控制理论与控制工程硕士论文-配电网单相接地故障定位方法的研究.pdf

配电网单相接地故障定位方法的研究 张萌萌( 控制理论与控制工程) 指导教师：王艳松( 副教授) 摘要 配电网单相接地故障的定位是配电自动化实施过程中的重点和难点 问题。在配电网的常见故障中，单相接地故障发生的凡率最高，如何在 故障发生后快速正确的查找故障点并及时隔离故障、恢复供电，对于提 高供电可靠性具有非常重要的研究意义和实用价值。 本文主要结合配网自动化的实施，当线路发生故障时，由测控终端 f t u 采集线路的故障信息上传，由主站对故障信息进行综合处理。通过 对测距中影响因素的分析，提出了先确定故障所在的区段然后进行精确 测距的定位方法。故障区段的定位主要通过设计一个分类器来实现，以 各兀u 处零序电流的能量值作为故障识别的特征，把故障点的位置确定 在某两个开关之间，利于对故障区段的快速隔离；测距算法对应于发生 在不同区段的故障，构建了相应的故障测距子模块，并对故障点侧的零 序电流信号进行了暂态特征提取，利用支持向量机形成特征向量到距离 平面的映射。大量的仿真分析证明了本文提出的方法能准确实现配电网 单相接地系统的故障区段定位和测距。 关键词：配电网，支持向量机，小波分析，区段定位，故障测距 n r e s e a r c ho ns i n g l e - p h a s et og r o u n df a u l tl o c a t i o n m e t h o di nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s z h a n g m e n g - m e n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gy a h s o n g a b s t r a c t t h el o c a t i o no fs i n g l e - p h a s et og r o u n df a u l t i nd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki st h e e m p h a s i s a n dd i f f i c u l t y o ft h ep r o c e d u r eo fi m p l e m e n t i n gd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o n a m o n gt h ec o m m o nf a u l t so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，s i n g l ep h a s e t o g r o u n df a u l ta p p e a r sw i t hl a r g e s tp r o b a b i l i t y t h er a p i da n de o r r e 斌 l o c a t i n go ff a u l tp o i n t ，t h et i m e l yi s o l a t i n go ff a u l ta n dr e s u m eo fp o w e r s u p p l y , a r ea l lm e a n i n g f u la n dv a l u a b l ef o ri n c r e a s i n gt h er e l i a h i l i t yo ft h e p o w e rs u p p l y t h i sp a p e rm a i n l yb a s e so nt h eo p e r a t i o no fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n w h e nf a u l ti nt h el i n ea p p e a r s ，t h ed a t ao fs i n g l e - p h a s et og r o u n df a u l ti s c o l l e c t e db yf e e d e rt e r m i n a lu n i t s ( f t u ) ，a n dt h e nu p l o a d e dt ot h em a i n s t a t i o n , w h i c hd e a l sw i t l lt h ed a t as y n t h e t i c a l l y t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e i n f l u e n c ef a c t o ro f t h ed i s t a n c em e a s u r i n g ，t h el o c a t i o nm e t h o dw h i c hl o c a t e s t h ef a u l ts e c t i o nf i r s ta n dt h e nm e a s u r e sd i s t a n c ep r e c i s e l yw a sp r e s e n t e d c l a s s i f i e