關(guān) 瑞，趙 儒，張俊文，邱紅濤，畢 勝

(1.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，山西 河曲 036500；2.太原理工大學(xué) 礦用智能電器技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

近年來(lái)，隨著煤礦現(xiàn)代化綜采技術(shù)的快速發(fā)展，礦井供電系統(tǒng)容量不斷攀升、供電距離持續(xù)加大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)供電的安全性和可靠性提出了更高的要求。單相接地故障是礦井供電系統(tǒng)最常見(jiàn)的故障之一[1]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了很多單相接地故障選線方法，包括穩(wěn)態(tài)信息法、暫態(tài)信息法、注入信號(hào)法以及以模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的融合選線方法[2-9].利用故障穩(wěn)態(tài)工頻電流選線的方法受運(yùn)行方式的影響較大，因此大多已不再適用[10].而故障發(fā)生后的暫態(tài)分量較為豐富，因此基于暫態(tài)分量的選線方法得到了廣泛關(guān)注。

文獻(xiàn)[11]、[12]利用小波變換形成故障線路的綜合選線。文獻(xiàn)[13]結(jié)合EMD和自適應(yīng)陷波濾波器(ANF)算法選線，但EMD存在模態(tài)混疊現(xiàn)象和端點(diǎn)效應(yīng)，會(huì)使產(chǎn)生的固有模態(tài)函數(shù)(簡(jiǎn)稱IMF)失去實(shí)際的物理意義。文獻(xiàn)[14]進(jìn)行變分模態(tài)分解(VMD)后利用相關(guān)性聚類進(jìn)行故障選線。上述選線算法在理想故障信號(hào)下均能得到較好的選線準(zhǔn)確率，但信號(hào)含有噪聲時(shí)，尤其礦井供電系統(tǒng)中噪聲污染嚴(yán)重，無(wú)法滿足實(shí)際要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于補(bǔ)充總體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Complementary Ensemble Empirical Model Decomposition以下簡(jiǎn)稱CEEMD)的暫態(tài)衰減分量的選線方法。首先，利用CEEMD將零序電流分解為具有不同信號(hào)特征的固有模態(tài)函數(shù)，剔除其中的穩(wěn)態(tài)工頻分量和噪聲分量，然后對(duì)獲得的暫態(tài)衰減分量進(jìn)行Hilbert變換，最后根據(jù)相位判據(jù)進(jìn)行選線。該方法相比于傳統(tǒng)方法，具有更高的可靠性和抗干擾能力。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(Real Time Digital Simulator, RTDS)的建模仿真與測(cè)試驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性。

1 單相接地故障理論分析

礦井供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，存在消弧線圈對(duì)于暫態(tài)高頻電流的電抗值非常大，在暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程中，消弧線圈電感電流上升較慢，因此故障線路上的暫態(tài)零序電流與正常線路反相[1]，系統(tǒng)的零序電流流向見(jiàn)圖1.理想情況下，故障后零序電流與零序電壓相位見(jiàn)圖2，但在實(shí)際情況中存在消弧線圈和線路上的電抗以及噪聲等干擾，故障線路零序電壓U0與零序電流IC之間的相位差會(huì)大于90°，即相角差值并不是剛好180°，因此選擇90°作為相角差判據(jù)。

圖1 單相接地故障零序電流流向圖

圖2 單相接地故障零序電流與零序電壓相位圖

圖3 單相接地故障暫態(tài)零序等值電路圖

根據(jù)圖3得出，暫態(tài)零序電流id表達(dá)式為：

(1)

式中，等號(hào)右側(cè)第一項(xiàng)為零序電流穩(wěn)態(tài)分量，后兩項(xiàng)為暫態(tài)分量。

根據(jù)式(1)可知，暫態(tài)接地零序電流由穩(wěn)態(tài)工頻分量和暫態(tài)衰減分量構(gòu)成。我國(guó)礦井供電系統(tǒng)3～60 kV系統(tǒng)大多采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，由于采用過(guò)補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行方式，穩(wěn)態(tài)工頻分量的故障特征不再明顯，甚至成為干擾因素，因此將穩(wěn)態(tài)工頻分量和噪聲量一同剔除[14].之后，將故障線路與正常線路的暫態(tài)衰減分量在相位之間存在的差異作為判據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)選線。

2 相關(guān)理論及選線方法

2.1 CEEMD分解

CEEMD由TORRES等提出，可以很好地解決EMD分解存在的模態(tài)混疊問(wèn)題，良好的自適應(yīng)性可用于分析各種條件下的零序電流[15-16].

對(duì)線路的零序電流進(jìn)行CEEMD分解，分解結(jié)果見(jiàn)圖4.由圖4可以看出，IMF1-IMF3為高頻噪聲分量，IMF5為穩(wěn)態(tài)工頻分量，而這兩種分量都將是選線時(shí)的干擾量，需要進(jìn)行剔除，其余分量保留，即最終只利用故障特征差異明顯的暫態(tài)衰減分量來(lái)進(jìn)行選線，可以避免干擾因素的影響，提高選線準(zhǔn)確度。

圖4 零序電流分解結(jié)果圖

基于第一部分中的理論分析，發(fā)生單相接地故障時(shí)，設(shè)定相角判據(jù)為：故障線路與正常線路的零序電流相位角相差90°，即：

(2)

其中，θk為故障線路的相角，其余為正常線路的相角，且i≠j≠n≠k.

