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针对小电流接地系统中的故障选线问题,本文分析了现有各种故障选线方法的原理和优缺点,重点分析中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障后所出现的暂态和稳态特征,特别是对故障暂态特性以及暂态信息利用方式进行深入研究。
发现故障后暂态过程中包含大量有用的高频特征信息,而具有时频局部性和多分辨率分析的小波理论恰恰能较好地提取该暂念高频特征。
利用小波对暂态突变信号和微弱变化信号的优势处理能力,本文构造出基于小波变换系数极性比较的选线判据,弥补了传统的基于稳态分量故障选线方法的不足。
论文利用MATLAB7.0中的SIMULINK和SimPowerSystems工具箱,构建了10KV中性点经消弧线圈接地系统仿真模型。
编写MATLAB语言程序,读取仿真后的波形数据,利用母线零序电压作为故障启动信号,母线零序电压经小波分解和重构后的第4尺度高频细节部分确定接地时刻,由各出线零序电流经过小波分解后的第四尺度小波系数识别出故障线路。
最后本文进行了典型算例仿真,结果分析表明本文提出的故障选线方法增强了抗干扰能力,具有更高的可靠性和准确性。
关键词:
小波分析;
单相接地故障;
故障选线;
小电流接地系统
Non-direct-groundSystemSingleLine-to-earthFaultLineSelectionwithWaveletAnalysisMethod
Abstract
Non-direct-groundsystemiswidelyusedinpowerdistributionnetworkinChina.Thesingleline-to-earthfaulttakesplacemostfrequentlyinthesystem.Detectingthefaultlineofthefaultaccuratelyisofgreatsignificanceinfixingthefaulttimely,improvingthereliabilityofoperationandminimizingthelosscausedbythepowercut.However,owingtothesmallfaultcurrentingroundedpointandunobviousfaultfeaturesaftergrounding,especiallyfortheNeutralResonantGroundedSystem,theremnantcurrentofthegroundedpointonfaultlineislower,andthephaseofzerosequencecurrentonfaultlineischanged,thus,theproblemoffaultlinedetectionhasbeenstudiedforyearsandstillhasnotbeensolvedperfectly;
whichhasseriouslyblockedthedevelopmentofreliabilityofpowersupplyandsynthesisautomatizationlevel.
Intheviewofthefaultlineselectionintheneutralindirectlygroundedsystem,thethesisanalyzestheprinciplesofvariousavailablemethodsoffaultlineselectionandtheirtraitsandrestrictions.Anditalsoanalyzesthetransientandsteadyfeaturespresentedaftertherearesinglephase-to-earthfaultsintheresonantgroundsystems.Itisfoundthatmanyhighfrequencycomponentfeaturesarediscoveredintransientfaultcourse,andthesehighfrequencycomponentfeaturesjustcanbewellextractedbywavelettheorywhichhastimeandfrequentdomainanalysisandMulti-resolutionanalysis.Makeuseofwaveletdisposingthetransientsingularandfaintsignal,thepaperconstructsafaultlinedetectioncriterionthatutilizeswaveletstransformationfactorpolarityexamination,whichisfetchedupthedeficiencyoftraditionalfaultlineselectionmethodsbasedonsteadycomponent.
TakeadvantageofSIMULINKandSimPowerSystemsofMATLAB7.0,thepaperconstructsthesimulationmodelofSmallCurrentGroundingSystemwith10kVVoltage.ItprogramsinMATLABlanguagewhichloadswavedataaftersimulation.Thebuszero-sequencevoltageisusedasfaultstartsignal.Thegroundingtimeisconfirmedduetotheconstructinghighfrequencydetailpartinthefourthscaleofbuszero-sequencevoltage.andthefaultlineisidentifiedbyanalyzingthehighfrequencydetailinthefourthscaleofzero-sequencecurrentofeachline.Atlast,typicalSIMULINKexperimentsaredone,theanalysisresultsshowthatthemethodpresentedbythispaperenhancesanti-jammingabilityandhashigherreliabilityandaccuracy.
