基于信號距離的煤礦電網(wǎng)故障區(qū)段定位

楊 勇，馮澤鐔，趙建文，李升健

(1.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096)

我國煤礦高壓電網(wǎng)的電壓等級大多為10kV或6kV。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，井下接地電流必須限制在20A以下，越來越多的煤礦高壓電網(wǎng)開始采取經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式，對系統(tǒng)的單相接地故障電流進(jìn)行限制。

現(xiàn)有的故障定位方法多基于零序網(wǎng)絡(luò)對故障信號進(jìn)行辨識(shí)，文獻(xiàn)[1，2]提出利用故障后上下游穩(wěn)態(tài)零序電流的幅值極性差異，定位故障區(qū)段。但消弧線圈的補(bǔ)償，使該方法不再適用。文獻(xiàn)[3]利用羅氏線圈放大零序諧波信號，并結(jié)合矩陣算法實(shí)現(xiàn)對煤礦高壓電網(wǎng)的故障區(qū)段定位，但故障矩陣的構(gòu)建依賴于檢測點(diǎn)上傳的信息，存在抗干擾能力差的問題。文獻(xiàn)[4]通過GHM多小波變換對故障電流處理，改進(jìn)了傳統(tǒng)小波變換存在奇異點(diǎn)偏移的問題，從而提高故障定位精度，但受礦井下的大量干擾源的影響。文獻(xiàn)[5]通過注入原始脈沖實(shí)現(xiàn)礦用電纜的準(zhǔn)確定位，但相對應(yīng)的信號檢測設(shè)備的安裝，使得成本有所提高。因此，對于工況環(huán)境復(fù)雜，干擾源眾多的煤礦電網(wǎng)，上述定位方法均存在一定局限性。

本文通過對發(fā)生單相接地故障時(shí)暫態(tài)正序?qū)嵅侩娏魈卣鞯姆治觯眯盘柧嚯x算法對故障上下游波形的相似度進(jìn)行衡量，判別出故障區(qū)段。并通過不同故障條件下的仿真，驗(yàn)證了本方法不受消弧線圈的影響，在不同故障條件下均能識(shí)別故障區(qū)段。

1 基于正序?qū)嵅烤W(wǎng)絡(luò)的單相接地故障特性分析

以具有n條饋出線路的經(jīng)消弧線圈接地的煤礦電網(wǎng)為例，通過瞬時(shí)對稱分量法對發(fā)生單相接地故障的煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行解耦得到瞬時(shí)正序?qū)嵅烤W(wǎng)絡(luò)[6-8]，如圖1所示。

圖1 單相接地故障的瞬時(shí)正序?qū)嵅烤W(wǎng)絡(luò)

在圖1的線路l1共設(shè)有M、N、P、Q四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，設(shè)故障發(fā)生在檢測點(diǎn)N、P之間。故障點(diǎn)上游監(jiān)測點(diǎn)M、N的暫態(tài)正序?qū)嵅侩娏鳚M足：

故障點(diǎn)下游監(jiān)測點(diǎn)P、Q之間的正序?qū)嵅侩娏鳚M足：

對于故障點(diǎn)上下游而言，流過故障上游的電流主要由故障點(diǎn)處的虛擬故障電源提供，以及故障點(diǎn)上游的線路對地電容電流組成；故障點(diǎn)下游為線路對地電容電流。則對于監(jiān)測點(diǎn)N、P而言，存在以下關(guān)系：

各檢測點(diǎn)暫態(tài)正序?qū)嵅侩娏鞑ㄐ稳鐖D2所示，具有3條饋出線路的系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障條件下，故障線路l1各檢測點(diǎn)暫態(tài)正序?qū)嵅侩娏鞑ㄐ?故障發(fā)生在NP之間，從上往下依次為上游監(jiān)測點(diǎn)M、N和下游監(jiān)測點(diǎn)P、Q波形)，由圖2可知故障特征與理論分析一致。

