楊 川 楊耿杰 高 偉 陳立純

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10kV配電網(wǎng)內(nèi)部過(guò)電壓錄波起動(dòng)判據(jù)分析

楊 川1楊耿杰1高 偉1陳立純2

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108；2. 國(guó)網(wǎng)福建晉江市供電有限公司，福建泉州 362200）

在10kV配電網(wǎng)中，常采用電壓或相電壓越限作為故障錄波起動(dòng)判據(jù)。但在電壓幅值變化小或暫態(tài)過(guò)程不明顯的故障下，采用電壓越限作為錄波起動(dòng)判據(jù)可靠性不足。本文通過(guò)ATP/EMTP軟件搭建配網(wǎng)線路模型，比較幾種錄波起動(dòng)算法在發(fā)生各種內(nèi)部過(guò)電壓時(shí)的起動(dòng)效果，得出采用小波極大值法的起動(dòng)方法在內(nèi)部過(guò)電壓故障中都能可靠動(dòng)作的結(jié)論。

配電網(wǎng)；內(nèi)部過(guò)電壓；故障錄波；起動(dòng)算法

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾動(dòng)時(shí)，故障錄波器通過(guò)所設(shè)判據(jù)起動(dòng)，開始自動(dòng)記錄故障前與故障過(guò)程中的電流、電壓、頻率等電氣量的變化情況。故障錄波數(shù)據(jù)是分析、處理事故及制定防治方案的重要依據(jù)，對(duì)配電網(wǎng)設(shè)備安全性和供電可靠性的提高有很大參考價(jià)值[1]。電壓突變量起動(dòng)元件因其在電壓變化比較明顯的故障下3～5個(gè)點(diǎn)就能準(zhǔn)確起動(dòng)，在故障錄波裝置中得到廣泛的應(yīng)用。電壓越限起動(dòng)元件僅依據(jù)故障前后一周波的變化量，對(duì)故障暫態(tài)過(guò)程中的波形振蕩等異常并無(wú)直接反應(yīng)。配電網(wǎng)中單相接地故障大多經(jīng)阻抗接地，電壓變化往往不明顯，采用電壓越限作為起動(dòng)判據(jù)可靠性不足。

本文介紹5種基于電壓突變量的起動(dòng)判據(jù)，并以合閘空載線路過(guò)電壓、基波鐵磁諧振過(guò)電壓、間歇性弧光接地故障、單相阻抗接地故障為例，仿真分析幾種故障起動(dòng)算法在10kV配電網(wǎng)中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)與適用性。

1 幾種內(nèi)部過(guò)電壓故障的電壓特征

1.1 合閘空載線路

由于城鎮(zhèn)纜化和農(nóng)村供電半徑過(guò)長(zhǎng)等原因，配電網(wǎng)線路對(duì)地電容較大，系統(tǒng)對(duì)電容的補(bǔ)償作用極低，因此當(dāng)線路合閘或重合閘時(shí)，就會(huì)因電容電壓的作用引起操作過(guò)電壓。電容電感產(chǎn)生的震蕩電壓作用于工頻電壓上，暫態(tài)過(guò)程中電壓震蕩短暫而明顯，過(guò)電壓幅值可達(dá)系統(tǒng)額定電壓的2.3倍[1]。

1.2 單相阻抗接地故障

1.3 基波鐵磁諧振過(guò)電壓

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或者受到擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的接線方式發(fā)生了改變，負(fù)載減輕，三相電壓變得不平衡，使中性點(diǎn)產(chǎn)生了位移電壓，在一定的電源和參數(shù)配合下，有可能發(fā)生鐵磁諧振。基波鐵磁諧振發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)對(duì)地電壓兩相升高一相降低，與電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障現(xiàn)象極為相似，因此也稱為虛幻接地[3-4]。當(dāng)單相接地故障點(diǎn)切除引起基波鐵磁諧振時(shí)，諧振前后電壓波形的變化很小。

1.4 間歇性弧光接地故障

配網(wǎng)線路纜化使系統(tǒng)電容電流大幅增加，發(fā)生單相接地時(shí)故障時(shí)，電弧往往不能自行熄滅，處于時(shí)燃時(shí)滅的狀態(tài)，并可持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。由此產(chǎn)生的間歇性電弧將引起系統(tǒng)電磁能量的強(qiáng)烈振蕩和積聚，從而引起健全相和故障相出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)電壓[5]。當(dāng)發(fā)生間歇性弧光接地時(shí)，在故障相和非故障相的電感電容回路上會(huì)引起持續(xù)的高頻振蕩過(guò)電壓，非故障相的過(guò)電壓倍數(shù)一般可達(dá)3.15～3.5倍[6]。

