完 善 殷志華
(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電分公司,江蘇無錫214061;2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,江蘇南京211100)
我國及世界很多國家的配電網(wǎng)普遍采用中性點(diǎn)非有效接地方式,其中單相接地故障占所有故障類型的80%以上[1]。一旦配電網(wǎng)發(fā)生永久性單相接地故障,故障的快速診斷和恢復(fù)對保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性和供電可靠性具有重要意義[2]。近年來,配電網(wǎng)人身觸電安全事故引起社會關(guān)注,我國最新發(fā)布的配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則也新增了小電流接地系統(tǒng)永久性單相接地故障選線、就近快速隔離的要求[3]。這些都對故障檢測技術(shù)提出了更為嚴(yán)格的要求,然而由于故障信號微弱,故障工況復(fù)雜,諧振接地系統(tǒng)單相接地故障的可靠選線技術(shù)一直是工程中的難題[4]。
隨著配電網(wǎng)自動化水平的提高,準(zhǔn)確采集故障后暫態(tài)過渡期間的電氣特征信息已成為可能,基于暫態(tài)量的選線保護(hù)方法獲得了專家學(xué)者的普遍認(rèn)可。
文獻(xiàn)[5]提出了一種利用暫態(tài)零序電流時頻譜相似度識別的選線方法,采用圖像識別中的相似度識別方法并結(jié)合相似系數(shù)實(shí)現(xiàn)選線,但其算法精度受到小波分解參數(shù)選擇及閾值設(shè)定的影響。
文獻(xiàn)[6]利用暫態(tài)功率方向構(gòu)建選線保護(hù)判據(jù),實(shí)現(xiàn)小電流接地故障檢測,但暫態(tài)功率的求取需同時采樣電壓和電流,傳感器同步精度將影響算法結(jié)果的可靠性。
文獻(xiàn)[7]提出了利用極點(diǎn)對稱模態(tài)分解思路,構(gòu)建描述暫態(tài)零序電流波形振蕩強(qiáng)度的選線保護(hù)判據(jù),但判據(jù)的閾值確定仍然依賴員工經(jīng)驗。
理論和實(shí)踐均表明,單種故障選線判據(jù)都有其適用范圍,目前尚無法找到某個單一判據(jù)就能夠解決所有故障工況的選線保護(hù)問題。在這種情況下,需設(shè)計一種融合多判據(jù)選線指標(biāo),能得到一個適用范圍更廣、更可信的選線方法。本文建立了描述配電網(wǎng)單相接地暫態(tài)過渡過程的故障特征指標(biāo)體系,根據(jù)故障零序電流的波形振蕩強(qiáng)度、波形幾何相似度和波形距離分別構(gòu)建選線判據(jù)指標(biāo),確立各個指標(biāo)對應(yīng)的故障測度值,進(jìn)而利用改進(jìn)D-S證據(jù)理論實(shí)現(xiàn)對各指標(biāo)判據(jù)的互補(bǔ)融合,提高選線結(jié)果的可靠性。
信度分配函數(shù)的構(gòu)造是D-S證據(jù)理論的核心內(nèi)容,首先需要構(gòu)建不同故障判據(jù)指標(biāo)所對應(yīng)的故障測度值,它是一個被用來描述某種判據(jù)指標(biāo)所表現(xiàn)出疑似故障程度的度量。
研究表明,諧振接地配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后,故障點(diǎn)上游零序電流幅值遠(yuǎn)大于故障點(diǎn)下游零序電流幅值,同時故障點(diǎn)同側(cè)各檢測點(diǎn)的零序電流幅值差別小,波形相似度高,據(jù)此可構(gòu)造對應(yīng)不同故障選線判據(jù)指標(biāo)的故障測度值。以下分析使用的暫態(tài)零序電流均為故障后半個工頻周期T暫態(tài)零序電流,即[0,T/2],并假設(shè)所研究配電網(wǎng)共有m條出線。
對于一個故障電阻不是特別大的接地故障而言,故障點(diǎn)上下游暫態(tài)零序電流幅值的差異將相對明顯,據(jù)此定義暫態(tài)零序電流波形振蕩強(qiáng)度對應(yīng)的故障測度值為:
式中:F1(li)為第i條線路暫態(tài)零序電流波形振蕩強(qiáng)度的故障測度值;i0i(k)為第i條線路故障后第k個零序電流采樣值;n為采樣總點(diǎn)數(shù)。
對于故障線路而言,基于其暫態(tài)過渡過程求取的F1值要大于非故障線路,但該判據(jù)僅使用了故障電流幅值信息,對于一些特殊故障工況有可能給出誤判,因此僅單獨(dú)使用此判據(jù),無法完全保障其可靠性。
皮爾遜相關(guān)系數(shù)可表示兩個變量x和y之間的關(guān)系程度,取值范圍為[-1,1]。當(dāng)相關(guān)系數(shù)接近1時,說明兩個波形形狀高度相似,意味著這兩個波形處于故障點(diǎn)同側(cè);當(dāng)相關(guān)系數(shù)接近-1時,說明這兩個波形形狀高度反相關(guān),意味著這兩個波形處于故障點(diǎn)異側(cè);當(dāng)相關(guān)系數(shù)接近0時,說明這兩個波形相關(guān)性極低,高阻工況下受到噪聲干擾的信號可能會出現(xiàn)這種情況。
本文設(shè)定參考零序電流序列X={x1,x2,…,xn},設(shè)定比較零序電流序列Y={y1,y2,…,yn},則參考序列與比較序列之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)計算值為:
