（通信与信息系统专业论文）配电网单相接地故障判别的多重算法研究与dsp实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 中性点非有效接地系统单相接地故障选线问题一直以来是电力系统继电保护工作 的重要课题。但现场运行的结果表明，装雹的选线效果不是十分理想，这说明中性点非 有效接地故障选线问题并没有得到完全解决。以往选线装置采用的是单一故障选线方 法，只针对部分故障信息进行处理，选线的可靠性不高。本论文研究应用信息融合、模 糊理论解决中性点非有效接地故障选线有效性问题，构造多重判据选线，进行智能融合。 并把整个融合算法经m a t l a b 仿真后，利用高级语言c 语言及d s p 的开发环境c c s 在d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 上实现。经m a t l a b 仿真及动模实验室仿真表明该算法准 确有效。 关键词：配电网，故障选线，模糊理论，隶属函数，d s p a b s t r a c t f a u l td e t e c t i o nf o rt h en o n e f f e c t i v es i n g l e - p h a s ee a r t hs y s t e mi sa ni m p o r t a n tt a s k f o re n s u r i n gt h ec o n t i n u i t yo fp o w e r s u p p l y 。b u tt h es p o tr e c o r d ss h o w t h a tt h ee f f e c ti s d i s a p p o i n t i n g t h ep r o b l e mi s n ts o l v e dc o m p l e t e l y t r a d i t i o n a ls i n g l ef a u l t d e t e c t i o n m e t h o du s i n go n l ys o m ep a r t so ff a u l ti n f o r m a t i o nh a sp o o rr e l i a b i l i t y t h ep a p e ri s b a s e do nu s i n gi n f o r m a t i o nf u s i o n ，f u z z ys e tt h e o r yt o i n t e g r a t ea l lf a u l td e t e c t i o n m e t h o d e n t i r ef u s i o na l g o r i t h mi sr e a l i z e da tt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7u t i l i z i n gh i g h l e v e l l a n g u a g ecl a n g u a g ea n dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tc c so fd s pa f t e re m u l a t i n ge n t i r e f u s i o na l g o r i t h mb ym a t l a b i tw a si n d i c a t e dt h a t t h i sa l g o r i t h mi sa c c u r a t ea n d e f f e c t i v eb ym a t l a be m u l a t i o na n dd y n a m i cm o u l d1 a b o r a t o r ye m u l a t i o n w a n gj u n f e n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f k a n gy i k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d e t e c t i o ne a r t h f a u l t , f u z z ys e tt h e o r y ，m e m b e r s h i p f u n c t i o n ，d s p 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网单相接地故障判别的多重算法 研究与d s p 实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：立垦整日期： 砌正、3 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被套阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：玉兰蕴 e t期：血a ：! ! i 导师签名：挫 日期：丝2 亟：! ：g - 垄i e 电左厶堂硒堂焦j 金塞 第一章绪论 1 1 问题的提出 电力系统中性点接地方式可划分为两大类：中性点有效接地系统和中性点非有 效接地系统( n u g s ) 。