Keywords:
wavelets,Non-direct-groundSystem,FaultLineSelection,SingleLine-to-earthFault
目录
摘要I
AbstractII
一、绪论1
(一)课题研究意义1
(二)国内外研究状况1
(三)现有选线方法简介2
1.基于稳态量的故障选线方法2
2.基于暂态量的故障选线方法3
(四)本文所做的工作4
二、小电流系统单相接地故障分析6
(一)小电流系统中性点接地方式简介6
1.中性点不接地方式6
2.中性点经消弧线接地方式6
3.中性点经大电阻接地方式6
(二)小电流系统单相接地故障特性分析6
1.接地故障稳态分析7
2.接地故障暂态分析8
三、小波分析及其应用12
(一)小波分析基本理论12
1.小波分析基本概念12
2.多分辨率分析13
(二)小波分析在电力系统的应用14
四、小电流系统单相接地的仿真建模16
(一)MATLAB/SIMULINK简介16
(二)中性点经消弧线圈系统单相接地模型的建立17
1.仿真模型主要结构17
2.模型元件参数设置17
3.求解器选项设置19
五、小波分析选线及仿真21
(一)小波选线方案21
1.小波选线判据21
2.小波函数的选取21
3.小波频率的选择21
4.分解尺度的确定22
5.边界的处理22
6.小波选线流程22
(二)仿真实验分析23
1.金属性接地故障23
2.母线故障26
3.高阻接地故障27
4.过零点接地故障29
5.其它仿真算例31
结论32
致谢33
参考文献34
一、绪论
(一)课题研究意义
我国6~35kv中低压配电网中性点广泛采用不接地与经消弧线圈接地这两种非有效接地方式,称为小电流接地方式。
配电网是电力系统电能发、变、送、配中最后一个向用户供电的环节,是连接输电系统和电力用户的桥梁,配电网的安全稳定运行直接关系到用户的利益。
近年来随着我国人民生活水平的不断提高和国民经济的持续发展,电力的需求量越来越大,电力用户对供电质量和供电可靠性的要求也越来越高,配电网作为电力生产和供应的终端直接面向用户,地位日益重要。
小电流接地系统发生单相接地故障的几率最高,发生单相接地故障时三相之间的线电压基本保持不变,不影响对负载的供电,故不必立即跳闸,我国电力规程规定小电流接地系统可以带单相接地故障继续运行1~2小时,但随着馈线的增多,电容电流也在增大,长时间运行易使故障扩大成两点或多点接地造成短路,弧光接地还可能引起全系统过电压,进而损坏设备,破坏安全运行,因此,当发生了小电流接地故障后需要尽快选出故障线路,以便运行人员及时采取措施加以处理。
但由于发生单相接地故障时产生的故障电流微弱,以及故障点电弧不稳定等原因,使小电流接地电网的单相接地故障选线比较困难。
为了查找故障线路,传统的方法是采用人工逐条线路拉闸的方法判断哪条线路出现故障。
人工拉路会造成非故障线路供电短时中断,使一些敏感用电设备工作异常,给用户带来经济损失以及不良社会影响。
因此研究利用小电流接地系统单相接地故障的特征信息进行自动快速准确的选线,可以大大提高故障查找的自动化程度,缩短故障处理时间。
小电流接地系统发生单相接地故障时,线路电容电流的暂态分量是稳态分量的几倍到几十倍,利用暂态电流分量的选线方法不受消弧线圈的影响且具有较高的灵敏度。
中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障将经历一个复杂的暂态过渡过程,其暂态特征含有丰富的故障信息。
若能提取线路电容电流暂态高频分量中的故障特征分量作为选线判据,不仅可以显著提高选线精度,而且适用于中性点经消弧线圈接地系统的故障选线。
具有时频同时局部化和多分辨率分析的小波分析恰恰能较好地提取该暂态高频特征,利用能对微弱的、突变的、非平稳的故障信号进行精确处理的小波分析理论,可以准确地找出单相接地故障线路。
(二)国内外研究状况
对于故障选线的研究,日本的小电流接地系统中普遍采用不接地和电阻接地方式,所以选线原理相对简单,采用基波无功方向法。
