基于相電流高頻特征識別的配電網(wǎng)故障指示器原理

童 寧 余夢琪 林湘寧 張 銳 李正天

基于相電流高頻特征識別的配電網(wǎng)故障指示器原理

童 寧 余夢琪 林湘寧 張 銳 李正天

（強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學) 湖北省武漢市 430074）

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障場景下的定位問題一直是研究熱點與難點之一。本文首先對配電網(wǎng)中不同級別的饋線故障相電流進行了理論及時頻域分析，在此基礎(chǔ)上借助于小波變換，結(jié)合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點對故障相電流的高頻特征識別，并提出了一種新型配電網(wǎng)故障指示器原理及定位搜索算法。與現(xiàn)有故障指示器實現(xiàn)原理相比，該方案不依賴于各級饋線處零序電流的獲取，且無需額外硬件投資，有較強的可實施性?；赑SCAD/EMTDC的仿真結(jié)果證明該原理能夠有效較好地適應(yīng)不同的中性點接地方式、過渡電阻及故障時刻電壓情形。

配電網(wǎng) 故障指示器 故障定位 小波變換

1 引言

我國電壓等級為6～66 kV的配電網(wǎng)大多采用小電流接地方式，其優(yōu)勢在于發(fā)生單相接地故障時能夠短時期內(nèi)連續(xù)運行，以保障供電可靠性；但另一方面，由于單相接地故障情形下的接地電流相對較小，各種故障特征不甚明顯，導致故障線路選取、故障地點定位技術(shù)的實現(xiàn)較為困難。

配電網(wǎng)自動化技術(shù)首選推動了故障選線及其相關(guān)原理的發(fā)展。最原始的零序電流幅值法、零序電流比相法、零序無功功率方向法[1-3]只能用于故障選線而不足以定位故障具體位置，且不能適應(yīng)經(jīng)消弧線圈接入的場景；其他方案如零序電流有功分量法、5次諧波法、各次諧波綜合法、零序?qū)Ъ{法以及殘流增量法等，雖然多數(shù)考慮了消弧線圈的影響因素，但由于故障電流微弱、電弧不穩(wěn)定等原因，實際使用效果并不理想[4]。小波變換的提出及特征識別原理的發(fā)展，使得配電網(wǎng)單相接地故障暫態(tài)特征量的提取，乃至故障線路的識別成為了可能[5]。文獻[5]提出了一種基于小波奇異性檢測的小電流系統(tǒng)選線新方法，并利用EMTP進行了驗證；一些學者進還利用了db系列小波包，提出了反應(yīng)故障暫態(tài)特征的自適應(yīng)選線方案[6-8]，提高了故障選線的可靠性，但無法適用于母線處只有兩條饋線相連的情況。

長久以來，小波變換在配電網(wǎng)中的應(yīng)用研究僅涉及故障選線，而未見其在故障定位及指示環(huán)節(jié)上的突破，其原因之一是上述理論均基于零序電流的獲取，但用于零序電流采樣的零序互感器或零序電流濾過器結(jié)構(gòu)復雜，在實際配電網(wǎng)中安裝不方便；另一方面，較低的測量精度不利于精確刻畫零序電流的暫態(tài)特征，無法保證其特征識別結(jié)果的準確性[9]。雖然近年來出現(xiàn)的S注入法[10]與中電阻投切法[11]為故障定位提供了較為完整的解決方案，但前者的實現(xiàn)需附加高壓耦合設(shè)備，投資較高且對高阻及電弧不穩(wěn)定故障不敏感；后者也需加裝輔助硬件設(shè)備，同時破壞了配網(wǎng)的原有中性點接地性質(zhì)，使其無法發(fā)揮在單相接地故障情況下的穩(wěn)定性優(yōu)勢[12]，兩者在實際應(yīng)用中均有一定的局限性。