在中性点有效接地系统中，主要有：中性点宜接接地方式、中 性点经低电阻、低电抗或中电阻接地方式；在n u g s 中，主要有：中性点经消弧线 圈接地方式( n e s ) 、中性点不接地方式( n u s ) 和中性点经高电阻接地方式等。电力系 统中性点接地方式是一个系统工程问题，选择哪一种接地方式，必须充分考虑地区 特点、电网结构、供电可靠性、继电保护技术要求、电气设备的绝缘水平、过电压 水平、人身安全、对通讯的影响以及运行经验、历史因素等，通过技术经济比较， 加以确定“1 。 目前，我国6 - 3 s k y 中低压电网普遍采用中性点非有效接地方式。n u g s 的主要 优点在于：发生单相接地故障时不形成短路回路，只在系统中产生很小的零序电流， 三相线间电压依然对称，不影响系统正常工作。我国电力规程规定，n u g s 可带单相 接地故障继续运行卜2 小时。这样能够提高供电的持续性和可靠性，因此得到了广 泛应用。但是，系统带单相接地故障运行时，接地相对地电压降为零( 会属性接地 短路) ，非接地相对地电压升高为线电压，若长期运行，将使非接地相绝缘薄弱处 发生对地击穿，造成两相接地短路事故。弧光接地还会引起全系统过电压，进而损 坏设备，破坏系统安全运行，因此必须及时找出故障线路，尽快排除故障。 长期以来，人们针对这个问题做了大量的研究，基于不同的原理，提出了许多 解决方案，有的已经开发出选线装置并在实际工作中取得了一定的应用。但是从现 场使用情况来看，这些方法的选线效果并不十分理想，普遍存在着误选、漏选的情 况。其主要原因在于：( 1 ) n u g s 零序阻抗大，并受故障接地过渡阻抗的影响，故障电流 小，故障线路与非故障线路的区别不明显：( 2 ) 受各种干扰因素的影响，故障选线装 置测量到的故障特征量( 如零序电流、零序功率方向等) 具有很大的模糊性和不确定 性。通常这些干扰的影响程度与故障梭测的手段有关，同一干扰信号对不同的故障 检测手段的影响相差较大，所以没有哪种单一选线方法能够保证对所有故障类型都 有效。 因此，n u g s 单相接地保护看似简单易行，但实践证明是十分复杂的，这也是一 些国家不采用中性点非有效接地方式的主要原因之一。但毕竟n u g s 有着得天独厚的 优越性，并在我国及其他国家被广泛采用，探索种故障判别准确率高的计算方法 并在保护装置上实现，仍具有相当重要的理论和实用价值。 垡l e 电力太堂瑟堂垃论塞 1 2 问题的解决 在我国，6 - 3 5 k v 供电系统常采用n u g s ，其中大多数是n u s 或n e s 。因此，我国十 分重视n u g s 的单相接地保护原理和装置的研究工作。保护方案也从零序电流保护发 展到零序无功方向保护，从基波方案发展到五次谐波方案，以及利用首半波极性方 案，并先后推出几代产品。九十年代至今，又先后推出了基于“有功功率法”，”s 注入法”，“注入变频信号法”，“接地残留增量法”等原理的新型选线装置，并 且分析故障暂态特征，应用d s p 技术的基于小波理论的选线装置也己问世。1 。在国外， 随着法国，波兰等欧洲国家逐渐将中压电网由中性点经低阻接地方式改为谐振接地 方式，对中性点非有效接地保护装置进行了许多的研究和现场实验，丌发了零序导 纳法接地保护，以及d e s i r ( d e t e c t i o ns e l e c t i v ep a r l e si n t e n s i t e sr e s i d u e l l s ) 接地保护 装置，成功的解决了接地故障的选择性，特别是高阻故障辨识的难题。 综上所述，目前的选线理论主要包括基于暂态分量特征选线法，基于基波电流 电压群体比幅法，基于谐波电流法，基于零序有功及无功功率分量法，能量法，s 注入法，负序分量特征法，及利用小波分析，模糊神经元网络理论进行选线等，以 上各个方案均具有一定的可行性，但是它们都存在着各自的使用局限性和动作死 区。暂态分量法对采样频率要求很高，并且当故障发生在相电压过零瞬间失效：稳 态分量法无法检测瞬时性接地故障，其中的基波电流电压比幅比相法受出线长短及 接地位置变化影响较大，可能出现“时针效应”而误判，并且对n e s 失效：谐波分量 及负序分量法由于信号微弱及易受负荷分量干扰而造成误判：功率法及能量法亦受 到系统运行方式和零序电流电压幅值的影响：丽“s ”注入法也曾因信号受干扰出现 误判。所以，仅靠一种判据进行选线是不充分的。迄今为止还不存在万能型、无条 件选线判据，因为如果存在，选线问题就已经解决了。 在这种现实状况下，一种可行的办法是使用多重选线判据来构成综合判据，利 用各种判据选线性能上的互补性扩大正确选线的故障范围，提高选线结果的可靠 性。因为每一种选线判据的适用条件是不同的，针对某个故障样本，一种判据的适 用条件可能不满足，但另一种判据的适用条件可能能够满足，几种判据覆盖的总的 有效故障区域必然大于单个判据的有效故障区域。 信息融合作为一门研究信息综合分析处理技术的新兴边缘学科，强调在自动控 制领域中利用多源信息进行综合分析推理以提离控制的精度和鲁棒性。