基于模糊理论的小电流单相接地选线装置-

1、 基于模糊理论的小电流单相接地选线装置陈炯聪!齐 郑!杨奇逊(华北电力大学电力工程系9北京市102206摘要!正确接地故障选线是小电流接地系统长期存在的难题9通常采用的单一故障选线方法只对部分故障信息进行处理9选线的可靠性不高O 文中把模糊理论应用于故障选线9智能融合各种故障信息9综合各种故障选线方法9并研制出多台样机挂网运行O 现场运行记录表明装置选线准确9能适用于各种复杂故障O关键词!模糊理论;小电流接地系统;故障选线;信息融合中图分类号!TM 774;T p 18收稿日期12003-08-22;修回日期12003-12-29O 国家自然科学基金资助项目(50177007O 0 引言我国中

2、压配电网中性点一般采用不接地或经消弧线圈接地方式9称为小电流接地电网D 小电流接地系统接地故障选线长期以来是国内外关注的尚未解决的一大难题D 长期以来9人们针对这个间题做了大量的研究9基于不同的原理9提出了许多选线方法9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D 但是9从现场使用情况来看9这些方法的选线效果并不十分理想9普遍存在着误选 漏选的情况D 其主要原因在于2D 小电流接地系统零序阻抗大9并受故障接地过渡阻抗的影响9故障电流小9故障线路与非故障线路的区别不明显9 受各种干扰因素的影响9故障选线装置测量到的故障特征量(例如零序电流 零序功率方向等具有很大的膜糊性和不确定性192

3、D 通常9这些干扰的影响程度与故障检测的手段有关9同一干扰信号对不同的故障检测手段的影响相差较大9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3D本文提出的基于膜糊理论的小电流单相接地选线装置9是利用膜糊理论对各种选线算法进行智能融合9利用各种算法的互补性9扩大能够正确选线的故障范围9提高选线结果的可靠性D1 模糊选线基本原理膜糊理论已在实践中被证明是现代智能技术中最重要的技术之一9是处理复杂不确定间题的方法9是用数学方法研究和处理具有M 膜糊7现象的一门科学D 这里9膜糊性主要是指有关事物差异的中间过渡的不分明性9这种属性也反映在小电流故障选线中D 例如M 某一故障特征的明显程度7

4、M 某一方法的有效性7等均没有精确的度量9存在一定的膜糊性D 膜糊理论可通过建立相应的隶属函数有效地处理这种膜糊性9将不分明性转换为确切的数值描述D膜糊选线是运用膜糊理论实现多判据选线信息融合469根据判据规则建立各选线方法的故障测度隶属函数(表征一条线路表现出故障特征程度的数值属性描述和各选线方法的权系数隶属函数(表征一种方法的可信度D 最后对各个判据的数值属性进行融合9得出一个综合选线结果D2 K A 系列小电流单相接地选线装置2.1 硬件K A 系列选线装置采用了先进的工控机架构I S A 总线9最大可接入4段母线电压互感器T V 1T V 4信号和26条线路电流互感器T A 1T A

5、26信号9其电气原理如图1所示D图l K A -2000型小电流接地网单相故障选线仪电气原理F i g .l F i g n r e o f e l e c t r i c a l p r i n c i pl e 88第28卷 第8期2004年4月25日2.2 软件装置采用了一种新的小波算法9它利用故障后的稳态信号进行选线9具有可以连续判断的特点9对电弧接地等瞬变复杂的故障也适用O算法综合应用小波变换和最小均方误差 L M S自适应滤波器技术9基本思想是首先对各条线路零序电流信号进行小波变换9目的是使每一尺度下的信号在短时内更加趋近于平稳过程9同时使每一尺度下的频谱分布相对集中O 然后9用L

6、 M S 自适应滤波对平滑信号或细节信号进行滤波去噪处理O 最后9对滤波后的电流信号进行幅值和相位比较9如果某一条线路的相位与其他线路相反9则判断该线路为故障线路;如果所有电流同相位9则判断为母线故障O构造故障测度隶属函数的步骤如下:a .对n 条线路及母线建立故障测度变量su m 9并咀预设s u m =09其中 代表线路编号 注: =0时表示母线O b .如果经L M S 滤波后的小波细节信号在第 个采样数据点上第 Z 1 条线路的极性与其他线路相反9则s u m =s u m +1;如果所有线路极性都相同9则s u m 0 =s u m 0+1O c .比较s u m 的累加值O 如果s

7、 u m 最大 Z 1 9则判断线路 为故障线路;如果s u m0 最大9则判断是母线故障O定义故障测度隶属函数P为:P=s u mZ n j =0su m j 1此算法的权系数隶属函数根据信号和噪声在中心频率处的功率谱密度的比值 而确定 中心频率是指所利用的小波分解尺度空间的中心频率 O 图2所示为权系数的隶属函数O图2 小波法的权系数隶属函数F i g .2 P r o p o r t i o nm e m b e r s h i p f权系数的隶属函数设系统共n 条线路9线路 故障电流相量幅值用m a g I "表示9m a g I "E 09>1O 以母线零序

