低壓系統(tǒng)多層級(jí)短路故障早期檢測(cè)辨識(shí)研究

吳曉梅，繆希仁

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州350108)

低壓系統(tǒng)多層級(jí)短路故障早期檢測(cè)辨識(shí)研究

吳曉梅，繆希仁

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州350108)

從實(shí)現(xiàn)低壓系統(tǒng)多層級(jí)短路故障全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護(hù)技術(shù)出發(fā)，分析短路故障早期檢測(cè)的必要性及其應(yīng)用要求，提出全相角短路電流小波包細(xì)節(jié)分解的早期故障檢測(cè)方法，建立低壓系統(tǒng)多層級(jí)三相短路故障實(shí)型仿真模型，解決現(xiàn)有方法存在個(gè)別故障初相角區(qū)間無法有效識(shí)別的問題。其次，針對(duì)負(fù)載啟動(dòng)與短路故障狀態(tài)電流信號(hào)奇異性，在故障后0.1ms仿真實(shí)現(xiàn)全相角短路故障早期快速檢測(cè)及有效的狀態(tài)辨識(shí);最后，通過分析短路故障相關(guān)支路的早期檢測(cè)特性，提出實(shí)現(xiàn)短路故障支路準(zhǔn)確判定的早期檢測(cè)辨識(shí)機(jī)理。本文研究為低壓系統(tǒng)多層級(jí)全范圍的新型短路故障選擇性協(xié)調(diào)保護(hù)奠定了理論基礎(chǔ)。

低壓系統(tǒng);短路故障;多層級(jí)選擇性保護(hù);早期檢測(cè);小波包分解

1 引言

傳統(tǒng)的時(shí)間-電流選擇性保護(hù)技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)全選擇性過載保護(hù)，但選擇性保護(hù)難點(diǎn)在于全范圍選擇性的短路故障保護(hù)及其有效實(shí)現(xiàn)，并且迄今尚未開展相關(guān)機(jī)理研究［1-4］。隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展，用電設(shè)備和分支回路日益增多，從局部選擇性提升到全局選擇性已成為低壓選擇性保護(hù)技術(shù)方向。近年來提出的虛擬時(shí)間選擇性、能量選擇性和區(qū)域選擇性聯(lián)鎖等技術(shù)［1-6］，均僅是從電器本身對(duì)傳統(tǒng)過流保護(hù)方法的改進(jìn)，側(cè)重于上下級(jí)斷路器間的交互作用，依賴于廠家實(shí)驗(yàn)得出的選擇性配合表［5］，并不適用于所有場(chǎng)合［6，7］。且這些方法均尚未從低壓配電系統(tǒng)全局的角度考慮保護(hù)的協(xié)調(diào)性與選擇性，忽略了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)選擇性保護(hù)的影響，缺乏電源設(shè)備(變壓器)、斷路器和負(fù)載之間的有效交互。

從低壓系統(tǒng)全局角度出發(fā)，研究短路故障選擇性保護(hù)需解決兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)［8］:①全相角電流的短路故障早期檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)可靠及早期故障辨識(shí)，為多層級(jí)之間故障監(jiān)測(cè)通信及其信息交互確定故障線路贏得時(shí)間空間;②短路故障點(diǎn)相關(guān)線路(上下層級(jí)、同層級(jí)相鄰線路)故障早期可靠辨識(shí)，以避免越級(jí)脫扣或同層級(jí)保護(hù)誤動(dòng)作。

篇幅所限，本文主要針對(duì)多層級(jí)短路故障早期檢測(cè)加以分析研究，建立低壓系統(tǒng)多層級(jí)短路故障實(shí)型仿真模型，提出適用于全相角的短路電流小波包細(xì)節(jié)早期檢測(cè)辨識(shí)方法研究，分析短路故障點(diǎn)及其相鄰層級(jí)支路的故障早期特征規(guī)律，為低壓系統(tǒng)全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護(hù)奠定理論基礎(chǔ)。

