基于小波包分析的配電網(wǎng)故障選線新判據(jù)

基于小波包分析的配電網(wǎng)故障選線新判據(jù)

0基于暫態(tài)高頻零序瞬時(shí)功率的配電網(wǎng)故障選線新判據(jù)中國(guó)的輸電網(wǎng)通常采用中性點(diǎn)不接地（nus）、中性點(diǎn)高阻接地（nms）或中性點(diǎn)消弧圈接地（nes），統(tǒng)稱(chēng)為小電流接地系統(tǒng)。由于小電流接地系統(tǒng)單相接地時(shí)故障電流為線路對(duì)地電容電流,數(shù)值非常小,這一小電流又疊加在數(shù)值較大的負(fù)荷電流上,很難準(zhǔn)確檢出;同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾相對(duì)很大,使得檢測(cè)出的故障信號(hào)中信噪比非常低;而故障狀況受電網(wǎng)參數(shù)、故障時(shí)刻等多種因素的影響,形式多變,造成了小電流接地電網(wǎng)選線的困難。現(xiàn)有的故障選線方法,大體分為基于穩(wěn)態(tài)電氣量法和基于暫態(tài)電氣量法[3~5]兩類(lèi)。對(duì)于小電流接地系統(tǒng),故障線路的序電流較小,采用穩(wěn)態(tài)電氣量很難確定其幅值的定值,從而降低了選線的可靠性;對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)系統(tǒng),基頻相位關(guān)系不再有效,通過(guò)比較各饋線故障信號(hào)中基波與母線零序PT測(cè)量電壓對(duì)應(yīng)分量的相位關(guān)系來(lái)選擇故障線路可靠性仍得不到保證。本文針對(duì)現(xiàn)有選線方法的不足,將小波包分析用于配電網(wǎng)故障選線中,提出了一種基于暫態(tài)高頻零序瞬時(shí)功率的配電網(wǎng)故障選線新判據(jù),以提高故障選線的可靠性與正確率。仿真表明該選線方法對(duì)接地阻抗、故障距離、短線遠(yuǎn)端接地等故障均能準(zhǔn)確判斷,且不受中性點(diǎn)接地方式、故障接地時(shí)刻等因素的影響,具有良好的通用性。1小波包基分析小波分析是一種用于分析暫態(tài)信號(hào)的優(yōu)秀的時(shí)頻分析工具,它能夠把任何信號(hào)投影到一個(gè)由小波伸縮而成的基函數(shù)(即小波基)上,可以清晰地表示故障狀態(tài)信號(hào)在某頻段的時(shí)域特征,為故障選線進(jìn)行深層信息處理提供條件。設(shè)為一小波基函數(shù),則信號(hào)x(t)的連續(xù)小波變換的定義為:其離散表達(dá)式為:小波分解過(guò)程只分解信號(hào)的低頻部分。小波包分析彌補(bǔ)了小波分析只分解信號(hào)低頻部分而對(duì)高頻部分不再進(jìn)行分解這一不足,可以根據(jù)信號(hào)特性和要求在一定頻域內(nèi)任意選擇分辨率。小波包是建立在小波變換的基礎(chǔ)上的。其定義為:選擇已知的正交尺度函數(shù)?(x)及對(duì)應(yīng)的小波基(即共軛濾波器系數(shù)){kh}和{gk},有雙尺度方程如下:記μ0=?(x),μ1=ψ(x),則由下面的遞推關(guān)系定義μn。2容性無(wú)功率方向一個(gè)簡(jiǎn)單的小電流接地系統(tǒng)模型如圖1所示。設(shè)線路L1上發(fā)生A相單相接地故障,網(wǎng)內(nèi)電容電流分布發(fā)生變化如圖1中箭頭所示。其零序等效網(wǎng)絡(luò)圖由各條線路的電阻、電感和對(duì)地電容等元件組成,如圖2所示。由圖2可知,在非故障線路上的零序電流,其數(shù)值等于本身的對(duì)地電容電流,幅值較小,容性無(wú)功功率方向?yàn)閺哪妇€流向線路。