ri st ob ed e s i g n e dt ol o c a t ef a u l ts e c t i o n e n e r g yv a l u eo fe v e r y s e c t i o n sz e r o s e q u e n c ec u r r e n ti st ob et a k e na sr e c o g n i t i o nc l u e s t h e l o c a t i o no ff a u l tp o i n ti st ob ec o n f i r m e db e t w e e nt w os w i t c h e s ，w h i c hw i l l b e n e f i tt h es u d d e ni s o l a t i o no ff a u l ts e c t i o n d i s t a n c em e a s u r i n ga r i t h m e t i c 1 1 1 c o r r e s p o n d st ov a r i o u ss e c t i o no ff a u l t , c o n s t r u c t sd i f f e r e n tf a u l td i s t a n c e m e a s u r i n gs u b - m o d e l ，a n de x t r a c t st h ea a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t yo f z e r o s e q u e n c ec u r r e n t ss i g n a la r o u n dt h ef a u l tp o i n t s ，m e a n w h i l e , i tm a k e s u s eo f s u p p o r tv e c t o rm a c h i n et of o r mm a p p i n gf r o me i g e n v e c t o rt od i s t a n c e p l a n e t h er e s u l to fs i m u l a t i o na n da n a l y s i sp r o v et h a tt h em e t h o dw h i c hi s b r o u g h tu pi nt h i sp a p e rc a nr e a l i z es i n g l e - p h a s et og r o u n df a u l ts y s t e m s s e c t i o nl o c a t i o na n dd i s t a n c em e a s u r i n gi nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，w a v e l e ta n a l y s i s ， s e c t i o n l o c a t i o n ，f a u l td i s t a n c em e a s u r i n g i v 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 1 课题的研究意义 第1 章前言 电力能源在国民经济中占据着重要的位置，经济的发展客观上要求 电网的规模不断扩大。而电网的互联和覆盖范围的扩大，一方面实现了 输电的规模经济效益，较好地满足了人民日益增长的用电需求，另一方 面也给电网的可靠性提出了更高的要求。为了提高供电可靠性并减少电 网故障带来的停电影响，各国供电企业都在积极实施配电运行自动化技 术，通过实时监视，及时发现隐患，避免事故的发生，并自动实现故障 的定位、隔离及非故障线路的供电恢复，减少故障停电时间。单相接地 短路作为发生的几率最大的短路故障类型，如何在配电网发生单相接地 故障后及时准确地找到故障发生的位置，隔离故障区域并恢复非故障区 域的正常供电，是一个值得研究和重视的课题。 我国电力系统中性点的运行方式主要采用中性点不接地或经消弧线 圈接地方式，也称为小电流接地系统。小电流接地系统的单相接地故障 定位一直以来是各供电部门比较头疼的问题。由于接地点流过的是全网 的电容电流，而这个电容电流数值较大时又往往采用消弧线圈加以补偿， 因此接地选线采用的特征量很小，造成识别上的困难。加之配网结构复 杂多变，导致配电网单相接地故障定位正成为改善电能质量、提高供电 可靠性的主要困难之一。 目前对于配电网单相接地故障故障定位方法的研究，主要集中在选 线和测距两个方面，很多专家针对配电网单相接地故障选线提出的方案， 已经取得了不少成果【1 】【2 】，且部分电网已配有选线装置。而对于测距算法 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 的研究，相对较少，常规的故障测距算法由于不能实现较高精度的故障 定位，实用意义差。而新的数学工具，特别是小波分析和人工神经网络、 支持向量机等理论的引入，为小电流接地系统单相接地故障的测距提供 了新的思路。 1 2 配电网故障定位方法的研究现状 在传统的故障定位过程中，配电网一般采用逐条线路拉闸停电的方 法来确定故障线路，在选出故障线路后，再派工作人员到现场沿线查找 故障位置，然后切除故障，这种方法由于人工的介入，所需的定位时间 比较长，不能适应人们对配电网自动化水平的新要求。