一种基于暂态零模电流的小电流接地系统单相接地故障选线方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于暂态零模电流的小电流接地系统单相接地故障选线方法，对电网进行三相建模，选择不同的故障条件进行单相接地故障仿真实验，得各条线路的暂态零模电流；提取上述数据；对上述数据进行经验模态分解EMD；求取多个IMF以及剩余分量的时域能量；将IMF和剩余分量的能量相加，得到一条线路的能量和，重复上述步骤，得到所有线路的能量和；计算各条线路的能量权重系数，比较各条线路的能量权重系数，最大能量权重系数所对应的线路为故障线路。对比第一个零模电流脉冲的峰值、极性以及第一个瞬时功率峰值极性，故障线路零模电流振幅比非故障线路振幅大且两者极性相反。本发明不受消弧线圈、故障条件的影响可准确选出故障线路。
【专利说明】
一种基于暂态零模电流的小电流接地系统单相接地故障选线 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于暂态零模电流的小电流接地系统单相接地故障选线方法，属 于配电网单相接地选线技术领域。
【背景技术】
[0002] 我国6-35kV配电网中性点广泛采用小电流接地方式，即中性点不接地或经消弧线 圈接地这两种接地方式。运行经验表明，电压等级越低，接地故障越多，最为常见的是单相 接地故障，约占80%以上。单相接地故障可能产生过电压、烧坏设备，甚至人身伤亡的危害， 因此快速确定故障位置并且排除故障，是提高配电网可靠安全运行的重中之重。
[0003] 目前国内对于配电网单相接地故障选线方法的研究已卓有成效，已有的方法大致 分为两大类:利用故障信号的方法和利用注入信号的方法。利用故障信号的方法分为利用 零序信号的方法和利用非零序信号的方法，其中利用零序方法包括利用稳态信号和利用暂 态信号。由于故障暂态信号幅值远大于稳态信号，且不受消弧线圈的影响，因而利用故障暂 态信号的特征来选线是近年来新的研究方向。基于暂态故障信息的选线方法大致有首半波 法、利用暂态无功方向选线、基于小波变换的暂态电流选线法等，但这些方法却存在获取难 度大，分解效果不佳等困难。因此，亟需从另外角度对暂态信号进行分析及特征提取，以克 服信号获取困难、小波基选取困难。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于暂态零模电流的小电流接 地系统单相接地故障选线方法，该方法不受消弧线圈、故障条件的影响，能准确选出故障线 路。
[0005] 为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
[0006] 本发明的一种基于暂态零模电流的小电流接地系统单相接地故障选线方法，其特 征在于，具体包括以下几个步骤：
[0007] (1)利用电磁暂态仿真软件对中性点不接地和经消弧线圈接地系统仿真配电网进 行三相建模，选择各种不同的故障条件进行单相接地故障仿真实验，得到故障发生后各条 线路的暂态零模电流数据；
[0008] (2)利用MATLAB/Simulink软件读取步骤(1)中所述暂态零模电流数据；
[0009] (3)对步骤(2)提取的暂态零模电流数据逐一进行经验模态分解EMD，分解后得到 多个固有模态函数分量IMF以及一个剩余分量；
[0010] (4)根据巴什瓦定理，求取步骤(3)中分解后的多个固有模态函数分量MF以及一 个剩余分量的时域能量；
[0011] (5)将步骤(4)中多个固有模态函数分量IMF和一个剩余分量的能量相加，得到一 条线路的能量和，重复上述步骤，从而得到所有线路的能量和；
[0012] (6)计算步骤(5)中各条线路的能量权重系数，即某条线路固有模态能量与所有出 线的能量总和的比值(现有技术），比较各条线路的能量权重系数大小，其中最大的能量权 重系数所对应的线路即为故障线路；
[0013] (7)对各条线路故障暂态过程的第一个零模电流脉冲的峰值、极性以及第一个瞬 时功率峰值极性进行对比，归纳得出故障线路零模电流振幅比非故障线路零模电流振幅 大、极性相反且功率极性相反。
[0014] 步骤(1)中，所述电磁暂态仿真软件具体采用的是PSCAD/EMTDC。
[0015] 步骤（1)中，各种不同的所述故障条件包括改变接地点过渡电阻、改变故障初相 角、改变故障位置、改变故障线路类型和改变系统接地方式。
[0016] 步骤(3)中，所述经验模态分解EMD具体的分解方法如下：
