淺析電網(wǎng)接地保護分析論文
摘要：針對配電網(wǎng)單相接地故障選線(xiàn)困難的問(wèn)題，應用小波變換模極大值理論，對故障后的電氣量進(jìn)行分析，反應零序電流的突變情況，根據其在各條線(xiàn)路上的極性和大小的不同變化規律實(shí)現故障選線(xiàn)。判據采用做內積的方法，在對含有誤差的信號進(jìn)行處理時(shí)具有良好的容錯性，因而能夠獲得更高的選線(xiàn)精度。該方法適用于小接地電流系統的各種中性點(diǎn)運行方式，并且現場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單、不需要定值整定。EMTP仿真結果表明，該方法是有效的、可靠的。
關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)故障選線(xiàn)小波變換奇異性檢測
1引言
單相接地電弧能夠自行熄滅的中性點(diǎn)非有效接地系統稱(chēng)為小接地電流系統[1]，主要以中性點(diǎn)不接地、經(jīng)高阻接地及經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統的形式出現。我國3～60kV的配電網(wǎng)通常都屬于小接地電流系統。
小接地電流系統發(fā)生單相接地故障時(shí)，電源與故障點(diǎn)之間并不形成低阻抗回路，短路電流很小，同時(shí)線(xiàn)電壓仍然保持對稱(chēng)，不影響對用戶(hù)的連續供電，所以不必立即跳閘，規程規定可以繼續運行1～2個(gè)小時(shí)。但是，為了防止故障進(jìn)一步擴大，必須及時(shí)、準確地選出故障線(xiàn)路，并且予以切除。
為解決這一問(wèn)題，國內外學(xué)者進(jìn)行了深入而廣泛的研究，提出了基于穩態(tài)分量、暫態(tài)分量及外施影響的多種選線(xiàn)方法（例如：比幅、比相法，諧波法，補償法，零序導納法，功率法；首半波法，能量法，譜功率法，小波法；拉路法，殘余電流增量法，注入信號法）[2]，并開(kāi)發(fā)出了相應的保護裝置，先后推出了幾代產(chǎn)品。然而迄今為止，此類(lèi)裝置在實(shí)際運行當中的效果仍然不能令人滿(mǎn)意。
本文提出應用小波變換模極大值理論，找出故障后電氣量的變化特點(diǎn)，并把與之相對應的模極大值作為特征量來(lái)分析，建立出簡(jiǎn)單、可靠的選線(xiàn)判據。大量的EMTP仿真數據表明，該方法是正確的、可靠的。
2基本原理
通過(guò)對小接地電流系統單相接地故障時(shí)的零序電壓、電流進(jìn)行奇異性檢測，可以確定出它們在故障后突變部分的極性和大小，比較其在各條出線(xiàn)上的不同變化情況，可以識別出故障線(xiàn)路。
我們將無(wú)限次可導的函數稱(chēng)為光滑的或沒(méi)有奇異性，若函數在某處有間斷或某階導數不連續，則稱(chēng)其在此處有奇異點(diǎn)。奇異性檢測就是要將信號的奇異點(diǎn)識別出來(lái)并判斷其奇異程度。數學(xué)上，通常用Lipschitz指數來(lái)刻畫(huà)信號的奇異性[3]。由于小波變換極大值在多尺度上的表現與Lipschitz指數之間存在對應關(guān)系[4]，這為通過(guò)小波變換檢測信號奇異點(diǎn)并區分奇異點(diǎn)提供了依據。即小波變換后的模極大值能夠反應接地故障的某些特征，所以本方法利用此理論實(shí)現故障選線(xiàn)。
2.1小波函數的選取