8、电压为参考相量9线路 故障电流相角用a n g I "表示9定义相角区间为a n g I "E -180 9180 1O 令m a g I "=m a g I "s i g n a n g I "2式中:s i gn " 为符号函数O 当电流超前电压时9m a g I "为正;当电流滞后电压时9m a g I "为负O 再令:m a g I "0=-Z n=1ma g I "3 s u m =Z nj =0ma g I "j 4式中:m a g I "0为注入和流出母线的差额

9、电流9即母线对地电流;在线路接地情况下9注入和流出的电流近似相等9m a g I "0非常小9在母线接地情况下9m a g I "0等于母线故障点电流9符号为负;s u m 为各线路电流幅值的累加和9近似等于2借故障电流O在不考虑误差和干扰并忽略系统有功损耗的情况下9故障线路电流滞后电压90 9非故障线路电流超前电压90 9但实际上由于干扰和测量影响9角度和幅值都存在误差9这些都能够在隶属函数中反映出来O定义故障测度隶属函数 见图3 :P= 1m a g I "j -12s u m 12s u m -m a g I "j s u m -12s u m m

10、 a g I "j12s u m 0m a g I "j Z12s u m 5图3 比幅比相算法故障测度隶属函数F i g .3 M e m b e r s h i p f n n c t i o no f i n t e l l i g e n t c o m p a r i n g基波比幅比相算法的权系数隶属函数主要针对信号畸变率U各次谐波有效值平方和的方根值与98$新技术新产品$ 陈炯聪等 基于膜糊理论的小电流单相接地选线装置基波有效值的比率作出9波形质量越高9它就具备越高的可信度O 图4所示为权系数的隶属函数O图4 比幅比相算法的权系数隶属函数F i g .4 P

11、r o p o r t i o nm e m b e r s h i p fn n c t i o no f i n t e l l i g e n t c o m p a r i n g膜糊信息融合的计算方法很多9为适应接地故障选线的特点9通常取加法运算O 假设电网中共有N 条线路( =0919.9N ; =0时表示母线9装置中共使用P 种选线方法(P =1929.9P 9则采用第P 种选线方法得到的第 条线路故障测度隶属函数为A P P ( 9第P 种选线方法权系数为B P P O 每一条备选线路 都得到一个P 种方法融合的总的膜糊决策可信度Y =Z PP =1AP P ( B P P 9

12、可信度最大的为故障线路O 软件流程如图5所示O图5 装置软件流程F i g.5 S o f t w a r e f l o wc h a r t 3 电网应用K A 系列小电流接地系统单相接地选线装置已在辽宁甘肃山东等地采用和运行9现场记录表明装置人机界面友好9选线快速准确9对已发生的永久故障接地故障全部能准确选出故障线路9受到广泛好评O 值得一提的是9我们建立了配电网接地故障信息管理系统9装置本身具备故障录波以及远程通信功能O 在远程监控中心9可定期对现场的装置进行检测和收录数据O下面列出部分现场算例9以说明装置的动作情况和采用新算法的有效性O现场算例1I 某地中性点不接地系统9共16条线路

13、9故障发生时部分线路未投运9高阻接地O 电阻接地波形如图6所示O图6 电阻接地波形F i g .6 C h a r t o f g r o n n d i n g t h r o n gh r e s i s t a n c e 算例1膜糊选线结果如表1所示O 限于篇幅9表中只列出包含故障线路在内的5条线路的故障隶属函数9第1条线路为故障线路O表l 算例l 模糊选线结果T a b l e l R e s n l t s f o r f a n l t d e t e c t i o nw i t h f n z z ya n a l ys i s o f c a s e l 项目权系数测度集是

14、否正确总测度现场实例2I某地中性点不接地系统9共17条线路9发生故障时部分线路未投运9电弧接地O 电弧接地波形如图7所示O图7 电弧接地波形F i g .7 C h a r t o f g r o n n d i n g t h r o n gha r c 9算例2膜糊选线结果如表2所示O 限于篇幅9表中只列出包含故障线路在内的5条线路的故障隶属函数9第1条线路为故障线路O表2 算例2模糊选线结果T a b l e 2 R e s n l t s f o r f a n l t d e t e c t i o nw i t h f n z z ya n a l ys i s o f c a s

