基于突变量波形互异性的故障定位新方法

曹 颖，刘建华，彭云倩，刘诗涵

(长沙理工大学电气与信息工程学院, 湖南长沙410114)

基于突变量波形互异性的故障定位新方法

曹 颖，刘建华，彭云倩，刘诗涵

(长沙理工大学电气与信息工程学院, 湖南长沙410114)

在谐振接地系统中，利用波形相关性选线定位存在判据裕度不足，易引起误判的问题。根据系统发生单相接地故障时，故障上游三相电流突变量波形间差异性与故障下游三相电流突变量波形间差异性的不同，提出了基于突变量波形互异性的故障定位新方法。首先定义了各相互异参数与各相邻两检测测点之间的故障测度，通过提取线路上各检测点的三相电流突变量，算取每检测点三相电流突变量之间的互异参数，然后计算各检测点之间的故障测度。仿真结果显示纯线路或混合线路故障时故障区段相邻两检测点之间的故障测度最大，而非故障区段相邻两检测点之间的故障测度均接近于1。因此可知此方法判据裕度裕度较高，不易发生误判，也能适用于混合线路故障区段检测。

谐振接地系统；单相接地故障；相电流突变量；波形互异性；互异参数；故障测度

0 引言

对于小电流接地系统，由于存在故障电流弱的特点，很难定位故障区段。因此许多学者对此类问题进行了大量研究，但一些方法还是存在一些局限性，不易运用在结构比较复杂的配电网中。其中基于行波故障定位方法[1-2]对采样设备要求过高，因此投资成本较大，且此方法运用在高压输电线路上时效果较好，但运用于配电网故障定位时则效果较差。基于小波变换选线定位方法[3]由于把故障特征比较明显的电气量作为特征量，因此判别正确率较高，但若小波基选取不当，则会使判别结果差。基于聚类选线定位[4]等数学融合方法如今研究较多，可以适用于多种故障类型判别，但若训练样本选取不合理，也会造成判别结果较差。基于零序电流波形相关性[5-6]或零序功率波形相关性[7]定位方法运用在纯架空线路上时效果较好，但运用在混合线路中时其判据裕度较低，易引起误判。

因此本文提出了基于突变量波形互异性的故障定位新方法，通过利用各检测点各相电流突变量波形之间的差异性进行故障区段定位。仿真结果表明本方法判据裕度较高，且具有适用于混合线路故障区段定位的优点。

1 互异参数理论

根据文献[8]可知故障上游各检测点具有两非故障相电流突变量幅值小、波形大致相同，而故障相电流突变量幅值较大，且与其所在检测点的非故障相电流突变量波形不一致的特点；对于故障下游，各检测点则具有三相电流突变量幅值、波形大致相同的特点。因此本文定义了互异参数α如公式(1)所示，以此刻画故障上游与故障下游各相电流突变量波形的差异性。

(1)

式中：ikx、iky、ikz分别为检测点k的x、y、z三相电流突变量，由故障后一个周期的信号数据减去故障前一个周期信号数据所得到；N为一个周期的数据长度；n为采样点序列，当n=1时此刻为故障发生时刻，即系统零序电压大于15%额定电压的时刻，也表示提取突变量起始时刻，当n=N时此刻为提取突变量截止时刻；αkx为检测点k的x相互异参数。

通过公式(1)可知当检测点三相电流突变量幅值、波形大致相同时，则各相互异参数均较小，接近于1，而当检测点一相电流突变量比其余两相电流突变量幅值较大时，则该相互异参数较大，相对而言其余两相互异参数较小。而通过文献[8]也可知突变量波形仅在故障区段相邻两检测点之间发生了较大突变，因此再结合上述分析可知故障上游各检测点三相最大互异参数大致相同，且数值较大，而故障下游各检测点三相最大互异参数大致相同，且数值较小，均接近于1。

2 故障测度判据

故障区段相邻两检测点的三相最大互异参数相差较大，且两检测点中故障上游检测点互异参数较大，而故障下游检测点互异参数较小。因此通过定义故障测度β刻画相邻两检测点三相最大互异参数的差异：

(2)

式中：βjk为两相邻检测点j、k之间的故障测度，且检测点j更靠近母线侧。

因此可知非故障区段相邻两检测点之间的故障测度为1，而故障区段相邻两检测点之间的故障测度远大于1。那么可设取一阀值βset判断故障区段，当相邻两检测点的故障测度大于此阀值，则为故障区段，否则为非故障区段。通过仿真可知βset设为4时故障判据有很好的判据裕度，具体故障区段定位流程图如图1所示，其中U0、Um分别为系统零序电压和额定电压。

图1 故障定位流程图

3 仿真验证分析

本文利用ATP搭建某10kV配电网谐振接地系统模型如图2所示，在此基础上进行仿真验证分析，其线路参数[9-10]如表1～2所示。

图2 仿真模型

图2中a、b、c、d4个检测点分别位于线路1的3 km、4 km、5 km、6 km处，e、f、g、h4个检测点分别位于混合线路2的8 km、9 km、10 km、11 km处。消弧线圈采用过补偿方式运行，补偿度为8%，消弧线圈电感值为0.947 H，根据文献[11]要求设置；每条线路负荷用一个(400+j20)Ω的阻抗代替；采样频率为100 kHz,仿真时间设为0.045 s。

