一種基于暫態(tài)零模電流的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于暫態(tài)零模電流的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法，對電網(wǎng)進(jìn)行三相建模，選擇不同的故障條件進(jìn)行單相接地故障仿真實驗，得各條線路的暫態(tài)零模電流；提取上述數(shù)據(jù)；對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解EMD；求取多個IMF以及剩余分量的時域能量；將IMF和剩余分量的能量相加，得到一條線路的能量和，重復(fù)上述步驟，得到所有線路的能量和；計算各條線路的能量權(quán)重系數(shù)，比較各條線路的能量權(quán)重系數(shù)，最大能量權(quán)重系數(shù)所對應(yīng)的線路為故障線路。對比第一個零模電流脈沖的峰值、極性以及第一個瞬時功率峰值極性，故障線路零模電流振幅比非故障線路振幅大且兩者極性相反。本發(fā)明不受消弧線圈、故障條件的影響可準(zhǔn)確選出故障線路。
【專利說明】
一種基于暫態(tài)零模電流的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于暫態(tài)零模電流的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法，屬 于配電網(wǎng)單相接地選線技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國6-35kV配電網(wǎng)中性點廣泛采用小電流接地方式，即中性點不接地或經(jīng)消弧線 圈接地這兩種接地方式。運行經(jīng)驗表明，電壓等級越低，接地故障越多，最為常見的是單相 接地故障，約占80%以上。單相接地故障可能產(chǎn)生過電壓、燒壞設(shè)備，甚至人身傷亡的危害， 因此快速確定故障位置并且排除故障，是提高配電網(wǎng)可靠安全運行的重中之重。
[0003] 目前國內(nèi)對于配電網(wǎng)單相接地故障選線方法的研究已卓有成效，已有的方法大致 分為兩大類:利用故障信號的方法和利用注入信號的方法。利用故障信號的方法分為利用 零序信號的方法和利用非零序信號的方法，其中利用零序方法包括利用穩(wěn)態(tài)信號和利用暫 態(tài)信號。由于故障暫態(tài)信號幅值遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)信號，且不受消弧線圈的影響，因而利用故障暫 態(tài)信號的特征來選線是近年來新的研究方向?；跁簯B(tài)故障信息的選線方法大致有首半波 法、利用暫態(tài)無功方向選線、基于小波變換的暫態(tài)電流選線法等，但這些方法卻存在獲取難 度大，分解效果不佳等困難。因此，亟需從另外角度對暫態(tài)信號進(jìn)行分析及特征提取，以克 服信號獲取困難、小波基選取困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種基于暫態(tài)零模電流的小電流接 地系統(tǒng)單相接地故障選線方法，該方法不受消弧線圈、故障條件的影響，能準(zhǔn)確選出故障線 路。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0006] 本發(fā)明的一種基于暫態(tài)零模電流的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法，其特 征在于，具體包括以下幾個步驟：
[0007] (1)利用電磁暫態(tài)仿真軟件對中性點不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真配電網(wǎng)進(jìn) 行三相建模，選擇各種不同的故障條件進(jìn)行單相接地故障仿真實驗，得到故障發(fā)生后各條 線路的暫態(tài)零模電流數(shù)據(jù)；
[0008] (2)利用MATLAB/Simulink軟件讀取步驟(1)中所述暫態(tài)零模電流數(shù)據(jù)；
[0009] (3)對步驟(2)提取的暫態(tài)零模電流數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解EMD，分解后得到 多個固有模態(tài)函數(shù)分量IMF以及一個剩余分量；
[0010] (4)根據(jù)巴什瓦定理，求取步驟(3)中分解后的多個固有模態(tài)函數(shù)分量MF以及一 個剩余分量的時域能量；
[0011] (5)將步驟(4)中多個固有模態(tài)函數(shù)分量IMF和一個剩余分量的能量相加，得到一 條線路的能量和，重復(fù)上述步驟，從而得到所有線路的能量和；
[0012] (6)計算步驟(5)中各條線路的能量權(quán)重系數(shù)，即某條線路固有模態(tài)能量與所有出 線的能量總和的比值(現(xiàn)有技術(shù)），比較各條線路的能量權(quán)重系數(shù)大小，其中最大的能量權(quán) 重系數(shù)所對應(yīng)的線路即為故障線路；
[0013] (7)對各條線路故障暫態(tài)過程的第一個零模電流脈沖的峰值、極性以及第一個瞬 時功率峰值極性進(jìn)行對比，歸納得出故障線路零模電流振幅比非故障線路零模電流振幅 大、極性相反且功率極性相反。
[0014] 步驟(1)中，所述電磁暫態(tài)仿真軟件具體采用的是PSCAD/EMTDC。
[0015] 步驟（1)中，各種不同的所述故障條件包括改變接地點過渡電阻、改變故障初相 角、改變故障位置、改變故障線路類型和改變系統(tǒng)接地方式。
[0016] 步驟(3)中，所述經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解EMD具體的分解方法如下：
[0017] (1)確定暫態(tài)零模電流數(shù)據(jù)x(t)的所有局部極大值點和極小值點，采用多次樣條 擬合處信號的上、下包絡(luò)線，并計算出上、下包絡(luò)線在每一點上的平均值m(t);