为了对该课题作 进一步的研究，下面就现有的单相接地故障定位方法进行分析。 1 2 1 故障区段定位方法的研究现状 对于实现了配电自动化的配电网络，一般利用线路实现线路故障信 息的检测，并将检测结果通过通讯网络送至s c a d a 系统，s c a d a 系统 根据一定的故障定位算法自动定位出故障发生在哪两个开关之间，并对 故障区段进行隔离。 故障区段的定位和隔离可以借助各开关的多次配合动作来实现【3 1 ， 由于这种方法时间上的难以把握，而更多采用的是统一矩阵算法1 4 1 。其 基本思想是通过f 1 u 提供的故障信息修正网络描述矩阵，从而得出含有 故障信息的判断矩阵。而单相接地故障的区段定位相对比较困难，文献 【5 】提出了基于区段零序能量的相对性定位方法，该方法利用非故障区段 零序能量函数大于零、故障区段的零序能量函数小于零的特点来确定故 障区段。文献【6 】中提出了零序电流的有效值法，以馈线上所有线路区段 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 中区段零序电流有效值最大的线路区段为故障区段，其余线路区段为非 故障区段。 对于没有实现配电自动化的系统，一般利用线路故障指示器实现故 障点的分段定位，出现故障时，需要人工沿线查找，确定故障区段，自 动化程度不高，是目前仍广泛应用的一种方法，但是非常不利于故障区 段的快速隔离，且耗费了大量的人力和物力。 1 2 2 故障测距方法的研究现状 故障测距方法从原理上可以分为三类：第一类主要是通过数值计算 进行精确求解；第二类是行波法，以行波的测量为基础；第三类是借助 人工智能的方法，通过对特征信息的记忆达到拟和误差的最小。 ( 1 ) 故障分析法 故障分析法f 7 1 是建立在阻抗法基础上的，其基本思想是利用单侧的 信息建立线路的分布参数模型，并列写故障点距离和零序电流、零序电 压之间的方程，计算方法比较复杂。文献 8 将方程的求解问题转化为了 组合寻优问题，通过改变故障点位置参数、接地电阻等，进行多次组合， 寻找与测出的电压、电流非常接近的计算值来确定对应的故障点参数。 故障分析法是基于基频分量的测距方法，由于故障前后的基频分量 变化较小，且多数情况下暂态波形畸变严重，而不可能精确提取基频分 量，加之在时域采样、系统建模、参数简化等环节的误差，故障分析法 的测距精度并不高。 ( 2 ) 行波测距法 根据行波理论，无论是相间短路故障还是单相接地故障，都会产生向 线路两端传播的行波信号，利用在线路测量端捕捉到的暂态行波信号可 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 以实现各种类型短路故障的测距。行波法是通过测量故障产生的行波在 故障点及母线之间往返一趟的时间或利用故障行波到达线路两端的时间 差来计算故障距离。 目前该方法大致可分为三类：第一类是单端法1 9 1 ，根据故障点出现 的行波到达母线后反射到故障点，再由故障点反射回母线的时间差来测 距；第二类是双端法f l o l ，根据故障点出现的行波到达两侧母线的时间并 借助专用通道来实现；第三类是信号注入法【1 1 l ，根据故障后人为施加高 频或直流信号，利用雷达原理来实现。 以上三类行波故障测距原理和算法都较简单，但实现难度较大，且 存在许多尚需解决的问题f 1 2 】，如需要解决行波在故障点与母线间多次折 射和投射造成的干扰问题，以及行波传播过程中波速不确定、参数频变 等问题。 ( 3 ) 智能化测距 人工智能方法具有自学习的能力，不需要预先知道对象的数学模型， 使用大量的样本数据对其在线训练，可不断提高计算精度。人工神经网 络算法具有算法简单、易于实现和训练的优点，是目前配电网单相接地 故障测距的最多采用的一种智能化方法。 文献【1 3 】提出了利用人工神经网络进行单相接地故障测距的方法，采 用小波提取故障信号中的暂态特征信息，并对神经网络进行离线训练， 文献 1 4 1 在b p 网络结构上作了特殊化的处理，引入了小波变换层和模糊 处理层，提高了识别故障的能力和可靠性。 文献 1 5 】【1 6 】提出了基于非故障相暂态电流的单相接地故障定位新 方法。提出以故障馈线的非故障相暂态电流作为故障测距的基本依据， 以避免系统运行方式等不确定因素对故障定位的影响，经小波变换提取 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 故障暂态特征量作为神经网络模型的输入，实现对故障点的准确定位。 综上所述，结合一些新的数学工具，电力系统领域的专家对小电流 系统的单相接地故障定位作了更为深入的研究，并不断有新的思路提出， 如把小波分析、p r o n y i “ 1 1 $ 1 、神经网络、模糊理论、专家系统i 饽1 等引入 n d , 电流接地保护中。这些工具的引入，可以更准确、可靠、灵敏地提 取故障特征，一定程度上提高了保护准确率和可靠性，但是至今还没有 哪一种方法能够完美的解决这个问题【2 0 】。应该知道，一方面我们需要利 用这些方法对课题进行更深入的研究，另一方面也不能过分依赖这些数 学分析工具，而忽视了对故障特征本身的分析，这无异于南辕北辙，而 如何能够有效地把故障信号的暂态特征提取出来，才是配电网单相接地 故障定位的关键所在。 