張士林

（荊州供電公司變電運(yùn)維分公司，湖北荊州 434200）

0 引言

在配電網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程中，單相接地故障是一種常見(jiàn)的問(wèn)題，特別是在小電流接地系統(tǒng)中，中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地往往會(huì)造成單相接地故障［1］，因此及時(shí)、準(zhǔn)確地找出故障線路成為需要重點(diǎn)研究的一個(gè)問(wèn)題。在小電流接地系統(tǒng)中，合理地運(yùn)用選線方法能定位和識(shí)別故障點(diǎn)；針對(duì)具體的系統(tǒng)運(yùn)行情況，結(jié)合多種信號(hào)處理方式［2］，運(yùn)用識(shí)別技術(shù)可改進(jìn)和優(yōu)化單相接地故障處理的過(guò)程，提高選線的準(zhǔn)確性，使選線過(guò)程更加實(shí)時(shí)化。

張國(guó)軍等［3］采用多零序電流互感器結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償參數(shù)介入的方法，研究小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的選線問(wèn)題，根據(jù)不同性質(zhì)的補(bǔ)償參數(shù)，分析各零序電流互感器電流幅值，在考慮故障點(diǎn)零序電流變化規(guī)律的情況下，設(shè)計(jì)選線判據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障線路的識(shí)別。該方法在選線過(guò)程中易受接地系統(tǒng)運(yùn)行方式等因素影響，出現(xiàn)錯(cuò)選的情況。劉斯琪等［4］將故障穩(wěn)態(tài)特征作為參考依據(jù)，基于零序電流幅值連調(diào)，確定選線范圍，通過(guò)注入信號(hào)逐次調(diào)控中性點(diǎn)電壓，確定故障特征的零序電流幅值變化，實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域的判斷。該方法由于受限于早期的繼電保護(hù)理論，電流互感器不平衡，因此當(dāng)故障點(diǎn)離互感器較遠(yuǎn)時(shí)，零序電壓變化較小，容易對(duì)故障區(qū)域判斷失誤。嵇文路等［5］對(duì)小波包全頻帶進(jìn)行分析，結(jié)合序貫極限學(xué)習(xí)機(jī)，確定小電流單相接地故障暫態(tài)信號(hào)的特征量，經(jīng)過(guò)多次迭代后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練，通過(guò)更新的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完成選線，確定單相接地故障線路的位置。但該方法受線路運(yùn)行環(huán)境的影響，選線正確率無(wú)法滿足預(yù)期值。王義凱等［6］提出基于被選頻帶零序能量的選線方法，協(xié)同多模接地控制，將中性點(diǎn)切換至小電阻接地方式，促使健康的零序電流電壓幅值降低、故障線路的零序電流幅值增高，結(jié)合電流切換相位差，實(shí)現(xiàn)故障線路的選定。該方法對(duì)于故障線路的信號(hào)提取較少，不能準(zhǔn)確描述故障線路的信號(hào)特征，因此在進(jìn)行選線的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致選錯(cuò)的情況出現(xiàn)。

為不斷改進(jìn)和優(yōu)化選線方法，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本文以零序電流分析的小電流接地系統(tǒng)為研究對(duì)象，闡述該系統(tǒng)單相接地故障自動(dòng)選線方法，并且結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析與研究。

1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障自動(dòng)選線方案設(shè)計(jì)

1.1 定義導(dǎo)納不對(duì)稱度參數(shù)

通過(guò)注入信號(hào)并根據(jù)線路中的電流變化量計(jì)算線路的方式對(duì)地導(dǎo)納進(jìn)行選線。為提高分析速度，在電網(wǎng)正常運(yùn)行的情況下，可忽略線路的對(duì)地電阻，使配電網(wǎng)高壓母線與大電網(wǎng)相連，消除線路中的阻抗［7］。采用三角形接線忽略負(fù)荷對(duì)零序電流的影響，通過(guò)集中參數(shù)得到小電流接地系統(tǒng)的電容電流分布情況（如圖1所示）。

圖1 小電流接地系統(tǒng)電容電流分布圖

任意線路的不同相對(duì)地電流表示為CA、CB、CC，將線路的零序電流疊加，可計(jì)算出正常運(yùn)行時(shí)線路的導(dǎo)納不對(duì)稱度，計(jì)算公式為

其中：K為導(dǎo)納不對(duì)稱度；C為三相零序?qū)Φ仉娙荨Ｒ驗(yàn)榧芸站€路三相電容幾乎相同，所以K值一般較小。在分析過(guò)程中，設(shè)定線路三相對(duì)地電容相等，零序電流在不對(duì)稱度的計(jì)算過(guò)程中容易產(chǎn)生分量。根據(jù)線路的三相對(duì)地電路數(shù)值，求得導(dǎo)納不對(duì)稱度，計(jì)算公式為