圖2 各檢測點(diǎn)暫態(tài)正序?qū)嵅侩娏鞑ㄐ?/p>

從圖2可以明顯看出：故障線路上，故障點(diǎn)同側(cè)的暫態(tài)正序?qū)嵅侩娏鞑ㄐ蜗嗨?，而故障點(diǎn)異側(cè)的正序?qū)嵅侩娏鞑ㄐ尉哂胁町愋?。并且，由于正序電流不?jīng)消弧線圈，故障特征不受消弧線圈的影響。

2 基于信號距離的故障區(qū)段定位

對于波形形狀復(fù)雜，不甚規(guī)整的暫態(tài)過渡階段而言，其分析和處理完全不同于常見的波形規(guī)整的正弦信號，無法直接對其幅值、相位、頻率等信號特征比較分析；并且由于暫態(tài)過程過于短暫，因此對辨識(shí)算法的快速性提出了嚴(yán)格的要求。

2.1 信號距離原理

信號距離算法是以加減法運(yùn)算為主要形式的信號分析方法，具有簡單快速的特點(diǎn)。通過計(jì)算兩個(gè)信號在對應(yīng)時(shí)刻的差值，并取其絕對值的區(qū)間平均值，來表示兩個(gè)信號之間的相似程度。

設(shè)離散樣本信號x(n)和y(n)來自各態(tài)遍歷平穩(wěn)隨機(jī)過程，時(shí)限歷程為[0，N]，并假定信號是因果的，則兩信號的互距離定義如下：

式中，Δxy表示兩無時(shí)移離散信號之間的距離值。特別，當(dāng)y(n)≠x(n)時(shí)，Δxy表示兩信號間的互距離；而當(dāng)y(n)=x(n)時(shí)，稱Δxy為信號自距離，自距離值恒為零。因此，對于不同信號之間的差異程度的大小，可以根據(jù)它們之間的互距離值大小來表征。信號的相似度越低對應(yīng)的距離值越大，反之越小。

采用信號距離對信號進(jìn)行分析處理，不僅能夠綜合反應(yīng)信號中每一頻率分量的相位關(guān)系及幅值信息，彌補(bǔ)了依靠單一頻段信息判斷故障的信息的不全面性；同時(shí)由于算法本身原理簡單，不涉及復(fù)雜的頻率轉(zhuǎn)換，算法的運(yùn)算速度得到了有效保障。

2.2 基于信號距離的區(qū)段定位方法

將故障線路上相鄰兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)i和j在區(qū)間[0，N]的暫態(tài)時(shí)間內(nèi)采集到的瞬時(shí)正序?qū)嵅侩娏鲙胧?4)，計(jì)算得到該區(qū)段的信號距離pij，以便于后續(xù)對故障路徑進(jìn)行判斷及定位故障區(qū)段。

針對煤礦電網(wǎng)的多分支結(jié)構(gòu)，分別從以下兩種線路結(jié)構(gòu)，給出故障路徑的判據(jù)及定位故障區(qū)段的方法。線路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 線路結(jié)構(gòu)

2.2.1 無分支線路

對于圖3(a)所示的無分支線路，若在f1處發(fā)生故障，上游線路長度一般較下游線路大，且上游的電流部分為故障源所提供。因此，流過監(jiān)測點(diǎn)S1與S2的暫態(tài)正序?qū)嵅侩娏鞑ㄐ未嬖诓町悾玫降男盘柧嚯x較大。

若在f2處發(fā)生故障，流過S1與S2的正序?qū)嵅侩娏骶鶎俟收仙嫌?，均以電容電流為主，因此流過兩個(gè)開關(guān)的暫態(tài)正序?qū)嵅侩娏鳎ㄐ蜗嗨?，信號距離較小。且若饋線上游存在其余監(jiān)測點(diǎn)，則所有的信號距離值大小較為相近，彼此相差不超過一個(gè)數(shù)量級。

綜上，得到判據(jù)1：對于無分支的線路，故障路徑直接便可確定，故障路徑即為此無分支線路。

2.2.2 帶分支線路

煤礦電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不乏多分支線路，舉圖3(b)所示線路進(jìn)行適當(dāng)分析。