表1 架空线路参数

表2 电缆线路参数

现模拟bc区段发生了合闸角0°、过渡电阻500 Ω、故障相为A相的单相接地故障。线路1各检测点的相电流突变量如图3～6所示。

图3 检测点a处各相突变量

图4 检测点b处各相突变量

图5 检测点c处各相突变量

图6 检测点d处各相突变量

现根据公式(1)可到得到相应的各检测点三相互异参数矩阵D1如下所示。其中D1kx表示检测点k的x相互异参数。通过各检测点三相互异参数可知，对于故障上游a、b两检测点，故障相互异参数较大且大致相等，而其剩余两相互异参数均较小；对于故障下游c、d两检测点，两者三相互异参数均较小且大致相等，与上述理论分析相符。现通过公式(2)可得到ab、bc、cd相邻检测点的故障测度分别为{1.01，138.30，1.09}，可知故障区段bc段故障测度远大于阀值4，而故障区段ab、cd故障测距均接近于1，因此此方法能准确地判别出bc段为故障区段。

4 适应性分析

为了较好地验证此方法在架空线路上的适用性，现模拟架空线路1上不同检测点区段在不同故障条件下发生了单相接地故障，其各检测点区段故障测度及判别结果如表3所示。结果可知故障区段的故障测度值远大于阀值，尤其是在合闸角为90°时其值达到上千，而非故障区段的故障测度值则均接近于1，故障判别效果非常好，因此此方法能较好地应用在架空线路。

表3 架空线路1区段故障时线路1各区段故障测度与判别结果

为了进一步研究此方法在结构比较复杂的配电网的适用性，现模拟混合线路2上不同检测点区段在不同故障条件下发生了单相接地故障，其各检测点区段故障测度及判别结果如表4所示。通过表中结果可知此方法运用在混合线路上时其故障判据裕度也较好，不易发生误判，因此可知此方法适用于结构比较复杂的配电网系统。

表4 混合线路2区段故障时线路2各区段故障测度与判别结果

5 结论

本文所提出的基于基于突变量波形互异性的故障定位新方法能很好地应用在架空、混合线路故障区段定位中，没有传统方法适用对象单一的弊端，且非故障区段的故障测度值均接近于1，而故障区段的故障测度值较大，远大于阀值，其故障判别裕度较高，不易发生误判，适合于结构比较复杂的配电网故障区段定位。

[1]张姝，何正友，赵云翾，等.基于C型行波法的10 kV客运专线电力电缆贯通线故障定位方法[J].电力系统保护与控制，2012,40(14):51-57.

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[3]窦新宇，李春明.基于小波变换的小电流接地故障选线仿真研究[J].电力科学与工程，2011，27(2):41-43.

[4]廖桂源，李彩林，施伟，等.基于注EMD聚类算法的配电网单相接地故障选线方法[J].电力科学与工程，2014，30(2):57-61.

[5]孙波，孙同景，薛永端，等．基于暂态信息的小电流接地故障区段定位[J]．电力系统自动化，2008，32(3)：52-55．

[6]马士聪，徐丙垠，高厚磊，等．检测暂态零模电流相关性的小电流接地故障定位方法[J]．电力系统自动化，2008,32(7):48-52．

[7]田书，王晓卫，王娟娟.基于相关分析的暂态零模电流与功率故障定位方法比较[J].电网技术,2011,35(4):206-211.

[8]宋国兵，李广，于叶云，等.基于相电流突变量的配电网单相接地故障区段定位[J].电力系统自动化，2011, 35(21):84-89.

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[10]任建文，张猛，谷雨峰.基于本征模态熵的谐振接地系统故障选线研究[J].华北电力大学学报(自然科学版)，2014，41(6):53-59.

[11]吴乐鹏，黄纯，林达斌,等.基于暂态小波能量的小电流接地故障选线新方法[J].电力系统自动化设备,2013,33(5):70-75.

A New Method of Fault Location Based on the Dissimilarity of Waveform of Sudden Variable

CAO Ying, LIU Jianhua, PENG Yunqian, LIU Shihan

(College of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China )

In the resonant grounding system, the problem of the insufficient criterion margin for the line selection by the waveform correlation exists, which could cause the problem of false detection. According to the principle that the variability between the sudden variables of three phase currents in the upstream is different with in downstream when the single-phase grounding fault occurs in the system, a new method for fault location based on the dissimilarity of waveform of a sudden variable is proposed. Firstly, this paper defines the dissimilarity parameters and the fault measure between the two adjacent points. Then the dissimilarity parameters between the sudden variables of three phase currents of each detection point are obtained after the sudden variables of three phase currents are extracted from every detection point. Finally, the fault measure between the two adjacent points is calculated. The simulation results show that fault measure between the two adjacent detection points in the fault section is the largest under the situation of the fault pure lines or hybrid lines, and the fault measure between the adjacent two detection points in the non-fault section is close to one. Therefore, this method has the higher criterion margin, and it is not easy to cause the problem of false detection. What’s more, it can be applied to the fault section detection for hybrid lines.

resonant grounding system；single phase to grounding fault；the sudden variable of phase current；dissimilarity of waveform；dissimilarity parameter；fault measure

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.03.006

2016-10-28。

TM73

A

1672-0792(2017)03-0031-05

曹颖(1992-)，女，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制。