基于暂态电流方向和能量的故障选线法

第３３卷第８期　２０１７年８月　电力科学与工程　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．８　Ａｕｇ．，２０１７　ｄｏｉ：ｌ０．３９６９／ｊ．ＩＳＳＮ．１６７２—０７９２．２０１７．０８．００３　基于暂态电流方向和能量的故障选线法　李　臻，刘　鹏，蔡　军　（智能电网运行与控制湖南省重点实验室（长沙理工大学），湖南长沙４１０１１４）　摘要：在配电网谐振接地系统中，现有选线方法由于故障边界不明显，易发生误判，因此提出了基于暂态电　流方向和能量的故障选线法。在依据特征频带下故障线路比健全线路暂态零序电流幅值较大，且两者相位相　差１８０。基础上，分别定义了能量参数与综合方向参数，然后结合二维判据进行融合得到最终判据——特征距　离，其中特征距离最小的线路为故障线路。仿真结果表明，此方法解决了现有各线路特征频带选取不一的难　题，且进一步提高了故障判据裕度，受故障合闸角、故障电阻、故障位置等因素的影响较小，更能适用于结　构较复杂的配电网故障选线。　关键词：谐振接地系统；单相接地故障；小波包；综合方向参数；能量参数；二维判据　中图分类号：ＴＭ７７１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—０７９２（２０１７）Ｏ８—００１３—０６　Ａ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ａｂｏｕｔ　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ　Ｆａｕｌｔ　Ｌｉｎｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ　ＬＩ　Ｚｈｅｎ，ＬＩＵ　Ｐｅｎｇ，ＣＡＩ　Ｊｕｎ　（Ｈｕｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｓｍａｒｔ　Ｇｒｉｄｓ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，　Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１０１　１４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｌｉｎｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｍｂｉｇｕｏｕｓ　ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｇｒｏｕｎｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｔｈｅｙ　ａｒｅ　ｐｒｏｎｅ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｍｉｓｔａｋｅ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｆａｕｌｔ　ｌｉｎｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｃｕｒ—　ｒｅｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｆｏｒ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａ　ｎｅｗ　ｅｎｅｒｇｙ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｄｉ—　ｒｅｃｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｒｅ　ｄｅｆｉｎｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆａｃｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｚｅｒｏ—ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｌｉｎｅ　ｉｓ　ｂｉｇｇｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ａ　ｎｏｒｍａｌ　ｌｉｎｅ　ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅｍ　ｉｓ　１　８０。．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｆｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｌｉｎｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｓｍａｌｌｅｓｔ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｍａｙ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｖａｒｙｉｎｇ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｂａｎｄ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｍａｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　ｍａｒｇｉｎ　ｒｅｍａｒｋ—　ａｂｌｙ．