另一方面，随着计算机及通信技术的发展，电力系统自动化技术正 逐步从局部的、单一的自动化，向整体系统综合自动化发展，国内外供 电企业已经开始试点或大面积推广配电自动化技术，以提高供电质量、 用户满意度以及管理效率。馈线自动化是配电自动化重要的一部分，供 电可靠性的提高，很大程度上依赖于故障后对故障区段的及时隔离和恢 复供电。配电自动化系统通过测控终端对配电网的运行情况的实时监控， 可以提供给研究人员更多故障时的信息，如果能够有效利用这些信息进 行故障的定位和隔离，将是非常有益的探索。 1 3 本课题的主要工作 本课题对配电网单相接地故障的暂态电气量的特点进行了深入分 析，在探讨故障区段的定位方案的基础上，进行了单相接地故障的测距 研究。基本的思路是利用小波分析提取反映故障位置的特征信息，并经 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 支持向量机映射该特征信息与故障位置的对应关系，从而实现配电网单 相接地故障的准确定位。主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 对国内外小电流接地系统故障定位方法进行分析并作归纳性的 概述，为本文的研究工作奠定基础； ( 2 ) 采用分布参数，搭建合理的配电网单相接地故障仿真模型，仿 真多种情况下的故障暂态量，建立信息完整的故障模式集； ( 3 ) 基于模式识别的思想，寻找故障区段识别的有效特征，利用支 持向量机进行配电网单相接地故障的区段定位； ( 4 ) 在区段定位的基础上，建立对应于故障区段的故障模式集，利 用小波分析对故障暂态信号的特征进行提取，并通过与支持向量机结合 实现准确的配电网单相接地故障定位。 6 中国石油人学( 华东) 硕士论文第2 章配电网单相接地故障的特点和小波分析 第2 章配电网单相接地故障的特点和小波分析 2 1 中性点非直接接地系统单相接地故障特点 我国配电网主要采用的是中性点不接地和经消弧线圈接地的系统， 称为小电流接地系统，其中l o k v 及以下系统一般采用中性点不接地方 式，3 5 k v 系统多采用经消弧线圈接地的运行方式。 2 1 1 中性点不接地系统的单相接地故障特点 中性点不接地系统【2 1 1 运行维护简单、经济，供电连续性好，在中性 点不接地方式下运行，接地电流为线路及设备的电容电流。但是该方式 对电网电容电流及负荷水平有严格的要求，超过一定数值( 3 1 0 k v 电网 电容电流为3 0 a ，3 5 k v 系统为1 0 a ) 后会引起电弧接地过电压。 + ，f l 三1 p + ，r l 皮m l i 岛一一l + c o 童韩 旧ll c o s 圭黄蛰 忖i r ， 1 2 一i7 。+ - ，月， ib s | cs ， l (上 i赫赫瓣抹蕾 一l l 审l 丫 上十丰一车三 图2 1 中性点不接地电网电流示意图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章配电网单相接地故障的特点和小波分析 如图2 - 1 所示的中性点不接地系统，正常运行情况下，三相电压对 称，对地电容电流之和为零。当线路2 的a 相发生单相接地故障时，a 相 对地电压变为零，对地电容被短接，非故障相( b 相和c 相) 电压变为 原来的3 倍，对地电容电流随之增大。 故障点零序电压为 u ，o = ( u 。佑+ u 粥+ ( ，c g ) = 一e a ( 2 - 1 ) 忽略符合电流及对地电容电流在线路及电源阻抗上的电压降，则整 个系统a 相对地电压变为零，非故障相电压也都变为相对a 相的线电压， 对地电容电流也随着升高3 倍，这时流过故障点的电流是电网中所有非 故障相对地电容电流之和： 。i ，2 一i c = 。一i 旷k j i c l i c 2 一i ? s。鼢 = - j a , c o z ub g j 艇函c 。= j 3 0 , c o z e a 非故障线路首端的零序电流为 1 0 1 = ( l l + i + i c l ) = - j a , c o l e a ( 2 - 3 ) 故障线路首端的零序电流为 乇= ( l ：+ 厶：+ 丘：) = ( o + 厶：+ 厶：) = ，3(2-4) = 妥卜i 。一i n i 。一i c s l = j c o ( c o z c o 意； 即非故障线路零序电流为线路本身的电容电流，容性无功的方向由 母线流向线路；故障线路零序电流为所有健全线路和母线的电容电流， 容性无功的方向由线路流向母线。 8 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章配电网单相接地故障的特点和小波分析 2 1 2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障特点 当接地电容电流超过允许值时，可采用消弧线圈补偿电容电流，保 证接地电弧瞬间熄灭，以消除弧光间隙过电压。中性点经消弧线圈接地 方式，在大多数情况下能够迅速消除单相的瞬间接地电弧而不破坏电网 的正常运行，接地电弧一般不重燃。在发生单相接地故障时，采用中性 点经消弧线圈接地的方式是提高供电可靠性的有力措施【2 1 】。 p + 0 t 1 _ 斗a i 所 l r r r y 、1 十f 1 t ， ，l 上。