基于希尔伯特-黄的配电网单相接地故障选线方法

时雅婷*



基于希尔伯特-黄的配电网单相接地故障选线方法

时雅婷*

(安徽理工大学电信学院，安徽淮南，232001)

近年来，配电网的网络拓扑结构随着不断变多的分布式电源的加入而变得越来越复杂。本文针对10KV的小电流接地系统，研究一种基于HHT的含分布式电源的配电网单相接地故障选线方法。本文的主要思想是在提取处理复杂故障信号后，利用奇异值检测法选出故障线路，然后再通过搭建Matlab仿真模型，分析仿真结果，进一步验证所提算法的自适应性、准确性以及可靠性。

分布式电源；故障选线：奇异值检测法

引言

配电网中大多采用6-35kv的小电流接地系统。在整个电力系统中，配电网故障发生概率最大，其原因有两方面，其一，其线路布线复杂，又多置于野外露天环境；另外，近些年的配电网中又逐渐有分布式电源(distributed generation，简称DG）加入其中，导致其网络拓扑变得比之前更复杂。而配网故障中，80%为单相接地短路故障，此种故障的故障电流很小，故障信息提取困难，一直是配电网故障选线、定位的重要难题[1]。发生单相接地故障时，系统仍能运行1-2h，这种电力要求，需要尽快准确找出故障线和位置，但是基于传统的开关量矩阵算法难以满足这种电力要求，除此之外大多数人工智能算法的收敛速度偏低，相较于此，本文所提出的Hilbert-huang变换(HHT)优势明显，可以自适应的处理各种复杂信号[2-5]。本文在Matlab中进行仿真分析，验证其可行性及准确性[6]。

1 Hilbert-Huang变换和EMD

1.1 EMD

经验模态分解(EMD，empirical mode decomposition )提出了固有模态函数（Intrinsic Mode Function，简称IMF）概念，其实质就是对一个信号进行平稳化处理，处理后所得结果是由信号在不同尺度的波动分解得到的一系列具有不同特征尺度的数据序列的和，其中的每一个序列就称为一个IMF，且每个IMF随信号自身变化而变化。因此，EMD能根据自身信号特点自适应的分析信号。它有两个作用：可以使波形更对称；‚去除叠加波形。

对一个复杂信号 x(t) 进行EMD 分解的具体步骤是:

（1）首先确定任一复杂信号 x(t) 上的所有极大值点xmax(t)和极小值点xmin(t)。然后将所有极大值点和所有极小值点分别用一条光滑的曲线联接起来使两条曲线间包含所有的信号。将这两条曲线分别作为x(t) 的上、下包络线；

（2）计算上、下包络线的平均值曲线

（3）令h(t)=x(t)-m(t)，检测h(t)是否满足IMF的两个条件，即:

①整个信号中零点数与极点数必须相等或最多相差卜多于一个；

‚②信号上任意一点由局部极大值点确定的包络线和由局部极小值点确定的包络线的均

值均为零，即信号关于时间轴局部对称

如果不满足上述两个条件，则把h1(t)当做一个待处理信号，重复上述步骤，直到将h1(t)分解为第一个IMF，此时令

（4）从 x(t) 中分解得到第一个I1(t)后，其剩余值序列r1(t)为

重复上述步骤，直到得到第二个IMF信号I2(t)，第三个IMF信号I3(t)......当剩余信号r(t)变成一个单调函数或者一个常数时，停止筛选。该筛选过程终止准则为

式中T——信号的时间跨度：

hk-1(t)、hk(t)——筛选固有模态函数分量过程中的两个连续处理结果相对应的时间序列。

由能量守恒定理可知，任一个实信号x(t)都能分解为n阶IMF分量与最终得到的残差rn(t)的和，而且此时的残差与原信号具有一样的趋势，其表达式为

1.2 Hilbert变换

设X(t)为一时间序列,Y(t)是其Hilbert变换,即

EMD先将含有谐波的复杂故障电流信号分解成IMF的和，然后用Hilbert变换，提取线路故障瞬时幅值、相位。筛选出IMF分量中的最高频率；计算其极值点；它可以反映出故障暂态过程的主要信息，改善时间轴上的信号奇异点，检测故障线路的极性。通过上述选线方法的理论分析，可以知道，当发生单相接地故障时，小电流接地系统处于信号奇异点，故障线路和非故障路线极性相反，这种判别方法避免了故障时由故障电流振荡引起的故障方向错误。