Ｗｈａｔ　Ｓ　ｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ａｎｇｌｅ，ｆａｕｌｔ　ｌｏｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｆａｕｌｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｅｔｃ．，ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａ－　ｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｓｍａｌｌ，ＳＯ　ｉｔ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｔｏ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｅｌｅｃｔ　ｆａｕｌｔ　ｌｉｎｅ　ｆｏｒ　ｄｉｓｔｒｉｂｕ—　ｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｗｉｔｈ　ｍｏｒｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ｓｉｎｇｌｅ　ｐｈａｓｅ　ｔｏ　ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｆａｕｌｔ；ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ；ｅｎｅｒｇｙ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｃｏｎ—　ｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　稳态分量特征的健全线路与故障线路故障边界微　０　引言　谐振接地系统由于消弧线圈的作用会使基于　弱，稳态选线法已不适用于此系统故障选线，因此　现许多学者提出了利用其他分量进行故障选线。　其中注入信号法　利用特殊信号分布进行故障　选线，能很好地判别低阻接地故障，但系统若发生　高阻接地故障时，故障线路上特殊信号分布较弱，　收稿日期：２０１７—０５—０５。　不易判别出故障线路，存在一定的局限性。智能　１４　电力科学与工程　融合法　通过融合多源故障特征量进行故障选　线，弥补了单一选线法适用范围不广的缺点，但此　类方法非常注重训练样本的选取，若选取不合理　则会导致最终判别正确率不高的问题。小波包能　量法　利用各线路特征频带能量大小进行故障选　线，存在特征频带选取不一的问题，且此方法运用　在含电缆线路较多的配电网系统时，则会出现判　据裕度过低的现象。小波包相关性法　利用故障　线路与健全线路特征频带信号方向相反的原理进　行故障选线，但此方法用相关系数作为故障判据　并不能很好地表征极性相反的特征，因此有待提　高。小波包幅值与极性法　通过综合运用特征频　带的幅值与方向进行故障选线，在一定程度上减　小了误动的产生，但此类方法仅把２种故障判据　方法用与门进行联接，这就变相地减小了故障判　据裕度和适用范围。　因此本文在改进了小波包能量法判据与小波　包相关性法判据的基础上提出了基于暂态电流方　向和能量的故障选线法，通过二维判据融合改进　的２种方法，达到进一步提高判据裕度和适用范　围的目的。　１　小波包相对能量因子选线　通过文献［８］可知，当配电网系统发生单相接　地故障时，故障暂态零序电流幅值比健全线路零　序电流幅值较大，为了进一步扩大故障边界，常采　用小波包提取暂态特征频带信号作为特征量进行　故障选线。小波包分析既能对低频部分进行分　析，也能对高频部分进行分析，因此具有较高的时　频分辨率　。它可分为小波包分解与小波包重　构两部分，其原理如下所示：　ｆ　＝∑ｈｋ－２￣　Ｊ　（１）　ｌ　’　”　＝∑ｇｋ—　－２１ｄｊ　－　＝∑（　以。一ｇｋ－２１ｄｊ　，　”　）　（２）　式中：ｈ　，ｇ　分别表示为小波包分解的低通、　高通滤波器系数；ｈ　，蓄　分别表示为小波包重　构的低通、高通滤波器系数；　’　，　。　分别表示　为小波包分解系数；Ｚ表示为空问位置变量；Ｊ．表示　为尺度指标；ｎ表示为频域指标；ｋ表示为变量；　表示为小波包重构系数。　若对原始信号进行　层分解与重构，则在第　层可得到２　个节点，即能分解和重构成２　各频带　信号。其中小波包分解与重构后的第　节点能量　Ｅ（　）…　可表示为：　Ｅ（ｉ）＝　，ｌ　ｌ　（３）　７　文献［５］１１在根据能量最大值原则确定暂态　零序电流特征频带的基础上提出了基于特征频带　能量大小故障选线法，此方法存在各线路特征频　带不一致的问题，且判据裕度不足。