基于模糊综合决策的配电网单相接地故障选线

李玲玲， 李凤强， 王成山

(1.河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室， 天津 300130； 2.天津大学电气工程专业博士后流动站， 天津 300072； 3.天津大学电气与自动化工程学院， 天津 300072)

基于模糊综合决策的配电网单相接地故障选线

李玲玲1，2， 李凤强1， 王成山3

(1.河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室， 天津 300130； 2.天津大学电气工程专业博士后流动站， 天津 300072； 3.天津大学电气与自动化工程学院， 天津 300072)

小电流接地系统单相接地故障选线方法目前已有很多，但每种方法都有针对性和局限性，故采用单一选线方法精度较低。为解决这一问题，根据不同小电流接地系统的电气特征，选择出具有优势互补的三种选线方案作为多重判据智能融合的依据。考虑到故障选线中存在各种不确定信息，构造了基于各选线方案的故障测度和对于正确选线的可信度。在此基础上，采用基于模糊综合决策的多重判据选线方案进行故障选线。分别对单一判据和多重判据进行实验仿真，仿真结果验证了该方法对于提高选线精度的有效性。

小电流接地系统； 故障选线； 多重判据； 模糊综合决策

我国3～66 kV中压配电网一般采用小电流接地方式[1]，包括中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经高阻抗接地。据统计，由单相接地引起的线路故障发生率高达80%之多[2]，所以研究单相接地故障选线问题是十分重要的。针对这一问题，国内外学者做了大量研究与探索，提出了多种基于不同电气特征的选线方案[3，4]。现有的选线方案均有一定的可行性，但是任何一种选线方案都有针对性和局限性，很难适应复杂的电网结构及线路环境。

本文在对几种小电流接地系统进行故障状态分析的基础上，选择出具有优势互补的三种选线方案，以弥补单一选线方案的不足。故障选线过程本身具有很明显的不确定性，其中主要体现为模糊性[5，6]，鉴于此，本文运用模糊方法对单一判据进行信息融合，构造多重选线判据，采用模糊综合决策方法对复杂小电流接地进行故障选线。

1 单相接地故障电气特征分析

配电网发生单相接地故障时，中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统和中性点经高阻抗接地系统的电压变化趋势相同。由于中性点接地方式不同，故障电流回路不同，因而电流相量变化也不同[7]。主要不同点在于故障线路的电流变化。

中性点不接地系统的故障线路零序电流等于其他所有非故障线路零序电流的和，方向是从线路流向母线。

中性点经消弧线圈接地系统的故障线路零序电流等于其他所有非故障线路零序电流以及消弧线圈的补偿电流之和，方向由消弧线圈的补偿度决定。过补偿时，故障线路零序电流方向从母线流向线路；欠补偿时，方向是从线路流向母线。

中性点经高阻抗接地系统的故障线路零序电流等于其他所有非故障线路零序电流以及接地电阻上流过电流的和，方向是从线路流向母线。

2 模糊模型的建立

2.1 零序电流比幅法

发生单相接地故障时，流经故障线路的零序电流在数值上是非故障线路零序电流的和，即故障相零序电流幅值最大。消弧线圈对接地电流有补偿作用，此方法对中性点经消弧线圈接地系统有时会失效[8]。采用此方法时，母线与各线路的故障测度为

(1)

理论上中性点不接地系统和中性点经高阻抗接地系统的零序电流在故障线路与非故障线路中应该有很大差别，实际上由于各种干扰的存在，可能导致这种差异很小。因此，当母线及各线路零序电流有效值差别越大时，此方法就越有效。该方法对于正确选线的可信度为

(2)

式中，|I|MAX为所有线路(包括母线)的零序电流有效值的绝对值最大值。

2.2 五次谐波法

五次谐波法优点是不受消弧线圈的影响[9，10]。采用此方法时，母线与各线路的故障测度为

(3)

式中：I(k)为第k条线路零序五次谐波电流的幅值，k=0，1，2，…，n；IMAX为所有线路中零序五次谐波电流幅值的最大值。

该方法对于正确选线的可信度为

(4)

2.3 小波分析法

(5)

该方法对于正确选线的可信度为

(6)

周期采样点数为64时，小波包分解的有效数目为(64×5+160)/16/5×1.5=9，经大量动模实验验证，γ取8时最为合适。

3 模糊综合决策

电网中的故障信号经过电压互感器、电流互感器传变后送入选线装置,首先经过傅里叶分析、小波分析等手段，从原始故障信号中提取各个判据需要的特征量，如零序电流幅值、五次谐波电流幅值和相角，经小波分解后的零序电流幅值与相角等。然后分别计算基于单一选线方法的故障测度和该方法对于正确选线的可信度，并由专家给出各种选线方案的权重ω=[ω1，ω2，ω3] ，则母线及各线路的综合故障测度为