一 膏l 、 l 工f r 。l c 。s 主舢7 - 莆i 忖i r ， f 2 驰 士j 。 ：。 4 + ，r ， i ， (7j f瓣滋g ，+ + - - f 三l =寸 ! f 图2 - 2 中性点经消弧线圈接地电网电流示意图 图2 2 所示为中性点经消弧线圈接地电网发生a 相接地故障的示意 图。中性点接入消弧线圈后，忽略线圈电阻，在中性点电压的作用下产 生电感电流： j ，：一生；，生 ( 2 5 ) x 。乱 消弧线圈的电感电流经故障点沿故障线返回，为故障点的电流增加 一个电感分量丘，因此，从接地点返回的总电流为 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章配电网单相接地故障的特点和小波分析 = 一丘一乞= ，( 崛= 一壶) 或 ( 2 - 6 ) 厶与乞相位相反，因此故障点电流将因消弧线圈的电流而减少。 故障线路首端监测到的零序电流为 乇= 丢( 一厶，一丘，一k k 一丘) 0 - c 0 2 ，一壶声 q 刁 如果丘与k 相等，电网处于完全补偿状态，丘小于k 时欠补偿， 丘大于时为过补偿。 当采用过补偿方式时，流经故障线路的零序电流将大于本身的电容 电流，而容性无功和非故障线路一样，也是母线流向线路。 2 1 3 小电流接地系统单相接地暂态过程 中性点非直接接地系统，在发生单相接地的瞬间，故障信号的变化 比较复杂，对于暂态电流我们通常认为：接地故障引起的暂态电流由两 部分组成田】。一部分是故障相电压突然下降引起的对地分布电容放电电 流，通过母线直接流向接地点，振荡频率较高，在数千赫兹；另一部分 是健全相电压突然升高引起的对地电容充电过程，该电流通过电源流向 接地点，整个流通回路电感增大，振荡频率较低，一般仅为数百赫兹。 图2 3 中所示的等值回路，为经消弧线圈接地电网单相接地故障瞬 间各电流成分的流通回路( 去掉消弧线圈则成为中性点不接地系统的等 值回路) 。故障线路的零序电流即由消弧线圈中的暂态电感电流和线路中 的暂态电容电流组成。图中的风和工。可根据三相线路和电力变压器的参 数进行计算，同时暂态接地电流最大，情况最严重。此时可以不考虑故 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章配电网单相接地故障的特点和小波分析 障点的接地电阻和弧道电阻，零序回路的参数较好确定，而且结果较为 准确。 图2 - 3 经消弧线圈接地电网单相接地暂态电流的等值回路 其中，c 为补偿电网的三相对地电容； 厶为三相线路和电源变压器等在零序回路中的等值电感； 风为零序回路中的等值电阻( 包括故障电阻和弧道电阻9 ；， r ，工分别为消弧线圈的有功损耗电阻和电感； 为零序电源电压。 ( 1 ) 暂态电容电流 征分析电答电流的留态特住时，由于它的自由振荡频率一股较高， 而且一般消弧线圈的电感 l o ，故图2 - 3 中的r l 、可以不考虑。此 时，由厶、c 、r 。组成串联回路和作用于其上的零序电源电压“。确定暂 态电容电流屯，由此得 风如+ l 。d 衍i c c + 1 j i c d t = u s i n + 妒) ( 2 - 8 ) 当局 2 誓时，回路电流具有非周期的衰减特性，并逐渐稳定。 ! 里互迪盔兰! 兰查! 堡主丝奎 箜! 童堡皇堕兰塑鳖垫丝堕堕堑盛塑! ：鎏坌堑 当故障点的接地电阻较小时，满足 2 譬，电容充电的速度减缓， 电路中的暂态分量出现非周期的衰减现象。 因为暂态电容电流t 是由暂态自由震荡分量和稳态i 频分量两部分 组成的，利用f = 0 i c 。+ i c 。= 0 这一初始条件和= r o t ? 的关系， 可得 i c2 i c + i c “ 一( o ，f ，( o t - - c o s , r t ) e - & + c o s ( ( - ys i n q ，s i n r o t - c o s g o c o s ( o t ) e叫+ 训( 2 - 9 = k叫+ 伊) 】 国 一 其中，为相电压的幅值。 为电容电流的幅值； 彩、嘶分别为电源的频率和暂态自由振荡分量的角速率5 艿= 去= 旦2 l o 为自由振荡分量的衰减系数，f 为回路的时间常数。 ( 2 ) 暂态电感电流 根据非线性电路的基本理论，暂态过程中的铁心磁通与铁心不饱和 时的方程式相同。由图2 - 3 得： 咖+ 咖= 吒屯+ 皇 ( 2 _ 1 0 ) 其中，为消弧线圈相应接头的线圈匝数： 帆为消弧线圈铁心中的磁通。 由于在补偿电流的工作范围内，消弧线圈的磁化特性曲线应保持线 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章配电网单相接地故障的特点和小波分析 性关系，故屯= 兰妙。由于在前面假设三相对地电容相等，故在接地故 障开始前，消弧线圈中电流为0 ，则妒。= 0 ，可得： 一上 矿= 。【c o s ( 妒+ 孝) p 屯- c o s ( 耐4 - 矿+ 亭) 】 ( 2 1 1 ) 其中，y 。= 兰粤为稳定状态时的磁通； ( o n f = a r c l a n _ r l 为补偿电流的相角； 眦 气为电感回路的时间常数。 根据上式，考虑= 二粤，得到暂态电感电流i l 的表述为： 眦 一二 i l = i b , c o s4 - c o s ( t o t + 妒) 】 ( 2 - 1 2 ) 消弧线圈的磁通。