基于小波包分析的配電網(wǎng)故障選線新判據(jù)

基于小波包分析的配電網(wǎng)故障選線新判據(jù)

0基于暫態(tài)高頻零序瞬時功率的配電網(wǎng)故障選線新判據(jù)中國的輸電網(wǎng)通常采用中性點不接地（nus）、中性點高阻接地（nms）或中性點消弧圈接地（nes），統(tǒng)稱為小電流接地系統(tǒng)。由于小電流接地系統(tǒng)單相接地時故障電流為線路對地電容電流,數(shù)值非常小,這一小電流又疊加在數(shù)值較大的負(fù)荷電流上,很難準(zhǔn)確檢出;同時,現(xiàn)場電磁干擾相對很大,使得檢測出的故障信號中信噪比非常低;而故障狀況受電網(wǎng)參數(shù)、故障時刻等多種因素的影響,形式多變,造成了小電流接地電網(wǎng)選線的困難?，F(xiàn)有的故障選線方法,大體分為基于穩(wěn)態(tài)電氣量法和基于暫態(tài)電氣量法[3~5]兩類。對于小電流接地系統(tǒng),故障線路的序電流較小,采用穩(wěn)態(tài)電氣量很難確定其幅值的定值,從而降低了選線的可靠性;對于中性點經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)系統(tǒng),基頻相位關(guān)系不再有效,通過比較各饋線故障信號中基波與母線零序PT測量電壓對應(yīng)分量的相位關(guān)系來選擇故障線路可靠性仍得不到保證。本文針對現(xiàn)有選線方法的不足,將小波包分析用于配電網(wǎng)故障選線中,提出了一種基于暫態(tài)高頻零序瞬時功率的配電網(wǎng)故障選線新判據(jù),以提高故障選線的可靠性與正確率。仿真表明該選線方法對接地阻抗、故障距離、短線遠(yuǎn)端接地等故障均能準(zhǔn)確判斷,且不受中性點接地方式、故障接地時刻等因素的影響,具有良好的通用性。1小波包基分析小波分析是一種用于分析暫態(tài)信號的優(yōu)秀的時頻分析工具,它能夠把任何信號投影到一個由小波伸縮而成的基函數(shù)(即小波基)上,可以清晰地表示故障狀態(tài)信號在某頻段的時域特征,為故障選線進(jìn)行深層信息處理提供條件。設(shè)為一小波基函數(shù),則信號x(t)的連續(xù)小波變換的定義為:其離散表達(dá)式為:小波分解過程只分解信號的低頻部分。小波包分析彌補了小波分析只分解信號低頻部分而對高頻部分不再進(jìn)行分解這一不足,可以根據(jù)信號特性和要求在一定頻域內(nèi)任意選擇分辨率。小波包是建立在小波變換的基礎(chǔ)上的。其定義為:選擇已知的正交尺度函數(shù)?(x)及對應(yīng)的小波基(即共軛濾波器系數(shù)){kh}和{gk},有雙尺度方程如下:記μ0=?(x),μ1=ψ(x),則由下面的遞推關(guān)系定義μn。2容性無功率方向一個簡單的小電流接地系統(tǒng)模型如圖1所示。設(shè)線路L1上發(fā)生A相單相接地故障,網(wǎng)內(nèi)電容電流分布發(fā)生變化如圖1中箭頭所示。其零序等效網(wǎng)絡(luò)圖由各條線路的電阻、電感和對地電容等元件組成,如圖2所示。由圖2可知,在非故障線路上的零序電流,其數(shù)值等于本身的對地電容電流,幅值較小,容性無功功率方向為從母線流向線路。對于中性點不接地系統(tǒng)(圖2中不包含IL支路),故障線路零序電流(即保護(hù)測量的零序電流)為系統(tǒng)所有非故障線路對地電容電流之和,數(shù)值較大,容性無功功率的方向為由故障線路流向母線;而對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)(圖2中包含IL支路),由于補償電流的存在,使得故障線路始端的零序電流中增加了一個感性電流分量,流經(jīng)線路始端的總零序電流減小,且在過補償方式下,基頻零序電流將反向,使得故障線路始端的容性無功功率的方向改變,變?yōu)閺哪妇€流向線路。當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障的瞬間,由于線路分布電感和分布電容的存在,會產(chǎn)生短暫的電容充放電電流。對于故障相,由于相電壓突然降低,引起故障相對地電容放電且放電電流頻率比較高;而非故障相由于相電壓升高,會產(chǎn)生充電電流,充電電流主要由電源電感提供,故其充電電流頻率較低。因此故障瞬間的暫態(tài)信號中含有多種頻率成分,導(dǎo)致暫態(tài)量比穩(wěn)態(tài)量大很多倍。3故障選線邏輯從以上對配電網(wǎng)單相接地故障特征的分析可知,在接地瞬間,故障信號的暫態(tài)高頻分量中含有豐富的故障信息,且暫態(tài)分量的幅值比穩(wěn)態(tài)量要大得多。鑒于小波包分析可以進(jìn)行高頻段的多分辨分析,因此以小波包分析為工具,對暫態(tài)高頻分量進(jìn)行多尺度分解,通過比較故障線路與非故障線路的相關(guān)特征選擇故障線路。單相接地故障發(fā)生后的暫態(tài)過程中,對于非母線故障,故障線路高頻瞬時功率與非故障線路高頻瞬時功率時刻反向,大小為所有非故障線路(包括變壓器出線端)瞬時功率大小的和。