本文首先根據(jù)我國配電網(wǎng)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)及配置特點，對單相接地故障情形下各級饋線處故障相電流頻譜及極性特性進行理論推導及時頻域分析；進而利用基于小波變換的特征識別機理，利用模極大值法[6]，對故障相電流中主導暫態(tài)電流性質(zhì)的高頻分量極性進行判斷；結(jié)合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提出了一種基于饋線極性搜索算法的配電網(wǎng)故障指示器實現(xiàn)原理，并利用PSCAD/EMTDC仿真軟件驗證其在不同過渡電阻、消弧線圈投入狀態(tài)及故障時刻電壓相位條件下的適應(yīng)性。

2 小電流接地系統(tǒng)單相故障特征分析

2.1故障理論分析

江西省九江市某地區(qū)10.5kV配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由變壓器接線方式可知其為典型的小電流接地系統(tǒng)。背側(cè)主變T及兩條饋線分別與中壓母線相連，其中變壓器Y側(cè)裝設(shè)有可投切的消弧線圈。與母線直連的主饋線L3、L4下級存在若干分支線路，并最終通過降壓變壓器為用戶供電。線路長度均已在圖中示出。

圖1 典型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)示意圖Fig.1 The structure of the distribution network

不失一般性，在考慮消弧線圈接入的情況下，饋線L6處發(fā)生單相接地故障時，由文獻[7]可知故障端口等效模型如圖2所示:

圖2 零序電流分析示意圖Fig.2 The analysis for the zero-sequence current

其中C為補償電網(wǎng)的三相對地電容，L0為三相線路和電源變壓器在零序回路中的等值電感，R0為零序回路等值電阻，RL、L為消弧線圈電阻和電感；u0為零序電源電壓。

接地電流表達式為[7]:

其中，第一項為零序電流I0的穩(wěn)態(tài)分量，由電容與電感的大小綜合決定；第二項為電容電流的暫態(tài)分量，第三項為電感電流的暫態(tài)分量。進一步地，截取圖1中的線路L6部分作為研究對象，對線路上出現(xiàn)的暫態(tài)電流做出進一步分析。故障點上游、下游的零序等效網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，其中的零序電流由式（1）得出。規(guī)定正方向為由母線流向線路。

圖3 故障支路分析等效零序網(wǎng)絡(luò)Fig.3 The equivalent zero-sequence network for the faulty feeder analysis

記If0、Iff0分別為故障點上游、下游的零序電流，則可知:

其中，Cf0與Cff0分別為故障點上游、下游的零序電流分配系數(shù)，兩者之和等于1。記Cf1為故障點上游的正序電流分配系數(shù)，Cff1為故障點下游的正序電流分配系數(shù)。在視正序、負序網(wǎng)絡(luò)參數(shù)一致的情況下，綜合單相接地故障的特征可知:

對于正序網(wǎng)絡(luò)來說，線路下游等效阻抗主要由負荷阻抗組成，其值較大；而上游等效阻抗相對較小，故可近似地認為Zf1＜＜Zff1，大部分正序電流故障分量流向上游，方向為負:

設(shè)負荷電流為ILoad，則在單相接地故障發(fā)生后，記故障點上游及下游的故障相電流分別為I、I′，則有:

上式第一項為正常運行時的相電流，其頻率為工頻50 Hz；第二項可視為用零序電流表示的故障分量電流，該零序電流滿足表達式（1）的特點。文獻[7]指出，在發(fā)生接地故障的初始階段，零序電流的暫態(tài)分量主要特征由暫態(tài)電容電流決定，其電流頻率一般在300 Hz～1500 Hz之間，這也意味著負荷電流與故障分量電流的頻譜不發(fā)生重疊。在電流正方向定義為由母線流向線路的前提下，圖3上游高頻電流方向為負，下游為正。同理可知配電網(wǎng)中高頻電流為負方向的線路有L4與L6，其余線路均為正。