2 短路故障檢測(cè)辨識(shí)方法與應(yīng)用現(xiàn)狀

低壓短路故障發(fā)生時(shí)，短路電流可在很短的時(shí)間內(nèi)上升到額定值的數(shù)十倍甚至上百倍，其波形出現(xiàn)明顯的突變奇異點(diǎn)，會(huì)引起電網(wǎng)電壓急劇下降。國內(nèi)外學(xué)者先后提出了幾種短路故障的快速或早期檢測(cè)辨識(shí)方法［9-14］。其中，電流瞬時(shí)值或真有效值法最早應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)短路故障檢測(cè)，但受到線路阻抗、短路初始狀態(tài)的影響，短路電流須經(jīng)一段時(shí)間才能達(dá)到預(yù)設(shè)閾值，導(dǎo)致該方法的檢測(cè)時(shí)間較長［9-11］。電流變化率法在理論上克服了電流瞬時(shí)值法檢測(cè)速度慢的缺點(diǎn)，但難以剔除線路或設(shè)備噪聲的干擾，其安全性、可靠性無法得到保證［9-11］。

現(xiàn)代信號(hào)處理算法及高速數(shù)字處理器的應(yīng)用，為短路故障可靠與快速檢測(cè)提供了許多新的思路。文獻(xiàn)［12，13］以三相電動(dòng)機(jī)為負(fù)載搭建低壓系統(tǒng)短路故障實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用小波變換實(shí)現(xiàn)短路故障0.2ms左右早期檢測(cè)，但對(duì)故障特征量幅值較小的某些故障初相角區(qū)間無法有效辨識(shí)，且未考慮低壓配電系統(tǒng)的多層級(jí)多支路應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，忽略了短路故障對(duì)相關(guān)支路的影響。文獻(xiàn)［14］提出了基于電流瞬時(shí)值、電流變化率和電流二次導(dǎo)數(shù)的三個(gè)參量綜合分析短路故障判據(jù)方法，通過短路故障模型計(jì)算得到不同功率因數(shù)下、全故障初相角范圍上述三個(gè)量，形成了短路故障早期檢測(cè)的“立方判據(jù)”，但未考慮實(shí)際線路噪聲的影響，且未在實(shí)際或模擬線路中加以驗(yàn)證。

由此可見，利用小波變換等現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法能在一定程度上解決低壓系統(tǒng)短路故障早期檢測(cè)，但全相角電流的有效早期檢測(cè)辨識(shí)有待進(jìn)一步研究。迄今國內(nèi)外對(duì)低壓線路短路保護(hù)的研究仍局限在單支路短路故障檢測(cè)辨識(shí)，尚未開展上下級(jí)線路或同層級(jí)相鄰線路短路故障特征及其對(duì)比分析的研究，因此低壓短路故障多層級(jí)選擇性保護(hù)的協(xié)調(diào)機(jī)制無法形成。

3 全相角小波包細(xì)節(jié)分解的短路早期檢測(cè)

3.1 小波包細(xì)節(jié)分解算法

基于多分辨率分析的小波變換，利用正交小波基將信號(hào)分解為不同尺度下的各個(gè)分量，其實(shí)現(xiàn)過程相當(dāng)于重復(fù)使用一組高通和低通濾波器，對(duì)時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行逐步分解。其中，高通濾波器產(chǎn)生信號(hào)的高頻細(xì)節(jié)分量，低通濾波器產(chǎn)生信號(hào)的低頻平滑分量。但小波變換的多分辨率分析僅將平滑分量進(jìn)行逐級(jí)分解，隨著分解尺度的增大，相應(yīng)的小波基函數(shù)的頻域分辨率變好，而時(shí)域分辨率變差。因此，R Coifman等人在小波分析的基礎(chǔ)上，提出了小波包變換(Wavelet Packet Transform，WPT)，將各尺度下的細(xì)節(jié)分量Wjf(n)加以進(jìn)一步分解，從而使分解得到的細(xì)節(jié)分量同時(shí)具有足夠的時(shí)域分辨率與頻域分辨率，其快速遞推公式為［15］:

其中，式(1)中p為偶數(shù);式(2)中p為奇數(shù)。

針對(duì)低壓短路故障早期檢測(cè)信號(hào)特點(diǎn)及小波變換早期檢測(cè)存在的不足，本文提出短路故障早期檢測(cè)的小波包細(xì)節(jié)分解算法。該方法僅對(duì)短路故障早期電流信號(hào)經(jīng)多尺度小波分解得到的第四尺度細(xì)節(jié)分量加以進(jìn)一步分解，得到細(xì)節(jié)分量從而在硬件運(yùn)算能力允許的情況下，提高信號(hào)高頻部分頻率的分辨率，同時(shí)提高故障早期檢測(cè)的快速性和可靠性。圖1為小波包細(xì)節(jié)分解算法示意圖。

圖1 小波包細(xì)節(jié)分解示意圖Fig．1 Decomposition diagram of wavelet packet details

3.2 短路故障早期檢測(cè)有效性分析

本文利用Simulink的電力系統(tǒng)工具箱，建立低壓配電系統(tǒng)多層級(jí)短路故障模型，如圖2所示。圖中各設(shè)備、線路的參數(shù)均取自實(shí)際工程項(xiàng)目，且設(shè)置了處于同一層級(jí)的兩個(gè)負(fù)載支路，用于分析短路故障對(duì)相關(guān)支路的影響。

圖2 多層級(jí)低壓系統(tǒng)三相短路故障模型Fig．2 Three phase short-circuit fault model in multi-level low voltage system

低壓系統(tǒng)三相短路故障模型分為電源進(jìn)線、配電母線柜、配電線路和用電負(fù)載四個(gè)部分。其中，三相電源的短路容量為200MVA，查閱相關(guān)手冊(cè)［16］其系統(tǒng)阻抗比 X/R≈10;變壓器的型號(hào)為 SCB10-1250/10，用電負(fù)載為三相異步電動(dòng)機(jī)。

如圖2所示，將故障點(diǎn)設(shè)置在其中一條負(fù)載支路側(cè)，分析不同故障初相角(即故障時(shí)刻A相電流的不同初相角)在故障點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時(shí)的情況?？紤]到發(fā)生三相對(duì)稱短路時(shí)三相電流存在明顯的相位關(guān)系，且故障初相角0～180°波形反向即為180°～360°的電流波形，因此，后續(xù)分析主要針對(duì)三相短路故障的A相電流加以討論。

通過仿真分析不同故障初相角下的A相電流波形，本文發(fā)現(xiàn)在大部分故障初相角下，電流波形在短路發(fā)生后極短的時(shí)間內(nèi)都發(fā)生一個(gè)較大的突變，但在某些故障初相角區(qū)間(如圖3所示的故障角α =147°時(shí)短路電流波形)，這種突變特征并不明顯，這也是文獻(xiàn)［12］的方法難以實(shí)現(xiàn)全故障初相角范圍故障早期辨識(shí)的原因。

圖3 故障特征不明顯相角下的短路電流波形Fig．3 Short-circuit current waveforms in initial faulty phase angle of unconspicuous fault characteristics

為了驗(yàn)證本文提出的全故障初相角小波包細(xì)節(jié)分解算法對(duì)短路故障早期檢測(cè)辨識(shí)全相角范圍的有效性，選取短路電流突變奇異特征最不明顯的故障初相角下的波形加以分析。由圖2實(shí)型模型仿真得出，α=147°時(shí)，三相短路故障電流中A相電流波形在短路發(fā)生時(shí)刻波形突變最不明顯，如圖3所示。

利用3.1節(jié)所述的小波包細(xì)節(jié)分解算法，對(duì)發(fā)生三相短路故障的各相電流進(jìn)行分解，得到各尺度各分量的波形圖，如圖4所示。為了便于分析說明，圖中將小波分解第四尺度細(xì)節(jié)分量第五尺度細(xì)節(jié)分量分別表示為cd4、cd5，并將第四尺度細(xì)節(jié)分量分解得到的高階細(xì)節(jié)分量表示為dd5，且圖中所有的量都轉(zhuǎn)換成以正常運(yùn)行時(shí)各量的幅值為基準(zhǔn)值的標(biāo)幺值形式(如i*、cd4*、dd5*等)。