因此，本文针　对第一个问题提出一种新的特征频带提取方法：　若按能量最大值原则选取的各线路暂态零序电流　特征频带一致时，则以此时各线路暂态零序电流　能量最大的频带为特征频带；当按能量最大值原　则选取的各线路暂态零序电流特征频带不一致　时，以按能量最大值原则选取暂态零序电压下的　频带作为特征频带。针对判据裕度不足的问题，　本文在特征频带新选择方案的基础上提出一种小　波包相对能量因子选线法，以拉大故障线路与健　全线路的边界，尤其是故障架空线路与正常电缆　线路的故障边界，其公式如下所示：　Ｐ　＝Ｅ　／　Ｅ　（４）　Ｐ　：　（５）　ｍ—ｌｊ　≠　ｐｉ　式中：ｍ表示系统出线条数；Ｅ　为线路ｉ特征频带　的能量；Ｐ　为第ｉ条线路特征频带能量占总能量的　比率；Ｐ　为第ｉ条线路的相对能量因子。　通过上式求得的故障线路相对能量因子将远　远大于健全线路相对能量因子。为了方便设定判　据阈值，需对Ｐ　进行归一化处理得到能量参数如　下所示：　Ｐ—ｍｉｎ｛Ｐ｛　Ｑｔ　而丁　＿　（６）　因此可知故障线路能量参数为１，而健全线路　能量参数将接近于０，此方法可通过设定适宜的阀　值进行故障判别，且可看出其判据裕度较高，不易　发生误判。　２小波包新相关性选线　通过文献［８］２２可知，当配电网系统发生单　相接地故障时故障暂态零序电流方向与健全线路　零序电流方向相反，基于此原理，文献［６］１７提出　第８期　李臻，等：基于暂态电流方向和能量的故障选线法　１５　了基于小波包相关性选线方法，利用相关系数函　数来表征故障线路与健全线路特征频带信号方向　近似相反，即当两线路均为健全线路时，两线路相　关系数接近于１，而当两线路有一条为故障线路时　两线路相关系数接近于一１。为了更能突显故障　边界，本文在特征频带新选择方案的基础上提出　了一种方向参数的概念，以刻画两波形相位的差　异，公式如下所示：　．，　（ｎ），　（ｎ）　＝　———一　（７）　１∑Ｉｉ（ｎ）‘（ｎ）ｌ　式中：，　，，　分别表示线路ｉ√暂态零序电流特征频　带信号；Ｏ／　，表示为这两信号之间的方向参数；Ｎ为　信号数据长度；ｎ＝１表示故障发生时刻。　通过公式可知，当两波形方向近似相反即相　位差接近１８０。时，此两波形的方向参数为一１，而　两波形相位差接近０。时，此两波形的方向参数为　１。若通过公式（８）所得综合方向参数来表征故障　线路与健全线路的区别，则可知故障线路的综合　方向参数为一１，而不是接近于一１，健全线路的综　合方向参数为　之，而不是接近于　，因此　可知此方法相比传统小波包相关系数法在一定程　度上提高判据裕度。　１　ｍ　＝　ｍ一　ｆ　∑　≠‘　（８）　式中：　表示为线路ｉ的综合方向参数。　３　二维信息融合故障判据原理　通过上述分析可知，当谐振接地系统发生单　相接地故障时，本文所提的２种判据均能很好地　判别出故障线路，但为了能进一步提高保护判据　裕度，本文提出了二维判据概念融合这２种判据。　现以线路能量参数为横坐标，线路综合线路　参数为纵坐标。因健全线路的能量参数接近于０，　＇　其综合方向参数为　ｌ／２一上　，而故障线路的能量参　数为１，其综合方向参数为一１，因此，可知故障线　路在二维空问上的点近似为（１，一１）。而健全线　一　路在二维空间上的点近似为（０，　），因此以　ｍ—ｌ　坐标点（１，一１）为参考点，利用第ｉ条线路所表示　的二维坐标点（Ｑ　，　）与此点的距离ｄ　作为故障　判别条件，此距离可简称为第ｉ条线路特征距离，　计算公式如下所示：　ｄ　＝√（Ｑ　一１）　＋（　＋１）　（９）　通过此二维判据可知，故障线路特征距离接　近于０，而健全线路特征距离接近于　√１＋（　＋１）　，因此可通过设定阈值ｄ　。　以　进行判别故障，当线路特征距离大于此值时，可判　定此线路为健全线路，否则为故障线路。此融合　方法的具体判据流程图如图１所示，其中　、　分别为系统额定电压与零序电压。　＋　Ｕｏ＞０　１５Ｕ　●　取各线路暂态零序电流与零序电压ｆ　。　Ｉ　进行小波包分解与重构　＋　Ｉ通过本文特征频带选取法选择特征频带　Ｉ　以特征频带下的电流分量作为特征向量Ｉ　　ｆ●　●　求取备线路之间的方向参数　。　计算各线路相对能量因子　计算各线路的综合方向参数　计算各线路能量参数　１　０　计算各线路的特征距离ｄ　／／＼＼　Ｉｆｄ　Ｎ＼／Ｙ　ｔ　●　第　条线路为故障线路Ｉ　第ｉ条线路为健全线路　图１　二维判据故障选线流程图　４仿真结果与分析　４．１　仿真模型　本文基于ＡＴＰ仿真软件对１０　ｋＶ谐振接地系　统进行仿真模型搭建，如图２所示。其中线路１、　线路３、线路５分别为１０　ｋｍ、２５　ｋｍ、２０　ｋｍ的纯架　空线路，线路４、线路６分别为１０　ｋｍ、８　ｋｍ的纯电　缆线路，而线路２为１０　ｋｍ的架空一电缆混合线　路，其中架空段与电缆段均长５　ｋｍ。线路参数设　置具体值如表１和表２所示¨　；变压器以△／Ｙ的　方式连接，其额定变比为１１０　ｋＶ／ｌＯ．５　ｋＶ；消弧线　ｙ　Ｋ　／线路Ｌ　０．　８４，０．５８ｌ，一０．９８７，０．　６ｂ，Ｕ．．）￣ｕ＇－ｌ－Ｊ，／　Ｊ　线路　．．　＞　归一化小波包能量系数为『０．０００，０．１４ｌ，０．０００，　１．０００，０．００１，０．４２２］。而根据本文所提２种方法　；　Ｌ　］　线路，．　判据流程图可知本文所提出的综合方向参数为　图２谐振接地系统仿真模型图　表１　线路零序参数　［０．６０００，０．６０００，０．６０００，一１，０．６０００，０．６０００］，　能量参数为［０．