2 內(nèi)部過(guò)電壓故障起動(dòng)算法

2.1 電壓值法

電壓值法利用電壓值越限或電壓前后周期差值越限作為故障起動(dòng)判據(jù)。

電壓值法[7]的原理如下：

2.2 方差法

方差（variance）是用來(lái)度量隨機(jī)變量和其數(shù)學(xué)期望（均值）之間的偏離程度。

其離散計(jì)算公式為

2.3 變化率法

舍去截?cái)嗾`差后公式簡(jiǎn)化為

2.4 曲率法

曲率用來(lái)表征曲線彎曲程度。在平面上，曲線的曲率表明曲線偏離直線的程度，曲線越彎曲則曲率越大。

（曲率值） （11）

式中對(duì)采樣值進(jìn)行變換[10]，令各種情況下波形均處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，使定值的選取更具有普遍性。當(dāng)系統(tǒng)故障，電壓發(fā)生突變，特別是存在明顯的暫態(tài)過(guò)程時(shí)，曲率也隨之產(chǎn)生突變。

2.5 小波模極大值

小波變換是將信號(hào)分解成位于不同頻帶和時(shí)段上的各個(gè)成分，從而對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。函數(shù)的小波變換記為

決定頻域信息。為平移因子，決定時(shí)域信息。一般將信號(hào)的局部奇異性與經(jīng)過(guò)小波變換以后的局部模極大值相聯(lián)系：若函數(shù)()在其定義域內(nèi)某處間斷或者某階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，則稱該函數(shù)存在奇異點(diǎn)。行波信號(hào)的奇異點(diǎn)處必存在小波變換的模極大值，即突變點(diǎn)與經(jīng)小波變換后的模極大值點(diǎn)相互對(duì)應(yīng)。

為了有效地檢測(cè)信號(hào)的奇異性特征，小波基的消失矩要有一定的階數(shù)[13]。如圖1和圖2所示，采用4階以上的db小波基可更好的突出奇異點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試，選擇4層小波分解的d3層信號(hào)作為小波奇異點(diǎn)的判別信號(hào)。

3 仿真分析

為了分析上述5種起動(dòng)算法在配網(wǎng)內(nèi)部過(guò)電壓時(shí)的起動(dòng)性能，利用EMTP/ATP仿真得到數(shù)據(jù)，并用Matlab編程離線分析各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 DB4小波分解圖

圖2 DB2小波分解圖

配電網(wǎng)模型如圖3所示，其中降壓變壓器電壓等級(jí)分別是110kV/10kV和10kV/0.4kV，圖中JK表示架空線路，DL表示電纜線路，線路參數(shù)見表1。

圖3 內(nèi)部過(guò)電壓仿真模型

表1 仿真模型線路參數(shù)

3.1 合閘空載線路

仿真時(shí)長(zhǎng)0.1s，采樣頻率20kHz，故障發(fā)生于0.05s。斷開所有線路，合L1線路。合閘空載線路電壓波形如圖4所示，起動(dòng)結(jié)果見表2。

圖4 合閘空載線路電壓波形示意圖

表2 合閘空載線路過(guò)電壓的起動(dòng)結(jié)果

3.2 間歇性弧光接地故障

仿真時(shí)長(zhǎng)0.1s，故障發(fā)生于0.05s。斷開所有線路，合L3線路，間歇性弧光接地電壓波形如圖5所示，起動(dòng)結(jié)果見表3。

圖5 間歇性弧光接地電壓波形示意圖

表3 間歇性弧光接地的起動(dòng)結(jié)果

3.3 基波諧振過(guò)電壓

仿真時(shí)長(zhǎng)為0.1s，采樣頻率為20kHz。斷開所有線路，合L4線路，到故障點(diǎn)線路長(zhǎng)度為800m。-1s時(shí)發(fā)生單相接地故障，0.05s時(shí)斷開故障點(diǎn)，觸發(fā)基波鐵磁諧振。電壓波形如圖6所示，起動(dòng)結(jié)果見表4。

圖6 基波諧振過(guò)電壓波形示意圖

3.4 單相阻抗接地故障

仿真時(shí)長(zhǎng)為0.1s，故障發(fā)生于0.05s。斷開所有線路，合L2線路。如圖7所示，圖左為接地電阻10W的電壓波形，圖右為接地電阻5000W的電壓波形。在單相接地故障時(shí)，電壓波形突變程度和暫態(tài)過(guò)程隨著接地電阻的增大而減小，左圖零序電壓突變?yōu)?910V，右圖零序電壓突變?yōu)?38V。起動(dòng)結(jié)果分別見表5和表6。

表4 基頻諧振過(guò)電壓的起動(dòng)結(jié)果

3.5 仿真結(jié)果分析

2）電壓值法。合閘空載線路過(guò)電壓和基頻鐵磁諧振過(guò)電壓的電壓幅值變化較小，設(shè)置較低的值（如0.1）才能可靠起動(dòng)。在電壓變化更小的單相阻抗接地故障（5000W）中，采用相電壓計(jì)算無(wú)法越限動(dòng)作；在存在三相不平衡的配電系統(tǒng)中，采用零序電壓的起動(dòng)可靠性也較差。