圖4的A相短路電流突變特征不明顯(故障初相角α=147°)，B、C相屬突變特征較為明顯的短路電流。對(duì)比上述三相短路故障電流信號(hào)及其小波分解或小波包細(xì)節(jié)分解結(jié)果可以看出，突變特征明顯的故障初相角下短路電流的小波包細(xì)節(jié)分解算法得到的dd5*分量，比小波分解得到的cd4*分量具有更高的短路故障辨別能力;對(duì)于故障特征很不明顯的相角下的短路電流，dd5*分量也能在故障后極短的時(shí)間內(nèi)加以有效辨識(shí)(見圖4(b));此外，對(duì)比圖4(b)～圖4(d)小波分解得到的第四尺度的細(xì)節(jié)分量cd4*與第五尺度的細(xì)節(jié)分量cd5*，可以看出，此時(shí)通過提高小波分解的尺度已無法提高對(duì)短路故障的辨識(shí)能力。

由此可見，dd5*能在故障發(fā)生后極短時(shí)間內(nèi)判斷短路故障，具有較強(qiáng)的故障特征放大能力，有效地解決了個(gè)別故障初相角短路故障特征不夠明顯的問題;而且從計(jì)算開銷上，本文提出的小波包細(xì)節(jié)分解得到的高階分量dd5*，僅是對(duì)cd4*的再次細(xì)節(jié)分解相當(dāng)于差分運(yùn)算，其增加的運(yùn)算量很小，不會(huì)影響到短路故障早期檢測(cè)的實(shí)時(shí)快速性。

圖4 三相短路電流小波包細(xì)節(jié)分解圖Fig．4 Decomposition of wavelet packet details to three phase short-circuit current

3.3 全相角短路故障狀態(tài)早期檢測(cè)快速性分析

文獻(xiàn)［13］采用形態(tài)小波方法解決了低壓配電系統(tǒng)脈沖噪聲與白噪聲干擾。由于在負(fù)載啟動(dòng)或運(yùn)行狀態(tài)切換過程中，負(fù)載電流信號(hào)均出現(xiàn)較大變化，為了確保早期故障檢測(cè)的適用性與可靠性，除有效濾波外，還需解決短路故障早期檢測(cè)與電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程或負(fù)載切換瞬間等的特征量有效區(qū)分問題，以避免將電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)等正常工況誤判為短路故障。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程電流波形較正常運(yùn)行情況也有很大的區(qū)別，其電流經(jīng)小波變換與小波包細(xì)節(jié)分解分別得到的cd4*、dd5*分量均比正常運(yùn)行時(shí)大。因此，為了確保故障檢測(cè)的可靠性，在分析短路故障早期檢測(cè)辨識(shí)能力時(shí)，需將啟動(dòng)過程cd4*、dd5*分量的最大值加以考慮［17，18］。圖5給出在短路故障后0.05ms時(shí)刻，前述各分量隨故障初相角的變化情況。其中，啟動(dòng)過程各量的最大值是指其在全故障初相角范圍內(nèi)，負(fù)載啟動(dòng)過程各量的最大值，且為了便于比較，圖中的i*、cd4*、dd5*量均為其標(biāo)幺值的絕對(duì)值。由圖5可以看出，在大部分相角下，dd5*在故障后的0.05ms時(shí)已經(jīng)超過了其相應(yīng)的啟動(dòng)過程最大值，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了此時(shí)的i*(如圖5(a)所示)，而cd4*則均比其相應(yīng)的啟動(dòng)過程最大值小(如圖5(b)所示)，這也從另一方面說明了利用dd5*分量能獲得更快的早期故障檢測(cè)速度。但在故障后的0.05ms時(shí)刻，在初相角為150°附近范圍所對(duì)應(yīng)的dd5*值仍低于其啟動(dòng)過程最大值，說明此時(shí)該相角范圍的故障特征仍不夠明顯。