為便于分析描述，對分支節(jié)點(diǎn)處的相鄰檢測點(diǎn)之間的信號距離進(jìn)行計(jì)算，并將其記為rkl(k，l分別為節(jié)點(diǎn)前后相鄰的監(jiān)測點(diǎn))。

當(dāng)故障在f3處發(fā)生時(shí)，流過S1的電流來自故障上游；而流過S2與S3的暫態(tài)正序?qū)嵅侩娏鱽碜韵掠沃?，得到的r12與r13均較大。由于在這種故障情況下，在故障節(jié)點(diǎn)后，選擇分支1或分支2對后續(xù)故障區(qū)段的定位無影響。為簡便起見，一般將分支處信號距離較小的分支，作為故障分支。

若故障發(fā)生在f4處，流過S1與S2的正序?qū)嵅侩娏骶鶠樯嫌尉W(wǎng)絡(luò)的電容電流，波形相似性大；而流過S3的電流仍為下游支路的電容電流，存在r12

綜上，得到判據(jù)2：對于帶分支線路，若分支節(jié)點(diǎn)處相鄰檢測點(diǎn)暫態(tài)正序?qū)嵅侩娏骰ゾ嚯x值小的分支段，為故障分支。對于有分支節(jié)點(diǎn)的線路，重復(fù)利用判據(jù)2，直到線路末端，得到故障路徑。

待故障路徑確定后，將故障路徑上各區(qū)段的信號距離值作為向量P中的元素，形成區(qū)段定位向量：

P=[p12，p23，…，p(m-1)m]

(7)

若某一區(qū)段發(fā)生接地故障，區(qū)段定位向量中最大元素pmax=max{pij}對應(yīng)為故障區(qū)段。

2.3 故障區(qū)段定位流程

經(jīng)過大量學(xué)者及科研單位的深入研究，故障選線技術(shù)現(xiàn)已頗為成熟，并推出了一系列適用于礦井的微機(jī)選線裝置，故本文的定位方法建立在故障線路已知的情況下，進(jìn)行基于信號距離的故障區(qū)段定位。定位方法的步驟如下所示，其流程如圖4所示。

圖4 區(qū)段定位流程圖

1)確定故障線路。首先對是否發(fā)生故障進(jìn)行判別，檢測母線上瞬時(shí)零序電壓，當(dāng)其超過0.15倍額定電壓幅值時(shí)，發(fā)生單相接地故障。根據(jù)集中式區(qū)段定位的原理，啟動(dòng)故障選線算法，確定故障線路，并將選線結(jié)果上報(bào)主站。

2)采集暫態(tài)正序?qū)嵅侩娏餍盘?。通過故障線路上的各監(jiān)測點(diǎn)，對故障后1/4工頻周期內(nèi)的三相電流進(jìn)行采集。采樣頻率選為10kHz，即每工頻周期采樣200點(diǎn)。并通過瞬時(shí)對稱分量法獲得相應(yīng)的瞬時(shí)正序?qū)嵅侩娏?，上傳至主站?/p>

3)計(jì)算相鄰檢測點(diǎn)的信號距離值。主站根據(jù)傳輸過來的1/4工頻周期正序電流信息計(jì)算故障線路上各相鄰檢測點(diǎn)之間的暫態(tài)正序?qū)嵅侩娏骰ゾ嚯x值。

4)確定故障路徑。根據(jù)故障線路是否存在分支節(jié)點(diǎn)，決定下一步驟的執(zhí)行。若故障線路無分支，則故障路徑即為該故障線路；若存在分支節(jié)點(diǎn)，則通過比較分支節(jié)點(diǎn)處相鄰監(jiān)測點(diǎn)的區(qū)段信號距離值判斷故障分支，直到線路末端，確定故障路徑。

5)定位故障區(qū)段。將故障路徑上各區(qū)段的信號距離值重構(gòu)，得到故障區(qū)段定位向量P，根據(jù)向量中的最大元素pmax=max{pij}定位故障區(qū)段。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真模型

