基于IMF分量的配網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)高阻接地故障診斷

【關(guān)鍵詞】IMF 分量；配網(wǎng)；小電流接地；高阻接地；故障診斷方法

引言

配網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，能夠?qū)㈦娔茌斔偷礁鱾€(gè)用戶，確保用戶的用電穩(wěn)定性。小電流接地系統(tǒng)的優(yōu)勢，體現(xiàn)在中性點(diǎn)接地方式上。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，不會形成短路回路，減小了故障電流，確保用電設(shè)備的安全。通過高阻接地，將高阻抗設(shè)備與中性點(diǎn)接地，形成更加安全的用電環(huán)境。然而，故障電流減小，增加了故障診斷、檢測、排除的難度，同樣會影響配網(wǎng)安全。針對此類問題，研究人員設(shè)計(jì)了多種診斷方法。

其中，文獻(xiàn)[1]提出基于VMD-TEO與全信號采集的配網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)高阻接地故障診斷方法，主要是利用VMD全信號測量，對故障電流、相電壓和零序電壓行波信號進(jìn)行檢測，并通過能量算子TEO進(jìn)行行波測距，確保故障診斷的準(zhǔn)確性。[1]然而，該方法容易受到噪聲等因素影響，存在故障診斷失誤的問題。文獻(xiàn)[2]提出基于拐點(diǎn)密集區(qū)凹凸波動(dòng)特性的配網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)高阻接地故障診斷方法，主要是提取出接地故障特征分量，并選擇拐點(diǎn)密集區(qū)進(jìn)行歸一化處理，得到各個(gè)饋線的凹凸波動(dòng)特性，從而快速找出故障區(qū)間，實(shí)現(xiàn)故障準(zhǔn)確診斷。[2]但是，該方法增加了大量的計(jì)算步驟，計(jì)算復(fù)雜度較高，無法適應(yīng)高阻接地故障診斷場景。因此，本文結(jié)合了IMF分量的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了配網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)高阻接地故障診斷方法。

一、配網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)高阻接地故障IMF診斷方法設(shè)計(jì)

（一）提取配網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)高阻接地故障特征

配網(wǎng)的電網(wǎng)結(jié)合越合理，供電可靠性越高，以輻射狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了電網(wǎng)的運(yùn)行靈活性。高阻接地故障由高阻值設(shè)備接觸樹木、地面引起，接地介質(zhì)不同，故障特征也不同[3]。純電阻性高阻接地故障，故障電流較為微弱，不容易出現(xiàn)畸變，通過IMF分量放大故障特征，確保故障診斷效果。電弧性高阻接地故障，接地介質(zhì)接觸不穩(wěn)定，故障特征更加復(fù)雜[4]。本文利用IMF分量，描述等效接地電阻升高引起的故障電流幅值特征、電弧性特征，確保后續(xù)故障診斷的準(zhǔn)確性。電弧性特征通過熱平衡方程來描述，公式如下：

式（1）中，g為電弧電導(dǎo)；t為故障開始時(shí)刻；d為導(dǎo)數(shù)；k為時(shí)間常數(shù)；ai為第i條線路的輸入功率；p0為散熱功率。在配網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)ai＞p0時(shí)，g處于增大的狀態(tài)。當(dāng)配網(wǎng)出現(xiàn)小電流接地故障時(shí)，ai＜p0，g處于衰減的狀態(tài)。電流幅值特征表示為：

式（2）中，i為故障電流幅值特征；u為暫態(tài)電壓。當(dāng)配網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，i處于穩(wěn)態(tài)變化；當(dāng)配網(wǎng)故障時(shí)，i存在異常波動(dòng)[5]。通過g的增大或衰減狀態(tài)，i的波動(dòng)狀態(tài)，確定當(dāng)前配網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。

（二）基于IMF分量構(gòu)建接地系統(tǒng)高阻接地故障診斷模型

本文將高阻接地故障信號作為原始信號，將故障診斷問題變換為變分問題，每個(gè)模態(tài)函數(shù)，均存在一個(gè)解析信號，能夠獲取單邊頻譜，從而提高高阻接地故障診斷的準(zhǔn)確性。將接地系統(tǒng)高阻接地故障信號分為多個(gè)IMF分量，求取故障診斷交替方向的最優(yōu)解，從而實(shí)現(xiàn)接地故障的精準(zhǔn)診斷[6]。假設(shè)原始信號為k，分解成m個(gè)IMF分量，構(gòu)建出高阻接地故障診斷模型，表達(dá)式如下：

式（3）中，G（k）為高阻接地故障診斷模型表達(dá)式；為原始信號k對應(yīng)的導(dǎo)數(shù)；g（k）為故障信號的電弧性特征；i（k）為故障信號的電流幅值特征；j為常數(shù)；um為第m個(gè)模態(tài)信號。引入二次乘法因子與算子，將故障診斷約束性問題，變換為非約束性變分問題，得到故障診斷的最優(yōu)解，形成更加準(zhǔn)確的IMF分量[7]。故障診斷最優(yōu)解表示為：

