基于小波變換的配電網(wǎng)單相接地故障仿真研究

摘 要： 小波分析法是一種時(shí)頻分析方法，能有效地提取線路中的故障信息。首先采用小波分析法進(jìn)行故障選線，接著對(duì)故障線路的小波分析圖進(jìn)行分析。運(yùn)用一種不含波速的改進(jìn)型A型測(cè)距算法進(jìn)行故障定位，利用反向行波的模極大值與正向行波極性相反的特點(diǎn)，提取故障行波的反向行波到達(dá)時(shí)間和正向行波到達(dá)時(shí)間，在已有的單端測(cè)距的算法基礎(chǔ)上，進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，得到最終的測(cè)距公式。最后通過Matlab仿真對(duì)選線和測(cè)距方法進(jìn)行驗(yàn)證，證明此算法具有可行性。

關(guān)鍵詞： 小波變換； 小電流接地系統(tǒng)； 行波測(cè)距法； 故障仿真

中圖分類號(hào)： TN926?34； TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）20?0142?04

Abstract： The wavelet analysis method is a time?frequency analysis method， which can effectively extract the fault information in the line. This method is used to select the line with fault， and then analyze the wavelet analysis chart of the line with fault. An improved A?type location algorithm exclusive of wave velocity is adopted for fault location. The characteristic of the module maximum value of the reverse traveling wave opposite to the polarity of forward traveling wave is utilized to extract the arrival time of the reverse traveling wave and forward traveling wave for the fault traveling wave. On the basis of the available single?terminal range finding algorithm， the derivation calculation is performed to obtain the final range finding formula. The line selection and range finding method were verified with Matlab simulation. The results prove this method is feasible.

Keywords： wavelet transform； small current grounding system； traveling wave range finding method； fault simulation

0 引 言

在我國，6～35 kV配電網(wǎng)中通常采用中性點(diǎn)不直接接地方式，主要包括中性點(diǎn)不接地方式，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式，這三者統(tǒng)稱為小電流接地系統(tǒng)[1?3]。在配電線路中發(fā)生單相接地故障的概率是最高的，據(jù)電力運(yùn)行部門的統(tǒng)計(jì)，占總數(shù)的80%左右[4?5]。其主要特點(diǎn)是在發(fā)生單相接地故障時(shí)，不會(huì)形成短路回路，只會(huì)由線路的對(duì)地電容形成較小的電流通路，電網(wǎng)的線電壓仍然對(duì)稱，其接地故障電流要比負(fù)荷電流小很多，因此一般允許繼續(xù)運(yùn)行[6]1～2 h。但是，隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)充，長時(shí)間的接地運(yùn)行極易擴(kuò)大成兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地短路，弧光接地還會(huì)引起全系統(tǒng)過電壓，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞，破壞系統(tǒng)的安全運(yùn)行，為了防止事故擴(kuò)大，必須盡快找出接地點(diǎn)[7]。小電流接地系統(tǒng)故障信號(hào)小，辨別起來困難，如何對(duì)線路進(jìn)行選線和定位是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。因此小電流接地選線和定位在配電自動(dòng)化領(lǐng)域的研究中占有重要地位。

1 小波變換理論

小波變換克服了傅里葉變換在分析非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)單一分辨率的缺點(diǎn)，可以很敏感地探測(cè)到正常信號(hào)中夾帶的瞬間反常信號(hào)，并可以精細(xì)解析這些信號(hào)，是一種比較實(shí)用的時(shí)頻分析方法。這個(gè)特質(zhì)使得小波變換在故障診斷和設(shè)施檢測(cè)等非平穩(wěn)信號(hào)領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)由于人們對(duì)非穩(wěn)定信號(hào)的研究越來越重視，小波分析在工程上會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

1.1 連續(xù)小波變換

當(dāng)某一信號(hào)函數(shù)經(jīng)小波變換后，將其原來的僅含有時(shí)間參數(shù)的函數(shù)投影到二維的位時(shí)間—頻率平面上，這樣有利于對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確分析。