和电感电流屯是由暂态的直流分量和稳态的交 流分量组成，而暂态过程的震荡角频率与电源的角频率相等，其幅值与 接地瞬间电源电压的相角驴有关。 ( 3 ) 暂态接地电流 暂态接地电流是由暂态电容电流和暂态电感电流叠加得到，两者的 频率相差很大，在暂态阶段，暂态电流的特性主要由暂态电容电流决定。 i a = i c + i l ：( 一也) c o s + 咖+ b ( 生妒 - c o s t p c o s t o ，t ) e s i n s i n c o t - c o s t p c o s r o y 一考 2 ( 一也) 。0 5 + 咖+ b 吾妒 w + lc o s 6 p e 4 ( 2 1 3 ) 式中第一项为接地电流稳态分量，其余为接地电流的暂态分量。 由以上分析可知，当发生单相接地故障时，在故障点便有衰减很快 的暂态电容电流和衰减较慢的暂态电感电流流过，不论中性点不接地还 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章配电网单相接地故障的特点和小波分析 是经消弧线圈接地电网，单相接地故障的幅值和频率主要由暂态电容电 流决定，其幅值同时和故障初相角有关。 2 2 小波分析理论 由上述的分析可知，小电流接地系统发生单相接地故障时，暂态分 量由接地故障点经各条线路的对地电容形成回路。因线路分布电容、分 布电感的存在，所以在故障电流中含有丰富的频率成分。如何准确有效 的把反映故障位置的信息从故障电气量中提取出来，则需要恰当选取合 适的计算方法，也是该研究取得进展的关键。 本课题对小电流接地故障单相接地故障特征的提取主要采用依赖于 以下几种算法： 2 2 1 离散小波变换 小波分析是一种新颖的信号分析方法，是近几年发展起来的信号处 理技术中的一个新的分支。小波分析1 是处理非平稳暂态信号的工具， 在时域、频域具有良好的局部化性质，能够将含有多种频率成分的被分 析信号按照一定的时间和频率分辨率进行分解，并能够有效刻画信号的 突变，到现在已成为一个比较系统的学科和应用领域的重要数学工具， 特别适用于信号的瞬态分析、图像的边沿分析等领域的问题。在电力系 统故障诊断刎、电能质量检测、继电保护等领域，小波分析也获得了初 步的成果。 小波分析分为连续小波变换和离散小波变换，前者是建立在连续信 号分析的基础上的，通过数值积分方法实现的；后者是对离散信号序列 进行处理，更适用于工程应用中的快速计算。离散小波变换是建立在多 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章配电网单相接地故障的特点和小波分析 分辨分析和多采样频率滤波器理论基础上的。 对信号的原始采样序列x ( 七) 进行多分辨分析时，可以假设它为第0 级输入信号x p ，则第一级信号可分为离散平滑逼近信号和离散细节 信号卵( 也就是小波变换结果) ，分别为 眇= h o ( n - 2 k ) x ：o 协：圭帕磁) q 。4 l ” 而权重( 七) 、啊( k ) 分别为 式中，h o ( k ) 为低通的权重； 甄( k ) 为高通的权重； 口( ，) 为尺度函数； p ( f ) 为小波函数。 信号重构过程中，第。级的离散平滑逼近及离散细节信号为口? 、d ? 为 f 以= g 。( , - 2 , ) x l ” 协：窆g l ( “ 一2 k ) a ：一) j 6 l “ 式中，9 0 ( 七) 为低通的。 g 。( | j ) 为高通的。 9 0 ( _ j ) 、蜀( 七) 为重构的权重系数，表达式和h o ( k ) 、啊( 七) 相似。 一般而言，在分解和重构的过程中，第_ ，一1 级与第_ ，级信号之间的 m 渺 廊 h 埘 妒扣害 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章配电网单相接地故障的特点和小波分析 关系同上。对信号进行一维一尺度分解，对分解后的系数分别进行单支 重构的过程如图2 - 4 所示，其中2 抽取和2 插值环节包含在式( 2 - 1 4 ) 、式 ( 2 - 1 6 ) 中。 x ( k ) z p _ 匦蛩叶匾囹一 卵- 恒煎卜_ 岖酗 图2 - 4 信号的一尺度分解，井分别进行单支重构的沉程 上述算法称为m a l l a t 算法，该算法中权重系数h o ( k ) 、岛( 七) 、g 。( 后) 、 g ，( 后) 是一组滤波器。以上分析可以看出，只要h o ( k ) 、g ( k ) 已知，就可 以由x p 逐级求出x p 和碰”。计算量远小于采用数值积分方法，而且速 度较快。同时采用该种算法时，滤波器( 后) 、j l l l ( 七) 、g 。( 七) 、g 。( k ) 的 长度对分析结果有一定影响：滤波器长度越长，分频越准确，所需的判 定时间也越长。 2 2 ，2 = 进小波包分解 为了与信号特征相匹配，小波变换的分辨率在时一频平面上不是固定 不变而是随频率变化的，即频率分辨率随频率的升高而降低。小波分解 对于高频序列没有再分解，不利于高频带的深层分析，由小波变换发展 而来的小波包技术，弥补了这一不足，从而可以根据信号特性和分析要 求在一定频域内任意选择分辨率。 小波包是小波函数的推广，由小波函数的创始人m e y e r ，c o i f m a n 及 w i c k e r h a u s e r 在1 9 8 9 年引入，他们在研究正交小波基的基础上创立了正交 小波包的观念，后来又有了半正交小波包和广义小波包。