圖7 單相接地故障電壓波形示意圖

表5 單相接地故障起動(dòng)結(jié)果（10W）

表6 單相接地故障起動(dòng)結(jié)果（5kW）

3）方差法。同屬于反應(yīng)波形幅值變化的方差法與電壓值法效果大致相同，見表6，在電壓變化較小的故障下，方差法比電壓值法可靠性更高。

4）變化率法。分別見表2、表3、表6，基于變化率的起動(dòng)方法在暫態(tài)過(guò)程振蕩明顯的故障中可靠性強(qiáng)，而在基頻諧振和高阻接地等暫態(tài)過(guò)程較弱且電壓變化較小的故障中，變化率法可靠性降低，甚至無(wú)法起動(dòng)。

6）小波模極大值。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，反應(yīng)波形奇異點(diǎn)的小波模極大值法能可靠檢測(cè)出故障發(fā)生時(shí)刻，較大的突變量使值在各種故障下都得以統(tǒng)一。由于采用的是離線數(shù)據(jù)，所以部分實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了小波檢測(cè)故障時(shí)刻超前的現(xiàn)象，但在實(shí)際工程中還需加上逐段待處理數(shù)據(jù)的采集時(shí)長(zhǎng)。

4 小波模極大值法實(shí)際使用時(shí)的問(wèn)題

由于小波模極大值法的原理是檢測(cè)信號(hào)的局部模極大值，因此，需對(duì)系統(tǒng)電壓信號(hào)分段檢測(cè)。分段信號(hào)兩端必然存在間斷點(diǎn)，無(wú)論是否存在故障，信號(hào)經(jīng)4層小波分解后，d3重構(gòu)信號(hào)端部都將出現(xiàn)局部模極大值。因此，需結(jié)合前后段信號(hào)綜合考慮判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。將每段待處理信號(hào)設(shè)為點(diǎn)，從本段信號(hào)第/2點(diǎn)開始再存儲(chǔ)點(diǎn)作為下一段信號(hào)，此時(shí)第一段信號(hào)的末端處于第二段信號(hào)的中部。經(jīng)過(guò)小波分解，當(dāng)?shù)谝欢蔚膁3重構(gòu)信號(hào)末端出現(xiàn)突變而第二段的d3重構(gòu)信號(hào)中部未出現(xiàn)突變，則可判斷系統(tǒng)正常運(yùn)行，反之則判斷為故障。因此，在每次對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波變換后，只需對(duì)去除端部的d3重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行判斷即可。

每段數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度必須大于過(guò)電壓引起的突變過(guò)程的長(zhǎng)度?；谄饎?dòng)判據(jù)涉及前后周期的計(jì)算，以及上文提及的端部突變的問(wèn)題，將采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)為1000點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)可知，當(dāng)每段信號(hào)為1000點(diǎn)時(shí)，端部可分別取50點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文在4種10kV配電網(wǎng)內(nèi)部過(guò)電壓模型下，比較了5種起動(dòng)算法的起動(dòng)效果。在不同的內(nèi)部過(guò)電壓故障，部分算法存在較大時(shí)起動(dòng)量不足或較小時(shí)易誤動(dòng)的問(wèn)題。實(shí)際運(yùn)行中系統(tǒng)總是存在一定的三相不平衡，零序電壓基本不為0，這就減少了零序電壓上誤動(dòng)的概率，但在單相高阻接地故障中，零序電壓的初始幅值與故障幅值差別較小時(shí)，電壓值法、方差法、變化率法可能無(wú)法動(dòng)作。

小波模極大值法在文中各種內(nèi)部過(guò)電壓故障發(fā)生時(shí)都能可靠起動(dòng)，且閾值設(shè)置上較為統(tǒng)一。

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Analysis of the Criterion of Internal Overvoltage Recording in 10kV Distribution Network

Yang Chuan1Yang Gengjie1Gao Wei1Chen Lichun2

(1. School of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108；2. FujianJinjiang Power Supply Bureau of The State Grid, Quanzhou, Fujian 362200)

In 10kV Distribution Network，over-limit zero-sequencevoltageor over-limit phase voltage is often used asthestrat-up criterion ofFault Record.However, use the over-limit voltage as strat-up criterion of Recordhas poor reliability.In this paper, the distribution network model is established by ATP/EMTP software,and compare with starting effect of several kinds of recording start algorithm in the occurrence of various internal overvoltage. It is concluded that the method of wavelet maximum value can be used reliably in Internal Overvoltage fault.

distribution network；internalovervoltage；fault record；start-upalogorithms

楊 川（1987-），男，福建省漳州人，碩士研究生，研究方向?yàn)榕渚W(wǎng)自動(dòng)化。

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016J01218）

福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目（JA15086）