其中：I為對(duì)地電流；U為三相電壓的不對(duì)稱度；jwCU為對(duì)地導(dǎo)納不對(duì)稱度；U0為零序電壓。通過(guò)上述公式能實(shí)時(shí)測(cè)量不同線路中的導(dǎo)納不對(duì)稱度，使線路三相度對(duì)地參數(shù)保持一致，保持不同線路中的三相平衡［8］。通過(guò)比較導(dǎo)納不對(duì)稱度參數(shù)進(jìn)行特征分析，當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，計(jì)算故障線路保護(hù)安裝位置的零序電流，判斷容性電流方向。如果非故障線路在故障發(fā)生前后沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，則導(dǎo)納不對(duì)稱度為0；如果線路參數(shù)發(fā)生了變化，則根據(jù)零序電壓判斷其故障線路的導(dǎo)納不對(duì)稱度。在計(jì)算過(guò)程中需要對(duì)故障線路的導(dǎo)納進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)裝置實(shí)時(shí)測(cè)量，在一定程度上放大故障電流值，故障發(fā)展過(guò)程增大可使對(duì)地電容參數(shù)得到一定的改進(jìn)。

1.2 消弧線圈接地系統(tǒng)零序電流增量分析

為了滿足故障點(diǎn)電流小于10 A 的要求，消弧線圈的電阻值取300 Ω，以此分析系統(tǒng)線路的零序電流有功分量［9］。系統(tǒng)確定故障為單相接地故障后投入電阻，使單相接地饋線的零序電流發(fā)生變化。以故障線路在電阻投入時(shí)的零序電流導(dǎo)納不對(duì)稱度K為選線判據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，三相具有的對(duì)地電容一致，中性點(diǎn)電壓為0。設(shè)定線路發(fā)生單相接地故障，則投入中電阻前，三相電壓的不對(duì)稱度可表示為

其中：X0為零序電阻；R為中心點(diǎn)中電阻。過(guò)渡電阻短路使A 相的對(duì)地電壓數(shù)值發(fā)生變化。當(dāng)不計(jì)電壓降壓結(jié)果時(shí)，A 相的對(duì)地電壓可通過(guò)計(jì)算獲取。計(jì)算該電壓與零序電壓，得到零序電流穩(wěn)態(tài)值在中電阻投入后的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)結(jié)果大于1 時(shí)可以選取故障線路。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，當(dāng)接地電流小于10 A 時(shí)，運(yùn)用不接地方式運(yùn)行。選擇接地電流為10 A，通過(guò)計(jì)算可以得到中性點(diǎn)的電阻值，所以在不接地系統(tǒng)中，當(dāng)接地電阻滿足一定條件時(shí)，零序電流增量可以用于選線［10］。當(dāng)系統(tǒng)中的接地電阻超過(guò)條件時(shí)，產(chǎn)生的零序電流增量不符合應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，在系統(tǒng)欠補(bǔ)償工作運(yùn)行狀態(tài)下，通過(guò)比較零序電流有功分量與零序電壓值，即能判斷線路是否健全，因此可以將此作為單相接地故障選線的判斷依據(jù)。

1.3 小電流接地系統(tǒng)單相故障自動(dòng)定位選線

當(dāng)電阻投入中性點(diǎn)系統(tǒng)后可確定故障線路。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)抑制的中性點(diǎn)接地方式能得到最大相的電壓和偏移電壓之間的差值，從而判斷故障發(fā)生的相別。通過(guò)確定故障類型可以確定短路狀態(tài)，因此在中性點(diǎn)小接地系統(tǒng)中，投入電阻后流過(guò)故障線路的零序電流基本呈容性，健全線路和故障線路中電流均為0。因?yàn)楣收宵c(diǎn)下游流過(guò)的阻性電流較小，所以提出故障選線的判斷依據(jù)如下：

其中：M為所有出線；Ii為線路所測(cè)得的阻性電流；Ij為健全線路所測(cè)得的阻性電流。配電線路正常運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷不平衡的問(wèn)題，同時(shí)流過(guò)的電容電流易產(chǎn)生零序電流，此時(shí)系統(tǒng)單相接地電容電流的計(jì)算公式為