鉴于本章的应 用，仅介绍正交小波包。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章配电网单相接地故障的特点和小波分析 小波包分析的数学描述1 2 5 j 如下： 对于给定的正交尺度函数妒( f ) 及其对应的小波函数v ( t ) ，有双尺度 方程 f 妒( r ) = q r 2 _ h k ( a ( 2 t - k ) ) ：压篁聊( 2 f 叫 q 。7 其中，序列溉 和k 。) 为一组共轭滤波器系数，记风= 妒( f ) ，。= ( r ) ， 则由下面的递推关系可得。( f ) f ：。( f ) = 压以( 2 t 一七) 1 ，( f ) = 透刚胎叫 q 以 称函数族扛。( t ) l n z + 为相对于正交尺度妒( f ) 的正交小波包。 ( 圳 人 仰一1 , 1 ) 伽一2 , 2 )( n - 2 ，3 ) 门 ( n - 3 ，0 ) ( n - 3 ，1 ) 0 3 ，2 ) ( 1 - 3 ，3 ) ( r - 3 ，4 ) o 一3 ，5 ) ( n - 3 ，6 ) ( n - 3 ，7 ) 图2 - 5 小波包的二分树示意图 记u j = 虿历j i 歹i j 可i i 刁，其中，z ，拧z 。由式( 2 1 8 ) 知，对于任意的行z ，有= q 2 ”u ，2 n + l ，z 。这样，对于每个 j = l ，2 ，经过逐步分解后得到= 【，二o u 二一o o u j 2 - p ，相应于 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章基于配电自动化的单相接地故障区段定位 第3 章基于配电自动化的单相接地故障区段定位 3 1 基于f t u 的馈线自动化系统 馈线自动化系统1 2 6 】，简称f a 系统，是配网自动化系统的一个子系统。 尽管可以作为一个独立的系统存在，但它一般都是集成到s c a d a 系统 里，是运行在s c a d a 系统之上的一个高级应用软件。 馈线自动化的主要功能是在中压电网发生故障时，快速地进行故障 判断，自动隔离故障区段，恢复非故障线路的供电，减少停电范围。根 据是否具备通信条件，f a 系统的自动故障隔离及恢复供电方案可分为当 地控制式与远方遥控式两类。当地控制方式是基于重合器的一种控制方 式，配合线路开关的多次重合确定故障的区段，对配网冲击较大。对于 可靠性要求比较高的电网，宜采用远方遥控方式，利用配电自动化系统 的远程监控功能，实现馈线自动化。遥控方式下的馈线自动化系统由安 装在现场开关的监控终端( f t u ) 、通信网及控制主站三部分组成。故 障发生后，控制主站根据f t u 送上来的信息进行故障定位，自动或手动 隔离故障点，恢复非故障区段的供电。且随着电子技术的发展，电子、 通信设备的可靠性不断提高，计算机和通信设备的造价也会越来越低， 最终将取代当地控制的方式。基于f t u 的远方遥控方式较好的解决了当 地控制方式的缺陷，在很大程度上提高了网络运行的效率和可靠性，随 着各方面技术的不断发展，它最终将取代传统的当地控制方式。f 1 u 是 基于f t u 的远方遥控方式配电系统的核心设备，它所采集的对应的开关 运行情况的信息是本文所研究内容的重要依据。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章基于配电自动化的单相接地故障区段定位 ( 区域工作站 1 | ， ， 、：专、 、 图3 - 1 基于f t u 的馈线自动化系统 本文的故障定位系统是针对远方遥控方式配电网展开的。图3 - 1 为 典型的基于f 1 u 的馈线自动化系统。各f t u 分别采集相应柱上开关相 关信息，并将上述信息由通信网络发向远方的配电网自动化控制中心。 各f t u 还可以接受配电网自动化控制中心下达的命令进行相应的远方倒 闸操作。当发生故障时，各f t u 记录下故障前及故障时的重要信息，并 将上述信息传至控制中心，经分析后确定故障区间和最佳供电恢复方案， 最终以遥控的方式自动或手动的隔离故障区间并恢复健全区间的供电。 配电自动化系统馈线远方终端f t u ( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ) 是配电自 动化中的基本控制单元，它所具的数据采集的类型和可靠性都直接影响 着配电自动化系统多方面性能指标。f 1 u 能够实现的功能很多，就本章 研究的需要，简要介绍其遥信、遥测、遥控和远程通信四个方面的功能： ( 1 ) 遥信功能。应能对开关的当前位置、通信是否正常、储能完成情况等 重要状态量进行采集；( 2 ) 遥测功能。应能采集线路的电压、开关经历的 负荷电流和有功功率、无功功率等模拟量；发生故障时，应能检测电流 越限信号以及在多电源供电时电流的方向；( 3 ) 遥控功能。应能接受远方 命令，控制开关合闸和跳闸及启动储能过程等；( 4 ) 远程通讯功能。应能 将实时监控信息及故障时的事故报警信息按一定的规约上传到控制中心 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章基于配电自动化的单相接地故障区段定位 的数据采集和监控( s c a d a ) 系统，以供分析、调度之用。 