2.1故障時頻域分析

圖4示出了消弧線圈不投入情況下，線路L6中點處發(fā)生A相金屬性接地故障時故障點上游的A相電流波形。為進一步觀察電流分量的頻譜特征，對該波形引入800點hamming窗的短時傅里葉（Short-term fourier transform, STFT）變換分析，如圖5所示。此時電流采樣頻率取為20kHz，窗口長度為0.04，頻率分辨率為25 Hz。由于hamming窗對頻譜泄漏作用的削弱，該圖較為真實地反應(yīng)了真實電流的頻譜特點。可見50 Hz譜帶始終明亮程度一致，反映了負荷電流ILoad；而500 Hz譜帶周圍存在一定大小的高頻分量，其幅值隨著時間的推移而快速衰減。同樣地，消弧線圈投入情形下的故障電流特征與此類似。由于頻率分辨率的限制，這里只能定性區(qū)別故障電流各頻率分量，而無法確定高頻分量的具體頻率。事實上，由于故障地點、參數(shù)等諸多條件的復雜性，使得高頻分量的特征容易發(fā)生變化，其頻譜分布具有相對程度的不確定性，采用類似FFT的算法無法準確區(qū)別高頻分量的大小和極性。

圖4 線路L6中點A相故障時的故障相電流Fig.4 The faulty phase current when the fault occurs at the middle of Line 6

圖5 故障相電流的時頻域分析Fig.5 The STFT analysis for the faulty phase current

3 故障相電流高頻特征識別與搜索算法

小波變換作為一種多尺度的信號分析方法，它具有良好的時域局部化特征，非常適合分析非平穩(wěn)信號的瞬態(tài)與時變特性。其本質(zhì)是一組高通/低通濾波器的重復利用，不斷地對待分析信號的頻帶進行二分。近年來，基于模極大值法的小波變換選線方法較為成熟，已在諸多文獻中進行了深入的研究，其基本原理是對各條饋線上出現(xiàn)的零序電流進行小波變換，得到能夠刻畫零序電流的低頻系數(shù)以及若干組高頻系數(shù)之后，選取信號暫態(tài)突變特征最為明顯的尺度，作為選線的比較尺度。進而尋找該尺度下的模極大值系數(shù)，用以反應(yīng)暫態(tài)零序電流的大小及方向。但這些研究大多數(shù)依賴于零序電流的精確采樣，未考慮配電網(wǎng)零序互感器不易安裝、測量精度極低等實際情況，且無法確定故障具體地點。

根據(jù)章節(jié)2中對故障相電流特征的分析，本文提出一種新的故障指示器原理。這些故障指示器裝設(shè)在各級母線出口處，測得特征值后集中判斷故障范圍。其實現(xiàn)步驟如下:

（1）故障發(fā)生時，首先根據(jù)小電流接地系統(tǒng)單相接地的故障特點，利用相電壓關(guān)系選取故障相；

（2）裝設(shè)在母線（包括下級母線）出口處的各故障指示器啟動，記錄下故障前后若干工頻周期的故障相電流；

（3）各故障指示器利用db5小波對采樣到的故障相電流進行小波分解，并尋找每一尺度下的模極大值，形成模極大值矩陣尋找選線對象尺度；

（4）各故障指示器獲取對象尺度中的模極大值極性，經(jīng)集中判斷后確定故障點范圍。

其中:

步驟3中，之所以選取db5小波，是考慮到db系列小波的正交性與緊支撐性，可較為精確地反應(yīng)不規(guī)則信號[13-14]；重復試驗結(jié)果證明db5小波定位效果較好；

步驟4中得到各條線路（包括下級饋線）對象尺度中的模極大值極性后，根據(jù)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可知，若某條線路上，主饋線（即第一級饋線）及其下級饋線的極性全部相同，則可判定為非故障線路；若出現(xiàn)下級線路模極大值的極性若與主饋線不同的情況，則初步判斷故障發(fā)生在此線路上；以該條線路的主饋線模極大值極性為參考比對下級線路極性，直到從極性與主饋線相同的第X-1級饋線開始，第X級饋線極性全部與主饋線相反，則說明故障發(fā)生在第X-1級饋線上；若搜索完所有饋線仍然沒有出現(xiàn)上述情況，則說明故障發(fā)生在最末級饋線。另外，若所有的主饋線極性全部相同，則認為發(fā)生母線故障。故障定位算法流程如圖6所示。