近年来，用 于信息融合的计算智能方法主要包括：模糊理论、神经网络、粗糙集理论等“。其 中模糊理论已在实践中证明是现代智能技术中最重要的技术之一，是处理复杂不确 定问题的方法。模糊理论是用数学方法研究和处理具有“模糊”现象的一门科学。 这里所谓的模糊性主要是指有关事物差异的中间过度的不分明性”1 ，这种属性也反 堡e 垒力太堂亟堂缱论塞 映在中性点非有效故障选线中。例如“某一故障特征的明显程度”、“某一方法的有 效性”等等均没有精确的度量，存在一定的模糊性。模糊理论能通过建立相应的隶 属函数有效地处理这种模糊性，将不分明性转换为确切的数值描述“1 。 本论文考虑利用模糊理论解决算法有效域以及多判据融合问题，并且最终能够 在装置中得以实现。 1 3 论文工作的主要内容 第一部分：本文在论述电力系统接地方式选择的基础上，深入分析了中性点非 有效接地系统发生单相接地故障时的暂态和稳态过程电气量特征：详细分类讨论了 目前现有的各种选线方法的理论依据和特点及其适用范围。 第二部分：主要讨论信息融合技术以及模糊理论的特点及其为什么适用于我们 所要解决的问题。并在此基础上运用模糊理论，建立所用算法的隶属函数，实现多 判据选线信息的融合。 第三部分：在高速d s p 数据采集装置上( 本文采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) ，在t i 的 c c s 开发环境下利用高级语言c 编写相应的应用软件，并在此装置上实现此融合算 法。运用m a t l a b 仿真工具和动模实验室进行仿真实验，验证了此融合算法的有效 性和必要性! 垡j 匕岜左点堂亟堂位逾塞 第二章中性点非有效接地系统及其故障选线算法 为了对n u g s 的特点以及发生单相接地故障后的情况有个清楚的概念，本章详细 分析了单相接地故障后的稳态和暂态运行情况，指出了影响算法的一些因素，并对 主要算法的优缺点进行分析。 2 1 中性点不接地电网单相接地故障分析 2 1 1 故障后稳态过程分析 在n u g s 中，由于变压器中性点与大地没寄连接或者串联了补偿用的消弧线圈， 单相短路按地故障将不会形成大电流的回路，故障电流主要由线路对地电容提供。 这个电流在数值上是很小的，对于1 0 k v 架空线路来说，每3 0 公里线路产生大约l 安培的零序电流。电缆线路产生的零序电流稍大一些。这样微弱的故障信号混杂在 上百安培的负荷电流中，使得传统的基于过流、方向、距离等原理的继电保护装置 根本不可能正确反应故障情况。 下面，我们将仔细分析一下在n u g s 中发生单相接地故障之后的情形，为了方便 论述，先从直观的电容电流的分布考虑，继而描述零序网络电流的流动，最后给出 严格的理论分析。由于分析的目的在于为这个问题给出一个清晰的说明，所用的模 型将做一定的简化。 图2 l 线路导线与大地的分布电容 不论是架空线路还是地下电缆，各相导线之间以及每相导线与大地之间都存在 着分布电容，如图2 一l 。一般来说，线路零序电容的大小与线路的长度、导线的 半径、几何均距以及线路与地面的距离等因素有关。在考虑线路充分换位的情况下， 相间电容是相等的，即c a b = c b c = c a c ，并且，三相的对地电容也是对称的，即 c a = c b = c c 。因为系统的中性点对地阻抗很大，因此系统中任一点的零序阻抗都很 大。对零序电流而言，线路或者其他元件的串联阻抗，比以线路对地导纳表示的并 联阻抗小得多。因此在中性点非有效接地选线问题的研究中，忽略这些串联阻抗， 主要分析各相对地的电容组成的回路。对于系统中一相( 设为a 相) 发生接地故障 4 一 些她电盘太生殖土堂擅盈童 第二章中性点非有效接地系统及其故障选线算法 为了对n u g s 的特点以及发生单相接地故障后的情况有个清楚的概念，本章详细 分析了单相接地故障后的稳态和暂态运行情况，指出了影响算法的一些因素，井对 主要算法的优缺点进行分析。 2 1 中性点不接地电网单相接地故障分析 2 1 1 故障后稳态过程分析 在n u g s 中，由于变压器中性点与大地没有连接或者串联了补偿用的消弧线圈， 单相短路接地故障将不会形成大电流的回路，故障电流主要由线路对地电容提供。 这个电流在数值上是很小的，对于1 0 k v 架空线路来说，每3 0 公里线路j “生大约l 安培的零序电流。电缆线路产生的零序电漉稍大一些。这样微弱的故障信号混杂在 上百安培的负荷电流中，使得传统的基于过流、方向、距离等原理的继电保护装置 根本不可能正确反应故障情况。 下面，我们将仔细分析一下在n u g s 中发生单相接地故障之后的情形，为了方便 论述，先从直观的电容电流的分布考虑，继而描述零序网络电流的流动，最后给出 严格的理论分析。由于分析的目的在于为这个闯题给出一个清晰的说明，所用的模 型将做一定的简化。 ： 图2 一】线路导线与大地的分布电容 不论是架空线路还是地下电缆，各相导线之间以及每相导线与大地之闻都存在 着分布电容，如图2 1 。一般来说，线路霉j 芋电容的大小与线路的长度、导线的 半径、几何均距以及线路与地面的距离等因素有关。在考虑线路充分换位的情况下， 相问电容是相等的，即c a b = c b e - c a c ，并且，三相的对地电容也是对称的，即 c a - o hc c 。