3 2 配电网单相接地故障的判断与隔离 3 2 1 配电网单相接地故障的判断 根据配电自动化的需要，在1 0 k v 或3 5 k v 的馈线线路上分段安装测 控终端f t u 并进行实时通讯，可以通过检测的线路故障信息，来进行故 障的判定识别。 图3 - 2 安装刑的配电线路 如图3 - 2 所示的配电线路，各f t u 分别采集相应柱上开关的运行情 况，如负荷、电压、功率和开关当前状态等，并将上述信息由通信网络 发向远方的配电网自动化控制中心。各f t u 还可以接受配电网自动化控 制中心下达的命令进行相应的远方倒闸操作。在故障发生时，各f t u 记 录下故障前的负荷电流及故障后的零序电流等重要信息，并将上述信息 传至控制中心，经分析后确定故障区间和最佳供电恢复方案，并进行远 方倒闸操作。 对于大电流接地系统，其故障接地点的判断较为容易，可以把故障 电流作为检测接地的特征量。如图3 - 2 中的f t u l 、f t u 2 之间发生接地 故障，则f t u l 均可检测到较大的接地电流，而f t u 2 、f t u 3 未检测到 此电流。这些信息上送到子站后，可较为方便地判断出接地故障点在 f 1 u l 、f t u 2 之间，并能够指出某相发生接地故障。主子站下发命令， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章基于配电自动化的单相接地故障区段定位 使f t u l 、f t u 2 控制的开关跳闸，隔离故障区域，使接地故障不影响非 故障区域的供电。 对小电流接地系统，系统发生单相接地后，零序电压升高。从原理 上讲，在分段开关处安装了f t u 后，当发生了单相接地后是会有所反映 的，比如零序电流就会有所变化，但是如果仅通过零序电流超过某一数 值，来确定发生了单相接地的做法，往往是不可靠的。而本文的测距算 法是在区段定位的基础上进行的，要求故障区段的定位算法具有较高的 准确性，考虑到测控终端可以实时地提供线路各f 1 u 处的电气量信息， 并把不同条件下发生的接地故障看作故障的多种模式，则可以把区段定 位的问题转化为模式识别的问题，该部分内容将在下一小节中进行详细 讨论，下面重点分析如何在故障发生后及时启动f t u 和故障定位软件。 配电网发生单相接地故障后，线路各f 1 u 处流经的零序电流必定相 应的发生一些变化。如果能够通过录波装置将接地后的零序电流波形记 录下来，并进行有效分析，就可以对单相接地故障所在的区段进行准确 判别。这就要求f t u 必须始终记录一小段零序电流波形( 这里可以仅选 取1 个周波) ，当发生单相接地后冻结这小段记录，并将随后记录的一小 段波形( 选取2 个周波) 作为接地后波形，并将记录的故障信息回馈给 馈线自动化控制中心。 关键问题在于，如何在发生了单相接地故障之后，及时的启动兀u 冻结接地前零序电流波形，开始记录接地后零序电流波形，并将接地前 后的零序电流录波信息上报。 一个较好的办法是采用安装在主变母线上的开口t v 检测出的零序 电压作为启动参数2 9 1 ，为此馈线区域工作站宜安放在主变电所。当某条 馈线的某个区段发生单相接地时，安装于出线变电所相应的母线上的开 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章基于配电自动化的单相接地故障区段定位 口t v 的电压会有所反映，区域站检测到这个变化后，立即通过命令向 该母线上的所有馈线上的各台f t u 下达冻结零序电流录波命令，由于存 在延时，此时冻结的零序电流录波数据既包含接地前的信息，也含有接 地后的信息。随后通过小电流接地选线装置得出发生单相接地的馈线， 再由馈线自动化控制中心随后逐个召唤该条馈线上的f t u 的录波数据。 获得启动信号的另一种方法，是在分段开关处分别加装零序电压测 量元件( 如开口t v ) ，这样每个f t u 可以就地获得启动信号。在这种方 式下，可以及时地将故障录波信息打上时标后上报，从而便于故障信息 的对比分析。此外，这种方式能较好的避免接地后波形将接地前波形完 全挤出录波缓冲区的现象，录波缓冲区也可以适当的小一些。 考虑到系统的实时性，并为了获得精确的定位信息，本文采用后一 种方式，在分段开关处分别加装零序电压测量元件，就地获取f t u 的启 动信号。如图3 - 3 是接地故障检测的流程，作为故障测距的前置环节。 数据采集 0 7l 故障检测 e 参 y 转入故障定位程序 图3 - 3 接地故障检测的流程 3 2 2 配电网单相接地故障的隔离 s c a d a 系统由主站、通信网络和各种现场监控终端组成。主站是一 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章基于配电自动化的单相接地故障区段定位 个安装在配电网调度中心内的计算机局域网络，它收集并保存现场自动 装置的实时数据，录入并保存反映配电网和设备状态、接线关系等离线 数据，提供g u i 供调度值班人员对配电网进行实时监控、管理，并由系 统前置机通过通信网络访问各种现场终端，采集配电网的运行数据。现 场终端采集并向主站传送断路器、负荷开关、变压器等配电设备的运行 数据，接受主站控制命令，完成开关操作。 图3 - 4 发生单相接地故障的馈线线路 本文的故障区段定位算法是在数据监控与采集( s