基于希爾伯特-黃的配電網(wǎng)單相接地故障選線方法

時(shí)雅婷*

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基于希爾伯特-黃的配電網(wǎng)單相接地故障選線方法

時(shí)雅婷*

(安徽理工大學(xué)電信學(xué)院，安徽淮南，232001)

近年來(lái)，配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著不斷變多的分布式電源的加入而變得越來(lái)越復(fù)雜。本文針對(duì)10KV的小電流接地系統(tǒng)，研究一種基于HHT的含分布式電源的配電網(wǎng)單相接地故障選線方法。本文的主要思想是在提取處理復(fù)雜故障信號(hào)后，利用奇異值檢測(cè)法選出故障線路，然后再通過(guò)搭建Matlab仿真模型，分析仿真結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證所提算法的自適應(yīng)性、準(zhǔn)確性以及可靠性。

分布式電源；故障選線：奇異值檢測(cè)法

引言

配電網(wǎng)中大多采用6-35kv的小電流接地系統(tǒng)。在整個(gè)電力系統(tǒng)中，配電網(wǎng)故障發(fā)生概率最大，其原因有兩方面，其一，其線路布線復(fù)雜，又多置于野外露天環(huán)境；另外，近些年的配電網(wǎng)中又逐漸有分布式電源(distributed generation，簡(jiǎn)稱(chēng)DG）加入其中，導(dǎo)致其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兊帽戎案鼜?fù)雜。而配網(wǎng)故障中，80%為單相接地短路故障，此種故障的故障電流很小，故障信息提取困難，一直是配電網(wǎng)故障選線、定位的重要難題[1]。發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)仍能運(yùn)行1-2h，這種電力要求，需要盡快準(zhǔn)確找出故障線和位置，但是基于傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量矩陣算法難以滿(mǎn)足這種電力要求，除此之外大多數(shù)人工智能算法的收斂速度偏低，相較于此，本文所提出的Hilbert-huang變換(HHT)優(yōu)勢(shì)明顯，可以自適應(yīng)的處理各種復(fù)雜信號(hào)[2-5]。本文在Matlab中進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證其可行性及準(zhǔn)確性[6]。

1 Hilbert-Huang變換和EMD

1.1 EMD

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD，empirical mode decomposition )提出了固有模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function，簡(jiǎn)稱(chēng)IMF）概念，其實(shí)質(zhì)就是對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行平穩(wěn)化處理，處理后所得結(jié)果是由信號(hào)在不同尺度的波動(dòng)分解得到的一系列具有不同特征尺度的數(shù)據(jù)序列的和，其中的每一個(gè)序列就稱(chēng)為一個(gè)IMF，且每個(gè)IMF隨信號(hào)自身變化而變化。因此，EMD能根據(jù)自身信號(hào)特點(diǎn)自適應(yīng)的分析信號(hào)。它有兩個(gè)作用：?可以使波形更對(duì)稱(chēng)；?去除疊加波形。

對(duì)一個(gè)復(fù)雜信號(hào) x(t) 進(jìn)行EMD 分解的具體步驟是:

（1）首先確定任一復(fù)雜信號(hào) x(t) 上的所有極大值點(diǎn)xmax(t)和極小值點(diǎn)xmin(t)。然后將所有極大值點(diǎn)和所有極小值點(diǎn)分別用一條光滑的曲線聯(lián)接起來(lái)使兩條曲線間包含所有的信號(hào)。將這兩條曲線分別作為x(t) 的上、下包絡(luò)線；

（2）計(jì)算上、下包絡(luò)線的平均值曲線

（3）令h(t)=x(t)-m(t)，檢測(cè)h(t)是否滿(mǎn)足IMF的兩個(gè)條件，即:

?①整個(gè)信號(hào)中零點(diǎn)數(shù)與極點(diǎn)數(shù)必須相等或最多相差卜多于一個(gè)；

?②信號(hào)上任意一點(diǎn)由局部極大值點(diǎn)確定的包絡(luò)線和由局部極小值點(diǎn)確定的包絡(luò)線的均

值均為零，即信號(hào)關(guān)于時(shí)間軸局部對(duì)稱(chēng)

如果不滿(mǎn)足上述兩個(gè)條件，則把h1(t)當(dāng)做一個(gè)待處理信號(hào)，重復(fù)上述步驟，直到將h1(t)分解為第一個(gè)IMF，此時(shí)令

（4）從 x(t) 中分解得到第一個(gè)I1(t)后，其剩余值序列r1(t)為

重復(fù)上述步驟，直到得到第二個(gè)IMF信號(hào)I2(t)，第三個(gè)IMF信號(hào)I3(t)......當(dāng)剩余信號(hào)r(t)變成一個(gè)單調(diào)函數(shù)或者一個(gè)常數(shù)時(shí)，停止篩選。該篩選過(guò)程終止準(zhǔn)則為

式中T——信號(hào)的時(shí)間跨度：

hk-1(t)、hk(t)——篩選固有模態(tài)函數(shù)分量過(guò)程中的兩個(gè)連續(xù)處理結(jié)果相對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列。

由能量守恒定理可知，任一個(gè)實(shí)信號(hào)x(t)都能分解為n階IMF分量與最終得到的殘差rn(t)的和，而且此時(shí)的殘差與原信號(hào)具有一樣的趨勢(shì)，其表達(dá)式為

