基于EMD和注入法結(jié)合的諧振接地選線研究

王林川，李會杰，杜 冰，韓寶國

(東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林 132012)

基于EMD和注入法結(jié)合的諧振接地選線研究

王林川，李會杰，杜 冰，韓寶國

(東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林 132012)

針對暫態(tài)選線方法在相電壓過零時信號微弱的問題，提出利用注入信號法與基于經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?EMD)的暫態(tài)法結(jié)合的選線方法，利用故障線路次高頻分量IMF2在故障后首次達到波峰時刻極性與非故障線路相反進行選線;電壓過零時，利用注入特定頻率信號在各出線檢測該信號暫態(tài)幅值實現(xiàn)選線。經(jīng)故障選線仿真試驗表明，該選線方法適用于任意故障條件，選線準確，安全可靠。

纜－線混合;小波去噪;EMD;IMF2;注入法

0 引言

目前，單相接地故障占配電網(wǎng)故障的80%以上。隨著中國經(jīng)濟水平的提高，配電網(wǎng)中的纜－線混合線路比例逐漸增大。由于電纜對地電容較架空線路更大，所以近年來以中性點經(jīng)消弧線圈接地的諧振接地方式應(yīng)用居多。單相接地故障電流小，不影響對負荷的連續(xù)供電，故規(guī)程允許系統(tǒng)帶故障運行1～2 h，但是故障的持續(xù)有可能引發(fā)相間短路或三相短路等更為嚴重的事故［1］。因此有必要及時消除故障，以確保供電的可靠性。

在現(xiàn)有的選線方法中，可以分為基于故障信息和外加診斷信號兩大類，其中基于故障信息又可分為基于穩(wěn)態(tài)信息和暫態(tài)信息兩種情況。在早期，許多學者提出了多種選線方法，有些已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)場之中［1－2］。但是這些方法沒有一種能夠適應(yīng)小電流接地的各種情況。與穩(wěn)態(tài)信息相比，暫態(tài)信號中含有豐富的故障信息，因此近幾年的選線研究大多是基于故障暫態(tài)信息進行的?；跁簯B(tài)信號的檢測方法具有較高的靈敏性和可靠性，并且在高阻接地和弧光接地故障引起的多過渡過程中均適用，唯一的弊病就是當故障發(fā)生在相電壓過零時，暫態(tài)信號極其微弱，使得基于暫態(tài)信息的選線方法有可能失效。而信號注入法正好可以克服此弱點，當故障發(fā)生在相電壓過零時，向暫時閑置的電壓互感器二次側(cè)故障相注入一個特定頻率的電流信號，觀察各出線此特定頻率信號的強度，從而實現(xiàn)選線。

本文通過綜合利用上述兩種方法，提出了信號注入法和基于EMD的暫態(tài)方法相結(jié)合的選線方法，以實現(xiàn)優(yōu)勢互補。同時指出對待分解的暫態(tài)信號進行小波去噪，以使分解出的高頻分量更為精確。最后利用Matlab對相電壓過零與不過零時刻發(fā)生故障進行數(shù)字仿真，驗證了該選線方法的可行性。

1 諧振接地系統(tǒng)暫態(tài)電流特性

諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的等效電路如圖1所示。

圖1 單相接地暫態(tài)過程等效電路

根據(jù)圖1可寫出下面的方程式:式中UΦm為相電壓幅值。根據(jù)式(1)可得暫態(tài)電容電流iC與暫態(tài)電感電流iL為

暫態(tài)電流由放電電容電流和充電電容電流組成。前者經(jīng)對地電容流入大地，衰減迅速，稱為暫態(tài)電容電流;后者經(jīng)變壓器或發(fā)電機中性點分配到非故障相，再經(jīng)對地電容流入大地，衰減較慢，稱為暫態(tài)電感電流。對于諧振接地系統(tǒng)，還包括消弧線圈本身產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)電感電流和暫態(tài)電感電流［3］。從式(2)和式(3)看以看出，當故障發(fā)生在相電壓接近于最大值瞬間時，iC較iL大很多，而且暫態(tài)電流的頻率也很高，這時流過消弧線圈的電流很小，對暫態(tài)量不起作用。所以在故障初期，iL與iC是不能互相補償?shù)?，其暫態(tài)接地電流的特性主要是由iC所決定。

根據(jù)以上分析，當故障發(fā)生在相電壓接近最大值時，應(yīng)該提取暫態(tài)電流進行分析，避免了穩(wěn)態(tài)電流因消弧線圈補償而幅值較小的現(xiàn)象。

2 EMD分析方法

2.1 經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?/h3>

EMD是1998年由N.E.Huang提出的一種新的信號處理方法［4］，它通過對信號的“篩選”將信號分解成不同頻率的IMF分量。IMF具有兩個特點:第一，IMF的極值數(shù)與過零點的數(shù)目相等或者最多相差一個;第二，在任意時刻，IMF的上、下包絡(luò)線的均值必須是零。EMD分解過程如下:

1)根據(jù)信號x(t)的局部極大值和局部極小值求出其上下包絡(luò)線的平均值m1。

2)將原數(shù)據(jù)序列減去平均包絡(luò)后得到h1=x(t)－m1;判斷h1是否為IMF，若不是則將h1看作新的x(t)，重復上述處理過程，直到h1滿足IMF條件時，記 c1=h1，視為 IMF1。

3)將r1=x(t)－m1看作新的x(t)，重復以上步驟1)和 2)，即可依次得到 IMF2、IMF3、…，直到cn或r滿足給定的終止條件時篩選結(jié)束;最后，原始數(shù)據(jù)序列可表示為

式(4)說明原信號被分解成了頻率從大到小排列的n個IMF分量和一個趨勢項之和。因此“篩選”的過程實際上是將原始數(shù)據(jù)序列分解為各種不同特征波動序列的疊加［5］。

2.2 EMD分析選線方法

由上述可知，EMD分解是根據(jù)信號本身信息進行的自適應(yīng)分解，分解出的高頻分量(即IMF分量)有很高的分辨率，可以用它來提取信號的奇異信息。本文經(jīng)過多次仿真試驗，得知高頻分量IMF1中含有多余冗余分量，相比而言，次高頻分量IMF2中包含大量故障暫態(tài)信息，故選取各線路EMD后的IMF2分量進行極性比較。具體步驟如下:

1)對各線路零序電流進行EMD分解，求取各IMF分量。

2)作為暫態(tài)方法，提取各線路故障后1/4周期的次高頻分量IMF2波形。

3)觀察IMF2波形，自故障時刻起，首次達到波峰時進行極性比較。

4)其中一條線路的IMF2的極性與其它三條不同，則判定為故障線路。

當故障發(fā)生在相電壓過零時，暫態(tài)零序電流極其微弱，以至于EMD分解后得到的次高頻分量IMF2奇異時刻值很小，此時采用上述方法有可能造成誤選。

3 小波去噪

由于電力系統(tǒng)現(xiàn)場環(huán)境復雜，故障錄波器采集到的信號存在噪聲，因此，提高選線的準確性，必須對零序電流進行EMD之前做去噪處理，以消除這些噪聲。

對信號的去噪實質(zhì)上是抑制信號中的無用部分，增強有用部分的過程。連續(xù)小波變換的冗余特性使其具有很好的去噪性能［6］，本文使用連續(xù)小波變換進行去噪，具體步驟如下:

1)選擇一個小波函數(shù)并確定分解的層數(shù)。

2)小波分解高頻系數(shù)的閾值量化。

3)一維小波重構(gòu)。

本文使用sym8小波進行三層分解，用heursure軟閾值進行小波系數(shù)閾值量化，實現(xiàn)對零序電流的去噪處理，使接下來的EMD分解得到更為精確的結(jié)果。故障線路零序電流小波去噪前后對比如圖2所示。

圖2 故障線路零序電流小波去噪前后對比

4 注入信號法

注入信號法是1997年由山東工業(yè)大學桑在中教授提出的選線定位新方法［7］。注入信號法示意圖如圖3所示。

由圖3可見，當線路發(fā)生單相接地故障后，通過閑置的電壓互感器二次側(cè)向系統(tǒng)注入特定的頻率電流信號，該信號感應(yīng)到一次側(cè)，并通過接地點、分布電容等形成回路。該方法的關(guān)鍵是注入信號頻率的選擇，保證大部分注入信號沿故障線路的接地相流動并經(jīng)故障點入地，而且要躲過工頻及各次諧波的干擾。桑在中教授的試驗中用的是220 Hz電流信號，通過信號探測器檢測各出線故障相中220 Hz電流信號的強度，選出故障線路。由于對應(yīng)該頻率的現(xiàn)場設(shè)備比較成熟，故本文也選取220 Hz作為注入信號頻率。

圖3 注入法注入信號流通路徑示意圖

在采集220 Hz電流信號時用Matlab中自帶的2階濾波器進行濾波，首先裝設(shè)50 Hz帶阻濾波器，濾除工頻信號，再串接20 Hz帶通濾波器，以獲得噪聲很小的20 Hz信號。但是，當接地點經(jīng)較大過渡電阻接地，或者發(fā)生弧光接地時，注入的信號電流被其它線路嚴重分流，導致故障線路中220 Hz頻率信號微弱，可能引起誤判。

5 EMD和注入信號法結(jié)合的故障選線仿真驗證

鑒于以上對暫態(tài)極性比較方法易受電壓過零時故障的困擾，但在其它情況下適用于各種接地方式;而注入信號法不受電壓過零影響，但是易受過渡電阻過大干擾的特點，故將上述兩種方法相結(jié)合，形成一種新的選線方法。電壓不過零時，先用小波法對零序電流信號去噪，然后用EMD分解各線路零序電流，提取各線路次高頻分量IMF2波形，比較故障后首次到達波峰時刻各線路IMF2極性，極性相反的一條為故障線路;當電壓過零時故障，應(yīng)在不受暫態(tài)電流干擾時注入特定頻率的恒流信號，在母線出口檢測各線路注入信號的暫態(tài)幅值，幅值最大的判定為故障線路。

