多判据融合小电流单相接地故障选线方法研究与实验

张国军，韩静静，任荣，田永锋

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105)

多判据融合小电流单相接地故障选线方法研究与实验

张国军，韩静静，任荣，田永锋

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105)

小电流接地系统单相接地故障选线问题一直没有得到很好的解决，以往单一的选线方法有一定的局限性和适用性，并且故障选线时没有用到对选线有利的故障信息，选线的灵敏性及可靠性并不高。文中将优势互补的选线方法运用模糊理论智能融合，根据不同的选线方法利用对选线有利的故障数据，形成一种多判据融合的选线方法。实验室条件下搭建模拟电力系统，实验结果表明选线方法结果准确，能适用于各种单相接地故障的小电流接地系统。

小电流接地系统;故障选线;模糊理论;多判据融合

1 引言

我国中低压配电网大多采用中性点不接地或中性点经消弧线圈接地方式，称为小电流接地系统［1］。据统计，小电流接地系统发生单相接地故障的几率高达80%，单相接地故障发生时，系统仍可运行1～2h，这极大提高了供电的连续性，而及时和准确地判断出故障线路，能防止故障进一步扩大、隔离故障并快速恢复供电，所以，研究单相接地故障选线问题对配电网保护具有重要的意义。

针对小电流单相接地故障选线这一问题，国内外学者做了大量的研究，提出了多种选线方法［2］。根据电气特征大致可以分为基于稳态量的方法和基于暂态量的方法。稳态分析的方法有群体比幅比相法、零序功率法［3，4］、谐波分量法［5］和能量法等，暂态分析的方法有五次谐波法、小波变换法［6］和首半波法等。由于单一的算法有一定的局限性和适用性，并且故障选线时没有采用对选线有利的故障信息，也会导致故障选线时的错选和漏选。基于模糊数学的多判据融合故障选线方法在选线时，根据小电流接地系统的故障特征统一共性，有效利用系统特殊性，进行信息融合。本文根据小电流接地系统故障状态的特征，选择具有优势互补的三种选线判据运用模糊数学方法进行数据融合，构成多重选线判据，提高小电流单相接地故障选线的可靠性和灵敏性。

2 单相接地故障电气特征分析

小电流接地系统电力线路中存在对地电容和绝缘电阻，当发生单相接地故障时，由于三相负载对称性被破坏，原电力线路平衡被破坏，出现了零序电压和零序电流［7-9］。中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的零序电压变化趋势相同，中性点经消弧线圈接地系统由于在变压器中性点添加了电抗线圈，所以与中性点不接地系统的零序电流变化不同。

小电流接地系统中性点不接地方式发生单相接地故障时故障线路的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。如图1所示，线路1为故障线路，零序电流的方向与非故障线路相反。

小电流接地系统中性点经消弧线圈接地方式发生单相接地故障时的零序电流等于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。如图2所示，线路1为故障支路，图中电流方向为欠补偿时各支路零序电流的方向。

图1 中性点不接地零序电流流向图Fig．1 Neutral zero sequence current flow

图2 欠补偿方式零序电流流向图Fig．2 Compensation owed zero sequence current flow

3 单相接地故障选线模糊模型建立

3.1 零序有功分量法

在电力系统中，由于线路的三相负载不对称也会在线路中出现零序电压，此时线路出现的特征与漏电故障出现的特征是一样的，同样会产生有功分量和无功分量。若此时认为漏电，则会造成误判。在电力系统中，一般认为产生的零序电压超过电路相电压的15%时，则认为是漏电发生。使用有功分量法和无功分量法判断是否漏电，对于系统会有一个阈值。所以有:

式中，Uφ为电力系统中的相电压;U0、I0分别为电力系统产生的零序电压和零序电流;Rh为漏电时的动作电阻;Z0为各条线路的寄生阻抗;Pop、Qop分别为当零序电压是相电压的15%时的有功分量和无功分量。

系统发生单相接地故障时，会由绝缘电阻和对地电容产生故障电流有功分量和无功分量。设电网故障发生时的零序电流为I0，零序电压为U0，则有:

式中，φ为零序电流与基波零序电压的相位差。

显然，对应于非故障支路有Pa＞0，而对于故障支路有Pa＜Pop，且故障支路的Pa的值较非故障线路的值大得多。

所以，根据此方法，确定零序有功分量法的隶属度函数u1。Pai为第i条线路的零序有功分量值，i= 1，2，…，n。根据统计学及专家经验，零序有功分量法的隶属度函数u1为:

3.2 零序无功分量法

零序无功分量法利用线路中存在容性阻抗的特性，提取故障电流中的无功分量，计算出功率分量。在做判据时，将零序电压顺时针旋转90°，与零序电流做无功分量计算，所以在故障线路中有Qa＜0，非故障线路有Qa＞0。

零序无功分量法的原理与零序有功分量法相同。则根据统计学及专家经验，零序无功分量法的隶属度函数u2为:

3.3 小波分析法

小电流接地系统发生单相接地故障时，利用小波变换将流经各线路的暂态零序电流按一定频带宽度进行分解并剔除工频段所在最低频段后，能量较大的频段即为该线路暂态电容电流分布较集中的频段，也就是故障特征最明显的特征频段。根据大量的计算机仿真实验，采用db3小波包对暂态零序电流进行4层分解时所得到的高频分量最能体现故障线路的特征。本文采用db3小波包对暂态零序电流进行小波变换。

小波变换后，以往的处理方法大多采用的是根据变换后故障相和非故障相的小波参数值的幅值和相位不同来判断，但由于暂态过程时间较短，信号采集中可能会存在干扰，比幅比相法稳定性不足。本文采用相关分析原理［10］，根据小波参数值相似系数作为选线判据。

利用小波对暂态零序电流进行分析后，根据互相关运算公式

对小波信号故障时刻波形两两相关分析，求取线路之间的两两相关系数，形成相关系数矩阵M:

式中，n为系统馈线支路条数;相关系数矩阵M中对角线元素为各线路零序电流的自相关系数，其值均为1，其余元素为各线路零序电流的两两互相关系数。根据相关系数矩阵求取每条线路相对于其他线路的综合相关系数ρi，i=1，2，…，n，定义本线路与其他线路的相关系数平均值作为本线路的综合相关系数，即

根据式(11)，比较各条线路的综合相关系数，最小综合相关系数对应的线路即为故障线路;若最大综合相关系数与最小综合相关系数之差小于阈值ρset时，则判断系统发生母线故障。所以，根据此方法，确定小波分析法的隶属度函数u3为:

4 信息融合综合选线方法

根据三种不同单一选线方法的局限性及三种选线方法的优缺点，利用数据融合，可以更好地利用不同配电网的统一共性和特殊性，使用不同的选线方法，并为选线方法分配不同的权重，提高选线方法的适用性，从而提高小电流接地系统故障选线的可靠性和灵敏性。

系统发生单相接地故障时［11］，故障信号通过电流互感器和电压互感器测得零序电压和零序电流后送入选线装置，经过傅里叶分析、小波变换等算法从原始故障信号中提取到各选线判据所需要的故障信息，如零序电流幅值、零序电压幅值和相位及经小波分析后得到的零序电流的幅值和相位等信息。根据模糊综合决策进行信息融合［12，13］。因为同一种方法在不同的选线系统中得出的选线正确率是不一样的，所以同一方法在不同的系统中有对应的权重系数。分别计算单一选线方法的隶属度，根据统计学思想及专家经验给出各种选线方法的权重a=［a1，a2，a3］，则各线路的综合选线的隶属函数为:

式中，k=0，1，…，n，表示各线路，其中k=0表示母线。

5 实验研究

5.1 系统建模

在实验室条件下搭建小电流接地系统进行单相接地故障的模拟。由于条件有限，实验电路采用三条支路，将线路中分布参数集中表示，分别搭建系统的集中绝缘电阻和电容。实验室条件下，线路发生单相接地故障应用无线控制模块，通过控制继电器开关的通断来模拟。

由于实验室三相电源为中性点接地系统，为模拟中性点不接地和经消弧线圈接地系统，采用两台380/110V变压器N1、N2，在N2副边加入补偿线圈，由继电器KA的关断得到中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统。

实验室电力系统物理模型如图3所示，变压器N1为降压变压器，副边输出110V电压，再连接变压器N2，N2为升压变压器，副边输出380V电压，则此时由中性点接地配电系统可得到中性点不接地系统，接入消弧线圈，即可得到中性点经消弧线圈接地配电系统。为简便实验过程，通过控制开关KA的通断即可实现中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统。分别在三条支路的分支点装有零序电流互感器TA1～TA3，分别测得零序电流，在变压器N2副边即中性点处采集零序电压。采集信号后，经过硬件设计电路及各调理电路进行信息处理，根据硬件电路采用相关软件编写程序，使用C语言编写多信息融合算法程序，下载到单片机进行数据处理并进行故障选线，算法处理过程如图4所示。