[0018] (2)從待處理信號中減去均值m(t)，即hl(t)=x(t)-m(t)，檢查是否滿足固有模態(tài) 函數(shù)分量頂F條件，若不滿足，則將hl(t)作為待處理信號，重復(fù)上述操作;若滿足，則記:cl (t)=hl(t)，cl(t)為固有模態(tài)函數(shù)分量；
[0019] (3)從原始信號x(t)中減去cl(t)，得到剩余值序列rl(t)，即，rl(t) = x(t)_cl (t)；
[0020] (4)將rl(t)作為新的原始信號，重復(fù)上述操作，依次得到cl，c2、···，直到滿足預(yù)先 設(shè)定的停止準(zhǔn)則后即可停止，最后剩下一個不可分解的序列r，這樣所述暫態(tài)零模電流數(shù)據(jù) 分解成多個固有模態(tài)函數(shù)分量IMF和一個剩余分量。
[0021] 步驟(4)中，多個固有模態(tài)函數(shù)分量IMF以及一個剩余分量的時域能量具體的求取 方法如下：
[0022]
其中Ej為IMF分量在 時間尺度j上的能量，Er為剩余項能量，其中，其中，η為時間序列長度，k為采樣點，ci，C2、···， c^m個IMF分量，r為剩余分量。
[0023] 所述第一個零模電流脈沖的峰值、極性指的是暫態(tài)過程開始后第一個脈沖電流瞬 時最大值及其方向。
[0024] 所述第一個瞬時功率峰值極性指的是暫態(tài)過程開始后第一個脈沖電流瞬時最大 值的方向，其中以瞬時功率流出母線方向為正方向。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0026] 本發(fā)明一方面從能量角度出發(fā)，利用固有模態(tài)能量對故障線路進(jìn)行識別，另一方 面從故障發(fā)生后首個暫態(tài)電流、功率脈沖波形出發(fā)，利用各自幅值、極性特性對故障線路進(jìn) 行識別;通過PSCAD、MATLAB軟件進(jìn)行仿真驗證，可得出無論故障條件如何變化，無論是電纜 線路還是架空線路，無論是不接地系統(tǒng)還是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，該方法均能準(zhǔn)確選線不 受任何條件的影響；本發(fā)明基于對故障暫態(tài)分量的提取分析，無需增加新的設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性 強(qiáng)。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發(fā)明提供的中性點不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真模型；
[0028] 圖2是本發(fā)明提供的選線算法工作流程圖；
[0029] 圖3是本發(fā)明提供的不同過渡電阻下的零模電流原始信號；
[0030] 圖4(a)是本發(fā)明提供的經(jīng)EMD分解后的第一個零模電流頂F分量；
[0031 ]圖4(b)是本發(fā)明提供的經(jīng)EMD分解后的第二個零模電流頂F分量；
[0032] 圖5是本發(fā)明提供的經(jīng)EMD分解后的零模電流剩余分量。
【具體實施方式】
[0033] 為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合
【具體實施方式】，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0034] 如圖1，本發(fā)明提供的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下:35kV變電站有一回進(jìn)線，通過一臺Y/D接 線的主變壓器配出單母線形式的10kV系統(tǒng)，母線帶有4條主饋線，出線上各區(qū)段的線路類型 包括：電纜+架空線混聯(lián)線路、純電纜線路、純架空線路。消弧線圈裝在接地變中性點上，開 關(guān)K打開時，系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng);開關(guān)K閉合時，系統(tǒng)為經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，過補(bǔ)償 度取為10%。
[0035]利用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件對圖1進(jìn)行三相建模，模擬各種不同的故障條 件下的單相接地故障，采樣頻率為10kHz，記錄故障發(fā)生后各條線路的暫態(tài)零模電流數(shù)據(jù)及 波形。
[0036] 對各條線路故障暫態(tài)過程的第一個零模電流脈沖的峰值、極性、第一個瞬時功率 峰值極性進(jìn)行對比，結(jié)果如表1:
[0037] 表1不接地系統(tǒng)故障仿真選線結(jié)果
[0038]
[0039]選線結(jié)果與仿真設(shè)定故障線路一致。
[0040]具體故障選線流程如圖2所示，將故障發(fā)生后各條線路的暫態(tài)零模電流數(shù)據(jù)導(dǎo)入 到MATLAB/Simulink軟件中，繪制故障發(fā)生后1/8工頻周期暫態(tài)零模電流信號，其中一條線 路的零模電流信號如圖3所示，再將該信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)，分解后得到若干個固 有模態(tài)函數(shù)分量(IMF)如圖4(a)、4(b)所示及一個剩余分量如圖5所示。
[0041 ]求取分解后的暫態(tài)零模電流MF分量以及剩余項的各自時域能量，再將若干個頂F 分量及剩余項的能量相加，得到一條線路的能量和。
[0042]重復(fù)上述步驟，從而得到所有線路的能量和。再此基礎(chǔ)上，計算各條線路的能量權(quán) 重系數(shù)，并進(jìn)行比較，其中最大的能量權(quán)重系數(shù)所對應(yīng)的線路即為故障線路，結(jié)果如表2所 不。
[0043 ]表2不同過渡電阻條件下的能量權(quán)重系數(shù)
[0044]
[0045] 選線結(jié)果與仿真設(shè)定故障線路一致。