因为系统的中性点对地阻抗很大困此系统中任一点的零序阻抗都很 大。对零序电流而言，线路或者其他元件的串联阻抗，比以线路对地导纳表示的并 联阻抗小得多。因此在中性点非有效接地选线闯题豹研究中，忽略这些串联阻抗， 主要分析各相对地的电容组成的回路。对于系统中一相( 设为a 相) 发生接地故障 主要分析各相对地的电容组成的回路。对于系统中一相( 设为a 相) 发生接地故障 4 坐曼虫左太堂亟堂僮论室 的情况如图2 2 ( n u s ) 所示。 n1 1 敞衅? e 糌 r 敲障拽蹄 图2 2n u s 的单楣接地故障 在故障前，系统正常运行，三相对地有相同的电容，变压器中性点电压可以 认为等于0 。此时各相线路对地电压为相电压，并产生超前于相电压9 0 。的三相 对称的电容电流，其和为零。故障后a 相电位将与大地相位相同，健全相电压则升 高到线电压，变压器中性点电压u n 升高到相电压。此时a 相线路对地电容电流将 消失，而b 、c 两相线路对地电容电流将有所增加。三相电容电流的和就不再等于 0 ，每条线路上都出现了零序电流。其中，故障线路零序容性电流由线路流向母线， 非故障线路则由母线流向线路。当a 相经过阻抗接她时，变压器中性点电压u n 升 高，但是不能达到相电压；健全相电压升高，但也不能达到线电压。电容电流的分 布与不经电阻接地时是一样的，只是幅值随着接地电阻的增加而减小“1 。 用对称分量法分析n u g s 的单相接地故障。由网络分析的原理，在单相接地情 况下，系统的正序、负序和零序电流分量相等。由于电网中许多因素都可能产生较 大的负序电流、正序电流，因此现在中性点非有效选线普遍采用零序分量。现从零 序网络出发，分析中性点非有效接地故障。中性点不接地的情况，此时的零序网， 如图2 3 。 蛾精l 撞精2 图2 3n u s 单相接地序网络 容易看出，故障线路与其它健全线路的零序电流存在如下关系 堡j e 电左太堂殛堂撞论塞 公式( 2 1 ) 其中k 是故障线路出口零序电流，0 ，是从母线流入变压器侧的零序电流，厶i 代 表各条非故障线路出口零序电流之和。也就是说，从大小来看，故障线路的零序电 流最大，是其它各线路电流( 包括变压器侧) 之和；从方向来看，故障线路与非故 障线路电流流向相反( 在图2 - 3 中箭头指向不同) 。显然，这两个区别可以作为选 线依据。注意图中的电流方向为某时刻瞬时实际方向。 经过消弧线圈接地系统单相接地故障如图2 4 所示。其中与n u s 不同之处是 当中性点经过消弧线圈接地时，单相接地时的电流分布并不会有很大变化，在接地 点又增加了一个电感分量的电流i 。，从故障点经赦障线路流向消弧线圈。由于这 个电流的补偿作用，接地点的故障电流小得多了。 bn 救辩垃糌 a b 救潞线略 图2 4n e s 的单相接地故障 用以上方法分析中性点经过消弧线圈接地系统单相接地故障，零序网络如图 2 - 5 所示。 k 图2 5n e s 单相接地故障序网络 同n u s 相比，非故障线路的零序电流并没有什么变化， 要包含因消弧线圈产生的电流，即 1 0 2 = 一( i o ，+ 1 0 1 ) 式中，表示消弧线圈的补偿电流。 6 域旃l 控踌2 而故障线路的零序电流 何尹； 圩“ 一|rr删t， 一 垡a e 虫左太堂题堂位论塞 故障线路零序电流的大小要发生变化，方向也可能发生变化，变化的程度取决 于消弧线圈的补偿度。当为完全补偿时，1 0 22 。o f 十。m ，流经故障线路和非故障线路 的零序电流都是本身的电容电流，电容性无功功率的实际方向都是由母线流向线 路，因此在这种情况下，利用稳态电流的大小和方向都无法判断出哪一条线路上发 生了故障。 一般消弧线圈的补偿方式为过补偿，。 i o ，+ 。在这种情况下， 故障线路零 序电流不再等于其它线路电流之和，故障线路零序电流的方向可能与其它线路相 同。过补偿度一般不大，故障线路零序电流完全可能比其它线路电流小。所以对于 中性点经消弧线圈接地的系统，把就不能用零序电流大小和方向作为选线的依据。 蓿考虑接地电阻的影响。此时零序网络电流的分布并没有变换，只是电流的值随着 接地电阻的增大而迅速减小。 2 1 2 故障后暂态过程分析 中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，存在一个明显的暂念过程。电气 量中含有大量丰富的高频分量。其中电流量通常较大，尤其是接地电容电流的暂态 分量往往比其稳态值大几倍到几十倍。而消弧线圈对于暂态量中丰富的高频信号相 当于开路，所以n u s 和n e s 的暂态过程是基本相同的“”。因此，利用故障信号暂态分 量来进行故障选线具有特殊的优势。 如图2 - 6 中的等值回路适用于分析谐振接地系统中，各种单相接地故障的暂态 过程。暂时不考虑故障点的接地电阻，发生金属性单相接地故障时，暂态接地电流 最大，零序回路的参数较为容易确定。以下主要分析故障发生瞬间的暂态电容电流、 暂态电感电流和暂态接地电流。 p ) c 图2 6n e s 单相接地暂态等值回路 图中c 表示电网三相对地电容：l o 表示三相线路和电源变压器等在零序回路中的 等值电感：r o 表示零序回路中的等值电阻( 其中包括故障点的接地电阻和弧光电 阻) ：r ；和l 分别为消弧线圈的有功损耗电阻和集中电感。