[0017] (1)确定暂态零模电流数据x(t)的所有局部极大值点和极小值点，采用多次样条 拟合处信号的上、下包络线，并计算出上、下包络线在每一点上的平均值m(t);
[0018] (2)从待处理信号中减去均值m(t)，即hl(t)=x(t)-m(t)，检查是否满足固有模态 函数分量頂F条件，若不满足，则将hl(t)作为待处理信号，重复上述操作;若满足，则记:cl (t)=hl(t)，cl(t)为固有模态函数分量；
[0019] (3)从原始信号x(t)中减去cl(t)，得到剩余值序列rl(t)，即，rl(t) = x(t)_cl (t)；
[0020] (4)将rl(t)作为新的原始信号，重复上述操作，依次得到cl，c2、···，直到满足预先 设定的停止准则后即可停止，最后剩下一个不可分解的序列r，这样所述暂态零模电流数据 分解成多个固有模态函数分量IMF和一个剩余分量。
[0021] 步骤(4)中，多个固有模态函数分量IMF以及一个剩余分量的时域能量具体的求取 方法如下：
[0022]
其中Ej为IMF分量在 时间尺度j上的能量，Er为剩余项能量，其中，其中，η为时间序列长度，k为采样点，ci，C2、···， c^m个IMF分量，r为剩余分量。
[0023] 所述第一个零模电流脉冲的峰值、极性指的是暂态过程开始后第一个脉冲电流瞬 时最大值及其方向。
[0024] 所述第一个瞬时功率峰值极性指的是暂态过程开始后第一个脉冲电流瞬时最大 值的方向，其中以瞬时功率流出母线方向为正方向。
[0025] 与现有技术比，本发明的有益效果在于：
[0026] 本发明一方面从能量角度出发，利用固有模态能量对故障线路进行识别，另一方 面从故障发生后首个暂态电流、功率脉冲波形出发，利用各自幅值、极性特性对故障线路进 行识别;通过PSCAD、MATLAB软件进行仿真验证，可得出无论故障条件如何变化，无论是电缆 线路还是架空线路，无论是不接地系统还是经消弧线圈接地系统，该方法均能准确选线不 受任何条件的影响；本发明基于对故障暂态分量的提取分析，无需增加新的设备，经济性 强。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明提供的中性点不接地和经消弧线圈接地系统仿真模型；
[0028] 图2是本发明提供的选线算法工作流程图；
[0029] 图3是本发明提供的不同过渡电阻下的零模电流原始信号；
[0030] 图4(a)是本发明提供的经EMD分解后的第一个零模电流頂F分量；
[0031 ]图4(b)是本发明提供的经EMD分解后的第二个零模电流頂F分量；
[0032] 图5是本发明提供的经EMD分解后的零模电流剩余分量。
【具体实施方式】
[0033] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合
【具体实施方式】，进一步阐述本发明。
[0034] 如图1，本发明提供的仿真系统结构如下:35kV变电站有一回进线，通过一台Y/D接 线的主变压器配出单母线形式的10kV系统，母线带有4条主馈线，出线上各区段的线路类型 包括：电缆+架空线混联线路、纯电缆线路、纯架空线路。消弧线圈装在接地变中性点上，开 关K打开时，系统为中性点不接地系统;开关K闭合时，系统为经消弧线圈接地系统，过补偿 度取为10%。
[0035]利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件对图1进行三相建模，模拟各种不同的故障条 件下的单相接地故障，采样频率为10kHz，记录故障发生后各条线路的暂态零模电流数据及 波形。
[0036] 对各条线路故障暂态过程的第一个零模电流脉冲的峰值、极性、第一个瞬时功率 峰值极性进行对比，结果如表1:
[0037] 表1不接地系统故障仿真选线结果
[0038]
[0039]选线结果与仿真设定故障线路一致。
[0040]具体故障选线流程如图2所示，将故障发生后各条线路的暂态零模电流数据导入 到MATLAB/Simulink软件中，绘制故障发生后1/8工频周期暂态零模电流信号，其中一条线 路的零模电流信号如图3所示，再将该信号进行经验模态分解(EMD)，分解后得到若干个固 有模态函数分量(IMF)如图4(a)、4(b)所示及一个剩余分量如图5所示。
[0041 ]求取分解后的暂态零模电流MF分量以及剩余项的各自时域能量，再将若干个頂F 分量及剩余项的能量相加，得到一条线路的能量和。