[0046]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等效物界定。
【主權(quán)項】
1. 一種基于暫態(tài)零模電流的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法，其特征在于，具 體包括以下幾個步驟： (1) 利用電磁暫態(tài)仿真軟件對中性點不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真配電網(wǎng)進(jìn)行三 相建模，選擇各種不同的故障條件進(jìn)行單相接地故障仿真實驗，得到故障發(fā)生后各條線路 的暫態(tài)零模電流數(shù)據(jù)； (2) 利用MATLAB/Simulink軟件讀取步驟（1)中所述暫態(tài)零模電流數(shù)據(jù)； (3) 對步驟(2)提取的暫態(tài)零模電流數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解EMD，分解后得到多個 固有模態(tài)函數(shù)分量IMF以及一個剩余分量； (4) 根據(jù)巴什瓦定理，求取步驟(3)中分解后的多個固有模態(tài)函數(shù)分量MF以及一個剩 余分量的時域能量； (5) 將步驟(4)中多個固有模態(tài)函數(shù)分量IMF和一個剩余分量的能量相加，得到一條線 路的能量和，重復(fù)上述步驟，從而得到所有線路的能量和； (6) 計算步驟(5)中各條線路的能量權(quán)重系數(shù)，比較各條線路的能量權(quán)重系數(shù)大小，其 中最大的能量權(quán)重系數(shù)所對應(yīng)的線路即為故障線路； (7) 對各條線路故障暫態(tài)過程的第一個零模電流脈沖的峰值、極性以及第一個瞬時功 率峰值極性進(jìn)行對比，歸納得出故障線路零模電流振幅比非故障線路零模電流振幅大、極 性相反且功率極性相反。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暫態(tài)零模電流的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方 法，其特征在于，步驟(1)中，所述電磁暫態(tài)仿真軟件具體采用的是PSCAD/EMTDC。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暫態(tài)零模電流的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方 法，其特征在于，步驟（1)中，各種不同的所述故障條件包括改變接地點過渡電阻、改變故障 初相角、改變故障位置、改變故障線路類型和改變系統(tǒng)接地方式。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暫態(tài)零模電流的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方 法，其特征在于，步驟(3)中，所述經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解EMD具體的分解方法如下： (1) 確定暫態(tài)零模電流數(shù)據(jù)x(t)的所有局部極大值點和極小值點，采用多次樣條擬合 處信號的上、下包絡(luò)線，并計算出上、下包絡(luò)線在每一點上的平均值m(t); (2) 從待處理信號中減去均值m(t)，即hl(t)=x(t)-m(t)，檢查是否滿足固有模態(tài)函數(shù) 分量頂F條件，若不滿足，則將hl(t)作為待處理信號，重復(fù)上述操作;若滿足，則記:cl(t) = hl(t)，cl(t)為固有模態(tài)函數(shù)分量； (3) 從原始信號x(t)中減去cl(t)，得到剩余值序列rl(t)，即，rl(t)=x(t)-cl(t); (4) 將rl(t)作為新的原始信號，重復(fù)上述操作，依次得到cl，c2、···，直到滿足預(yù)先設(shè)定 的停止準(zhǔn)則后即可停止，最后剩下一個不可分解的序列r，這樣所述暫態(tài)零模電流數(shù)據(jù)分解 成多個固有模態(tài)函數(shù)分量IMF和一個剩余分量。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暫態(tài)零模電流的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方 法，其特征在于，步驟(4)中，多個固有模態(tài)函數(shù)分量IMF以及一個剩余分量的時域能量具體 的求取方法如下： 公式如下：實中Ej為IMF分量在時間 尺度j上的能量，Er為剩余項能量，其中，η為時間序列長度，k為采樣點，C1，C2、···，Cm為m個 IMF分量，r為剩余分量。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暫態(tài)零模電流的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方 法，其特征在于，所述第一個零模電流脈沖的峰值、極性指的是暫態(tài)過程開始后第一個脈沖 電流瞬時最大值及其方向。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暫態(tài)零模電流的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方 法，其特征在于，所述第一個瞬時功率峰值極性指的是暫態(tài)過程開始后第一個脈沖電流瞬 時最大值的方向，其中以瞬時功率流出母線方向為正方向。
【文檔編號】G01R31/08GK105866634SQ201610413989
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月14日
【發(fā)明人】韓冰, 張志昌, 趙家慶, 戴則梅, 錢科軍, 張蓓蓓, 陳連杰, 徐春雷, 孟勇亮, 杜紅衛(wèi), 田江
【申請人】國電南瑞科技股份有限公司, 國網(wǎng)江蘇省電力公司蘇州供電公司, 國家電網(wǎng)公司