圖4是利用Matlab搭建的諧振接地系統(tǒng)單相接地數(shù)字仿真模型。該模型包含4條饋線的35 kV線路，其中L3為纜－線混合線路，消弧線圈補償度為8%，接地過渡電阻為20 Ω，L4分別在t=0.027 4 s(電壓接近于最大值時)和t=0.032 4 s(電壓過零)時發(fā)生A相接地故障。仿真時間為0.2 s，為了躲過暫態(tài)電流信號對注入信號的干擾，選擇t=0.1 s時，向母線A相注入幅值為10 A的220 Hz恒流信號，并利用 Matlab中自帶的2階濾波器進行采集。

圖4 諧振接地系統(tǒng)單相接地故障模型

當t=0.032 4 s時，電壓接近最大值。圖5為故障線路L4經(jīng)EMD分解后的各IMF分量。

圖5 故障線路EMD分解結(jié)果

由圖5可知，各IMF分量是嚴格按照頻率由高到低排列。IMF1在故障時刻附近高頻成分最為密集，含有大量冗余信息。而IMF2含有的故障信息較為準確。故對各線路故障后1/4周期IMF2分量進行提取，結(jié)果如圖6所示。

圖6 各線路故障后1/4周期IMF2比較

由圖6可知，t=0.027 8 s為故障后波峰首次到達的時間，此時各線路IMF2值如表1所示。

表1 各線路IMF2值

由表1可知，線路4的極性與其它三條相反，故可判斷L4為故障線路，選線正確。

當t=0.032 4 s時，電壓過零，此時的零序電流幅值下降比較明顯。表2是各線路在故障時刻附近的暫態(tài)電流幅值。

表2 各線路暫態(tài)電流幅值 A

由表2可知，相電壓過零時的幅值下降為相電壓不過零時的5～10倍。圖7是相電壓過零時各線路IMF2分量對比。

圖7 電壓過零時各線路高頻IMF1分量對比

從圖7可以看出，相電壓過零導致了暫態(tài)分量減小，同時，也使各線路IMF2分量的奇異性難以判定，可能導致錯選或誤選。因此，此時應(yīng)參考各線路檢測到的220 Hz注入信號的幅值大小進行選線，如圖8所示。

圖8 電壓過零時各線路20 Hz信號對比

由圖8可以看出，在t=0.1 s附近線路4的220 Hz電流信號幅值約為2.8 A，而其它線路幾乎為0，由此可判斷線路4為故障線路，選線成功。

6 結(jié)論

基于EMD的暫態(tài)選線方法和注入信號法相結(jié)合的選線方法用于識別線路故障。經(jīng)故障選線仿真試驗，得出以下結(jié)論:

1)利用小波法對零序電流信號進行去噪處理可以剔除信號“毛刺”，以使EMD分解得到更準確的結(jié)果。

2)提取IMF2作為研究對象，可以避免IMF1中高頻冗余分量的干擾。

3)IMF2的極性比較可以在除電壓過零外的大多數(shù)情況下實現(xiàn)準確選線。電壓過零時暫態(tài)分量過小可能導致該法失效。

4)注入信號法可以在電壓過零時實現(xiàn)選線，但是過渡電阻過大時也可能失效。故要將上述兩種方法結(jié)合比較，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，提高選線準確性。

［1］李冬輝，史臨潼.非直接接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法綜述［J］.繼電器，2004，32(18):74－77.

［2］束洪春，彭仕欣，李斌，等.利用測后模擬的諧振接地系統(tǒng)故障選線方法［J］.中國電機工程學報，2008，28(16):59－64.

［3］要煥年，曹梅月.電力系統(tǒng)諧振接地［M］.北京:中國電力出版社，2002.

［4］HUANG N E，SHEN Z，LONG S R，etc.The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and nonstationary time series analysis［J］.Proceedings of the Royal Society A，1998，454(1971):903 －995.

［5］聶永輝，高磊，唐威.Hilbert－Huang變換在電力系統(tǒng)暫態(tài)信號分析中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2009，21(4):64－69.

［6］張德豐.Matlab小波分析與工程應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

［7］桑在中，潘貞存，丁磊，等.“S注入法”選線定位原理及應(yīng)用［J］.中國電力，1997，30(6):44－46.

Study on the line selection for resonance grounding based on the combination of EMD and injection method

WANG Linchuan，LI Huijie，DU Bing，HAN Baoguo
(School of Electrical Engineering of Northeastern Dianli University，Jilin 132012，China)

Since the signal is weak when phase voltage exceeds zero with transient line selection method，this paper proposes a transient method，combining signal injection and EMD，select line when sub－h(huán)igh frequency component IMF2 of fault line reaches peak，the polarity of which is opposite to that of non－fault line;when phase voltage is above zero，select line by injecting certain frequency signal and detecting its transient amplitude at every outgoing line.Simulation of fault line selection proves that this method，which is accurate and safe，applies to any fault condition.

line consisting of power cable and overhead line;wavelet de－noising;EMD;IMF2;injection method

TM862

A

1002－1663(2012)01－0085－04

2011－09－07

王林川(1955－)，男，教授，研究方向為電力系統(tǒng)運行。

(責任編輯 郭金光)