對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)(圖2中不包含IL支路),故障線路零序電流(即保護(hù)測(cè)量的零序電流)為系統(tǒng)所有非故障線路對(duì)地電容電流之和,數(shù)值較大,容性無(wú)功功率的方向?yàn)橛晒收暇€路流向母線;而對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)(圖2中包含IL支路),由于補(bǔ)償電流的存在,使得故障線路始端的零序電流中增加了一個(gè)感性電流分量,流經(jīng)線路始端的總零序電流減小,且在過(guò)補(bǔ)償方式下,基頻零序電流將反向,使得故障線路始端的容性無(wú)功功率的方向改變,變?yōu)閺哪妇€流向線路。當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障的瞬間,由于線路分布電感和分布電容的存在,會(huì)產(chǎn)生短暫的電容充放電電流。對(duì)于故障相,由于相電壓突然降低,引起故障相對(duì)地電容放電且放電電流頻率比較高;而非故障相由于相電壓升高,會(huì)產(chǎn)生充電電流,充電電流主要由電源電感提供,故其充電電流頻率較低。因此故障瞬間的暫態(tài)信號(hào)中含有多種頻率成分,導(dǎo)致暫態(tài)量比穩(wěn)態(tài)量大很多倍。3故障選線邏輯從以上對(duì)配電網(wǎng)單相接地故障特征的分析可知,在接地瞬間,故障信號(hào)的暫態(tài)高頻分量中含有豐富的故障信息,且暫態(tài)分量的幅值比穩(wěn)態(tài)量要大得多。鑒于小波包分析可以進(jìn)行高頻段的多分辨分析,因此以小波包分析為工具,對(duì)暫態(tài)高頻分量進(jìn)行多尺度分解,通過(guò)比較故障線路與非故障線路的相關(guān)特征選擇故障線路。單相接地故障發(fā)生后的暫態(tài)過(guò)程中,對(duì)于非母線故障,故障線路高頻瞬時(shí)功率與非故障線路高頻瞬時(shí)功率時(shí)刻反向,大小為所有非故障線路(包括變壓器出線端)瞬時(shí)功率大小的和。據(jù)此給出如下故障選線主判據(jù)(式1)與副判據(jù)(式2)。其中:i=1,2,…,L為線路編號(hào),L為線路總條數(shù);k=1,2,…,N為選線頻帶序列點(diǎn)編號(hào),N為總點(diǎn)數(shù);WTPi(k)為第i條線路小波包分解后第k點(diǎn)瞬時(shí)功率;kmax為幅值最大瞬時(shí)功率對(duì)應(yīng)點(diǎn)位置。故障選線邏輯按如下步驟進(jìn)行。1)取故障后母線零序電壓與各線路零序電流第一周波數(shù)據(jù),選擇db3小波作為小波基,進(jìn)行a=int(log2N)-1層小波包分解至頻帶寬度為100~200Hz之間,具體視采樣頻率而定,其中,N為每周波的采樣點(diǎn)數(shù)。2)去掉最低頻(a,0)部分,重構(gòu)所有高頻頻帶母線零序電壓系數(shù),并計(jì)算各頻帶母線零序電壓的能量,選擇能量最大的頻帶作為選線頻帶。3)重構(gòu)選線頻帶各線路零序電流,計(jì)算零序功率。4)求各條線路(包括變壓器出線端)瞬時(shí)功率的代數(shù)和作為母線瞬時(shí)功率,對(duì)母線瞬時(shí)功率求平均取絕對(duì)值,如果結(jié)果大于設(shè)定值,則母線發(fā)生接地故障;否則計(jì)算主判據(jù)。5)計(jì)算主判據(jù)。如果只有一條線路異號(hào),則該線路即為故障線路;否則計(jì)算副判據(jù)。6)計(jì)算副判據(jù),選擇暫態(tài)瞬時(shí)功率幅值最大的線路,該線路即為故障線路。4瞬時(shí)功率仿真仿真模型為Matlab/Simulink環(huán)境下的一個(gè)11kV(母線)配電系統(tǒng),如圖3所示。仿真時(shí)間長(zhǎng)度為0.1s,采樣頻率為4800Hz,ode15s方式。