闞 哲，楊 凡，韓景宇，孫 震，吳東旭

（1.遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院，遼寧 撫順 113001；2.中國石油管道有限責任公司 西氣東輸分公司，上海 200122；3.國網(wǎng)山東電力公司 東阿縣供電公司，山東 聊城 252200；4.中國石油化工集團公司 巴陵分公司，湖南 岳陽 414000；5.國網(wǎng)吉林電力公司 白城市供電公司，吉林 白城 137000）

由于廠網(wǎng)分離和對清潔能源發(fā)電的大力提倡，如今清潔能源作為分布式電源(Distributed Generation,DG)并網(wǎng)越來越常見。將清潔能源以分布式電源的方式接入配電網(wǎng)，不僅消納了大規(guī)模的清潔能源，同時也提高了清潔能源在電力行業(yè)所占的比重。但是，清潔能源發(fā)電接入配電網(wǎng)，導致配電網(wǎng)拓撲結構復雜。當故障發(fā)生時，傳統(tǒng)的選線定位方式會出現(xiàn)一些無法避免的問題，這將會造成由于檢修不及時帶來的經(jīng)濟損失。為保證供配電安全，需要提出更好的方法策略對故障進行選線定位。暫態(tài)故障特征可以用小波變換提取，再根據(jù)提取的故障特征定位[1]。但是，這種方法對基波要求嚴格，計算量大且復雜。經(jīng)驗模態(tài)分解（EMD）同樣應用于故障定位，非平穩(wěn)信號可以用經(jīng)驗模態(tài)分解處理，并且這種方法不需要基波，有非常好的自適應性[2‐6]。但是，這種方法有較為嚴重的模態(tài)混淆。因此，Z.H.Wu 等[7]在經(jīng)驗模態(tài)分解的基礎上提出了集合經(jīng)驗模態(tài)分解方法（EEMD）。這種方法具有良好的自適應性，是經(jīng)驗模態(tài)分解的優(yōu)化，通過加入白噪聲的方式降低了模態(tài)混淆，使得到的分量信號特性更接近原始信號。但是，該方法受到加入的白噪聲影響嚴重，若加入的白噪聲不合適，將無法得到預期的分解信號。與EMD 和EEMD 相比[8‐10]，改進的集合經(jīng)驗模態(tài)分解算法（Modified Ensemble Empirical Mode Decomposition，MEEMD）更 簡單[11‐13]，不受參數(shù)影響，使分解出來的信號特性更加接近原信號，魯棒性更好。

1 DG接入對配網(wǎng)故障選線的影響

1.1 DG 接入對母線的影響

DG 接 入 母 線 如 圖1 所 示。圖1 中，S 為 輸 入 電源；L 1 為配電線路1；L 2 為配電線路2；1、2、3、4、5 均為開關，其中5 為DG 接入開關；F i 為故障點。當DG 接入母線時，若F1 或F2 發(fā)生接地故障，在電源向故障點提供故障電流的同時，故障點也會收到來自DG 的故障電流。因此，故障點的電流應該是輸入電源和DG 提供的電流之和，方向由母線指向饋線。這種情況不會影響?zhàn)伨€終端裝置(Feeder Terminal Unit‐FUT)上傳故障信息，所以在故障發(fā)生時DG 不需要脫離電網(wǎng)。

圖1 DG 接入母線

1.2 DG 接入對饋線的影響

DG 接入饋線如圖2 所示。當開關1 和開關2 之間發(fā)生故障時，輸入電源將向F1 提供故障電流，DG提供的故障電流也將通過開關4、3 和開關1 流向故障點，雖然輸入電源對母線的穩(wěn)壓能力強，但DG 仍會向臨線提供較小的故障電流。在這個過程中，開關1 流經(jīng)的故障電流增大，有利于FTU 設備上報故障信息，開關3、4 將流過反向故障電流，造成開關3、4 故障誤報，開關2、5、6 無故障電流流過，因此DG產(chǎn)生的故障電流對這些開關沒有影響。

圖2 DG 接入饋線

當開關3、4 之間發(fā)生故障時，該情況臨線不受DG 接入的影響。當這種情況發(fā)生時，輸入電源提供的故障電流通過開關3 流向F2 故障點，DG 提供故障電流通過開關7 和開關4 流向F2。此時，開關4流過反向故障電流，增加了開關4 誤報的可能性。

當線路L 3 上的開關4 或者開關5 和DG 接入點之間發(fā)生故障時，臨線L 1、L 2 不受DG 影響。此時，輸入電源提供的故障電流將通過開關3、4 流向故障點，DG 提供的故障電流也會通過開關7 流向故障點。由于故障點為故障電流的終止點，因此所有開關均不受DG 接入影響。