據(jù)此給出如下故障選線主判據(jù)(式1)與副判據(jù)(式2)。其中:i=1,2,…,L為線路編號,L為線路總條數(shù);k=1,2,…,N為選線頻帶序列點編號,N為總點數(shù);WTPi(k)為第i條線路小波包分解后第k點瞬時功率;kmax為幅值最大瞬時功率對應(yīng)點位置。故障選線邏輯按如下步驟進(jìn)行。1)取故障后母線零序電壓與各線路零序電流第一周波數(shù)據(jù),選擇db3小波作為小波基,進(jìn)行a=int(log2N)-1層小波包分解至頻帶寬度為100~200Hz之間,具體視采樣頻率而定,其中,N為每周波的采樣點數(shù)。2)去掉最低頻(a,0)部分,重構(gòu)所有高頻頻帶母線零序電壓系數(shù),并計算各頻帶母線零序電壓的能量,選擇能量最大的頻帶作為選線頻帶。3)重構(gòu)選線頻帶各線路零序電流,計算零序功率。4)求各條線路(包括變壓器出線端)瞬時功率的代數(shù)和作為母線瞬時功率,對母線瞬時功率求平均取絕對值,如果結(jié)果大于設(shè)定值,則母線發(fā)生接地故障;否則計算主判據(jù)。5)計算主判據(jù)。如果只有一條線路異號,則該線路即為故障線路;否則計算副判據(jù)。6)計算副判據(jù),選擇暫態(tài)瞬時功率幅值最大的線路,該線路即為故障線路。4瞬時功率仿真仿真模型為Matlab/Simulink環(huán)境下的一個11kV(母線)配電系統(tǒng),如圖3所示。仿真時間長度為0.1s,采樣頻率為4800Hz,ode15s方式。其中發(fā)電機(jī)電壓為63.5kV,電阻為0.724Ω,電感為0.0192H;變壓器容量為38×110MVA,變比為110/11,接法為Δ/Yn,原副邊參數(shù)分別為:電壓110/11kV,電阻4.08/0.0337(p.u),電感63.53/0.525(p.u);消弧線圈電阻為6.777Ω,電感為0.7197H,過補償度為10%;5條線路的正序和零序參數(shù)均分別為:電阻0.45/0.70Ω/km,電感1.1714e-3/3.9065e-3H/km,對地電容61e-9/38e-9F/km,5條線路長度分別為18、20、10、16、6km;各負(fù)載均為0.64+j0.48MW,電壓為11kV,為Y型不接地。條件1:中性點不接地,0.01875s時線路L2發(fā)生單相接地故障,接地阻抗為5kΩ高阻接地,故障距離為19km/20km長線遠(yuǎn)端(相電壓過零時長線遠(yuǎn)端發(fā)生高阻接地);條件2:中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),10%過補償,0.0268s時線路L5發(fā)生單相接地故障,接地阻抗為100Ω,故障距離為5.5km/6km;條件3:中性點經(jīng)消弧線圈接地,10%過補償,0.0075s時母線發(fā)生接地故障,接地阻抗為100Ω(為母線單相接地故障情況)。三種條件下仿真結(jié)果分別如圖4、5、6所示。圖中FigureA為母線消耗的瞬時零序功率,FigureB為母線電壓各頻段的能量,FigureC為各線路在母線零序電壓能量最高頻帶內(nèi)的重構(gòu)信號,FigureD為各線路在母線零序電壓能量次最高頻帶內(nèi)的重構(gòu)信號。從圖4~圖6中可看出,當(dāng)母線沒有發(fā)生故障,母線消耗的瞬時功率即所有線路瞬時功率的代數(shù)和始終為零,當(dāng)母線發(fā)生故障時,母線消耗的瞬時功率明顯大于較大。以母線零序電壓能量最高頻帶為選線頻帶進(jìn)行信號重構(gòu)的選線結(jié)果能正確地選出故障線路,以母線零序電壓能量次最高頻帶為選線頻帶進(jìn)行信號重構(gòu)也能實現(xiàn)正確選線,只是瞬時功率幅值稍有減小。選擇能量最大的頻帶做為選線頻帶是有效的。條件4:中性點經(jīng)消弧線圈接地,10%過補償方式,0.01875s時線路L2發(fā)生單相接地故障,此時故障相電壓為-0.582kV,近似過零,接地阻抗為5kΩ,故障距離為19km/20km,分別采用傳統(tǒng)的零序穩(wěn)態(tài)電流、零序低頻暫態(tài)電流及本文提出的高頻暫態(tài)瞬時功率為判據(jù)選擇故障線路的仿真結(jié)果如圖7、圖8和圖9所示。由圖7~9可以看出,在比較惡劣的情況下,傳統(tǒng)基于零序電流幅值方向選線判據(jù)及基于小波分析的零序電流幅值方向選線判據(jù)均失效,而本文提出的基于高頻暫態(tài)瞬時功率選線判據(jù)仍然能夠準(zhǔn)確選線。5高頻暫態(tài)斷線判據(jù)本文在分析配電網(wǎng)故障特征的基礎(chǔ)上,提出了一種基于暫態(tài)高頻零序瞬時功率的配電網(wǎng)故障選線新判據(jù),以幅值最大高頻暫態(tài)瞬時功率的符號作為主判據(jù),以大小作為副判據(jù),由此選出故障線路。該判據(jù)與現(xiàn)有故障選線判據(jù)相比有以下優(yōu)點:(1)基于瞬時量,克服了以往選線方法中因為求幅值