基于EMD与FIR滤波的小电流接地故障选线方法

闫 严



基于EMD与FIR滤波的小电流接地故障选线方法

闫 严

（广西大学电气工程学院，南宁 530004）

针对小电流接地系统发生单相接地故障时，各线路零序电流暂态分量复杂、非平稳、非线性、受噪声干扰严重的问题，提出一种小电流接地系统故障选线新方法。该方法通过EMD（empirical mode decomposition）算法对各线路零序电流进行分解，提取高频分量，再用FIR滤波器对各线路零序电流高频分量进行滤波，选择含暂态特征最明显的有效频带，最后比较有效频带的能量大小进行选线，通过仿真验证该方法准确可靠性。

小电流接地系统；故障选线；EMD算法；有效频带；FIR滤波器

我国配电网主要采用小电流接地方式，包括中性点不接地，中性点经高阻接地和中性点经消弧线圈接地。据统计，配电网故障多为单相接地短路故障，因此，发生故障后尽快选出故障线路显得尤为重要[1-2]。

长期以来，基于故障暂态信号分析的选线方法一直受到研究人员的广泛关注。暂态信号含有丰富的故障信息且不受消弧线圈和电弧的影响，但暂态信号除故障信号外，还含有严重的噪声分量，多数选线方法未进行有效频带的提取就进行算法的研究，故导致了选线的不准确，而引发误判。随着现代数字信号处理算法的发展，基于EMD分解的选线算法不断提出[3]。EMD算法与小波变换一样是一种时频处理方法，但它克服了小波变换所具有的基函数和分解尺度选取困难的问题，在现阶段的信号处理中应用广泛。

因此，本文提出一种基于EMD与FIR滤波的小电流接地故障选线方法，该方法通过EMD算法对各线路零序电流进行分解，提取各高频分量，再用FIR滤波器对各线路零序电流高频分量进行滤波，选取含暂态特征最明显的有效频带，最后通过比较有效频带的能量大小进行选线。该方法充分有效的利用了暂态信息，减少了选线算法的复杂性，选线速度更快、更可靠。

1 选线方法研究

1.1 EMD算法

EMD算法是一种自适应的时频处理方法，适应于分析非线性、非平稳信号。其可以把信号分解成若干个本征模态函数之和，分解出的每个本征模态函数（intrinsic mode function, IMF）分量突出了信号的不同频率成分，反应了信号的局部特征。EMD克服了小波变换所具有的基函数和分解尺度选取困难的问题，在处理信号方面有它具有自身的优越 性[4-6]。

在信号分解过程中，每一个IMF分解量满足以下两个条件：①信号的极值点和过零点的数目相差不大于1；②在信号上下包络线在每一点的均值都为零。

满足以上条件的IMF分量由多次筛分的方法得到，具体方法如下[7]。

（2）

EMD算法对零序电流信号进行了分解，第一个分量及为高频分量，但高频分量中还含有噪声分量，所以需要设计FIR滤波器，提取选线最有效的频带进行能量选线。

1.2 FIR滤波器设计

小电流接地系统发生单相接地故障后，故障线路比非故障线路含有更多的暂态信息特征量，但由于配电网结构复杂，会出现很多噪声和不平衡因素的影响，所以需要选择合适的频段进行暂态信息特征量的提取。本文取暂态信号能量集中的有效频段300～3000Hz[8-10]。通过设计一个具有线性相位的带通FIR滤波器，提取线路零序电流暂态信息的有效频段。

（6）

随着信号处理的发展，迄今提出的各种窗函数已有几十种。海明窗（Hamming）有较小的边瓣和较大的衰减速度，是较为常用的窗函数[11-13]，即

根据有效频带的要求，所需要设计的带通滤波器，其理想幅频特性为

（8）

为实现滤波器最佳滤波效果，根据信号的特点给出FIR滤波器的性能指标：通带频率p1=300Hz，s1=3000Hz，过渡带设计为200～300Hz，抽样频率为10kHz，阻带最小衰减60dB，通带最大衰减为1dB。海明窗过渡带的性能计算，求得阶数为660。根据上述指标求得的阶数660，能够达到良好的滤波效果，且运行速度快。