選取暫態(tài)零序電流峰值最大的饋線作為參考序列,依次計算各出線暫態(tài)零序電流序列與該參考序列之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)值,得到一組ρi,i=1,2,…,m。
為避免負(fù)值出現(xiàn),定義暫態(tài)零序電流波形相似度的故障測度值為:
根據(jù)上述分析,當(dāng)F2值越接近于2,則對于出線故障的概率越高,其所獲得的故障測度值越大。
巴氏距離可用于度量兩個離散或連續(xù)概率分布的相似性。具體來講,對于具有相同定義域M的離散概率分布p、q,可定義兩者巴氏距離為:
其中:
式中:BC(p,q)為離散概率分布的巴氏系數(shù)。
針對故障后各出線暫態(tài)零序電流量測數(shù)據(jù),將各出線量測數(shù)據(jù)與參考出線數(shù)據(jù)進(jìn)行比對求解兩者巴氏距離,以此構(gòu)建基于暫態(tài)零序電流波形距離特征指標(biāo)的故障測度,其中參考序列的選擇同前文一致。該距離值越小,則說明對應(yīng)的兩個測點(diǎn)處于故障點(diǎn)同側(cè)的可能性越高;該距離值越大,則說明其對應(yīng)的兩個測點(diǎn)處于故障點(diǎn)異側(cè)的可能性更大。
為確保各判據(jù)指標(biāo)變化規(guī)律相同,對該判據(jù)進(jìn)行歸一化處理,得到基于暫態(tài)零序電流波形距離的故障測度值:
標(biāo)準(zhǔn)化處理后的F3(li)值取值范圍為[0,1],當(dāng)F3(li)越接近于0時,意味著其對應(yīng)的兩個測點(diǎn)零序電流波形距離越遠(yuǎn),相似程度越低。
傳統(tǒng)的基于單一判據(jù)的選線方法只是作為最后輸出符號判斷某條線路出現(xiàn)故障,而不能直接用D-S證據(jù)理論進(jìn)行融合,本文采用信度函數(shù)給每個判據(jù)定義一個具體的數(shù)值,用來表征其故障程度,根據(jù)D-S證據(jù)理論原則,[0,1]表示的可能性度量不能全部進(jìn)行分配,否則就是傳統(tǒng)的概率問題。因此,本文提出一種信度函數(shù)構(gòu)造方案如下:
式中:mj(li)為第j個故障判據(jù)對第i條線路的信度分配函數(shù),j=1對應(yīng)暫態(tài)零序電流波形振蕩強(qiáng)度的故障測度,j=2對應(yīng)暫態(tài)零序電流波形相似度的故障測度,j=3對應(yīng)暫態(tài)零序電流波形距離的故障測度;Q為判斷整體的識別框架,即各條出線是否發(fā)生故障的互斥假設(shè)集合;Fj(li)為第j個故障判據(jù)對第i條線路的測度值為第j個判據(jù)各條線路的最大測度值與此判據(jù)所有線路測度值總和的比值(1-wj)為測度總的不確定度,其中wj為各個判據(jù)的環(huán)境信任系數(shù),此處取w1=w2=w3=1/3。
10 kV中壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡化拓?fù)鋱D如圖1所示,本文在PSCAD中搭建了典型中壓配電網(wǎng)絡(luò),該系統(tǒng)10 kV側(cè)共4條出線,編號為L1~L4,長度為4.6 km、3 km、3.6 km、4 km,故障點(diǎn)位于線路1上,設(shè)定線路1發(fā)生500 Ω過渡電阻接地故障,并加入0.2 A均值水平的高斯白噪聲模擬干擾。
圖1 10 kV中壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡化拓?fù)鋱D
將仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB,利用信度分配函數(shù)模型和D-S算法規(guī)則處理數(shù)據(jù),得到各出線的融合數(shù)據(jù)值,將3種暫態(tài)零序電流故障特征分量、波形振蕩強(qiáng)度、波形相似度和波形距離(依次記為特征量1、2、3)的原始數(shù)據(jù)計算得到相對應(yīng)的信度函數(shù)值,如表1所示。
表1 各線路多判據(jù)故障測度對應(yīng)的信度函數(shù)值
表1數(shù)據(jù)表明,對不同故障測度對應(yīng)構(gòu)造的信度函數(shù)進(jìn)行D-S證據(jù)組合后,線路1的基本信度分配增大到0.978 3,從而被確定為故障線路,相對于暫態(tài)電流,電流波形振蕩強(qiáng)度對應(yīng)的信度函數(shù)m1(li)和暫態(tài)零序電流波形相似度對應(yīng)的信度函數(shù)m2(li),融合后的故障線路的信度函數(shù)值被非常明顯的凸顯出來,而非故障線路的信度函數(shù)值被顯著削弱。這意味著通過本文改進(jìn)D-S證據(jù)理論運(yùn)算后,單一判據(jù)表達(dá)某條線路是否發(fā)生故障的能力被大幅提升,一定程度上消除了單一判據(jù)模棱兩可的選線狀態(tài)。
本文針對配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后,其暫態(tài)零序電流在振蕩強(qiáng)度、波形形狀、波形距離3個方面建立對應(yīng)的故障判據(jù)指標(biāo),并求取相應(yīng)故障測度值。從信度函數(shù)構(gòu)建出發(fā),提出了一種針對D-S證據(jù)理論的改進(jìn)方案,使其適用于故障選線,將多判據(jù)選線問題轉(zhuǎn)化為證據(jù)推理問題,仿真測試結(jié)果證實(shí)本方案選線結(jié)果可靠。