1.2 Hilbert變換

設(shè)X(t)為一時(shí)間序列,Y(t)是其Hilbert變換,即

EMD先將含有諧波的復(fù)雜故障電流信號(hào)分解成IMF的和，然后用Hilbert變換，提取線路故障瞬時(shí)幅值、相位。篩選出IMF分量中的最高頻率；計(jì)算其極值點(diǎn)；它可以反映出故障暫態(tài)過(guò)程的主要信息，改善時(shí)間軸上的信號(hào)奇異點(diǎn)，檢測(cè)故障線路的極性。通過(guò)上述選線方法的理論分析，可以知道，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，小電流接地系統(tǒng)處于信號(hào)奇異點(diǎn)，故障線路和非故障路線極性相反，這種判別方法避免了故障時(shí)由故障電流振蕩引起的故障方向錯(cuò)誤。

2 仿真

如圖1所示，線路1、2分別發(fā)生單相接地故障，先判斷故障時(shí)，線路是否接有DG，分析此時(shí)的故障信號(hào)，再進(jìn)行選線[7]。

圖1 含DG的配電網(wǎng)系統(tǒng)

建立上圖10KV配電網(wǎng)的Matlab仿真模型。其中設(shè)置電源容量為100MVA，降壓變壓器：變比為10.5/0.69，DG容量為2MW，負(fù)載Y型連接，功率為1MW、2MW，3MW，表1為各線路參數(shù)。

表1 配電網(wǎng)線路相關(guān)參數(shù)

在不同的故障切換角、過(guò)渡電阻、消弧線圈的補(bǔ)償程度及故障測(cè)距條件下，對(duì)小電流接地系統(tǒng)進(jìn)行了大量仿真，并分析了HHT對(duì)故障線路和改善線路電流時(shí)的作用，找出故障線路。L2、L3各自的故障仿真結(jié)果顯示，故障時(shí)DG主要給系統(tǒng)提供正序、負(fù)序電流，零序分量很小。表明線路是否接有DG，基于HHT對(duì)故障時(shí)零序電流的奇異值檢測(cè)都能實(shí)現(xiàn)故障選線。如圖2所示，故障線路L2的極性明顯與L1、L3相反，表明故障在L2上。

圖2 L2故障

本文通過(guò)對(duì)單相接地故障分析表明，在小電流接地故障發(fā)生時(shí)，對(duì)暫態(tài)零序電流信號(hào)做Hilbert huang變換，由圖2可以看到，波形差異更明顯。結(jié)果表明，故障暫態(tài)電流幅值總是比故障點(diǎn)電流幅值大。因此，這種方法不受故障的條件和接地方式的影響，暫態(tài)量克服了穩(wěn)態(tài)信號(hào)小幅度不利于故障檢測(cè)的問(wèn)題，從而可以準(zhǔn)確可靠地配電。

這種方法一方面適用于較大的故障暫態(tài)電流，克服小電流穩(wěn)態(tài)時(shí)故障難以檢測(cè)，選線困難的情況。當(dāng)故障角度小，線路高頻暫態(tài)電流也小，EMD可以自適應(yīng)濾除高頻干擾電流，根據(jù)故障線路低頻電流單調(diào)性進(jìn)行判斷 ; 而當(dāng)故障角較大，由于高頻振蕩波的基數(shù)較大，波形相對(duì)對(duì)稱(chēng)，故障特征明顯，故障方向很容易判斷。另一方面，也克服電流互感器不僅易飽和且在一個(gè)周期內(nèi)易發(fā)生單相接地故障的問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真，驗(yàn)證了DG并網(wǎng)后，零序分量故障前后變化不大，故將HHT的奇異值檢測(cè)法應(yīng)用到含DG的配電網(wǎng)單相接地故障選線中，通過(guò)小電流接地系統(tǒng)的故障暫態(tài)過(guò)程分析，本文提出了基于HHT的改進(jìn)算法，它不依賴(lài)于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，能自適應(yīng)地分解故障特征，也可以過(guò)濾低頻分量，避免不確定性的高頻干擾可能產(chǎn)生的誤差，提高選線精度。算法自身所需數(shù)據(jù)量不多，具有很好的自適應(yīng)性，選線快速準(zhǔn)確，可靠性高，且經(jīng)濟(jì)靈活，仿真結(jié)果表明本文所述方法的可行性，為了優(yōu)化配電網(wǎng)自動(dòng)化選線提供可行方案。

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Single - Phase - to - Ground Fault Line Selection Method of Distribution Network Based on HHT

SHI Yating*

(Anhui University of Science and Technology, Anhui Huainan, 232001, China)

In recent years, the network topology of distribution network becomes more and more complex with the addition of more and more distributed power supplies. In this paper, a method of Single - phase - to - ground fault line selection for a small current grounding system based on 10KV distribution network is proposed, which is based on HHT. The main idea of this paper is on the extraction of complex fault signal, using the singular value method to detect the fault line, and then by building Matlab simulation model, simulation results verify the proposed algorithm, adaptive, accuracy and reliability.

distributed generation; fault line selection; singular value detection method

時(shí)雅婷. 基于希爾伯特-黃的配電網(wǎng)單相接地故障選線方法[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2017, 6(5): 63-64.

SHI Yating. Single - Phase - to - Ground Fault Line Selection Method of Distribution Network Based on HHT[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 63-64.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.026

TM733

A

1672-9129(2017)05-0063-02

2017-01-21；

2017-03-01。

時(shí)雅婷（1992-），女，安徽肥東人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)監(jiān)測(cè)。E-mail:1940589124@qq.com