2.2 選線方法

綜上所述，本文方法的具體步驟如下：

培訓(xùn)過(guò)程中相關(guān)的操作流程與操作技巧與真實(shí)的有軌電車駕駛尚存在一些出入；培訓(xùn)時(shí)雖能夠根據(jù)實(shí)際的有軌電車駕駛路線設(shè)置課程，但培養(yǎng)出的學(xué)員應(yīng)對(duì)能力較弱，同樣，對(duì)于真實(shí)線路的經(jīng)驗(yàn)等尚還欠缺；對(duì)駕駛作業(yè)流程不熟悉，存在一定的安全隱患。因此，在培訓(xùn)結(jié)束后仍然需要一定時(shí)間的“師帶徒”教導(dǎo)。當(dāng)然，在選擇培訓(xùn)機(jī)構(gòu)時(shí)一定要選擇實(shí)力強(qiáng)勁、信譽(yù)好、有責(zé)任的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)。

1)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行CEEMD分解，得到一系列IMF分量(IMF1、IMF2、…、IMFn).2)將穩(wěn)態(tài)工頻分量以及噪聲分量剔除，得到暫態(tài)衰減分量。3)對(duì)暫態(tài)衰減分量進(jìn)行Hilbert變換，獲取瞬時(shí)相位。4)利用相位判據(jù)完成選線。

3 可行性分析

3.1 系統(tǒng)仿真模型

以實(shí)際的礦井供電系統(tǒng)作為研究對(duì)象，在RTDS/RSCAD中搭建仿真模型，見(jiàn)圖5.該模型高壓側(cè)電壓等級(jí)為35 kV，地面變壓器額定電壓為35/6 kV，有4條6 kV高壓電纜饋線為井下低壓側(cè)以及負(fù)荷供電，即線路1—4，這4條線路長(zhǎng)度分別為9 km、6 km、8 km和3 km；中性點(diǎn)運(yùn)行方式為經(jīng)消弧線圈接地方式，并設(shè)置5%的過(guò)補(bǔ)償。以線路4發(fā)生單相接地故障為例進(jìn)行相關(guān)研究，選線算法只考慮6 kV高壓側(cè)的故障選線，故不對(duì)低壓饋線參數(shù)做過(guò)多解釋。

圖5 RTDS礦井供電系統(tǒng)模型圖

3.2 典型故障分析

在系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，線路4為故障線路，以故障點(diǎn)接地電阻500 Ω、故障初相角0°和故障點(diǎn)位于線路的30%處為例說(shuō)明研究過(guò)程，以上故障條件均可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。基于以上信息進(jìn)行故障選線，首先需要對(duì)線路原始的零序電流進(jìn)行提取，并且為了更好地模擬未知的真實(shí)噪聲干擾，在線路原始的零序電流中加入20 dB的高斯白噪聲，得到線路的零序電流波形見(jiàn)圖6.

結(jié)合圖6得出，在故障發(fā)生時(shí)，故障線路與正常線路的零序電流相位角相差大于90°，且故障發(fā)生前后1/4周期的幅值遠(yuǎn)大于正常線路。對(duì)上述含噪信號(hào)進(jìn)行CEEMD分解，并根據(jù)上述方法得到暫態(tài)衰減分量,見(jiàn)圖7.

圖6 各線路的零序電流波形圖

圖7 各線路的暫態(tài)衰減分量圖

根據(jù)圖7所示的暫態(tài)衰減分量，經(jīng)Hilbert變換后得到各線路的相角及選線結(jié)果見(jiàn)表1，不難得出選線結(jié)果與設(shè)定的故障線路一致，選線成功。

表1 選線結(jié)果表

3.3 適用性分析

發(fā)生單相接地故障時(shí)，影響零序電流的主要因素有故障點(diǎn)接地電阻、故障初相角、故障點(diǎn)位置以及不同的故障線路等。因此，基于RTDS搭建的仿真模型，分別在線路1—4故障或母線故障時(shí)，另外3種故障影響因素隨機(jī)組合情況下，利用本文選線方法進(jìn)行了大量選線測(cè)試實(shí)驗(yàn)，選線結(jié)果見(jiàn)表2.由表2可以看出，本文選線方法對(duì)于故障線路以及各種故障條件下的單相接地故障均能實(shí)現(xiàn)正確選線，具有很高的準(zhǔn)確性和可靠性。

表2 不同故障條件下的選線結(jié)果表

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)經(jīng)消弧線圈接地的礦井供電系統(tǒng)單相接地故障特征不明顯、噪聲干擾嚴(yán)重、錯(cuò)選漏選時(shí)有發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行了研究，研究結(jié)論如下：

1)基于單相接地故障時(shí)零序電流的暫態(tài)衰減分量進(jìn)行故障選線，避免了噪聲分量和穩(wěn)態(tài)工頻分量的干擾，故障特征更為直觀明確；同時(shí)，利用相位有效判據(jù)進(jìn)行選線，在不同故障情況下具有一定適用性。

2)提出了一種基于CEEMD的單相接地故障選線方法，有效解決了模態(tài)混疊問(wèn)題；同時(shí)，通過(guò)大量的RTDS仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法具有很高的準(zhǔn)確性和可靠性，尤其適用于經(jīng)消弧線圈接地的礦井供電系統(tǒng)，保證了礦井供電安全。