由等值回路可知，流过故障 点的暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流两部分组成。 堡韭曳左盔堂殛望位i 金童 在分析电容电流的暂态特性时，因其自由振荡频率一般较高，而消弧线圈的集 中电感l l o ，对于暂态高频电流而言其电抗非常大，可以近似认为丌路，故图2 7 中的r l 和l 可以不考虑。1 ；另外，单相接地故障往往发生在相电压接近最大值的瞬 划，此时消弧线圈中的电流i l = o ，暂惫电容电流要比暂态电感电流大很多1 。所 以，在同一电网中，不论中性点不接地或经消弧线圈接地，在估算暂态电容电流时， 可以将消弧线圈忽略不计而认为近似相同。对于中性点不接地电网，由于不存在消 弧线圈的暂态电感电流，因此，流过故障点的接地电流仅由暂态电容电流构成。 暂态电容电流是由暂态自由振荡分量。和稳态工频分量。两部分组成： i c = 。+ i c = 陋叫抽娜叫) e 州酬 馘心_ ” 式中：q 。为相电压的幅值；为电容电流的幅值；吩为暂态自由振荡分量的角频 率；j ：土：粤，为自由振荡分量的衰减系数，其中t 为回路的时间常数。 z c 实际结果表明，电网的结构、大小和运行方式不同时，会引起暂念过程的改变。 线路越长时，自振频率越低，暂态电流的自由振荡分量的幅值也会降低，同时，自 由振荡的持续时间一般也会减少至半个工频周期左右。 而暂态电感电流l 的表达式为： = ，。 c o s 卵专一c o 耐+ 公式c 2 一t ， 理论分析和实践结果都可以表明：电感电流暂态过程的长短与接地瞬间的电压 相角、铁心的饱和程度有关。暂态电感电流豹频率与工频相等、持续时间一般可达 2 3 个工频周波。 由于暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流叠加而成，其特性随两者的 具体情况而定。因两者的频率差别悬殊，两者不可能互相补偿。暂态接地电流的 数学表达式为， i d = c + i i 。 地一l ) c o s ( ( o t + t o ) + k 悟s i n 州n 卅c o s 删吖f + l m c o s 痧毒 i 国。 公式( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中的第一项为接地电流的稳态分量，等于稳惫电容电流和稳态电感电流的 生i 电由走堂亟堂焦诠毫 幅值之差：其余为接地电流的暂态分量，其值等于电容电流的暂态自由振荡分量与 电感电流的暂态童流分量之和。后者即： “m = l 詈s i n ( 咐妒吨c o s 痧i 公式( n 卅) 、，f 由式( 2 6 ) 可以明显得出，在发生接地故障瞬间，在故障点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。不论是中性点不接地还是经消弧线圈接地， 接地暂态电流的幅值和频率均主要由暂态电容电流所决定，其幅值与接地瞬f n j 电源 电压的相角妒关系最大，当c , a = 9 0 0 时，接地电容电流值将达到最大。暂态接地电流 的幅值虽然很大，可是持续时间很短，约为0 5 一1 个工频周波。用暂态电压和暂态 电流的幅值及极性之间的关系，可以选出故障线路，暂态电流按地保护正是基于这 一原理构成的。 2 2 影晌中- 陛点非有效接地系统选线的因素分析 n u g s 的接地故障零序电流小，微弱的零序电流往往又混杂在各式各样的干扰中 问，使得选线问题变得很复杂，必须综合考虑各种因素的影响。 ( 1 ) 跟中性点的接地方式有关。由前面的分析可以看到，中性点不接地、经过 消弧线圈接地或者高阻接地，系统中单相接地故障的特征是不同的，因此选线问题 有显著的不同。 ( 2 ) 跟线路的长短与结构有关。n u g s 单相接地故障电流是由线路的对地电容产 牛的，线路的对地电容与线路的长短和结构关系密切。一般来说，电缆线路的对地 电容比架空线路的零序电流大。线路的对地电容与线路的长度成正比。 ( 3 ) 跟系统的故障方式有关。由等值电路可以看到，n u g s 单相接地故障后的电 流与等效接地阻抗有关，系统中的故障方式很多，包括直接接地，电阻接地，电弧 接地，瞬间接地，间歇性接地，电阻电弧接地等，这些接地情况的等效接地电阻是 不同的，要保证解决中性点非有效接地选线问题，必须保证对各种故障情况都能选 线准确。 ( 4 ) 跟电流互感器有关。在中性点非有效接地选线中，一般采用零序电流互感 器获得零序电流或者负序电流进行选线。因为零序电流通过三个单相电流互感器组 成的相序滤过器获得，每一相互感器的铁芯不可能完全相同，因此有一个零序电流 误差。另外，电流互感器的变比比较大，铁芯具有非线性，这些都对选线有影响。 ( 5 ) 跟电压互感器有关。中性点非有效接地选线往往采用零序电压作为启动条 件，选线过程中也要用到电压量。这些都通过并联在母线上的电压互感器得到。电 压互感器的电气特性跟选线关系密切，如电压互感器的铁磁谐振现象，会对选线造 成大干扰。 9 垡d 电左盍堂亟堂僮i 金塞 ( 6 ) 跟二次回路有关。