當故障發(fā)生點在開關5 和開關6 之間時，臨線L 1、L 2 不受DG 的影響。此時，DG 提供的故障電流將通過開關7 和開關5 流向故障點，輸入電源提供的故障電流將通過開關3、4 和開關5 流向故障點。輸入電源和DG 電流之和為通過開關5 的故障電流，所提供的故障電流之和更有利于報告故障信息。

所以，當DG 接入的位置在饋線時，若故障點在這個位置的下游，對DG 的訪問可能導致錯誤警報；故障點位于接入點上游或接入點與開關之間時不受DG 接入的影響。

1.3 并網(wǎng)對零序電流的影響

分布式電源接入會帶入大量電力電子元件，并網(wǎng)后會使系統(tǒng)的零序電流特性發(fā)生改變，而零序電流作為故障定位的參考一旦發(fā)生改變會使故障定位變得困難。含DG 配電網(wǎng)單相接地故障如圖3 所示。圖3 中，T 為變壓器；ZL1、ZL2為線路阻抗；ZDG為分布式電源接入阻抗。將圖3 轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡圖，含DG配電網(wǎng)接地故障網(wǎng)絡如圖4 所示。

圖3 含DG 配電網(wǎng)單相接地故障

圖4 含DG 配電網(wǎng)接地故障網(wǎng)絡

由于除故障阻抗以外的其他阻抗正序分量和負序分量相等，所以根據(jù)網(wǎng)絡圖可得：

式中，US為系統(tǒng)電源電壓；UDG為分布式電源電壓；ZS為 系 統(tǒng) 阻 抗；ZL1和ZL2為 線 路 阻 抗；ZLD為 終 端 阻抗；ZDG為分布式電源接入阻抗；Zf為故障阻抗；iS為系統(tǒng)電源提供的電流；if為故障電流；iDG為分布式電源提供的故障電流。

當配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時，DG 通常進行消負序電流處理，所以負序網(wǎng)絡中沒有DG。含DG 配電網(wǎng)接地故障負序網(wǎng)絡如圖5 所示。

圖5 含DG 配電網(wǎng)接地故障負序網(wǎng)絡

根據(jù)圖5 求出等效阻抗為：

由于電力電子分布式電源中的逆變器沒有零序通路，如光伏發(fā)電，所以零序網(wǎng)絡中同樣沒有DG，含DG 配電網(wǎng)接地故障零序網(wǎng)絡如圖6 所示。

圖6 含DG 配電網(wǎng)接地故障零序網(wǎng)絡

根據(jù)圖6 求出等效阻抗為：

且有

當接地故障時，故障點的三序電流相等，所以有：

為方便計算和分析，令：

且A>B，所以將式（6）、式（7）聯(lián)立可得：

其中，由正序等效定則得：

由于不影響分析結果，這里不作帶入。當DG接入配電網(wǎng)時式（8）將變成：

通過分析式(10)可以看出，在DG 接入的配電網(wǎng)中如果發(fā)生接地故障零序電流相比接入前增大，這將使故障選線變得更加困難。

通過以上對零序電流的分析，了解到零序電流會因為分布式電源的接入而發(fā)生變化。并且，由于分布式電源接入位置的不同導致線路故障位置發(fā)生變化。眾多不確定因素將導致故障選線變得更加復雜，甚至會嚴重影響選線的準確性，從而帶來嚴重的經(jīng)濟損失。所以，選用改進的經(jīng)驗模態(tài)分解進行故障選線，該方法不受其他因素影響，只需提供故障時的故障電流信號，便可以進行故障選線。

2 MEEMD 故障選線

通過以上分析，需要選用一個不受DG 影響的方法進行選線，改進的經(jīng)驗模態(tài)分解方法可以不受電流信號影響，因此采用改進的經(jīng)驗模態(tài)分解方法來選線。由于經(jīng)驗模態(tài)分解方法存在嚴重的模態(tài)混淆現(xiàn)象，集合經(jīng)驗模態(tài)分解方法和改進的集合經(jīng)驗模態(tài)分解方法通過加入白噪聲的方式抑制模態(tài)混淆，但這兩種方法受迭代次數(shù)的限制，同時在參數(shù)選擇上較為嚴格，如果選擇不當參數(shù)極有可能出現(xiàn)不滿足IMF 分量的偽分量，因此提出了改進的經(jīng)驗模態(tài)分解方法。