[0042]重复上述步骤，从而得到所有线路的能量和。再此基础上，计算各条线路的能量权 重系数，并进行比较，其中最大的能量权重系数所对应的线路即为故障线路，结果如表2所 不。
[0043 ]表2不同过渡电阻条件下的能量权重系数
[0044]
[0045] 选线结果与仿真设定故障线路一致。
[0046]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
【主权项】
1. 一种基于暂态零模电流的小电流接地系统单相接地故障选线方法，其特征在于，具 体包括以下几个步骤： (1) 利用电磁暂态仿真软件对中性点不接地和经消弧线圈接地系统仿真配电网进行三 相建模，选择各种不同的故障条件进行单相接地故障仿真实验，得到故障发生后各条线路 的暂态零模电流数据； (2) 利用MATLAB/Simulink软件读取步骤（1)中所述暂态零模电流数据； (3) 对步骤(2)提取的暂态零模电流数据逐一进行经验模态分解EMD，分解后得到多个 固有模态函数分量IMF以及一个剩余分量； (4) 根据巴什瓦定理，求取步骤(3)中分解后的多个固有模态函数分量MF以及一个剩 余分量的时域能量； (5) 将步骤(4)中多个固有模态函数分量IMF和一个剩余分量的能量相加，得到一条线 路的能量和，重复上述步骤，从而得到所有线路的能量和； (6) 计算步骤(5)中各条线路的能量权重系数，比较各条线路的能量权重系数大小，其 中最大的能量权重系数所对应的线路即为故障线路； (7) 对各条线路故障暂态过程的第一个零模电流脉冲的峰值、极性以及第一个瞬时功 率峰值极性进行对比，归纳得出故障线路零模电流振幅比非故障线路零模电流振幅大、极 性相反且功率极性相反。2. 根据权利要求1所述的基于暂态零模电流的小电流接地系统单相接地故障选线方 法，其特征在于，步骤(1)中，所述电磁暂态仿真软件具体采用的是PSCAD/EMTDC。3. 根据权利要求1所述的基于暂态零模电流的小电流接地系统单相接地故障选线方 法，其特征在于，步骤（1)中，各种不同的所述故障条件包括改变接地点过渡电阻、改变故障 初相角、改变故障位置、改变故障线路类型和改变系统接地方式。4. 根据权利要求1所述的基于暂态零模电流的小电流接地系统单相接地故障选线方 法，其特征在于，步骤(3)中，所述经验模态分解EMD具体的分解方法如下： (1) 确定暂态零模电流数据x(t)的所有局部极大值点和极小值点，采用多次样条拟合 处信号的上、下包络线，并计算出上、下包络线在每一点上的平均值m(t); (2) 从待处理信号中减去均值m(t)，即hl(t)=x(t)-m(t)，检查是否满足固有模态函数 分量頂F条件，若不满足，则将hl(t)作为待处理信号，重复上述操作;若满足，则记:cl(t) = hl(t)，cl(t)为固有模态函数分量； (3) 从原始信号x(t)中减去cl(t)，得到剩余值序列rl(t)，即，rl(t)=x(t)-cl(t); (4) 将rl(t)作为新的原始信号，重复上述操作，依次得到cl，c2、···，直到满足预先设定 的停止准则后即可停止，最后剩下一个不可分解的序列r，这样所述暂态零模电流数据分解 成多个固有模态函数分量IMF和一个剩余分量。5. 根据权利要求1所述的基于暂态零模电流的小电流接地系统单相接地故障选线方 法，其特征在于，步骤(4)中，多个固有模态函数分量IMF以及一个剩余分量的时域能量具体 的求取方法如下： 公式如下：实中Ej为IMF分量在时间 尺度j上的能量，Er为剩余项能量，其中，η为时间序列长度，k为采样点，C1，C2、···，Cm为m个 IMF分量，r为剩余分量。6. 根据权利要求1所述的基于暂态零模电流的小电流接地系统单相接地故障选线方 法，其特征在于，所述第一个零模电流脉冲的峰值、极性指的是暂态过程开始后第一个脉冲 电流瞬时最大值及其方向。7. 根据权利要求1所述的基于暂态零模电流的小电流接地系统单相接地故障选线方 法，其特征在于，所述第一个瞬时功率峰值极性指的是暂态过程开始后第一个脉冲电流瞬 时最大值的方向，其中以瞬时功率流出母线方向为正方向。
【文档编号】G01R31/08GK105866634SQ201610413989
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】韩冰, 张志昌, 赵家庆, 戴则梅, 钱科军, 张蓓蓓, 陈连杰, 徐春雷, 孟勇亮, 杜红卫, 田江
【申请人】国电南瑞科技股份有限公司, 国网江苏省电力公司苏州供电公司, 国家电网公司