００００，０．０２００，０．００００，１．００００，　０．００００，０．０７３］。通过这些结果可知本文所提２　种判据的裕度均比传统判据较高，尤其是基于小　波包相对能量因子选线法的能量参数判据。　为了验证本文所提２种单一判据的适应性，　现分别模拟架空线路１、电缆线路４、混合线路２发　生不同条件的单相接地故障，其对应的判别结果　分别如表３和表４所示。从表３结果町知，无论是　架空、电缆或者混合线路发生单相接地故障时，故　障线路的综合参数判据均为一１，而健全线路的综　合参数判据均为０．６，因此可知此方法拥有很好地　故障判据裕度，且受故障位置、故障合闸角、故障　电阻、网络结构影响较小，能很好地适用于结构较　４．２仿真验证与分析　复杂的谐振接地系统。而从表４结果可知，故障　线路能量参数为ｌ，各健全线路能量参数均接近于　０，因此可知判据裕度也较高，能很好地进行故障　判别，不易出现误判现象。相埘于这２种改进的　方法，传统方法所计算得到的结果如表５和表６　所示，通过这２个表中结果与表３、４结果进行对　为了简要说明本文所提２种单一判据的优越　性，可通过一组仿真实验进行对比分析。现模拟　线路４的９０％处发生了合闸角为３０。、故障电阻为　５　Ｉ２的单相接地故障，通过小波包ｄｂｌ２基函数进　行５层分解，按传统零序电流能量最大原理可知，　６条线路所对应的特征频带节点分别为（５，１　８）、　比，可明显看出本文提出的２种新颖判据相比传　表３　不同线路故障时各线路综合方向参数与判别结果　线路１　线路１　线路２　９０％　９０％　１Ｏ％　９０　Ｏ　４５　９０　５Ｏ　１．０００　０．０００　（）．００３　ｕ　Ｌ　５０Ｏ　５Ｏ　５Ｏ　１．０ＯＯ　１．０００　０　０２６　０　０００　０　Ｏ８２　０　２４５　０　０００　０　０００　０　０００　０　０９０　Ｏ　２０３　薹圮￣－ｉｆ－一　线路２　线路４　９０％　１Ｏ％　０　０００　０　０００　０　０００　０　０００　线路２　线路４　１．０００　线路４　９０％０　１０００　０．０００　０　０２５　０　０００　１．０００　０　０００　０　１２３　线路４　表６　不同线路故障时各线路能量系数与判别结果　表７　不同线路故障时各线路特征距离与判别结果　统选线方法判据具有更加明显的故障边界，具有　一通过上述仿真结果分析可知，本文所提２种　一疋的创新性。　判据均有很好的故障判据裕度，现利用二维　１８　电力科学与工程　２０Ｉ７征　判据结合这２种单一判据，求取得到的特征距离　结果如表７所示，经大量结果分析ｄ　可取０．８５。　通过表７可知，故障线路的特征距离为０，而健全　线路的特征距离均接近于１．９，因此，相比综合方　向参数判据与能量参数判据进一步提高了故障判　据裕度，更能适用于工况较复杂的配电网系统故　障选线。　５　结论　本文分别改进了小波包能量法与相关性法，　在此基础上提出了基于暂态电流方向和能量的故　障选线法。借助二维判据融合了新颖的综合方向　参数判据与能量参数判据，在很大程度上提高了　故障保护判据裕度，且不受系统网络结构、故障位　置、合闸角、故障电阻的影响，非常适用于工况较　复杂、结构较复杂的谐振接地系统故障选线。　参考文献：　［１］程乐峰，殷林飞，余涛．基于变频信号注入原理的　防带地线合闸检测装置设计［Ｊ］．电测与仪表，　２０１６，５３（２１）：１１５—１２３．　［２］林凌．注入变频信号法的消弧线圈自动测量补偿研　究［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１５．　［３］廖桂源，李彩林，施伟，等．基于ＥＭＤ聚类算法的　配电网单相接地故障选线方法［Ｊ］．电力科学与工　程，２０１４，３０（２）：５７—６１．　［４］赵建文，李科，随晓娜，等．多级数据模糊融合选　线新方法［Ｊ］．电力系统及其自动化学报，２０１６，　２８（２）：５６—６０．　［５］吴乐鹏．配电网单相接地故障选线与定位方法的研　究［Ｄ］．长沙：湖南大学，２０１２．　［６］熊姗霞，黄洪全，杨兆阳．基于小波包及相关分析　的故障选线方法［Ｊ］．计算技术与自动化，２０１３，　３２（３）：１６—１９．　［７］刘渝根，王建南，马晋佩，等．结合小波包变换和　５次谐波法的谐振接地系统综合故障选线方法　［Ｊ］．高电压技术，２０１５，４１（５）：１５１９—１５２５．　［８］吴丽娜，刘观起．谐振接地系统单相故障仿真与分　析［Ｊ］．电力科学与工程，２０１４，３０（７）：２１—　２６．　［９］韩晓娟，陈跃燕，张浩，等．基于小波包分解的混　合储能技术在平抑风电场功率波动中的应用［Ｊ］．　中国电机工程学报，２０１３，３３（１９）：８—１３．　［１０］卢芸，徐骏．基于小波包分解的风电混合储能容量　配置方法［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１６，４４　（１１）：１４９—１５４．　［１１］郭洪英．基于回复电压极化谱小波包变换的变压器　绝缘老化诊断方法［Ｊ］．电力系统保护与控制，　２０１６，４４（２４）：１７０—１７５．　［１２］康小宁，刘鑫，索南加乐，等．基于矩阵束算法的　经消弧线圈接地系统故障选线新方法［Ｊ］．电力系　统自动化，２０１２，３６（１２）：８８—９３．　作者简介：李臻（１９９２一），男，硕士研究生，研究方向为　电力系统运行与控制。