依據(jù)實(shí)際煤礦電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過Matlab/Simulink軟件平臺(tái)對系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，如圖5所示。該仿真系統(tǒng)為典型單源輻射式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式運(yùn)行，共有3回出線，各檢測點(diǎn)編號及饋線區(qū)段長度如圖5所示。電纜線路采用π形參數(shù)模型，其正序參數(shù)為R1=0.11Ω/km，L1=0.52mH/km，C1=0.29μF/km；零序參數(shù)為R0=0.34Ω/km，L0=1.54mH/km，C0=0.19μF/km。系統(tǒng)以過補(bǔ)償狀態(tài)運(yùn)行，脫諧度v為-10%，零序電感L=1.364H，采樣頻率為10kHz。

圖5 10kV煤礦電網(wǎng)仿真模型

3.2 仿真算例

對圖5所示系統(tǒng)，在線路l3的監(jiān)測點(diǎn)S3-S4之間設(shè)置單相接地故障，故障時(shí)刻為0.02s，系統(tǒng)以脫諧度v為-10%的過補(bǔ)償狀態(tài)運(yùn)行；漏電電阻Rf取100Ω；漏電角q=90°。故障線路上各監(jiān)測點(diǎn)的暫態(tài)正序?qū)嵅侩娏魅鐖D6所示。

圖6 故障線路各檢測點(diǎn)的瞬時(shí)正序?qū)嵅侩娏?/p>

從圖6可以明顯看出，對于故障點(diǎn)異側(cè)的暫態(tài)瞬時(shí)正序?qū)嵅侩娏鞑ㄐ尾町愶@著；而位于故障點(diǎn)同側(cè)的暫態(tài)瞬時(shí)正序?qū)嵅侩娏鞑ㄐ蜗嗨贫容^高。

分別對故障后1/4周期的相鄰監(jiān)測點(diǎn)之間的正序?qū)嵅侩娏鬟M(jìn)行信號距離計(jì)算。由于在分支節(jié)點(diǎn)1和分支節(jié)點(diǎn)2處存在r12

3.3 方法適應(yīng)性驗(yàn)證

設(shè)定仿真系統(tǒng)在0.02s發(fā)生單相接地故障，故障位置設(shè)為監(jiān)測點(diǎn)S3至S4之間，在不同漏電初始角的情況下，漏電電阻為100Ω時(shí)，故障路徑及區(qū)段定位向量的計(jì)算結(jié)果見表1；通過設(shè)定漏電初始角q=60°，分別在不同漏電電阻的條件下，對故障區(qū)段進(jìn)行判定，不同漏電電阻下故障區(qū)段定位結(jié)果見表2。漏電角設(shè)定為90°且漏電電阻定為100Ω的條件下，針對不同的故障位置，對故障定位方法進(jìn)行了驗(yàn)證，不同故障區(qū)間下故障區(qū)段定位結(jié)果見表3。

表1 不同漏電角故障區(qū)段定位結(jié)果(Rf=100Ω)

表2 不同漏電電阻下故障區(qū)段定位結(jié)果(θ=60°)

表3 不同故障區(qū)間下故障區(qū)段定位結(jié)果(90°，100Ω)

由表1—表3可知，對于不同漏電角、漏電電阻及不同故障位置發(fā)生單相接地故障時(shí)，在分支節(jié)點(diǎn)處，故障支路的信號距離值均小于健全支路，故障路徑判定正確；故障路徑上區(qū)段定位向量中信號距離值最大的元素恒對應(yīng)故障區(qū)段?？梢姳痉椒ㄔ诓煌收蠗l件下均能準(zhǔn)確定位，具有有效性及適用性。

4 結(jié) 語

本文通過正序?qū)嵅侩娏鞑涣鹘?jīng)消弧線圈的特性，從原理上避免了消弧線圈對定位方法的影響。并從比較波形相似度的角度出發(fā)，利用信號距離算法，對系統(tǒng)故障線路上各區(qū)段的正序?qū)嵅侩娏餍盘柧嚯x值進(jìn)行比較，以此定位故障區(qū)段。在不同故障條件下的仿真實(shí)驗(yàn)表明，方法具有一定的適應(yīng)性。