圖5 故障后0.05ms時(shí)，各分量隨α的變化情況Fig．5 Relationship between each component and α

圖6 給出了故障特征最不明顯的故障初相角(α=147°)下dd5*、cd4*隨時(shí)間的變化情況?？擅黠@發(fā)現(xiàn)，即使在故障特征最不明顯的相角下，利用dd5*分量也能在0.1ms左右的時(shí)間內(nèi)將其檢測(cè)辨識(shí)出來且此時(shí)及隨后短路故障過程的dd5*值均大于啟動(dòng)過程的dd5*值，即經(jīng)小波包細(xì)節(jié)分解算法得到的dd5*分量對(duì)短路故障具有更強(qiáng)、更快的檢測(cè)辨識(shí)能力。同時(shí)也表明，隨著短路早期故障的發(fā)展，在短路故障后0.1ms不僅可實(shí)現(xiàn)全相角范圍的故障特征的有效提取，且其dd5*分量值大于負(fù)載啟動(dòng)過程信號(hào)奇異引起的dd5*分量值，這為有效辨識(shí)短路早期故障與負(fù)載正常工作狀態(tài)創(chuàng)造了條件。

因此，本文提出的全相角短路電流小波包細(xì)節(jié)分解早期故障檢測(cè)方法，不僅具有負(fù)載狀態(tài)早期辨識(shí)的快速性與有效性，而且具有良好的全相角電流的短路故障辨識(shí)能力。

4 多層級(jí)低壓系統(tǒng)短路故障早期檢測(cè)辨識(shí)

低壓配電系統(tǒng)一般具有多層級(jí)多支路的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)一條支路發(fā)生短路故障時(shí)，它的同層級(jí)相鄰支路及其上級(jí)支路都會(huì)受到影響。本文利用圖2所示低壓系統(tǒng)短路故障模型，以三相電動(dòng)機(jī)為負(fù)載設(shè)置了兩條相同的負(fù)載支路，對(duì)這些影響加以研究，并進(jìn)而分析其對(duì)短路故障早期檢測(cè)及其故障定位辨識(shí)準(zhǔn)確性的影響。圖7為發(fā)生短路故障的支路及其同層級(jí)相鄰支路、上級(jí)支路的電流波形圖。

圖6 α=147°時(shí)，各量隨時(shí)間變化的情況Fig．6 Change with time of each component at 147° initial faulty phase angle

圖7 故障相關(guān)支路短路電流波形Fig．7 Short-circuit current waveforms of relevant branches of fault point

由圖7可以看出，一條支路發(fā)生短路故障時(shí)，其同層級(jí)相鄰支路及其上級(jí)支路的電流都發(fā)生了突變，上述這些突變均可由小波包細(xì)節(jié)分解得到的dd5*分量加以辨識(shí)。如果不對(duì)這些相關(guān)支路的dd5*分量進(jìn)行比較分析，而只是簡(jiǎn)單地針對(duì)某一支路設(shè)置固定的故障判斷閾值，則有可能造成誤判或因故障定位不明而引起越級(jí)跳閘等問題。本文對(duì)上述短路故障相關(guān)支路加以小波包細(xì)節(jié)分解，得到在故障后0.05ms時(shí)刻dd5*隨故障初相角α的變化情況，如圖8所示。

圖8 故障相關(guān)支路的i*、dd5*隨α的變化情況Fig．8 Relationship between i*，dd5*and α of relevant branch of fault point

分析比較圖8可得:

(1)即使相關(guān)支路的電流受短路故障影響發(fā)生了不同程度的變化，但故障支路的dd5*最大，其上級(jí)支路次之，而非故障支路的該值則最小。

(2)故障支路及其上級(jí)支路的dd5*值在大部分相角下都超過了其相應(yīng)的負(fù)載啟動(dòng)過程最大值，即若單純地設(shè)定閾值來判斷短路故障，則這兩條支路將均會(huì)被判斷為發(fā)生了短路故障，這在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)導(dǎo)致上下級(jí)斷路器同時(shí)跳閘。