近年来,在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面作了不少工作,利用光导纤维研制的架空线和电缆零序互感器试验获得成功。
美国由于历史原因,电网中性点主要采用电阻接地方式,可以利用零序过电流保护瞬间切除故障线路。
德国早在20世纪50年代,就提出利用故障线路暂态零模电压与零模电流初始极性相反的特点进行接地选线的方法,即首半波法;
而随着谐振接地的广泛使用,逐渐采用反映故障开始暂态过程的单相接地保护原理,并研制了便携式接地报警装置。
法国用中性点经消弧线圈接地系统取代了中性点经电阻接地系统,并研制出零序导纳接地保护装置,并已在国内推广应用。
此外,挪威的一家公司采用测量零序电压与零序电流空间电场和磁场相位的方法,研制了一种悬挂式接地故障指示器。
在20世纪90年代,国外已经将人工神经网络方法应用到电力系统中去,并有不少文献提及把专业系统到单相接地应用到故障保护当中。
随着小波分析理论的出现和发展,国外有文献提到利用小波分析良好的时频局部性,分析故障暂态电流的高频分量。
20世纪50年代,我国正式开始了对单相接地保护原理和装置的研究。
根据接地电流的首半波极性的不同,研制出了小电流接地系统的选线装置;
根据零序电流5次谐波原理,研制出了小电流接地系统的保护装置。
70年代后期,许昌继电器厂和上海继电器厂等单位研发了一批具有选择性接地信号装置。
80年代中期以来,由于我国微型计算机的大量应用和广泛推广,适合微机实现的选线理论相应地出现了,一批微机型接地选线装置又被相继研制出来。
利用比较零序电流五次谐波的大小和方向,南京自动化研究院研制出实现该原理的小电流接地系统单相接地选线装置;
利用比相原理,东北电力学院通过无线电接收谐波电流,研制出实现该原理的小电流接地系统单相接地选线装置;
利用群体比幅比相原理和零序电流五次谐波比相原理,华北电力学院研制出ML98型小电流接地系统单相接地选线装置;
利用零序电流奇数次谐波分量之和的相对比较法和自适应独立判别法,西安交通大学研制出实现该原理的小电流接地系统单相接地选线装置。
20世纪90年代至今,我国又先后推出了基于有功功率法、注入法、小波分析法、接地残留增量法等原理的新型选线装置。
利用多种选线原理的综合选线方法也已经出现。
虽然基于不同选线理论的各种选线方法不断出现,基于各种原理的小电流接地选线装置也不断更新换代,但是在实际现场中的应用中,现有的故障选线方法效果都不太理想,所以小电流接地系统单相接地故障的选线有必要进一步研究。
(三)现有选线方法简介
1.基于稳态量的故障选线方法
(1)零序电流比幅法
零序电流比幅法是基于早期的继电保护原理,适用于中性点不接地系统。
中性点不接地系统在发生单相接地故障时,故障线路的零序电流值最大,所以利用比较零序电流幅值的大小就可以选出故障线路。
在具体实现上,可以利用极化继电器来实现选线。
但是这种方法在理论是不完备的,原因是系统中可能出现其中一条线路的电容电流大于其它线路电容电流之和的情况。
此时,如果这条线路发生接地故障,继电器就会出现拒动的情况。
这种方式属于单一判据方式,没有考虑到系统运行方式、线路长短、过渡电阻大小和电流互感器不平衡电流的影响。
在实际运用中可能存在误判。
(2)零序相对相位法
零序电流比相法利用故障线路和健全线路上零序电流方向不同的特点来实现的。
由于非故障线路与故障线路的零序电流方向相反,所以通过比较零序电流的方向就可以找出单相接地故障线路。
该方法也只适应于中性点不接地系统,它也没有考虑到系统运行方式线路长短、过渡电阻大小和电流互感器不平衡电流的影响,在实际运用中误判率较高,并对中性点经消弧线圈接地系统失效。
(3)零序相对相位法
群体比幅比相法的原理是首先比较零序电流幅值,选出三个幅值较大的作为侯选线路,然后对候选线路的零序电流进行相位比较,其中零序电流方向唯一不同的线路即为单相接地故障线路,如果侯选线路零序电流的方向都相同,则判断为母线发生单相接地故障。