小波函數在理論上有無(wú)限多種，由其引出的小波基所具有的性質(zhì)也各不相同，可以滿(mǎn)足各種問(wèn)題的需要。但對同一個(gè)信號利用不同的小波基進(jìn)行處理，取得的效果并不相同，甚至差異較大。所以為了得到令人滿(mǎn)意的結果，就必須對小波函數進(jìn)行適當的選取。雖然目前還沒(méi)有一個(gè)成熟的方法來(lái)選擇在解決具體問(wèn)題時(shí)所需的最佳小波函數，但通常的做法是把各種小波函數分類(lèi)，并總結出每類(lèi)小波函數的性質(zhì)和特點(diǎn)，結合要解決的問(wèn)題來(lái)確定使用哪一類(lèi)，并在該類(lèi)中進(jìn)行試驗比較來(lái)確定使用哪一個(gè)小波函數[5]。
如上所述，針對小接地電流系統故障選線(xiàn)的具體問(wèn)題：為了減小頻譜的泄漏和混疊，要求小波函數具有好的頻域特性。dbN小波系是工程上應用較多的'小波函數，這一小波系的特點(diǎn)是隨著(zhù)序號N的增大，時(shí)域支集變長(cháng)，時(shí)間局部性變差；同時(shí)，正則性增加，頻域局部性變好。但是當N增大到10以后，dbN小波在頻域內的分頻表現與N為10時(shí)很接近。
綜合考慮在時(shí)頻兩域內進(jìn)行分析的需要，并結合故障選線(xiàn)問(wèn)題的特點(diǎn)，通過(guò)采用幾種小波進(jìn)行多次仿真計算，證明使用db10小波可以得到較為理想的結果。所以本文選用db10小波，其尺度函數和小波函數的波形分別如圖1（a）和（b）所示。
2.2選線(xiàn)判據
首先，對各出線(xiàn)上零序電流在故障前一個(gè)周波和故障后三個(gè)周波內的數據進(jìn)行小波變換，得到相應的一組模極大值，其中n表示線(xiàn)路編號，i表示出現摸極大值的序號。然后，任意選定一條出線(xiàn)作為參考線(xiàn)路，將其上零序電流的小波變換模極大值組分別與其它線(xiàn)路上的零序電流的小波變換模極大值組做內積，并把這一內積結果作為一種測度，用S來(lái)表示。
式（1）中，j是被任意選定的那條參考線(xiàn)路的編號；k是剩余線(xiàn)路的編號，即k=1，2，…n，且k≠j；n是總的出線(xiàn)數目；m是模極大值的個(gè)數。
這樣，就可以建立如下的選線(xiàn)判據：
�。�1）若Sjk不同時(shí)大于零或小于零，則使成立的線(xiàn)路是非故障線(xiàn)路；而使成立的線(xiàn)路是故障線(xiàn)路。
�。�2）若Sjk同時(shí)小于零，則線(xiàn)路j為故障線(xiàn)路。
�。�3）若Sjk同時(shí)大于零，則為母線(xiàn)故障。
2.3選線(xiàn)判據的說(shuō)明
首先，由于小波變換自身算法上的原因，在變換過(guò)程中會(huì )把數據窗的右邊界當成突變點(diǎn)，使得各尺度分量在右邊界附近會(huì )出現較大值，這就是小波變換的邊界效應。為了克服邊界效應給選線(xiàn)帶來(lái)的不利影響，只取前兩個(gè)周波內的摸極大值做內積。
其次，做內積的實(shí)質(zhì)是在進(jìn)行極性比較。幅值大的模極大值在比較過(guò)程中有利，結果可靠；而幅值小的模極大值在比較過(guò)程中就會(huì )有容易受誤差的影響，以至于得到錯誤結論。通過(guò)做內積的辦法，就相當于使幅值大者的比較結果在測度中占有高權重，而幅值小者的比較結果在測度中占有低權重。這樣就在很大程度上克服了誤差的影響，從而提高了選線(xiàn)精度。
再次，小波奇異性檢測反應的是信號的奇異性，不要求信號是躍變的[6]。所以，盡管本方法使用暫態(tài)過(guò)程中的數值來(lái)分析，但是在相電壓過(guò)零附近發(fā)生單相接地，本方法仍然有效。