其中發(fā)電機(jī)電壓為63.5kV,電阻為0.724Ω,電感為0.0192H;變壓器容量為38×110MVA,變比為110/11,接法為Δ/Yn,原副邊參數(shù)分別為:電壓110/11kV,電阻4.08/0.0337(p.u),電感63.53/0.525(p.u);消弧線圈電阻為6.777Ω,電感為0.7197H,過(guò)補(bǔ)償度為10%;5條線路的正序和零序參數(shù)均分別為:電阻0.45/0.70Ω/km,電感1.1714e-3/3.9065e-3H/km,對(duì)地電容61e-9/38e-9F/km,5條線路長(zhǎng)度分別為18、20、10、16、6km;各負(fù)載均為0.64+j0.48MW,電壓為11kV,為Y型不接地。條件1:中性點(diǎn)不接地,0.01875s時(shí)線路L2發(fā)生單相接地故障,接地阻抗為5kΩ高阻接地,故障距離為19km/20km長(zhǎng)線遠(yuǎn)端(相電壓過(guò)零時(shí)長(zhǎng)線遠(yuǎn)端發(fā)生高阻接地);條件2:中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),10%過(guò)補(bǔ)償,0.0268s時(shí)線路L5發(fā)生單相接地故障,接地阻抗為100Ω,故障距離為5.5km/6km;條件3:中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地,10%過(guò)補(bǔ)償,0.0075s時(shí)母線發(fā)生接地故障,接地阻抗為100Ω(為母線單相接地故障情況)。三種條件下仿真結(jié)果分別如圖4、5、6所示。圖中FigureA為母線消耗的瞬時(shí)零序功率,FigureB為母線電壓各頻段的能量,FigureC為各線路在母線零序電壓能量最高頻帶內(nèi)的重構(gòu)信號(hào),FigureD為各線路在母線零序電壓能量次最高頻帶內(nèi)的重構(gòu)信號(hào)。從圖4~圖6中可看出,當(dāng)母線沒(méi)有發(fā)生故障,母線消耗的瞬時(shí)功率即所有線路瞬時(shí)功率的代數(shù)和始終為零,當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí),母線消耗的瞬時(shí)功率明顯大于較大。以母線零序電壓能量最高頻帶為選線頻帶進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)的選線結(jié)果能正確地選出故障線路,以母線零序電壓能量次最高頻帶為選線頻帶進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)正確選線,只是瞬時(shí)功率幅值稍有減小。選擇能量最大的頻帶做為選線頻帶是有效的。條件4:中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地,10%過(guò)補(bǔ)償方式,0.01875s時(shí)線路L2發(fā)生單相接地故障,此時(shí)故障相電壓為-0.582kV,近似過(guò)零,接地阻抗為5kΩ,故障距離為19km/20km,分別采用傳統(tǒng)的零序穩(wěn)態(tài)電流、零序低頻暫態(tài)電流及本文提出的高頻暫態(tài)瞬時(shí)功率為判據(jù)選擇故障線路的仿真結(jié)果如圖7、圖8和圖9所示。由圖7~9可以看出,在比較惡劣的情況下,傳統(tǒng)基于零序電流幅值方向選線判據(jù)及基于小波分析的零序電流幅值方向選線判據(jù)均失效,而本文提出的基于高頻暫態(tài)瞬時(shí)功率選線判據(jù)仍然能夠準(zhǔn)確選線。5高頻暫態(tài)斷線判據(jù)本文在分析配電網(wǎng)故障特征的基礎(chǔ)上,提出了一種基于暫態(tài)高頻零序瞬時(shí)功率的配電網(wǎng)故障選線新判據(jù),以幅值最大高頻暫態(tài)瞬時(shí)功率的符號(hào)作為主判據(jù),以大小作為副判據(jù),由此選出故障線路。該判據(jù)與現(xiàn)有故障選線判據(jù)相比有以下優(yōu)點(diǎn):(1)基于瞬時(shí)量,克服了以往選線方法中因?yàn)榍蠓?/p>