该方法在一定程度上改进了前两种方法,但是仍然受到系统运行方式、过渡电阻大小的影响,同样只适用于中性点不接地系统。
由于单一群体比较方案存在死区,所以还需几个互补方案来解决,如2C1U、2C、1C1U、1C方案。
虽然群体比幅比相法有4种选线方案,但是每次只按其中一种方案进行判断。
(4)次谐波分量法
小电流接地系统发生单相接地故障时,由于系统中非线性元件的影响,故障电流中存在谐波电流成分,其中又以五次谐波为主。
由于消弧线圈是按照基波整定的,故可忽略消弧线圈对5次谐波产生的补偿效果,再利用5次谐波电容电流群体比幅比相法,就可以解决经消弧线圈接地系统的选线问题。
该方法适合中性点不接地系统和中性点不接地系统,但是受到五次干扰谐波、过渡电阻大小和零序不平衡电流的影响;
此外,由于五次谐波零序电流过小,该方法的选线精度不高,只能在一定程度上能克服单次谐波信号小的缺点,但是不能从根本上解决问题。
(5)有功分量法
有功分量法的原理是利用自动补偿电网中消弧线圈上并联或串联阻尼电阻的特点,在发生接地故障后,电阻产生的有功分量只流过故障线路,且其方向与非故障线路的零序有功漏电流方向相反,在数值上故障线路的有功电流比非故障线路的有功电流大,据此,通过检测各线路零序电流中的有功分量的大小,就可以方便地实现接地选线保护。
该方法在稳态情况下零序电流的幅值较小,同时也受接地电阻和电流互感器不平衡电流的影响。
(6)基于负序电流的选线方法
当电网中发生单相接地故障时,基波负序电流分量与中性点接地方式无关,故障线路基波负序电流分量的有效值,远大于非故障线路的负序电流,同时故障与非故障线路的负序电流分量的相位相反,据此可构成选线判据。
负序电流接地保护有不受弧光接地影响、抗过渡电阻能力强受中性点接地方式影响小的优点,但健全线路负序电流很小,方向测量困难且易受负荷变化的影响。
2.基于暂态量的故障选线方法
(1)首半波法
首半波法是利用故障起始后一段时间内故障线路零序电压与暂态零序电流极性相反而健全线路相同的原理实现保护。
首半波法适合中性点经消弧线圈的接地选线。
单相接地发生在故障相电压幅值瞬间。
这时故障线路的故障电流的首半波的方向和非故障线路的相反;
并且暂态电容电流不经过消弧线圈,而暂态电感电流为零,所以首半波法适合中性点不接地和经消弧线圈的接地选线。
该方法的缺点是极性关系成立时间很短,受相电压过零和过渡电阻的影响较大。
(2)基于最大△(Isinφ)原理的选线方法
为了消除电流互感器不平衡电流的影响,可以采用基于最大△(Isinφ)原理的选线方法。
由于小电流接地系统正常运行时的负荷在短时间内不会有较大突变,故可通过一个中间参考正弦量,使各线路故障前的零序电流对故障后的母线零序电压也能找出相位关系。
再把所有线路故障前后的零序电流都映射到故障线路零序电流的方向上。
计算出各线路故障前后的投影差△I0,找出差值最大的△I0,即最大的△(Isinφ)。
若△I0K>
0,则线路k为故障线路,否则判断为母线故障。
此法本质上是寻找最大零序无功功率突变量的代数值从理论上基本消除了电流互感器不平衡电流的影响,但也有两个缺陷:
一是该算法的计算量太大;
二是计算过程中参考信号的选具有不确定性,容易因此造成选线失效。
(3)利用能量的选线方法
电网中电容和电感只储存能量而不消耗能量,则零序电流与电压乘积在一定时间内的积分值就是零序电流中阻性分量所消耗的能量。
这一能量具有零序阻性能量的特点可以作为选线的判据。
利用能量的选线方法可以分为能量大小判别法、能量方向判别法、暂态能量差值法。
能量大小判别法的优点是在实际线路零序CT极性接反时仍可以正确选线,并解决了两回出线时选线难的问题。
但由于暂态量频率成分复杂,而能量函数中又包含平方积分等运算,计算量大,而且噪声的影响变大,影响接地选线的灵敏度。
能量方向判别法有可能因为某一时刻故障零序电流突然反向而失效。