另外，因本方法是基于暫態(tài)分量的選線(xiàn)方法，所以在實(shí)際使用中，雖然可以瞬時(shí)選出接地線(xiàn)路，但是為了區分瞬時(shí)性故障和永久性故障，還需要判斷一個(gè)延時(shí)后故障是否仍然存在，才決定是否執行跳閘操作。
3仿真分析
對某個(gè)35kV的輻射狀小接地電流系統（如圖2所示）在中性點(diǎn)運行方式為經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地時(shí)進(jìn)行仿真分析。順便指出，本方法對中性點(diǎn)不接地、經(jīng)高阻接地系統同樣適用。
假設距線(xiàn)路4始端24公里處于0.315秒時(shí)A相發(fā)生接地，以過(guò)渡電阻為1歐姆、采樣率為10kHz為例，按照前邊所述方法實(shí)現選線(xiàn)。限于篇幅，僅給出線(xiàn)路2（正常線(xiàn)路）和線(xiàn)路4（故障線(xiàn)路）的分析波形，如圖3、4、5所示。
這里選定線(xiàn)路1為參考線(xiàn)路，線(xiàn)路2、3、4、5上零序電流的模極大值測度分別為351.1、540.7、-1200.5和216.8，根據上述判據可知線(xiàn)路4為故障線(xiàn)路。
為了便于比較，在過(guò)渡電阻、采樣率以及參考線(xiàn)路都同前的情況下，采用此方法對圖2所示系統分別做短線(xiàn)路近端、短線(xiàn)路遠端、長(cháng)線(xiàn)路近端、長(cháng)線(xiàn)路遠端及母線(xiàn)接地時(shí)的仿真分析，所得的小波變換模極大值測度列于表1。由于線(xiàn)路1是參考線(xiàn)路，其測度是與自身的小波變換模極大值做內積的結果（必然是正數），故該線(xiàn)路的小波變換模極大值測度不需要算出來(lái)，表中用“＋”表示。這樣，按照前述選線(xiàn)判據分析這些數據，都能夠非常準確地選出故障線(xiàn)路。
還是以圖2所示系統為例，在采樣率仍為10kHz，而過(guò)渡電阻增大到2000歐姆、參考線(xiàn)路變?yōu)槌鼍�(xiàn)2的情況下，進(jìn)一步檢驗該方法，所得仿真數據示于表2。其中的數值，一方面說(shuō)明參考線(xiàn)路是可以任意選定的，同樣都能夠得到正確的選線(xiàn)結果；另一方面說(shuō)明本方法抗過(guò)渡電阻的能力非常強。
4結論
由于本方法取用故障點(diǎn)附近幾個(gè)周波的數據實(shí)現選線(xiàn)，此時(shí)電氣量的變化通常很明顯，特征量幅值較大，所以具有很高的選線(xiàn)精度。同時(shí)，小波奇異性檢測反應的是信號的奇異性，不要求信號是躍變的。所以，即使在相電壓過(guò)零附近發(fā)生單相接地，暫態(tài)過(guò)程不明顯的情況下，本方法仍然有效。
選線(xiàn)判據中采用做內積的方法，實(shí)質(zhì)是在進(jìn)行優(yōu)化的極性比較，對含有誤差的信號具有良好的容錯性，而且不需要設置閥值。不論是中性點(diǎn)不接地、經(jīng)高阻接地還是經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地的系統，本方法都適用。在系統不同位置、經(jīng)不同過(guò)渡電阻接地的情況下，所得到的選線(xiàn)結果也都很精確，可見(jiàn)，此方法具有很強的魯棒性。
需要指出，本方法適用于母線(xiàn)上至少有三條出線(xiàn)的情況，而在只有兩條出線(xiàn)的時(shí)候將會(huì )失效。
參考文獻
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