F(k)=

(7)

式中，k=0，1，2，…，n。

根据式(7)的计算结果，选取综合故障测度最大的线路或者母线作为故障线路。

4 实验仿真

4.1 系统建模

用MATLAB对小电流接地系统进行单相接地故障建模与仿真，仿真对象是一个110 kV/10 kV降压变电所，10 kV母线带有四条线路。系统接线如图1所示。

图1 配电网接地系统

配电网的线路模型为分布式参数输电线路，使用PSB模型库中的贝杰龙模型。采样频率取5 kHz。系统主要参数设置如下，电压等级：110/10 kV；正序参数：R1=0.45 Ω/km，L1=0.933 7×10-3H/km，C1=71.74×10-9F/km；零序参数：R0=0.74 Ω/km，L0=4.214 6×10-3H/km，C0=47.90×10-9F/km；变压器电抗：Zr= 0.701 7+j0.512 1 Ω；线路长度：L1=8 km，L2=15 km，L3=27 km，L4=18 km。

4.2 仿真结果

为验证本文提出的基于模糊综合决策的多重判据选线方案的有效性和优越性，对以下两种故障情况进行了实验仿真。

表1中性点不接地系统的有关特征量

Tab.1 Relevant characteristics in non- ground neutral system A

表2 中性点不接地系统的母线及各线路的故障测度值

表3中性点经消弧线圈接地系统有关特征量

Tab.3 Relevant characteristics in arc-suppression-coil-ground neutral system A

表4 中性点经消弧线圈接地系统的母线及各线路的故障测度值

(1)在中性点不接地系统中，线路L1末端发生金属性接地故障，故障发生在0.1 s时刻。该情况下，实验数据及仿真结果见表1和表2。

(2)在中性点经消弧线圈接地系统中，线路L1末端发生经500 Ω电阻的接地故障，故障发生在0.1 s时刻，设置过补偿度为13%。该情况下，实验数据及仿真结果见表3和表4。

表2数据表明：中性点不接地系统发生金属性接地时，运用五次谐波法选线，效果不是很明显。但是运用基于模糊综合决策的多重判据选线方案进行选线，则效果显著。表4数据表明：中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，零序电流比幅法失效，但是基于模糊综合决策的多重判据选线方案却有较高的选线可靠性。

5 结语

本文提出的基于模糊综合决策的多重判据选线方案，通过模糊理论对多种单一选线方案进行综合处理，弥补了单一选线方案的不足。对多重判据选线方案进行模糊综合决策，提高了系统的选线精度。用MATLAB进行仿真实验，结果表明本文选线方案具有较好的可靠性，能实现在多数情况下的正确选线。

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SelectingLineBasedonFuzzyFusionDecision-MakinginSingle-Phase-to-EarthFaultofDistributionNetwork

LI Ling-ling1，2， LI Feng-qiang1， WANG Cheng-shan3

(1.Hebei Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability, Hebei University of Technology, Tianjin 300130， China； 2.Doctoral Stations of Electrical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072， China； 3.School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072， China)

Selecting line methods of single-phase-to-earth fault in the non-utility grounded system are already many, but each existing methods has relevance and limitations, so a single line selection method less accurate. In order to solve this problem, a complementary three selecting method that serve as the criterions for the intelligent integration of multiple criteria was proposed in the paper, which is based on different electrical characteristics of different non-utility grounded system. Considering uncertain information existing in fault location, fault measure and credibility for selecting correct line are constructed, which are based on each selecting line method. On this basis, selection line will be done with integrated decision-making based on fuzzy multiple criteria alignment program. A single criterion and multiple criteria for experimental simulation results verify the proposed method for improving the effectiveness of location accuracy.

non-utility grounded system； fault line selection； multiple criteria； fuzzy comprehensive decision-making

2011-06-01；

2011-07-02

河北省科技支撑计划项目(10215682)；河北省科技支撑计划项目(10213901D)；河北省建设科技研究计划项目(2009-250)

TM755

A

1003-8930(2011)05-0043-04

李玲玲(1968-)，女，教授，工学博士，硕士生导师，研究方向为电力系统及其自动化、电器智能设计、电器可靠性。Email:lilingling@hebut.edu.cn 李凤强(1987-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统。Email:zhao198970316@126.com 王成山(1962-)，男，教授，博士生导师，研究方向为电力系统安全性与稳定性、城市电力系统运行与规划 、分布式发电供能系统。Email:cswang@tju.edu.cn