(4)利用小波分析的选线方法
单相接地时,暂态量的数值较大,并且蕴涵了大量的故障特征信息。
小波分析在时域、频域同时具有良好的局部化性质,能理想地处理非平稳变化信号,能对信号同时进行时频局部化分析,可对信号进行精确分析,特别是对暂态突变信号和微弱信号的变化较敏感,能可靠地提取出故障特征。
小波选线法利用合适的母小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换,易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的小波系数幅值高于非故障线路的幅值,且其特征分量小波系数的相位也与非故障线路相反。
小波分析的出现使研究者可以对暂态故障信号进行更为深入的分析,准确地从中提取有利于故障选线的特征,从而担高故障选线的准确率。
基于小波分析的选线方法通常有极性比较法、比幅比相法、行波检测法等。
本文使用的选线方法为基于小波分析的小波系数极性比较法。
(四)本文所做的工作
尽管已有数十种故障选线方法提出并应用到现场,但由于实际使用效果均不理想,相当多的故障还是依靠人工拉路的方法实现故障线路选择。
因此,小电流接地故障可靠检测仍然是一个棘手并急需解决的问题。
本文将对小电流接地系统单相接地选线的问题展开以下研究:
(1)简要介绍了课题的研究意义和国内外的研究现状,综合分析了各种故障选线方法,将其进行归类分析,分别论述了各种故障选线方法的原理、优缺点和实际应用情况。
(2)首先简要介绍了小电流接地系统3种接地方式的特点及适用范围,重点分析了中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障后的稳态过程和暂态过程,归纳了故障暂态过程的电容电流、电感电流和接地电流的特征,为故障选线判据提供了理论基础。
介绍了小波分析的特点,论述了各种小波变换的定义、多分辨分析等基本理论,并简要介绍了小波分析在电力系统中的应用情况。
(4)利用MATLAB软件,构建了中性点经消弧线圈接地系统仿真模型。
编写MATLAB语言程序,取仿真后的波形数据,利用母线零序电压作为故障启动信号,母线零序电压经小波分解和重构后的第4尺度高频细节部分确定接地时刻,由各出线零序电流经过小波分解后的第四尺度小波系数识别出故障线路。
最后本文进行了几种典型算例仿真。
二、小电流系统单相接地故障分析
(一)小电流系统中性点接地方式简介
电力系统的中性点是指星形接连接的变压器或发电机的中性点。
电力系统根据中性点接地方式不同可以划分为两大类:
大电流接地系统和小电流接地系统。
而大电流接地系统包括3种接地方式:
中性点直接接地方式、中性点经电抗接地方式和中性点经低阻接地方式;
小电流接地系统也包括3种接地方式:
中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地方式和中性点经高阻接地方式。
我国配电网通常采取以下几种接地方式:
1.中性点不接地方式
在10kV和35kV电压等级的配电系统中,仅当单相接地电流小于10A时,可以采用中性点不接地方式。
如不满足上述条件,则必须采用其他接地方式。
2.中性点经消弧线接地方式
中性点经消弧线圈接地方式又叫谐振接地方式,使用消弧线圈的目的是补偿电网中的电容电流。
当发生接地短路时,消弧线圈可形成一个与接地电流的大小接近相等、方向相反的电流,对接地电流起补偿作用或减小,使接地电流接近于零,从而消除了接地点的电弧及由它产生的一切危害。
消弧线圈还能抑制故障相电压的回复速度,减小电弧重燃的可能性。
此外,中性点经消弧线圈接地系统还可以有效防止电压互感器的铁磁谐振过电压。
因此,中性点经消弧线圈接地的系统是确保安全运行的有效措施之一。
3.中性点经大电阻接地方式
中性点经高阻接地方式,即在中
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