4 算例分析

利用PSCAD/EMTDC平臺建立圖1所示的典型配電網(wǎng)，高壓側(cè)、中壓側(cè)與低壓側(cè)電壓等級分別為121 kV、10.5 kV與0.4 kV。饋線參數(shù)為:正序電阻0.132 Ω/km，正序電感1.137 mH/km，正序容納 3.33 μS/km。零序參數(shù)視為正序參數(shù)的3倍。

圖6 故障指示器定位算法Fig.6 The location algorithm of the fault idicator

以章節(jié)2所述的饋線L6中點故障為例，首先可知L3及其下級饋線L1，L2極性一致，可判定L3為非故障線路；故障指示器記錄主饋線L4的極性，并向下搜索與該極性相同的下級饋線，發(fā)現(xiàn)自饋線L6以后，所有的下級饋線極性都與該條線路的主饋線L4不一致。故可判定故障具體位置為饋線L6。

一般情況下，消弧線圈的過補償度應(yīng)為5%～10%，本算例中取8%。電壓/電流采樣率為20 kHz，經(jīng)五層分解后各頻帶對應(yīng)頻率分別為0 Hz～312.5 Hz，312.5 Hz～625 Hz，625 Hz～1250 Hz，1.25 kHz～2.5 kHz，2.5 kHz～5 kHz以及5 kHz～10 kHz。選擇合適的尺度作為對象尺度分析時，宜先找出每條線路各尺度上的模極大值，形成模極大值矩陣后通過觀察得出。由于模極大值矩陣的形成與對象尺度的選擇標準研究已較為成熟[15-16]，本文僅給出結(jié)果。進行上述分析時須忽略頻帶A5（0 Hz～312.5 Hz），以便于消除負荷電流、單相接地故障時系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的3次及5次諧波等因素的影響。這也說明選取20 kHz的采樣率時，能夠在消除干擾因素、準確獲取特征量的同時最大限度降低對采樣率及硬件條件的需求。

4.1次級饋線L6中點故障，中性點不接地

首先考慮線路L6中點處發(fā)生金屬性故障的情況，并假設(shè)故障發(fā)生在電壓最大值時刻，此時故障特征較為明顯。

如圖7所示，在選擇D5（312.5 Hz～625 Hz）作為對象尺度的情況下，各條線路在特征頻段內(nèi)的模極大值分別為:4.57，4.57，13.58，-41.79，2.90，-45.68，4.05，3.37。其中線路L4與線路L6極性為負，其余均為正，可根據(jù)圖6所示的流程圖判定為線路L6處發(fā)生單相接地故障。另外，線路L6處高頻分量模極大值的絕對值遠大于線路L7與L8的總和，這是因為根據(jù)式（5）的推導，故障點上游分流了絕大部分的正序與負序電流，導致故障點上游電流的高頻分量幅值遠比下游要大。

圖7 饋線L6中點故障時指示器判別結(jié)果Fig.7 The result of the fault indicator when fault occurs at the middle of Line 6

表1示出了不同過渡電阻及故障時刻電壓幅值條件下，各線路在特征頻段內(nèi)的模極大值，并給出了故障指示器的判斷結(jié)果。由于配電網(wǎng)故障過渡電阻一般僅為數(shù)十歐姆，故本文只考慮過渡電阻最高為100 Ω的情況。

由表1可知故障指示器能夠有效定位中性點不接地情形下的饋線故障，不受過渡電阻及故障時刻電壓幅值的影響。

4.2末級饋線L5故障，中性點經(jīng)消弧線圈接地

考慮消弧線圈過補償度為8%時，末級饋線L5故障時的場景。同樣地，首先假設(shè)故障發(fā)生在電壓最大值時刻，觀察各條線路對象尺度下的模極大值大小及極性，如圖8所示。

各條線路在特征頻段內(nèi)的模極大值分別為: 4.33，4.33，13.22，-58.93，-67.00，13.09，6.36，5.72。其中線路L4與L5極性為負，其余都為正。因饋線L3及其下級饋線L1、L2極性全部相同，故障指示器首先判斷這些線路為非故障線路；對于饋線L4及其下級饋線，算法向下搜索與主饋線L4極性相同的線路，搜索至L5時出現(xiàn)極性與主饋線相同且不存在下級饋線的情況，故障指示器認為搜索至線路末端，進而判斷故障發(fā)生在線路L5上。