中性点非有效接地选线采用电压互感器和电流互感器二 次信号进行选线，经过实验发现，这两种互感器二次回路的阻抗，对选线也有影响。 ( 7 ) 跟弧光过电压或者操作过电压有关。 ( 8 ) 跟系统中的波形畸变等干扰有关“。 2 3 国内外现有主要选线方法及评价 目前可以采集利用的电气量有：零序稳态基波分量、零序稳念谐波分量、零序 暂态分量、负序分量和注入信号。根据采集的电气量的不同，可以采用不同的方法， 丽根据电气量的不同特性，也可以看出各种方法在不同故障条件下的优劣。目前可 以采用的方法有：比幅比相方法、无功功率方法，有功分量法、突变量法、小波方 法、能量方法，注入方法。 ( 1 ) 零序电流比幅法 这种方法基于早期的继电保护原理，适用于n u s 。当n u s 发生单相接地故障时， 流过故障元件的零序电流在数值上等于所有非故障元件对地电容电流之和，即故障 线路上的零序电流最大，所以只要通过零序电流幅值大小比较就可以找出故障线 路。在具体实现上，通常采用“绝对整定值”原理。即利用零序电流i 。与整定值 iz 做比较，整定值i z 一般大于系统内任何一条出线的电容电流值，如果i 。小于整 定值1z ，极化继电器不动作；如果i 。大于燕定值i ：则极化继电器动作，显示器显 示该回路的编号，选线完成。 但这种绝对值比较的方法受线路长短、系统运行方式变化、过渡电阻大小及 c t ( 电流互感器) 不平衡电流的影响，可见在理论上就是不完备的，因为系统中可能 存在某条线路的电容电流大于其它线路电容电流之和的情况。从而导致误选、多选、 漏选。从整定方式上看，这种整定方式可能导致死区，不能满足系统运行多变的情 况。 ( 2 ) 零序电流群体比幅比相法 这种方法突破了原有的传统的保护原理，充分利用了故障信息之间的联系，将 孤立的故障信息融合比较，大大提高了选线正确性。群体比幅比相算法适用于n u s 这中方法的基本原理是把接于同一电压母线的所有线路视为一个群体，故障发生 时，该群体中所有线路同时参与零序电流幅值相对比较，选出几个幅值较大的作为 候选，然后在此基础上进行相位比较，选出方向与其它不同的，即为故障线路。 该方法利用故障信息之间的相对关系，克服了采用“绝对整定值”时原理上的 缺陷，并且通过选取幅值较大的线路作为候选线路的方法，在一定程度上克服了c t 等不平衡带来的影响。引入零序电压作为参考正方向，保证了参考正方向的稳定性。 1 0 些j g 电左叁堂亟堂位逾塞 但是当系统的中性点经消弧线圈接地时，由于消弧线圈对故障线路电流的补偿 作用，此时群体比幅比相算法就不适用了，这使群体比幅比相算法的使用受到限制。 ( 3 ) 无功功率方法 这也是比较传统的方法，在欧洲应用的较为广泛。这种方法是通过计算各条线 路的容性无功功率来判断是哪条线路发生了故障。这种方法也是利用了容性电流的 幅值与方向，所以从本质上讲，无功功率法和比幅比相方法同出一辙，两者的优缺 点是一致的。 ( 4 ) 有功分量法 目前，n e s 多加装限压电阻r ，当发生接地故障后，限压电阻被短接之前，非 故障线路不与消弧线圈构成低阻抗回路，故其零序电流为本身接地电容电流，而故 障线路经接地点与消弧线圈构成回路，其零序电流为所有非故障线路电容电流与l r 支路电流之向量和，即包含有流过r 的有功电流。所以非故障线路的零序有功分量 方向由母线流向线路，大小等于线路本身的有功损耗电流值；故障线路的零序有功 分量方向由线路流向母线，大小等于非故障线路的零序有功分量和消弧线圈的零序 有功分量之和。当母线故障时，所有线路的零序有功分量都等于线路本身的有功损 耗电流值，方向由母线流向线路。利用各线路零序有功分爨的相对大小和相位关系 就可以确定故障线路或者母线故障。 但是，由于线路的有功损耗相对较小，因此有功分量算法的故障信息同样是 不够突出。受c t 不平衡、线路长短、过渡电阻大小的影响也较大。并且，由于三 相电容不平衡引起的“虚假有功电流分量”对有功分量算法的影响也较大。 ( 5 ) 五次谐波分量算法 此算法的提出在一定程度上解决了n e s 单相接地故障的选线问题。这种方法的 摹本原理为：n e s 中的消弧线圈参数是按照基波整定的，即有c o l z l c o c 和 5 c o l 1 5 c o c ，可忽略消弧线圈对五次谐波产生的补偿效果，因此零序电流五次谐 波分量在n e s 中有着与n u s 中零序电流基波无功分量相同的特点，因此群体比幅比 相算法对零序五次谐波电流依然有效。但五次谐波含量较小，且负荷中的五次谐波 源、c t 不平衡电流和过渡电阻大小，均会影响选线精度。特别是故障点经大电阻接 地时，此时五次谐波电流急剧减小，造成选线精度无法保证。 ( 6 ) 突变量法 电流突变量算法适用于n e s ，与随调式的自动调节消弧线圈结合，在电网发生 单相永久接地故障的情况下，改变消弧线圈的电抗值。考虑电压折算后，消弧线圈 参数改变只会导致故障线路中的零序电流( 即故障点的残余电流) 发生变化。以此 为依据，构造以下判据： 垡j b 出左盔堂硒堂僮论塞 t f = h 一，。口，。d 。：f ，i = 1 n ，n 为线路数。使f o j 0 的那条线路为故障线 路；如果各条线路的i “。i 都等于0 ，那么则是母线故障。 i 。