1.2 多分辨率分析

前面介紹的連續(xù)小波變換是一類計(jì)算量很大且應(yīng)用很不方便、冗余的變換。多分辨率分析又稱為多尺度分析， 是一種非常重要的非平穩(wěn)信號(hào)的研究方法，它將整個(gè)函數(shù)集作為重點(diǎn)來進(jìn)行處理，而對(duì)作為個(gè)體的函數(shù)則視為非側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行處理。多分辨分析通過構(gòu)造并集為平方可積空間[L2（R）]的一組函數(shù)空間，其中的所有函數(shù)構(gòu)成該空間的標(biāo)準(zhǔn)化正交基，而所有函數(shù)空間并集中的函數(shù)則構(gòu)成[L2（R）]的標(biāo)準(zhǔn)化正交基，將這些函數(shù)作為小波變換的母函數(shù)，再對(duì)信號(hào)函數(shù)進(jìn)行變換，信息便不再冗余。

2 行波法故障測(cè)距

線路行波的特征是：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于擾動(dòng)的影響，線路中會(huì)出現(xiàn)從故障處向線路兩端傳播的電流和電壓行波，并且行波在經(jīng)過故障發(fā)生處會(huì)發(fā)生反射和折射。行波法即利用行波分量在一定波速的情況下與到達(dá)時(shí)間成正比的原理來對(duì)故障進(jìn)行定位的一種方法。當(dāng)波頭到達(dá)母線時(shí)會(huì)產(chǎn)生突變，用小波變換法來分析就能很容易地提取到時(shí)間信息，即確定波在線路中的傳播時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出故障點(diǎn)的位置。

2.1 各種行波測(cè)距方法的介紹

這種測(cè)距方法只考慮初始行波的波頭分量，不用考慮其他的反射波和折射波的影響，測(cè)距方法比較簡單，但線路兩端的計(jì)時(shí)裝置必須保持高精度同步，并且兩端要進(jìn)行通信，直到故障行波的初始波頭到達(dá)后，才能測(cè)出故障點(diǎn)的位置，這在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分支線路較多的小電流系統(tǒng)中不是很適用。

（3） C型行波測(cè)距法。C型行波法的原理是由一個(gè)收發(fā)信號(hào)裝置在發(fā)生故障時(shí)發(fā)出一探測(cè)脈沖，并將發(fā)射的時(shí)間記下。當(dāng)脈沖碰到故障點(diǎn)產(chǎn)生反射，將反射波到達(dá)收發(fā)信號(hào)裝置記錄的時(shí)間記錄下來，對(duì)兩次時(shí)間進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，可以得出故障點(diǎn)到裝置的距離。不依靠故障處產(chǎn)生的故障波進(jìn)行定位，比其他兩種方法所受干擾小，但它需要一套獨(dú)立于電力系統(tǒng)的側(cè)距裝置，增加了開發(fā)難度。

2.2 改進(jìn)型A型行波測(cè)距法

在2.1節(jié)提到，以初始行波后續(xù)的同極性波作為計(jì)時(shí)終點(diǎn)存在很大的不確定性，所以本方法應(yīng)用的是反射波到達(dá)時(shí)刻作為計(jì)時(shí)終點(diǎn)，用小波分析透過故障點(diǎn)到達(dá)檢測(cè)處的對(duì)端反射波，其突變的模極大值具有與初始波形及其后續(xù)的正向行波模值相反的特點(diǎn)，且其模值幅值大，容易識(shí)別。算法原理圖如圖1所示。

當(dāng)故障點(diǎn)位于線路的后半部分，即[tN

3 仿真分析

3.1 故障選線分析

本文使用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建10 kV輸電線路的仿真模型，各線路主要參數(shù)為[R1=0.012 73] Ω/km，[L1=0.933 7] mH/km，[C1=12.74] nF/km，[R0=0.386 4] Ω/km，[L0=4.126 4]mH/km，[C0=7.751]nF/km。三條線路長度分別為130 km，175 km，200 km。仿真模型圖如圖2所示。

