基于CEEMD與小波包的單相接地故障選線方法

劉炳南，耿蒲龍，田慕琴，宋建成

(1.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；2.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)

隨著現(xiàn)代化綜采技術(shù)的發(fā)展，礦井供電容量不斷增大，供電電壓等級(jí)不斷增多，供電距離不斷增長(zhǎng)，發(fā)生單相接地故障的概率也不斷提高，因此如何快速準(zhǔn)確的進(jìn)行故障選線具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，提出了多種選線方法，大體可分為基于暫態(tài)分量法和基于穩(wěn)態(tài)分量法[4-7]。由于礦井供電系統(tǒng)中多采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，基于穩(wěn)態(tài)分量法不再適用，因此基于暫態(tài)分量的選線方法得到了廣泛關(guān)注。而其中最常用方法為小波包變換，但小波包變換受信號(hào)中低頻分量的影響較大，在故障特征不明顯的情況下易選線失敗。因此本文提出了一種基于互補(bǔ)集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition，CEEMD)[8-10]與小波包[11-14]的單相接地故障選線方法，能最大限度的降低低頻分量對(duì)選線的影響，并通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(Real Time Digital Simulator，RTDS)驗(yàn)證了該選線方法的正確性和有效性。

1 單相接地故障暫態(tài)特性分析

礦井供電系統(tǒng)均采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，暫態(tài)等值電路如圖1所示。

圖1 單相接地故障暫態(tài)等值電路

其中，Rj為接地點(diǎn)過(guò)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)，故障線路首端暫態(tài)零序電流包括暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電感電流，非故障線路首端暫態(tài)零序電流為本線路暫態(tài)電容電流，故障線路與非故障線路暫態(tài)零序電流不論在幅值還是振蕩頻率上均存在差異，因此，可以利用各條線路暫態(tài)零序電流的差異作為單相接地故障選線的理論依據(jù)。

2 基于RTDS的礦井供電系統(tǒng)仿真模型

本文以實(shí)際礦井系統(tǒng)作為研究對(duì)象，在RTDS中根據(jù)實(shí)際情況搭建了礦井供電系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主變電站為35/6kV系統(tǒng)，變壓器T1變比為35/6kV，其二次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地并采用過(guò)補(bǔ)償10%的運(yùn)行方式。出線均為純電纜線路，共包括4條6kV的高壓饋線以及4條低壓饋線，其中L0=1.5km，L1=11km，L2=9km，L3=10km，L4=9km，L5=0.8km，L6=1km，L7=0.8km，L8=1km，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6/0.66kV，6/0.69kV，6/0.69kV，6/0.66kV。

3 CEEMD與小波包選線方法

設(shè)置故障條件為故障初相角90°、接地電阻0Ω、消弧線圈過(guò)補(bǔ)償10%、線路4發(fā)生故障、故障發(fā)生在線路首端；由于暫態(tài)電流分量的自由震蕩頻率約為1.5～3kHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，采樣頻率設(shè)置為8kHz。采集到的零序電流波形如圖2所示。

圖2 零序電流波形圖

為解決EMD分解中存在的模態(tài)混疊現(xiàn)象[15]，CEEMD應(yīng)運(yùn)而生；CEEMD可以完美解決模態(tài)混疊現(xiàn)象，并且具有較高的自適應(yīng)性，適用于各種情況下的單相接地故障；分別對(duì)各條線路的零序電流進(jìn)行CEEMD分解，提取各條線路分解得到IMF1分量，如圖3所示。

圖3 CEEMD分解后IMF1分量

小波包具有較高的時(shí)頻分解特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，選用db10小波基函數(shù)進(jìn)行5次分解可得到最優(yōu)的分解效果，因此對(duì)所得到的IMF1采用db10小波基函數(shù)進(jìn)行5次分解，進(jìn)行小波包能量占比的計(jì)算，能量占比譜圖如圖4所示。

通過(guò)對(duì)圖4能量占比的分析，按照能量最大的原則確定頻帶1為特征頻帶，對(duì)特征頻帶進(jìn)行小波包分解系數(shù)的提取，如圖5所示。

對(duì)小波包分解系數(shù)進(jìn)行分析，取模最大值點(diǎn)處的極性來(lái)判斷故障線路，通過(guò)圖5可知，前3條線路的模最大值處的極性為正，而線路4的模最大值極性為負(fù)，因此可判斷線路4為故障線路，選線結(jié)束。

圖4 小波能量占比譜圖

圖5 小波包分解系數(shù)

4 選線方法

4.1 單相接地故障選線方法

通過(guò)上述分析，礦井供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，利用CEEMD算法消除低頻分量的影響，再利用小波包對(duì)CEEMD分解得到的IMF1分量進(jìn)行處理，通過(guò)分析最大特征頻帶的小波包分解系數(shù)的極性來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障選線，具體選線步驟如下：

1)當(dāng)零序電壓u0>母線電壓Ut的15%時(shí)，若滿足條件，則提取故障時(shí)刻前后1/4周期的波形。否則重復(fù)步驟1)，直至滿足條件。

2)對(duì)提取出的零序電流進(jìn)行的CEEMD分解，得到一系列固有模態(tài)函數(shù)IMF以及余項(xiàng)r，提取高頻IMF1分量。

3)利用小波包算法對(duì)IMF1分量進(jìn)行5次分解，得到32個(gè)特征頻帶，并選擇模最大的特征頻帶進(jìn)行小波包系數(shù)的提取，判斷小波包系數(shù)模最大值的極性。

4)若各條線路小波分解系數(shù)極性相同，則判斷為母線故障，若某條線路小波分解系數(shù)極性與其余線路相反，則判斷該線路故障。

4.2 方法適應(yīng)性分析

礦井供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，零序電流的暫態(tài)特性會(huì)隨著接地點(diǎn)過(guò)渡電阻、故障線路長(zhǎng)度、故障位置、故障初相角的不同而發(fā)生改變。通過(guò)仿真對(duì)選線方法進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果見表1。

表1 單相接地故障選線結(jié)果

5 結(jié) 論

本文針對(duì)礦井供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障特征不明顯情況下小波包選線方法選線準(zhǔn)確性差的問(wèn)題，提出了一種基于CEEMD與小波包的單相接地故障選線方法，并通過(guò)RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真進(jìn)行了驗(yàn)證，可得出如下結(jié)論：

1)基于CEEMD與小波包的單相接地故障選線方法能解決小波包算法在故障特征不明顯時(shí)易出現(xiàn)選線失敗的問(wèn)題。

2)基于CEEMD與小波包的單相接地故障選線方法能剔除低頻分量，僅對(duì)高頻故障分量進(jìn)行分析處理，具有更高的可靠性。