配電自動(dòng)化接地故障檢測(cè)中小波變換的應(yīng)用研究
在配電網(wǎng)中，接地故障發(fā)生率最高，因此幾十年來(lái)配電網(wǎng)接地保護(hù)一直深受關(guān)注。系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障信號(hào)中含有重要的暫態(tài)分量，假如采用傳統(tǒng)的信號(hào)分析方法如FFT、卡爾曼濾波、最小方差法和有限脈沖響應(yīng)濾波等都存在著局限性。另外在接地故障初期，接地點(diǎn)經(jīng)常伴隨著很大的接地電阻出現(xiàn)，各次諧波電流分量可能很小，這將影響選線(xiàn)裝置的靈敏度，造成現(xiàn)有的保護(hù)裝置正確動(dòng)作率低，不能滿(mǎn)足實(shí)際工程要求，因此必須選擇一個(gè)適合分析非平穩(wěn)信號(hào)，且有很強(qiáng)的處理微弱信號(hào)能力的信號(hào)處理方法。
小波分析［1，2］是近幾年掀起高潮的一個(gè)國(guó)際前沿領(lǐng)域，是在傅里葉變換基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的信號(hào)處理方法，它克服了傅里葉變換不能對(duì)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行時(shí)頻局部化分析的缺點(diǎn)，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行精細(xì)分析，特別是對(duì)暫態(tài)突變信號(hào)或微弱信號(hào)的變化較敏感。本文把小波變換引進(jìn)配電網(wǎng)接地故障檢測(cè)中，選用文獻(xiàn)［3］中的小波作為分析函數(shù)，利用小波變換后的小波系數(shù)構(gòu)成保護(hù)判據(jù)。通過(guò)實(shí)例仿真（EMTP），證實(shí)該判據(jù)可進(jìn)步保護(hù)裝置的正確動(dòng)作率，且有利于改善經(jīng)高電阻接地時(shí)裝置的動(dòng)作性能。
1 小波分析的有關(guān)理論［1，2］
設(shè)Ψ（t）∈L2（）是滿(mǎn)足答應(yīng)性條件的母小波，母小波通過(guò)平移和伸縮產(chǎn)生一個(gè)函數(shù)族，稱(chēng)其為連續(xù)小波：
其中 a是標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)；b是平移參數(shù)。
對(duì)于信號(hào)f（t）∈L2（），其連續(xù)小波變換為：
式中 a,b（t）是Ψa,b（t）的共軛。
本文選用文獻(xiàn)［4］中滿(mǎn)足答應(yīng)性條件快速衰減的復(fù)函數(shù)
為母小波，離散化后運(yùn)用遞推算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)信號(hào)為s（t），則在t=kT時(shí)刻的小波變換系數(shù)Ws,Ψ（kT,f）（f是小波標(biāo)準(zhǔn)，T是采樣間隔）可由遞推公式（2）得出［3］。
Ws,Ψ（kT,f）=T｛δ1s［（k-1）T,f］+δ2s［（k-2）T,f］+δ3s［（k-3）T,f］+
δ4s［（k-4）T,f］+δ5s［（k-5）T,f］｝-λ1Ws,Ψ［（k-1）T,f］-λ2Ws,Ψ［（k-2）T,f］-
λ3Ws,Ψ［（k-3）T,f］-λ4Ws,Ψ［（k-4）T,f］-λ5Ws,Ψ［（k-5）T,f］-
λ6Ws,Ψ［（k-6）T,f］ （2）
若令A(yù)=e-fT（σ-iω0）,其中σ=2π/,ω0=2π
則：
圖1是母小波在時(shí)域內(nèi)的波形及其幅頻特性。
（a）母小波在時(shí)域內(nèi)不波形 （b）母小波的幅頻特性
圖1 母小波在時(shí)域內(nèi)的波形及幅頻特性
Fig.1 Time domain waveform
and Fourier transform of the wavelet
2 小波變換的具體應(yīng)用
配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)，其故障特征主要表現(xiàn)在母線(xiàn)零序電壓和各出線(xiàn)零序電流上。本文利用所選的小波基對(duì)母線(xiàn)零序電壓和各出線(xiàn)零序電流進(jìn)行基波的小波系數(shù)提取，構(gòu)成判據(jù)。設(shè)nT時(shí)刻母線(xiàn)零序電壓基波的小波系數(shù)為Wus（nT），第j路出線(xiàn)零序電流基波的小波系數(shù)為Wis,j（nT）（j是出線(xiàn)編號(hào)，j=1,2,3,…；T是采樣間隔；n是正整數(shù)），則選線(xiàn)判據(jù)為：
該判據(jù)能實(shí)現(xiàn)多條接地線(xiàn)的選線(xiàn)，若有一條或多條出線(xiàn)滿(mǎn)足式（3）時(shí)，滿(mǎn)足條件的出線(xiàn)均為故障線(xiàn)，若所有出線(xiàn)都不滿(mǎn)足式（3），則為母線(xiàn)故障。
圖2是配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的零序故障分量等效系統(tǒng)圖。從圖中可以看出，故障線(xiàn)的Yj（nT）較健全線(xiàn)的Yj（nT）大，因而只需選定整定值就能進(jìn)行選線(xiàn)。每回出線(xiàn)的整定值Kzd,j根據(jù)具體的系統(tǒng)而定。