其中：C為電容；U為電壓；w為電抗。通過(guò)與10 A 的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，可以計(jì)算出電流值，從而判斷系統(tǒng)消弧線圈的補(bǔ)償度并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后，電流呈容性，與電壓的夾角為直角。根據(jù)在不同中性點(diǎn)接地方式下單相接地故障的特征差異，分析三相接地故障特征。運(yùn)用小波對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行分解，為有效提取故障產(chǎn)生的零序電流的高頻幅值，在分解信號(hào)時(shí)加入白噪聲序列，再進(jìn)行分解處理［11］。通過(guò)提取分解后波形的奇異點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行平穩(wěn)化處理。如果產(chǎn)生的零序電壓超過(guò)母線額定電壓幅值，對(duì)線路的零序電流信號(hào)進(jìn)行EEMD（Ensemble Empirical Mode Decomposition，集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）分解，將分解后的最高頻分量IMF（Intrinsic Mode Functions）進(jìn)行差分處理，比較故障線路與健全線路的幅值，將其作為對(duì)故障線路進(jìn)行選線的判斷依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為模擬現(xiàn)場(chǎng)噪聲對(duì)電氣設(shè)備的影響，將得到的不同線路的零序電流加入噪聲并進(jìn)行分解，求解特征固有模態(tài)能量，將結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。將得到的樣本數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)實(shí)際結(jié)果分析本文方法的選線效果。運(yùn)用本文方法對(duì)處理好的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練并測(cè)試，通過(guò)與傳統(tǒng)方法比較，判斷選線方法的優(yōu)化程度。

2.1 搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境

運(yùn)用PSCAD（Power Systems Computer Aided Design，電磁暫態(tài)仿真軟件）進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真。在PSCAD 中建立6 條饋線，經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，其中1 號(hào)饋線為架空線路。在配電網(wǎng)仿真模型中不同線路的長(zhǎng)度分別為13 km、18 km、17 km、20 km、14 km、15 km；在仿真模型中架空線路阻抗為0.354 Ω/km，導(dǎo)納為3.15×e-6s/km。通常情況下，為避免發(fā)生諧振過(guò)電壓，消弧線圈為過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)。設(shè)定故障仿真時(shí)間，故障電阻為100 Ω。在此過(guò)程中，需要對(duì)變壓器中性點(diǎn)的零序電壓進(jìn)行閾值判斷，并且分析故障發(fā)生后的零序電流波形，才能得到不同線路中的IMF 分量。將信號(hào)分解成IMF 分量，引入特征固有模態(tài)能量（配電網(wǎng)中“*”表示電弧接地故障，“×”表示配電網(wǎng)發(fā)生經(jīng)高阻接地模型故障）。選線過(guò)程中設(shè)定大故障樣本數(shù)量為800個(gè)，將得到的樣本數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練，并且按照對(duì)應(yīng)結(jié)果進(jìn)行類別判斷。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中的spread 值，獲得故障選線性能。最后，計(jì)算選線的準(zhǔn)確程度，得到具體的誤差值。

2.2 結(jié)果與分析

將樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到特征固有模態(tài)能量的特征分量（見(jiàn)表1）。

表1 歸一化后的特征固有模態(tài)特征分量

統(tǒng)計(jì)表1中的歸一化數(shù)據(jù)后輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行訓(xùn)練，得到的訓(xùn)練結(jié)果如圖2所示。由圖2 可知，網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練結(jié)果較為穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)選錯(cuò)的情況，達(dá)到了良好的訓(xùn)練狀態(tài)。使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)在不接地系統(tǒng)中進(jìn)行仿真測(cè)試，在電弧、高阻接地故障狀態(tài)下，計(jì)算選線的準(zhǔn)確程度，得到800 個(gè)訓(xùn)練樣本中的誤差值（結(jié)果如圖3所示）。由誤差結(jié)果可知，800 個(gè)樣本的選線正確性達(dá)到100%，誤差均為0，即在選線過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)選的情況，達(dá)到了良好的選線效果。本文的選線方法準(zhǔn)確率明顯更高，具有更高的靈活性和實(shí)時(shí)性，能廣泛應(yīng)用于單相接地故障系統(tǒng)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后的效果圖

圖3 訓(xùn)練后的誤差結(jié)果

綜上所述，基于零序電流分析的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障自動(dòng)選線方法能根據(jù)可擴(kuò)展性去噪，在不同的頻段中提取原始信號(hào)。同時(shí)，本文算法可提升選線的完整性，將特征固體模量作為故障選線的特征向量，分析選線的準(zhǔn)確程度。

3 結(jié)語(yǔ)

使用良好的選線方法可快速診斷電纜故障，減少故障停留的時(shí)間，確保電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地供電。本文深入研究基于零序電流分析的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障自動(dòng)選線方法，分析其應(yīng)用效果；將穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)零序電流分析相結(jié)合，運(yùn)用小波變換方式對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行分解與重組，提高了選線的可靠性。但該方法仍存在需要進(jìn)一步研究之處，例如線的速度、計(jì)算復(fù)雜度、方法是否具有普遍適用性等問(wèn)題。今后需進(jìn)一步完善計(jì)算，通過(guò)對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行多尺度分析，提取更全面的故障信息，保障設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中工作環(huán)境的安全性。本文研究的單相接地故障自動(dòng)選線方法具有一定的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用前景，能為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供有益的參考。