(3)對(duì)于故障特征不明顯的相角區(qū)間(如圖8 (a)和圖8(b)中的α=147°附近)，通過結(jié)合圖6 (a)可知，利用dd5*分量在短路故障發(fā)生的0.1ms時(shí)刻之后，即可以實(shí)現(xiàn)該故障相角范圍內(nèi)的短路故障早期檢測(cè)。

(4)非故障支路的dd5*小于其相應(yīng)的負(fù)載啟動(dòng)過程最大值，因而只要通過設(shè)定相應(yīng)的dd5*閾值即可避免對(duì)該支路的誤判斷。

因此，在低壓配電系統(tǒng)應(yīng)用短路故障早期檢測(cè)技術(shù)，除了要合理設(shè)置故障判斷閾值外，還需構(gòu)建快速、可靠的系統(tǒng)范圍的選擇性保護(hù)協(xié)調(diào)機(jī)制，通過多層級(jí)各支路智能斷路器檢測(cè)模塊的信息交換中心，對(duì)故障相關(guān)支路的dd5*值加以比較分析，由此更好地實(shí)現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)多層級(jí)短路故障選擇性保護(hù)。

5 結(jié)論

(1)提出全相角短路電流小波包細(xì)節(jié)分解的早期故障檢測(cè)方法，建立低壓系統(tǒng)多層級(jí)三相短路故障實(shí)型模型，驗(yàn)證了全相角短路電流早期檢測(cè)有效性。

(2)經(jīng)仿真分析，驗(yàn)證了本文提出方法可有效實(shí)現(xiàn)全相角下負(fù)載啟動(dòng)與短路故障的早期狀態(tài)辨識(shí)。

(3)分析了短路故障對(duì)相關(guān)支路的影響，得出短路故障相關(guān)支路全相角小波包細(xì)節(jié)分解分量(dd5*)早期檢測(cè)辨識(shí)的數(shù)值曲線，為低壓系統(tǒng)短路故障早期檢測(cè)及其故障支路判定提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

因此，本文在解決全相角短路電流早期故障檢測(cè)的基礎(chǔ)上，有效區(qū)分了負(fù)載運(yùn)行與短路故障狀態(tài)，且可辨識(shí)短路故障所在層級(jí)與支路，為低壓系統(tǒng)多層級(jí)選擇性保護(hù)技術(shù)開展了有益的探索。

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Research on early detection of short-circuit fault in multi-level low voltage system

WU Xiao-mei，MIAO Xi-ren

(College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China)

Based on the necessity and research status，an early detection method for short-circuit fault is proposed by a detail component of wavelet packet decomposition so as to fulfill the requirement of the full range selective and coordinative protection in a multi-level low voltage system．A three phase short-circuit fault model is established to verify the validity of above method with full range of phase angle in a low voltage system，which overcomes the limits of wavelet transform in robustness of individual initial angle region in short-circuit fault early detection．Secondly，according to the current singularity for load starting processing and short-circuit fault，the start and fault are identified agilely by early detection in full range angle after short-circuit fault 0.1ms．Finally，by analyzing the early detection characteristics of relevant branches for fault point，an early detection identification mechanism for accurate pinpointing of short-circuit fault branch is expounded．The research of this paper lays a theoretical foundation for a novel short-circuit fault selective and coordinative protection in a multi-level low voltage system．

low voltage system;short-circuit fault;multi-level selective protection;early detection;wavelet packet decomposition

TM713

A

1003-3076(2015)09-0038-06

2014-05-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377023)、福建省高校產(chǎn)學(xué)合作科技重大項(xiàng)目(2011H6013)

吳曉梅(1990-)，女，福建籍，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄茈娖骷霸诰€監(jiān)測(cè)技術(shù);

繆希仁(1965-)，男，福建籍，教授，博士，研究方向?yàn)殡娖骷捌湎到y(tǒng)智能化技術(shù)、電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與診斷、新型電器技術(shù)等。