圖2 零序故障分量等效系統(tǒng)圖
Fig.2 Zero-sequence network
本文的保護(hù)判據(jù)從理論上說(shuō)不受最低采樣率的限制，但因小波判據(jù)是一種波形判據(jù)，若采樣率過(guò)低有可能會(huì)導(dǎo)致丟失或降低故障突發(fā)時(shí)特征信號(hào)的奇異性，這樣保護(hù)靈敏度就會(huì)嚴(yán)重下降，甚至無(wú)法提供保護(hù)；采樣率高意味著能較好地保持波形特征，但對(duì)硬件的要求也將進(jìn)步。兼顧硬件的性能（包括A/D芯片的轉(zhuǎn)換速度、RAM的存儲(chǔ)量、CPU的計(jì)算速度等）和更好地保持故障信號(hào)的特性，應(yīng)采用的采樣率須權(quán)衡定奪。本文選用2000 Hz作為故障檢測(cè)的采樣率。
3 實(shí)例仿真及選線(xiàn)結(jié)果分析
在本文的研究過(guò)程中，借助EMTP對(duì)中性點(diǎn)接地方式不同的實(shí)際10 kV系統(tǒng)進(jìn)行了大量仿真，在各種接地方式下具體仿真了經(jīng)過(guò)渡電阻接地、母線(xiàn)接地和自熄弧放電等情況。仿真時(shí)考慮了很多因素，如改變出線(xiàn)R/X的大小、改變電源的相角，改變出線(xiàn)的回路數(shù)和是非線(xiàn)的間隔、改變接地電阻和接地位置、改變負(fù)荷的輕重和不對(duì)稱(chēng)度（用恒流源實(shí)現(xiàn)），除此之外還考慮了并聯(lián)電容器非同期合閘、投退出線(xiàn)對(duì)選線(xiàn)保護(hù)的影響等。下面僅就中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)對(duì)本文判據(jù)的性能進(jìn)行說(shuō)明，系統(tǒng)接線(xiàn)圖如圖3。線(xiàn)路參數(shù)為：線(xiàn)路長(zhǎng)度l1=28.708 km,l2=34.304 km,l3=44.988 km,l4=37.000 km;正序阻抗Z1=（0.17+j0.38） Ω/km,正序容納b1=3.045 μS/km，零序阻抗Z0=（0.23+j1.72） Ω/km，零序容納b0=1.884 μS/km;系統(tǒng)短路功率為1096 MVA；變壓器SFSZ8—31500/110的短路電壓uk1-2=10.5%,uk1-3=17.5%,uk2-3=6.5%。
圖3 小電流接地系統(tǒng)仿真實(shí)例
Fig.3 The grounded-system network
3.1 單相接地故障檢測(cè)
圖4～圖7分別列出t=0 s時(shí)L4線(xiàn)路A相在距母線(xiàn)6 km處發(fā)生經(jīng)過(guò)渡電阻10 Ω，20 kΩ接地，自熄弧故障及母線(xiàn)經(jīng)過(guò)渡電阻接地的檢測(cè)情況。
圖4 L4線(xiàn)路A相經(jīng)10 Ω電阻單相接地
Fig.4 Earth-fault through 10 Ω
on A-phase in line L4
圖5 L4線(xiàn)路A相經(jīng)20 kΩ電阻單相接地
Fig.5 Earth-fault through 20 kΩ
on A-phase in line L4
圖6 L4線(xiàn)路A相10 ms自熄弧故障
Fig.6 Arcing-grounded fault
on A-phase in line L4
圖7 A相母線(xiàn)單相接地
Fig.7 Earth-fault in A-phase bus
從圖4～圖7中看出，在發(fā)生L4線(xiàn)路故障時(shí)，L4線(xiàn)路即j=4時(shí)的Yj（nT）最大，且較其它出線(xiàn)（j=1,2,3）的Yj（nT）大很多，而發(fā)生母線(xiàn)接地故障時(shí)，所有出線(xiàn)的Yj（nT）都很小，因此選定一個(gè)門(mén)坎值后就能正確檢測(cè)故障線(xiàn)。另外由圖4、圖5還可看出，本文判據(jù)受過(guò)渡電阻的影響較小，這樣就能進(jìn)步經(jīng)高電阻接地時(shí)故障檢測(cè)的可靠性。若選定門(mén)坎值為0.0002，第10個(gè)采樣點(diǎn)（即1/4周期）以后即可正確判定。
3.2 兩相接地故障檢測(cè)
圖8～圖10分別是L4出線(xiàn)AB相間短路接地、L4線(xiàn)路A相、B相不同點(diǎn)經(jīng)過(guò)渡電阻接地、L4線(xiàn)路A相和L3線(xiàn)路B相經(jīng)過(guò)渡電阻接地時(shí)故障檢測(cè)情況。
圖8 L4線(xiàn)路AB相間短路接地
Fig.8 Earth-fault between A-phase
and B-phase in line L4
圖9 L4線(xiàn)路A相、B相不同點(diǎn)經(jīng)過(guò)渡電阻接地
Fig.9 Earth-fault through resistance
on A-phase and B-phase at different points
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