表1 不同故障條件下故障指示器極性及結(jié)論Tab.1 The polarities of fault indicators and the corresponding results under different fault conditions

圖8 末級饋線L5故障時指示器判別結(jié)果（場景1）Fig.8 Results for fault at Line 5 (Scenario 1)

在上述故障場景下，考慮對故障指示器判斷最不利的情況，即故障發(fā)生在電壓過零時刻，過渡電阻為100 Ω，同時消弧線圈投入。此時故障分量非常微弱，所以需要考察該情形下故障指示器能否正常工作。此時各條線路對象尺度下的模極大值大小及極性如圖9所示。

圖9 末級饋線L5故障時指示器判別結(jié)果（場景2）Fig.9 Results for fault at Line 5 (Scenario 2)

該工況下各條線路特征頻段內(nèi)的模極大值分別為:1.75，1.75，5.21，-18.04，-21.90，3.18，1.50，1.28。雖然與最理想情況相比，各條線路上能夠表征高頻分量的特征值較為微弱，但仍然不妨礙故障指示器的正確判斷。上述研究驗證了所提出的故障指示器原理在消弧線圈接入情形下的適應(yīng)性，且不受過渡電阻及故障時刻電壓幅值的影響。

4.3母線故障

直接考慮最不利場景，即母線處發(fā)生過渡電阻為100 Ω的單相故障，且故障發(fā)生時刻電壓過零。此時各條線路對象尺度下的模極大值大小及極性如圖10所示，分別為:0.94，0.94，2.38，2.12，0.29，1.67，0.70，0.52。投入消弧線圈并重復上述試驗，故障指示器仍然能夠正確判斷。

圖10 母線故障時指示器判別結(jié)果Fig.10 Results for the collector bus fault

5 結(jié)論

小電流接地系統(tǒng)的單相故障選線、定位與指示一直是配電自動化領(lǐng)域的研究熱點?；赟注入法及中電阻投切法的故障指示器存在著增加投資、改變配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等方面的缺陷；其他多數(shù)算法僅能夠輔助選線，而不能實現(xiàn)故障定位與指示；此外，基于零序電流量的選線/定位算法還存在著實際配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及配置的制約。

本文利用小波變換原理，在故障相電流理論推導及STFT分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于故障相電流高頻特征識別的配電網(wǎng)故障指示器實現(xiàn)方案，并給出了用于實現(xiàn)該方案的故障搜索算法。其特點是不依賴于零序電流的獲取，不增加硬件投資，實現(xiàn)從故障選線到故障定位與指示的跨越?；赑SCAD/EMTDC的仿真結(jié)果證明該方案能夠在不同場景下準確定位各級饋線及母線故障，且不受過渡電阻、故障時刻電壓相位及消弧線圈因素限制，具有較強的實用性及適應(yīng)性。

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Study for Fault Indicator Based on the Faulty Phase Current Feature Recognition for the Distribution Network

It has been a hot issue for the fault location method in the neutral un-effectively grounded system(NUGS) when a single-phase earth fault occurs. In this paper, we start with the theoretical analysis and the time-frequency domain analysis for the faulty phase current in different level of the feeders, and a novel kind of fault indicator is put forward as well as the corresponding fault location algorithm. In comparison with the fault indicator that already exists, this new method does not rely on the zero-sequence current, and auxiliary hardware is not needed, which shows great feasibility. PSCAD/EMTDC based simulation results indicate that the proposed method is immune to the change of the neutral point characteristics, the fault resistance and the voltage.

Distribution network, fault indicator, fault location, wavelet transform

TM774

童 寧 男，1988年生，博士研究生。研究方向為繼電保護。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(973計劃)(2012CB215100)；國家自然科學基金項目（51207064）。

2014-07-10

Tong Ning Yu Mengqi Lin Xiangning Zhang Rui Li Zhengtian

（State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 P.R.China）

余夢琪 女，1991年生，碩士研究生。研究方向為繼電保護。