基于EEMD的單相接地故障選線算法

趙 儒，張志成，吳春曉，許 達(dá)，羅 科，劉振興

(1.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司， 山西 河曲 036500；2.太原理工大學(xué) 礦用智能電氣技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024；3.太原理工大學(xué) 煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024)

根據(jù)實(shí)際礦井供電系統(tǒng)提出了一種基于EEMD的單相接地故障選線算法。該算法改善了EMD中存在的模態(tài)混疊現(xiàn)象，采用Hilbert變換進(jìn)行瞬時(shí)幅值的提取，通過計(jì)算各條線路故障發(fā)生時(shí)刻前后1/4周期的能量占比進(jìn)行故障選線，并用大量仿真驗(yàn)證該方法的可靠性和有效性。

1 單相接地故障暫態(tài)特性

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，其暫態(tài)等值電路見圖1.

圖1 單相接地故障暫態(tài)等值電路圖

圖1中，Rj為接地點(diǎn)過渡電阻；R為線路零序等效電阻；L為線路零序等效電感；C0為線路對(duì)地分布電容之和；LL為消弧線圈電感；RL為消弧線圈有功損耗電阻；u0為故障點(diǎn)附加電源電壓。

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于中性點(diǎn)消弧線圈的補(bǔ)償作用，零序電流的分布發(fā)生了較大變化，此時(shí)故障線路上的零序電流不再由線路流向母線，而是由母線流入線路，與非故障線路相同。因此，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)無法利用穩(wěn)態(tài)信號(hào)進(jìn)行故障選線。

2 基于EEMD的選線方法

集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)是經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)的改進(jìn)算法，該方法在待分解的原始信號(hào)中加入高斯白噪聲，由于高斯白噪聲為不相關(guān)信號(hào)，其統(tǒng)計(jì)均值為0，并且加入的高斯白噪聲對(duì)原始信號(hào)的缺失能起到一定的補(bǔ)償作用，能在一定程度上抑制EMD中存在的模態(tài)混疊現(xiàn)象[6-8].

由于消弧線圈的使用，基于穩(wěn)態(tài)分量的選線方法不再適用，而基于暫態(tài)分量進(jìn)行選線時(shí)，能量是目前較為常用的特征量。因此，對(duì)各條線路進(jìn)行EEMD后，提取其能量分布，根據(jù)能量占比最大的原則進(jìn)行故障選線，選線算法流程圖見圖2.

該方法主要步驟如下：

1) 判斷是否發(fā)生故障，若發(fā)生故障則進(jìn)行EEMD，若未發(fā)生故障，則繼續(xù)判斷。

2) 對(duì)各條線路故障的零序電流信號(hào)進(jìn)行EEMD，提取分解得到的IMF1高頻分量進(jìn)行后續(xù)處理，消除低頻分量對(duì)選線結(jié)果的影響。

3) 對(duì)IMF1高頻分量進(jìn)行Hilbert變換，提取分解得到的瞬時(shí)幅值并做能量計(jì)算。

4) 對(duì)各條線路發(fā)生時(shí)刻前后1/4周期的能量進(jìn)行求和，計(jì)算各條線路能量在線路總能量中的占比。

5) 若某條線路的能量占比≥0.5，則判斷該線路為故障線路；若所有線路的能量占比均<0.5，則判斷為母線故障。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證該算法的可靠性，采用RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際礦井系統(tǒng)進(jìn)行了模型搭建，其供電系統(tǒng)圖見圖3.

圖2 選線算法流程圖

圖3 RTDS仿真模型供電系統(tǒng)圖

根據(jù)實(shí)際礦井系統(tǒng)，設(shè)置該仿真模型的主變電站為35 kV/6 kV系統(tǒng)，變壓器T1變比為35/6 kV，其二次側(cè)的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，并采用過補(bǔ)償10%方式。出線均為純電纜線路，共包括4條6 kV的高壓饋線以及4條低壓饋線，其中L0=1.5 km,L1=6 km,L2=7 km,L3=10 km,L4=8 km,L5=0.8 km,L6=1 km,L7=0.8 km,L8=1 km，設(shè)置L4為故障線路，線路長(zhǎng)度均根據(jù)實(shí)際礦井系統(tǒng)圖設(shè)定。變壓器T2—T5變比分別為6/0.66，6/0.69，6/0.69，6/0.66 kV. 線路正序零序參數(shù)分別見表1，2.

3.1 故障特征明顯情況分析

設(shè)置故障初相角為90°、故障點(diǎn)過渡電阻為0、故障發(fā)生在線路總長(zhǎng)80%處、線路4故障，分別對(duì)各條線路的零序電流進(jìn)行EEMD，提取各條線路的IMF1高頻分量，見圖4.

表1 線路正序參數(shù)表

表2 線路零序參數(shù)表

圖4 各條線路的IMF1高頻分量圖

分別對(duì)各條線路的IMF1高頻分量進(jìn)行Hilbert變換，提取各條線路的瞬時(shí)幅值，見圖5.

圖5 Hilbert變換后的瞬時(shí)幅值圖

分別計(jì)算各條線路故障發(fā)生時(shí)刻前后1/4周期的能量占比，分別為0.043 9、0.062 0、0.135 7和0.758 4，根據(jù)能量占比大于0.5可判斷出線路4為故障線路，選線正確。

3.2 故障特征不明顯情況分析

設(shè)置故障初相角為0°、故障點(diǎn)過渡電阻為5 000 Ω、故障發(fā)生在線路總長(zhǎng)30%處、母線故障,分別對(duì)各條線路的零序電流進(jìn)行EEMD，提取各條線路的IMF1高頻分量，見圖6.

圖6 各線路的IMF1高頻分量圖

如果僅觀察圖6，無法提取對(duì)選線有效的信息，因此對(duì)各分量進(jìn)行Hilbert變換，得到的瞬時(shí)幅值見圖7.

圖7 Hilbert變換后的瞬時(shí)幅值圖

通過圖7可看出，故障特征不明顯時(shí)，故障點(diǎn)處的瞬時(shí)幅值很低，計(jì)算各條線路在故障發(fā)生時(shí)刻前后1/4周期的能量占比，分別為0.144 7、0.196 8、0.401 5與0.257 0，根據(jù)能量占比均小于0.5可判斷為母線故障，選線正確。

4 結(jié) 論

針對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的礦井供電系統(tǒng)單相接地故障選線準(zhǔn)確率低、可靠性差的問題，提出了一種基于EEMD的礦井供電系統(tǒng)單相接地故障選線方法，并通過RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1) 基于EEMD的單相接地故障選線方法可抑制EMD中出現(xiàn)的模態(tài)混疊現(xiàn)象，確保了故障選線的準(zhǔn)確率。

2) 提取IMF1高頻分量進(jìn)行Hilbert變換并計(jì)算各條線路的能量占比，可有效抑制低頻分量對(duì)選線結(jié)果的影響。

3) 經(jīng)過EEMD后的IMF1分量含有較大的波動(dòng)，若無法對(duì)IMF1進(jìn)行合適的處理，則可能導(dǎo)致選線失敗。