新判據(jù)(A new criterion for earth fault line selection based on wavelet packets in small current neutral grounding system)［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE)，2004，24(6):54-58．

［7］吳曉清，楊洪耕，葉茂清(Wu Xiaoqing，Yang Honggeng，Ye Maoqing)．基于不對稱電流的配電網(wǎng)接地故障區(qū)段定位(Distribution network earth fault section location based on asymmetric current)［J］．電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2013，32(1):19-22．

［8］Lim IH，Lim H T，Myeon-Sony Choi，etal．A fault section detection method using ZCT when a single phase to ground fault in ungrounded distribution system［A］．Transmission and Distribution Conference and Exposition，IEEE PES［C］．2010.1-6．

［9］Torres Garcia V，Ruiz Paredes H．High impedance fault detection in distribution system using wavelet transform［A］．2011 8th International Conference on Electrical Engineering Computing Science and Automatic Control (CCE)［C］．2010.1-6．

［10］毛鵬，段玉倩，姜娜(Mao Peng，Duan Yuqian，Jiang Na)．基于相關(guān)分析的故障選線方法(A correlation analysis based method to detect faulty line under singlephase to ground faultoccurred in distribution network with small currentneutral grounding)［J］．電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology)，2004，28(2):39-39．

［11］董新洲，王珺，施慎行(Dong Xinzhou，Wang Jun，Shi Shenxing)．配電線路單相接地行波保護(hù)的原理與算法(Principle and algorithm of traveling waves based singlephase-ground protection for distribution lines)［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE)，2013，33 (10):154-160．

［12］賈清泉，楊奇遜，楊以涵(Jia Qingquan，Yang Qixun，Yang Yihan)．基于故障測度概念與證據(jù)理論的配電網(wǎng)單相接地多判據(jù)融合(Fusion strategy for single-phase to ground fault detection implemented through faultmeasures and evidence theory)［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE)，2003，23(12):6-11．

［13］陳炯聰，齊鄭，楊奇遜(Chen Jiongcong，Qi Zheng，Yang Qixun)．基于模糊理論的小電流單相接地選線裝置(A fault line detection device for the non-solidly grounded system based on fuzzy sets theory)［J］．電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power Systems)，2004，28(8):88-91．

［14］鄭顧平，張利，姜超，等(Zheng Guping，Zhang Li，Jiang Chao，et al．)．中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障區(qū)段在線定位(Line and segment on-line location of single-to-earth fault in the ungrounded neutral system)［J］．電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power Systems)，2013，37(3):110-115．

Research and experiment for fault line detection in non-solidly grounded system using multi-criteria combination

ZHANG Guo-jun，HAN Jing-jing，REN Rong，TIAN Yong-feng
(School of Electrical and Control Engineering，Liaoning Technical University，Huludao 125105，China)

This paper analyzes the character of the zero sequence and negative sequence currentwhen single-phase fault occurs．The problem of faulty line selection of single-phase grounded transmission line for small currentneutral grounding systems is still notwell solved．Previous single line selection method has some limitations，and the fault line is notused for the benefitof fault line selection information，so the sensitivity and reliability of faulty line selection is nothigh．According to the line selectionmethodology the favorable fault line selection data are utilized，fuzzy set theory is therefore introduced and applied in faulty line detection in this paper to combine different kinds of the fault information，forming a line selection method using the combination ofmulti-criteria．Under laboratory conditions the simulation is performed，and the results show that the power system line selectionmethod is accurate，and it can be applied to complex small current grounding system failure．

small current grounding system;faulty line selection;fuzzy theory;multi-criteria fusion

TM773

A

1003-3076(2015)04-0056-06

2013-06-08

張國軍(1962-)，男，黑龍江籍，教授，研究方向?yàn)榈V山智能化電機(jī)與電器;韓靜靜(1988-)，女，內(nèi)蒙古籍，碩士研究生，研究方向?yàn)楣?jié)能型電力電子技術(shù)。