2 仿真

如图1所示，线路1、2分别发生单相接地故障，先判断故障时，线路是否接有DG，分析此时的故障信号，再进行选线[7]。

图1 含DG的配电网系统

建立上图10KV配电网的Matlab仿真模型。其中设置电源容量为100MVA，降压变压器：变比为10.5/0.69，DG容量为2MW，负载Y型连接，功率为1MW、2MW，3MW，表1为各线路参数。

表1 配电网线路相关参数

在不同的故障切换角、过渡电阻、消弧线圈的补偿程度及故障测距条件下，对小电流接地系统进行了大量仿真，并分析了HHT对故障线路和改善线路电流时的作用，找出故障线路。L2、L3各自的故障仿真结果显示，故障时DG主要给系统提供正序、负序电流，零序分量很小。表明线路是否接有DG，基于HHT对故障时零序电流的奇异值检测都能实现故障选线。如图2所示，故障线路L2的极性明显与L1、L3相反，表明故障在L2上。

图2 L2故障

本文通过对单相接地故障分析表明，在小电流接地故障发生时，对暂态零序电流信号做Hilbert huang变换，由图2可以看到，波形差异更明显。结果表明，故障暂态电流幅值总是比故障点电流幅值大。因此，这种方法不受故障的条件和接地方式的影响，暂态量克服了稳态信号小幅度不利于故障检测的问题，从而可以准确可靠地配电。

这种方法一方面适用于较大的故障暂态电流，克服小电流稳态时故障难以检测，选线困难的情况。当故障角度小，线路高频暂态电流也小，EMD可以自适应滤除高频干扰电流，根据故障线路低频电流单调性进行判断 ; 而当故障角较大，由于高频振荡波的基数较大，波形相对对称，故障特征明显，故障方向很容易判断。另一方面，也克服电流互感器不仅易饱和且在一个周期内易发生单相接地故障的问题。

3 结束语

通过仿真，验证了DG并网后，零序分量故障前后变化不大，故将HHT的奇异值检测法应用到含DG的配电网单相接地故障选线中，通过小电流接地系统的故障暂态过程分析，本文提出了基于HHT的改进算法，它不依赖于配电网结构，能自适应地分解故障特征，也可以过滤低频分量，避免不确定性的高频干扰可能产生的误差，提高选线精度。算法自身所需数据量不多，具有很好的自适应性，选线快速准确，可靠性高，且经济灵活，仿真结果表明本文所述方法的可行性，为了优化配电网自动化选线提供可行方案。

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[6] 刘健, 张小庆, 同向前, 等. 含分布式电源配电网的故障定位[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(2): 36-42.

[7] 王清亮, 单相接地故障分析与选线技术[M]. 中国电力出版社, 2013.

[8] 刘健, 董新洲, 陈星莺, 等. 配电网故障定位与供电恢复[M]. 中国电力出版社, 2012.

Single - Phase - to - Ground Fault Line Selection Method of Distribution Network Based on HHT

SHI Yating*

(Anhui University of Science and Technology, Anhui Huainan, 232001, China)

In recent years, the network topology of distribution network becomes more and more complex with the addition of more and more distributed power supplies. In this paper, a method of Single - phase - to - ground fault line selection for a small current grounding system based on 10KV distribution network is proposed, which is based on HHT. The main idea of this paper is on the extraction of complex fault signal, using the singular value method to detect the fault line, and then by building Matlab simulation model, simulation results verify the proposed algorithm, adaptive, accuracy and reliability.

distributed generation; fault line selection; singular value detection method

时雅婷. 基于希尔伯特-黄的配电网单相接地故障选线方法[J]. 数码设计, 2017, 6(5): 63-64.

SHI Yating. Single - Phase - to - Ground Fault Line Selection Method of Distribution Network Based on HHT[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 63-64.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.026

TM733

A

1672-9129(2017)05-0063-02

2017-01-21；

2017-03-01。

时雅婷（1992-），女，安徽肥东人，在读硕士研究生，研究方向为电力系统监测。E-mail:1940589124@qq.com