15、 e 2项目权系数测度集是否正确总测度可以看出9对于高阻接地以及电弧接地等复杂故障9如果像以往一样单独使用某一判据9极有可能9起误判;而使用本算法智能融合后9充分考虑了各种因素的影响9各种恶劣情况下均能正确选出故障线路O4 结语K A 系列小电流单相接地选线装置将膜糊理论应用到故障选线中9对各种故障选线方法各种故障信息进行综合处理9用隶属函数表示各故障选线方法输出的膜糊性9应用加权求和进行运算9实现多种故障选线方法在馈线保护中的就地融合9能有效克服各种干扰的影响9提高故障检测的精度和鲁棒性O 现场应用表明9该装置性能较以往有很大的提高9能自动适用于电网各种单相接地故障情况9选线准确快速O参考文

16、献1 曾祥君9L iK K 9C h a n W L 9等(Z e n g Xi a n g u n 9L i K K 9C h a n W L 9e t a l .信息融合技术在故障选线中的应用(E a r t h F a u l t F e e d e rd e t e c t i o n w i t hI n f o r m a t i o n F u s i o n .继电器(R e l a y 92002930(9I 15202 要焕年9曹梅月(Y a ou a n n i a n 9C h a oM e i yu e .电力系统谐振接地(R e s o n a n tE a r t

17、 h e d i np o w e r S y s t e m .北京I 中国电力出版社(B e i i n gI C h i n aE l e c t r i cp o w e rp r e s s 920003 贾清泉9杨以涵9杨奇逊(J i a i n g Iu a n 9Y a n g Y i h a n 9Y a n g i X u n .应用证据理论实现配电网单相接地故障选线保护(A p p l i c a t i o no fd -SE v i d e n c eT h e o r y t oS i n g l e -p h a s e -t o -g r o u n d F a

18、 u l tL i n ed e t e c t i o n .电力系统自动化(A u t o m a t i o no fE l e c t r i c p o w e r S ys t e m s 92003927(21I 35384 王增平9高中德9张 举9等(W a n g Z e n g p i n g 9G a oZ h o n gd e 9Z h a n g Ju 9e t a l .膜糊理论在变压器保护中的应用(A p p l i c a t i o n o fF u z z y S e tT h e o r y i nT r a n s f o r m e rp r o t

19、e c t i o n s .电力系统自动化(A u t o m a t i o no fE l e c t r i cp o w e rS y s t e m s 91998922(2I 13169455 郝玉山9马文田9康庆平9等(a o Y u s h a n 9M a W e n t i a n 9K a n gi n g pi n g 9e t a l .应用膜糊推理的一种小电流接地保护原理(T h e F a u l t d e t e c t i o n U s i n g F u z z y S e t T h e o r y .电力情报(I n f o r m a t i o

20、 no nE l e c t r i cp o w e r 91994(26 Y ud C 9K h a n S .A n A d a p t i v e i g ha n d L o w I m pe d a n c e F a u l td e t e c t i o n M e t h o d .I E E ET r a n s o np o w e rd e l i v e r y 9199499(4I 18121821陈炯聪(1979HH 9男9硕士研究生9从事电力系统分析与控制以及配电网保护研究工作D E -m a i l I c c f o r e v e r s i n a .

21、c o m齐 郑(1977HH 9男9博士研究生9从事配电网自动化研究工作D杨奇逊(1937HH 9男9教授9博士生导师9研究方向为微机保护DAF A U L TL I N ED E T E C T I O ND E V I C EF O RT H EN O N -S O L I D L YG R O U N D E DS Y S T E M A S E DO NF U Z Z YS E T ST H E O R YC h e n j i O n g c O n g ,iz h e n g ,Y a n g i s u n (N o r t hC h i n aE l e c t r i cp

22、 o w e rU n i v e r s i t y ,B e i i n g 102206,C h i n a A b s t r a c t :C o r r e c t f a u l t l i n e d e t e c t i o n f o r t h en o n -s o l i d l yg r o u n d e d s y s t e mi s a l o n g s t a n d i n g a n dh a r d p r o b l e mi n i t so p e r a t i o n .T r a d i t i o n a l s i n g l e

23、 -p h a s e f a u l t l i n e d e t e c t i o nm e t h o d s u s i n g o n l yp a r t i a l f a u l t i n f o r m a t i o nh a v e p o o r r e l i a b i l i t y .F u z z y s e t s t h e o r y i s t h e r e f o r e i n t r o d u c e d a n d a p p l i e d i n f a u l t f e e d e r d e t e c t i o n t

24、o i n t e l l i g e n t l y f u s e a l l k i n d s o f t h e f a u l t i n f o r m a t i o n a n d i n t e g r a t e a l l o f t h e f a u l t d e t e c t i o nm e t h o d s .M o r e o v e r ,s e v e r a l t e s t e r s h a v e b e e n p r o d u c e d a n du s e d i n s p o t f i e l d s a n d t h e f a u l t r e c o r d s s h o w t h a t t h e s e t e s t e r s r u nw e l l a n d t r u l y a p p l i c a b l e t o a l l k i n d s o f s i n gl e f a u l t s .T h i