2.1 MEEMD 算法

當故障發(fā)生時會得到一個非平穩(wěn)信號，用排列熵算法對信號進行處理。在這個基礎之上提出了MEEMD 算法。MEEMD 的具體步驟為：

步驟1 對原始信號加一個正的白噪聲和一個負的白噪聲，即：

式中，ai為添加白噪聲的幅值。

步驟2 分別將兩個信號EMD 分解，得到一階基本模式分量（Intrinsic mode function‐ IMF）序列。集成后分量為：

式中，Ne 為所添加白噪聲的對數(shù)；I 為分量序列。

步驟3 檢查I1(t)是否為異常信號，若異常，則重復步驟1，若非異常，則繼續(xù)進行。

步驟4 把分解出來的前p-1（p≥2）個分量信號從原信號中分離：

步驟5 用EMD 方法把殘余信號r(t)分解，并按頻率高低排列IMF。

MEEMD 在計算量上少于EEMD 和CEEMD，由于不用進行累加或者平均使得到的IMF 更有意義。MEEMD 同樣也需要添加白噪聲，但是對于所添加的白噪聲的幅值和對數(shù)沒有具體要求，需要根據(jù)實例反復調(diào)試。

2.2 MEEMD 選線

由上述可知，MEEMD 可以更好地分析處理一個未知的非平穩(wěn)信號。首先使用MEEMD 將得到的信號分解成若干個IMF 分量，并將分解出來的IMF 分量按照頻率由高到低排序，而頻率越高的分量所包含的信息與原信號越接近。觀察IMF1，若某線路IMF1 的極性與其他線路有明顯的不同，那么就說明該線路極有可能發(fā)生故障；如果所有線路IMF1 特性都一樣，則可以認為故障發(fā)生在其他位置。MEEMD 選線流程如圖7 所示。

圖7 MEEMD 選線流程

3 仿真分析

按照圖2 在Simlink 中建立仿真模型。整個系統(tǒng)的頻率選取50 Hz，采用10 kV 中性點接地的三相電源，接地阻抗30 Ω、電感0.869 7 H、電容1 F。母線接三條線路均為架空線，理論上在10 kV 的電力系統(tǒng)中，架空線的長度為6~20 km。為了使故障特性更加明顯，人為加長架空線的長度，線路1 為130 km，線路2 為175 km，第三條線路接入分布式電源，接入的DG 為10 kV 三相電源，頻率50 Hz。使線路3 的A 相在母線后1 km 處發(fā)生接地故障，開始時間為0.04 s，故障點距離負載端150 km。末端為功率1 000 kW、頻率50 Hz、電壓10 kV 的三相負載。仿真時間0.20 s。通過仿真得到各線路的電流和MEEMD 分解 如圖8 所 示。

將三條線路的故障電流進行MEEMD 分解，將原始信號分解成6 個頻率不等的分量(IMF1‐IMF6)和1 個殘量RS7。IMF1 信號的特性與原信號最為相似，IMF2 信號次之。因此,通過分析IMF1 信號就可以判斷對比原始信號的特性，IMF1 分量如圖9所示。從圖9 中的最高頻率IMF1 信號分量可以看出，線路3 的波形與線路1、線路2 相反。在同一時刻，當線路1 和線路2 取值在峰值時，線路3 取值在谷值。為了檢驗正確性，在曲線上隨機取點，三條線路IMF1 取值如表1 所示。其中，x 為曲線橫坐標，y 為曲線縱坐標。從表1 可以看出，在同一x 值時，若線路1 和線路2 的縱坐標值為正數(shù)，則線路3的縱坐標值為負數(shù)，同樣若線路1 和線路2 的縱坐標值為負數(shù)，則線路3 的縱坐標值為正數(shù)。線路3的IMF1 分量信號的取值與線路2 和線路1 相反，因此證明線路3 發(fā)生接地故障。

圖8 故障電流及其MEEMD 分解

圖9 電流IMF1 分量

表1 三條線路IMF1 取值

為了更直觀地說明采用改進的經(jīng)驗模態(tài)分解方法進行選線的優(yōu)勢，將仿真結果中的正確率和文獻[2]所采用的經(jīng)驗模態(tài)分解進行對比，MEEMD 和EMD 選線正確率如圖10 所示。從圖10 可以看出，應用改進的經(jīng)驗模態(tài)分解方法可以100%地找到故障線路，而采用經(jīng)驗模態(tài)分解方法僅有96%的概率找到故障線路。

圖10 MEEMD 和EMD 選線正確率

利用改進的經(jīng)驗模態(tài)分解方法把故障電流的信號分解成6 個頻率不同的信號分量和1 個殘余分量，通過對比分析最高頻率分量特性來判斷原始信號特性，從而選出故障線路的方法實際可行。

4 結 論

通過建模分析了清潔能源并網(wǎng)后所產(chǎn)生的問題，利用MEEMD 方法處理配電網(wǎng)中未知的非平穩(wěn)信號。通過采集故障電流信號，并進行MEEMD 分解后，得到信號最高頻分量，利用高頻分量進行故障線路判斷。該方法不受分布式電源的影響，同時計算時間更快，準確率更高且魯棒性更好。