式（4）中， 為最優(yōu)IMF分量，也就是故障診斷最優(yōu)解； 為二次乘法因子；δ（k）為懲罰算子。將 作為基礎(chǔ)值，各IMF分量不斷更新，達(dá)到 的條件，才能輸出診斷結(jié)果，確保診斷的準(zhǔn)確性。小電流接地系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，中性點(diǎn)電阻、電流，在零序過零點(diǎn)位置存在非線性畸變。根據(jù)零序電流的時(shí)域波形，反映高阻接地故障的非線性畸變程度，求解高阻接地非線性畸變整定值，進(jìn)一步滿足故障診斷的需求。高阻接地非線性畸變整定值表示為：

式（5）中，iz、uz為高阻接地非線性畸變的電流、電壓整定值；ω為權(quán)重； 、 為初相角。當(dāng)輸出的 ，滿足iz、uz的整定需求時(shí)，能夠進(jìn)一步確定 為最優(yōu)IMF分量，真正意義上實(shí)現(xiàn)接地故障的精準(zhǔn)診斷。

二、仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的方法，是否滿足配網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)高阻接地故障診斷需求，本文搭建了一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺，對上述方法進(jìn)行了仿真分析。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則以文獻(xiàn)[1]基于VMD-TEO與全信號采集的診斷方法、文獻(xiàn)[2]基于拐點(diǎn)密集區(qū)凹凸波動(dòng)特性的診斷方法，以及本文設(shè)計(jì)的基于IMF分量的診斷方法進(jìn)行對比的形式呈現(xiàn)。具體實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程以及最終的診斷結(jié)果如下所示。

（一）實(shí)驗(yàn)過程

本次實(shí)驗(yàn)在PSCAD/EMTDC仿真平臺，對10kV小電流接地系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。在接地系統(tǒng)仿真模型上，模擬出多種高阻接地故障類別，利用饋線初始端設(shè)置零序電流，確保本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。仿真模型如下圖1所示。

如圖1 所示， L 1 、L 2 為架空線路， 線路電阻為0.17Ω～0.24Ω；L3為電纜線路，線路電阻為0.26Ω～2.6Ω；L4、L5為架空與電纜混合線路。通過開關(guān)K控制接地方式，形成金屬性、電弧性、瞬時(shí)性等12組接地故障類別，確保故障診斷實(shí)驗(yàn)的有效性。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，本文隨機(jī)選取出12組高阻接地故障類別，分別分析了中性點(diǎn)位移電壓、零序電流、IMF分量能量比等指標(biāo)。IMF分量能量比是通過IMF分量提取的故障特征參數(shù)，能量比越高，故障特征越明顯，越容易實(shí)現(xiàn)高精度診斷。在其他條件均已知的情況下，對比了文獻(xiàn)[1]基于VMDTEO與全信號采集方法的診斷性能、文獻(xiàn)[2]基于拐點(diǎn)密集區(qū)凹凸波動(dòng)特性方法的診斷性能，以及本文設(shè)計(jì)的基于IMF分量方法的診斷性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表1所示。

如表1所示，kSp_1為金屬性高阻接地；kSp_3為電弧性高阻接地；kSp_4為瞬時(shí)性高阻接地；kSp_5為永久性高阻接地；kSp_7為高電壓等級高阻接地；kSp_8為單相高阻接地；kSp_9為多相高阻接地；kSp_10為周期性高阻接地；kSp_11為隨機(jī)性高阻接地；kSp_2、kSp_6、kSp_12為正常。在其他條件均一致的情況下，使用文獻(xiàn)[1]基于VMD-TEO與全信號采集的高阻接地故障診斷方法之后，IMF分量能量比相對較小，故障診斷特征不明顯，出現(xiàn)較多的失誤問題。使用文獻(xiàn)[2]基于拐點(diǎn)密集區(qū)凹凸波動(dòng)特性的高阻接地故障診斷方法之后，IMF分量能量比有所增加，但仍低于0.9，同樣存在一定的失誤，亟須對其進(jìn)一步優(yōu)化。而使用本文設(shè)計(jì)的基于IMF分量的高阻接地故障診斷方法之后，IMF分量能量比較高，故障診斷特征明顯，診斷結(jié)果均正確，符合本文研究目的。

結(jié)束語

近些年來，電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，配網(wǎng)的安全性與可靠性成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。在配網(wǎng)系統(tǒng)中，小電流接地系統(tǒng)以其獨(dú)特的運(yùn)行優(yōu)勢，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。然而，小電流接地故障發(fā)生時(shí)，故障電流相對微弱，加大了故障診斷的難度。因此，本文利用IMF分量，設(shè)計(jì)了配網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)高阻接地故障診斷方法。從故障特征、診斷模型等方面，診斷出高阻接地類別。通過IMF分量，增強(qiáng)故障特征，真正意義上提高了故障診斷的準(zhǔn)確性，為配電網(wǎng)的運(yùn)行提供安全性保障。