u ，为消弧线圈改变前 第i 条线路的零序电流和零序电压。i 。、u i 。为消弧线圈改变后第i 条线路的零序 电流和零序电压。 该算法将两次的零序电流折算到同一个电压下，就可以去除零序电压变化带来 的影响。并以零序基波无功电流作为判断信息，信号稳定，并且通过消弧线圈改变 参数前后两次零序电流的差值作为判断标准，有效的克服了电流互感器等测量误差 带来的影响。但是此算法应用的前提是要装设由判别装置控制的随调式的自动调节 消弧线圈，这在一定的地区受到了限制。 ( 7 ) 小波方法 针对稳态时故障信息比较微弱的问题，人们提出了利用有较大突变的暂态信息 作为故障信号的算法。这其中主要采用的是小波分析，故称为小波算法。小波分析 是一门现代信号处理理论与方法，可对信号进行精确分析，特别是对暂态突变信号 和微弱信号的变化较敏感，能够从信号中提取到局部化的有用成分。 当系统发生单相接地时，故障电压和电流韵暂态过程持续时间短并含有丰富的 特征量。把一个信号分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基 对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂念零序电流特征 分量的幅值包络线高于非故障线路的，且其特征分量的相位也与非故障线路相反， 这样就能构造出利用暂态信号的选线判据。 该方法对中性点不接地和中性点经消弧线圈地的电网都适用；特别适应于故障 状况复杂、故障波形杂乱的情况这与稳态最选线方法形成优势互补。但是小波算法 采用的暂态信号受过渡电阻，故障时刻等多种因素的影晌，暂态信号呈随机性、局 部性和非平稳性特点，当出现暂态过程不明显的情况时，小波算法将失效。 ( 8 ) 能量方法 对于n u g s ，根据叠加原理，系统发生单相按地故障后可分解为正常运行系统和 故障分量系统。正常运行系统无零序电压和零序电流，因此系统故障后的零序电压、 电流都由其故障分量决定。 图2 7 所示为n e s 的零序故障分量网，故障发生在线路1 ，由于故障分量系统是 一单激励网络，故障前系统中各元件的电压和电流初始值都为零，并为无源网络放 障即等效于在t = o 时刻在其零序网络突然加上一个假想电源一u f ，此时故障分黉系 统中各元件上所消耗和吸收的能量都由此假想电源提供。定义线路的零序电压与零 序电流乘积的积分为零序能量函数： 1 2 一 垡i e 电力盘堂亟堂焦诠塞 图2 7n e s 零序故障分量等效系统 对于消弧线圈，有s o 。( ，) = ( z g o o ( f ) 卉，显然氏，是故障后第j 条线路上传输 的能量。由于故障分量网络是无源网络，所以只能从等效电源吸收能量，考虑到电 流的参考方向，非故障线路的能量函数总是大于零，消弧线圈的能量函数与菲故障 线路极性相同；网络上的能量都是通过故障线路传送给非故障线路的，因此故障线 路的能量函数总是小于零，并且其绝对值等于其它线路( 包括消弧线圈) 能量函数的 总和。根据能量函数的大小和方向可判断故障线路“。 此法不受负荷谐波源和暂态过程的影响，对n e s 其灵敏度更高，在低采样率时 s o ，( f ) 仍具有明确的方向性，易于实现。但此法分析的依据是线性系统中的叠加定理， 而电力系统往往是非线性系统，所以此法还有待进一步完善“。 ( 9 ) 注入方法。 注入方法是通过向系统注入某种信号，根据注入信号仅在接地线路中流通，非 接地线路中没有信号，来检测信号，有注入信号的线路为故障线路。信号注入法不 利用故障自身提供的故障信息进行被动式选线，而是主动地注入个选线信号，思 路上是先进的。但是注入信号的功率不够大，变换到高压侧的注入信号非常微弱， 很难准确测量；而且非故障线路中也会有注入频率的对地充电电流，在故障电阻较 大情况下，故障线路与非故障线路上的信号差异不明显：另外需要附加信号装置， 实现困难，可靠性差。 2 4 本文提出的一种新方法 虽然小波分析可以对信号进行有效的时频分解，但在高频段其频率分辨率较 差，而在低频段其时间分辨率较差。小波包分析能够为信号提供种更加精细的分 析方法，将频带进行多层次划分，因此能对多分辨分析没有细分的高频部分作进一 步分解。并能够根据被分析信号的特征，自适应地选择相应频带，使之与信号频谱 相匹配，从而提高了时频分辨率，具有更广泛的应用价值。本文应用小波包良好的 消弧战圈 一 堡生左盍堂亟鲎位论塞 频域分频特性，以适当频率带宽对配电网发生单相接地故障后暂态电气量进行分 解，得到其在不同频段下的输出。对于中性点接地方式不同的配电网，按照能量的观 点，选择不同的频带利用波形识别技术来实现故障选线。 本方法将在第三章中详细介绍。 2 5 小结 本章详细分析了单相接地故障后的稳态和暂态的运行情况，并指出影响中性 点非有效故障选线的一些因素。此基础上，逐一探讨了当前n u g s 单相接地故障选 线的一些方法，简单评价了其优劣性。并简要介绍了本文提出的一种新方法。 1 4 一 垡j e 虫左杰坐趣堂缱论襄 第三章基于模糊理论的多重判据的选线方法 31 信息融合技术及模糊理论 信息融合( i n f o r m a t i o nf u s i o n ) 也称多传感器信息融合，这一概念是在二十世纪七 十年代出于军事应用而提出来的，最初主要应用于军事领域。