在此次仿真中選擇第三條線路的A相發(fā)生基地故障，提取三條線路中的零序電流信號(hào)，運(yùn)用小波工具進(jìn)行分析，本文選擇的是工程中常用的dbN小波系，這種小波的性質(zhì)是，隨著N的增大，其正則特性增強(qiáng)，頻域的局部特征增強(qiáng)，但時(shí)域特征變?nèi)酢＝?jīng)多次驗(yàn)證，本文選擇db3基小波，進(jìn)行5尺度分解。三條線路零序電流小波分析圖如圖3所示。

由圖3可知，第三條線路的零序電流的方向與非故障線路相反，且幅值明顯高于其他線路。通過這些特征可以非常精確地定位第三條線路為故障線路，這與所設(shè)的條件相符。

3.2 故障測(cè)距仿真

本文選擇第三條線路為故障線路，故障距離為50 km，發(fā)生短路接地故障的時(shí)間為0.04 s。這里選用小波函數(shù)首要要求是能夠清楚地識(shí)別故障反射波，同時(shí)這個(gè)小波函數(shù)還應(yīng)該具有很強(qiáng)的時(shí)頻分辨能力，經(jīng)試驗(yàn)db3小波，5尺度分析可以滿足要求，如圖4所示。

通過對(duì)圖中數(shù)據(jù)不斷取模極大值，確定了初始行波，反射波，經(jīng)N端反射的透射波到達(dá)M端的時(shí)刻分別為：4 030，4 066，4 137，即：[t1=0.040 30 s，t2=0.040 66 s，][t3=0.041 37 s]。代入式（10）求得故障距離[x=50.349 65 km]，與所設(shè)的故障距離50 km相對(duì)誤差為0.69%，在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語

小電流接地系統(tǒng)在我國的中低壓配電網(wǎng)占據(jù)很大比例，在這種小電流接地系統(tǒng)中單相接地故障是發(fā)生概率最大故障類型，因此如何對(duì)其進(jìn)行選線與定位一直是一個(gè)比較受關(guān)注的研究方向。本文采用基于暫態(tài)分量的小波分析法，利用小波變換的多分辨率分析將暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行分解，再根據(jù)相應(yīng)判據(jù)進(jìn)行選線，并可對(duì)變換后的故障信號(hào)提取有用信息進(jìn)行定位算法，計(jì)算故障距離。本文只是基于理論上的論證，所構(gòu)建的仿真模型比較簡單，忽略了接地方式存在多樣性和外部因素對(duì)故障線路的影響。但本文中的方法經(jīng)驗(yàn)證是具有可行性的，只要根據(jù)實(shí)際情況加以修改，還是可以用來作為選線和定位的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢虹，黃正潤，阮大兵.含DG的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2014，18（8）：17?23.

[2] 郭清滔，吳田.小電流接地系統(tǒng)故障選線方法綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（2）：146?152.

[3] 程路，陳喬夫.小電流接地系統(tǒng)單相接地選線技術(shù)綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（18）：219?224.

[4] 王玘，何正友，張姝.基于零序電荷?零序電壓關(guān)系的諧振接地系統(tǒng)單相接地故障特征分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（11）：18?24.

[5] 嚴(yán)鳳，李雙雙，楚非非.10 kV 配電網(wǎng)單相接地故障綜合定位法[J].電測(cè)與儀表，2015，52（16）：6?10.

[6] 張?jiān)糯?，蘇宏升.小電流接地系統(tǒng)故障定位新方法[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2015，27（2）：32?38.

[7] 梁睿，孫式想.單端行波故障測(cè)距的組合方法研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（3）：699?706.

[8] 馮楠，李文海.小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在故障診斷中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（11）：129?131.

[9] 周晶晶，程慧華，安明，等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的模擬電路故障診斷研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（23）：47?50.

[10] 錢虹，黃正潤，阮大兵.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障測(cè)距的研究：基于改進(jìn)A型行波法[J].電源技術(shù)，2014，38（7）：1337?1339.