图3 实验室电力系统物理模型Fig．3 Laboratory physicalmodel of power system

图4 算法流程图Fig．4 Algorithm flow chart

5.2 实验数据分析

实验中主要设置参数见表1。

为验证综合选线方法的有效性、优越性以及正确率，对两种接地方式下发生金属性故障情况进行了实验。

按如图3所示搭建380V中性点不接地系统，各条支路绝缘电阻参数及分布电容参数如表1所示，通过控制继电器的开关令线路L1发生单相接地故障，根据380V配电系统各项参数，令故障电阻为2kΩ。

表1 模拟实验参数Tab．1 Simulation parameters

在中性点不接地系统中，线路L1发生金属性接地故障［14］，实验数据及选线结果如表2和表3所示。表2中各项参数值为经过程序处理后各支路参数值。表3数据表明，当中性点不接地系统发生金属性单相接地故障时，运用零序有功分量法选线，效果明显。但是运用综合评判的数据融合选线方法进行选线，则效果显著，同时运用小波分析法选线保证了故障选线的正确率。

表2 中性点不接地系统的有关特征量Tab．2 Relevant characteristics in non-ground neutral system

表3 中性点不接地系统故障隶属度Tab．3 Failuremembership in non-ground neutral system

图5为中性点不接地系统故障相零序电流及零序电压波形，发生故障时，故障相零序电压相位超前零序电流。

在搭建中性点经消弧线圈接地系统时，根据实际配电系统要求，采用微过补偿方式进行补偿。根据绝缘电阻及分布电容参数，补偿线圈电感值为1.38H。

图5 中性点不接地零序电压电流波形图Fig．5 Zero sequence voltage and currentwaveforms in non-ground neutral system

在中性点经消弧线圈接地系统中，线路L1发生金属性接地故障，实验数据及选线结果如表4和表5所示。表5数据表明:在中性点经消弧线圈接地系统中发生金属性单相接地故障时，由于存在补偿线圈，运用零序无功分量法选线，效果不是很明显。但是运用综合评判的数据融合选线方法进行选线，则效果显著。同时，小波分析法的运用提高了选线的准确率，避免了漏选及错选。

表4 中性点经消弧线圈接地系统的有关特征量Tab．4 Relevant characteristics in arc-suppressioncoil-ground neutral system

表5 中性点经消弧线圈接地系统故障隶属度Tab．5 Failuremembership in arc-suppressioncoil-ground neutral system

图6为中性点经消弧线圈接地系统故障相零序电流及零序电压波形，发生故障时，故障相零序电压相位超前零序电流。

图6 中性点经消弧线圈接地零序电压电流波形图Fig．6 Zero sequence voltage and currentwaveforms in arc-suppression-coil-ground neutral system

6 结论

本文提出了一种基于综合评判的多判据融合选线方法。该方法通过选用零序有功分量法、零序无功分量法、小波分析法三种优势互补的基本选线方法进行数据融合，根据系统故障相与非故障的零序电压和零序电流的不同特性，构造单一选线方法的隶属度函数;然后，通过综合评判进行数据融合，实现选线。实验结果表明，该方法不受接地方式和接地电阻的影响，抗干扰能力强，判断结果准确可靠，保证了故障选线的正确率，有效减少了电网发生漏电时的漏选和错选的情况，且该选线方法容易在现有的选线装置条件下或电力系统综合自动化系统中实现。

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Research and experiment for fault line detection in non-solidly grounded system using multi-criteria combination

ZHANG Guo-jun，HAN Jing-jing，REN Rong，TIAN Yong-feng
(School of Electrical and Control Engineering，Liaoning Technical University，Huludao 125105，China)

This paper analyzes the character of the zero sequence and negative sequence currentwhen single-phase fault occurs．The problem of faulty line selection of single-phase grounded transmission line for small currentneutral grounding systems is still notwell solved．Previous single line selection method has some limitations，and the fault line is notused for the benefitof fault line selection information，so the sensitivity and reliability of faulty line selection is nothigh．According to the line selectionmethodology the favorable fault line selection data are utilized，fuzzy set theory is therefore introduced and applied in faulty line detection in this paper to combine different kinds of the fault information，forming a line selection method using the combination ofmulti-criteria．Under laboratory conditions the simulation is performed，and the results show that the power system line selectionmethod is accurate，and it can be applied to complex small current grounding system failure．

small current grounding system;faulty line selection;fuzzy theory;multi-criteria fusion

TM773

A

1003-3076(2015)04-0056-06

2013-06-08

张国军(1962-)，男，黑龙江籍，教授，研究方向为矿山智能化电机与电器;韩静静(1988-)，女，内蒙古籍，硕士研究生，研究方向为节能型电力电子技术。