所谓信息融合就是将 来自多个传感器或多源的信息进行综合处理，从而得出更为准确、可靠的结论。信 息融合的另一种普遍说法是数据融合，但就信息和数据的内涵而论，用信息融合 词更广泛、更确切、更合理、更具有概括性，一般人们认为，信息不仅包括了数据， 而且也包括了信号和知识。随着工业系统的复杂化，人们越来越认识到数信息融合 的重要性，使信息融合技术的研究与应用成为多源信息处理的非常活跃和广泛应用 的方向。应用范围也不再局限于军事领域，在工农业诸领域如模式识别、图象处理、 医疗诊断、遥感、工业过程控制、城市规划、气象等许多方面都得到了不同程度的 应用，应用潜力非常巨大。信息融合技术按融合信息的层次结构可以有三种基本融 合类型，即数据层融合、特征层融合和决策层融合“”“。如图3 一l 所示。 采样信号1p - 数 特_ - 判 据特征判断 层 征 层层结 信提 信信- - - i t , 息 取息息论 l 采样信号nl +融 融断融 a _ a 斗 口口口 图3 1 信息融台方式 信息融合技术是一门开放的综合性技术学科，涉及到智能科学、计算机科学和 信息科学等多个学科。近年来，用于多传感器融合的计算智能方法主要包括；模糊 集理论、神经网络、粗集理论、小波分析理论和支持向量机等。本文主要运用模糊 数学来处理算法有效性和多判据融合问题。模糊数学的出现是数学的一个新发展， 也是一个新补充。因为实际生活中许多现象在人们头脑中的反映是模糊的。人们收 到的代表现象的信息，大体上是不精确、不完全的，并夹杂着许多干扰信息。因此， 用精确的数学来代表这些模糊信息，描述人们所认识的现象，总是难于满足人们的 要求。人们处理模糊信息的能力是很强的，而现在的计算机还望尘莫及。母亲在一 群婴儿哭声中能辨认出哪个是她的孩子的哭声，调度员在垂暮时觉察到气蒙的变 化，可以估计出爬峰( 负荷急速上升) 时将增多少万千瓦负荷，丽这些若用精确汁算 l s 一 生i b 虫左太堂熊圭堂也途塞 也许费很大劲仍难满足要求。代表电力系统现象的信息也是如此。规划年负荷的预 测，可假定为“争4 保3 ”，争取增长率为4 ，确保3 这本身已是一个模糊概 念。3 和4 也不可能很准确，而这却是一个很重要的规划条件，不论用那一个 精确数字来描述这一约束都是不适当的。若用模糊集的方法来描述，就很接近实际 的情况“7 “。 模糊理论已在实践中证明是现代智能技术中最重要的技术之一，是处理复杂不 确定问题的方法。模糊理论是用数学方法研究和处理具有“模糊”现象的一门科学。 这罩所谓的模糊性主要是指有关事物差异的中间过度的不分明性，这种属性也反映 在中性点非有效故障选线中。例如“某一故障特征的明显程度”、“某一方法的有效 性”等等均没有精确的度量，存在一定的模糊性。模糊理论能通过建立相应的隶属 函数有效地处理这种模糊性，将不分明性转换为确切的数值描述。模糊理论具有严 密的数学基础，本节只介绍其基本概念和在电力系统中的一些热型应用。 31 1 普通集合 我们通常把讨论的全体对象叫做论域( d o m a i n ) ，常用u ，v ，e ，x ，y 等 大写字母表示。把论域中的每个对象称为元素( e l e m e n t ) ，用相应的小写字母表示。 定义1 给定论域x 和某一性质或属性p ，x 中满足性质p 的所有元素所组成 的全体叫做集合( s e t ) ，简称集。 集合的表示方法： 如果一个集合所包含的元素为有限个，否则就叫做无限集。常用的集合表示方 法有如下三种形式： ( 1 ) 对于有限集，可以将所有的元素一一列出，并用大括号括起来表示。 ( 2 ) 描述法( 定义法) 对于无限集，由于元素数目无限，可通过元素的定义来描述集合，如 a = x l p ( x ) ) ，其中p ( x ) 是指“x 具有性质p ”的缩写。 ( 3 ) 特征函数法 用解析形式描述元素属于集合的程度。设a 是论域x 上的集合，记 当x a 当x 仨a 1 6 公式( 3 1 ) 垡j e 电力太堂亟堂位论塞 3 1 2 模糊集合 由上可知，在经典集合论中，论域x 中的某一个元素x 要么完全属于某个集 合，即u a x ) = 1 ，要么完全不属于a ，即心( x ) = 0 ，元素间的分类具有截然分明的 边界。 假设教室里有五个学生，分别以s 1 ，s 2 ，s 3 ，s 4 和s 5 来表示，其中s 1 ，s 2 ，s 3 为男生，s 4 ，s 5 为女生。如果我们用以表示男学生的集合，以爿，表示女学生的集 合，利用特征函数表示法，可以将以和4 ，表示为 以黧：1 b 2 l 铺帆船 公式(3-2)aj o so s 1 s 41 $ 5 = l 十 2 + 0 巳+ + h 、 显然厶和4 的分界是截然分明的。 但是，当我们试图在这五个学生中构成表示“高个子学生”和“矮个子学生” 的集合时，会感到传统的集合概念是难以应用的。学生的的身高虽然有高低之分， 但是，对于“高个子学生”和“矮个子学生”这样的集合，我们不能指明哪些学生 一定属于“高个子学生”和“矮个子学生”这样的集合。实际上，人们在处理这样 的问题时，也不需要完全确定谁是或者谁完全不是这些集合的成员，只需要对每个 元素确定一个数，用这个数表示该元素对所言集合的隶属程度。若学生s l 对于“