最终，设计具有如下幅频和相频特性的FIR滤波器。

图1 FIR带通滤波器幅频特性

图2 FIR带通滤波器相频特性

2 基于EMD与FIR滤波的小电流接地故障选线方法

当小电流接地系统发生单相接地故障时，故障线路暂态高频能量最大，以此可区分故障线路与非故障线路。通过对零序电流进行EMD分解，分解出高频信号，根据设置的300～3000Hz有效频带，运用FIR滤波器对高频信号进行滤波，根据滤波后的各线路能量大小的比较进行选线。该算法流程如图3所示。

图3 小电流接地故障选线算法流程图

3 仿真分析与验证

本文用PSCAD/EMTDC搭建一个10kV接地系统进行仿真，该系统采用中性点经消弧线圈的接地方式，采用过补偿方式，补偿度取10%，采样频率为10kHz。3条出线的长度为1=10km，2=20km，3=30km。线路正序参数为：，，；零序参数：，，。仿真示意图如图4所示。

图4 含三条出线的输电线路仿真模型

假设在线路2的10km处发生单相接地故障，故障角为90°，故障为持续故障，故障接地电阻为50W，故障线路2与非故障线路1的零序电流波形图如图5所示。

（a）故障线路2零序电流

（b）非故障线路1零序电流

图5 发生故障后线路零序电流

从图5中看出，故障后暂态过程中故障线路的相位与非故障线路相反，且幅值高于非故障线路。在稳态过程中，消弧线圈的过补偿使故障线路与非故障线路相位一致，且存在一个消弧线圈补偿的渐进性，符合实际规律与理论分析相同。

将故障线路2和非故障线路1的零序电流经EMD分解后得到各IMF分量，如图6所示。

（a）故障线路2的EMD分解

（b）非故障线路1的EMD分解

图6 线路EMD分解结果

从图6中看出，各线路通过EMD分解后逐渐变得平滑，高频段的信息主要集中在第一个IMF分量IMF1之中，该分量保留了原信息高频段的信息，但其中的高频信息不是最有效的，需要通过FIR滤波提取有效频带的高频信息，以此来进行选线。

将上述IMF1分量通过上述设计的带通FIR滤波器，得到了如图7所示的波形。

（a）故障线路2滤波后波形

（b）非故障线路1滤波后波形

图7 滤波后的零序电流波形

图8 各线路能量图

通过能量大小的比较可以明显的得出故障线路，这是由于在高频有效频段内故障线路的具有最大的信息量和能量的缘故，以此作为选线依据，能准确高效的判断出故障线路。

此外，本文还根据不同的故障角和接地电阻进行仿真，选线结果见表1。由表1看出，本文的算法不受故障初始角和接地电阻的影响，可以准确的选出故障线路。

表1　不同故障情况选线结果

4 结论

小电流接地系统在发生单相接地故障后，暂态含有丰富的信息，但受噪声干扰严重和不平衡因素的影响，使得提取的暂态信息并非最有效。因此，本文提出了一种基于EMD与FIR滤波的小电流故障接地选线方法。通过该方法分解和提取高频有效频带，有效的利用有效频带信息，比较滤波后各线路能量大小，选出故障线路。从仿真结果看出，该方法能最大程度的拉开比较量之间的差距，各线路的能量差距明显，能准确有效地选出故障线路，并且不受故障初始角和接地电阻的影响。

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The Method of Small Current Grounding Fault Line Selection based on EMD and FIR Filter

Yan Yan

(Guangxi University of Electrical Engineering, Nanning 530004)

Aiming at the single phase to ground fault in small current grounding system, the transient component of zero sequence current of each line is complex, non-stationary, nonlinear, and the serious problem of noise interference, a new fault line selection method for small current grounding system is proposed. This method decomposes the zero sequence current of each line by EMD (empirical mode decomposition) algorithm, extraction of high frequency components, and using FIR filter to filter the high frequency component of zero sequence current of each line, selecting the most obvious effective band. Finally, by comparing the energy of the effective frequency band to select the line. The simulation results show that the method is accurate and reliable.

small current grounding system; fault line detection; EMD algorithm; selected frequency band; FIR filter

闫 严（1991-），男，四川省绵阳市人，在读硕士研究生，主要研究方向为电力系统故障诊断和继电保护。