基于EEMD的单相接地故障选线算法

赵 儒，张志成，吴春晓，许 达，罗 科，刘振兴

(1.山西煤炭进出口集团 河曲旧县露天煤业有限公司， 山西 河曲 036500；2.太原理工大学 矿用智能电气技术国家地方联合工程实验室， 山西 太原 030024；3.太原理工大学 煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室， 山西 太原 030024)

根据实际矿井供电系统提出了一种基于EEMD的单相接地故障选线算法。该算法改善了EMD中存在的模态混叠现象，采用Hilbert变换进行瞬时幅值的提取，通过计算各条线路故障发生时刻前后1/4周期的能量占比进行故障选线，并用大量仿真验证该方法的可靠性和有效性。

1 单相接地故障暂态特性

中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，其暂态等值电路见图1.

图1 单相接地故障暂态等值电路图

图1中，Rj为接地点过渡电阻；R为线路零序等效电阻；L为线路零序等效电感；C0为线路对地分布电容之和；LL为消弧线圈电感；RL为消弧线圈有功损耗电阻；u0为故障点附加电源电压。

当发生单相接地故障时，由于中性点消弧线圈的补偿作用，零序电流的分布发生了较大变化，此时故障线路上的零序电流不再由线路流向母线，而是由母线流入线路，与非故障线路相同。因此，中性点经消弧线圈接地系统无法利用稳态信号进行故障选线。

2 基于EEMD的选线方法

集合经验模态分解(EEMD)是经验模态分解(EMD)的改进算法，该方法在待分解的原始信号中加入高斯白噪声，由于高斯白噪声为不相关信号，其统计均值为0，并且加入的高斯白噪声对原始信号的缺失能起到一定的补偿作用，能在一定程度上抑制EMD中存在的模态混叠现象[6-8].

由于消弧线圈的使用，基于稳态分量的选线方法不再适用，而基于暂态分量进行选线时，能量是目前较为常用的特征量。因此，对各条线路进行EEMD后，提取其能量分布，根据能量占比最大的原则进行故障选线，选线算法流程图见图2.

该方法主要步骤如下：

1) 判断是否发生故障，若发生故障则进行EEMD，若未发生故障，则继续判断。

2) 对各条线路故障的零序电流信号进行EEMD，提取分解得到的IMF1高频分量进行后续处理，消除低频分量对选线结果的影响。

3) 对IMF1高频分量进行Hilbert变换，提取分解得到的瞬时幅值并做能量计算。

4) 对各条线路发生时刻前后1/4周期的能量进行求和，计算各条线路能量在线路总能量中的占比。

5) 若某条线路的能量占比≥0.5，则判断该线路为故障线路；若所有线路的能量占比均<0.5，则判断为母线故障。

3 仿真验证

为验证该算法的可靠性，采用RTDS实时数字仿真系统根据实际矿井系统进行了模型搭建，其供电系统图见图3.

图2 选线算法流程图

图3 RTDS仿真模型供电系统图

根据实际矿井系统，设置该仿真模型的主变电站为35 kV/6 kV系统，变压器T1变比为35/6 kV，其二次侧的中性点经消弧线圈接地，并采用过补偿10%方式。出线均为纯电缆线路，共包括4条6 kV的高压馈线以及4条低压馈线，其中L0=1.5 km,L1=6 km,L2=7 km,L3=10 km,L4=8 km,L5=0.8 km,L6=1 km,L7=0.8 km,L8=1 km，设置L4为故障线路，线路长度均根据实际矿井系统图设定。变压器T2—T5变比分别为6/0.66，6/0.69，6/0.69，6/0.66 kV. 线路正序零序参数分别见表1，2.

3.1 故障特征明显情况分析

设置故障初相角为90°、故障点过渡电阻为0、故障发生在线路总长80%处、线路4故障，分别对各条线路的零序电流进行EEMD，提取各条线路的IMF1高频分量，见图4.

表1 线路正序参数表

表2 线路零序参数表

图4 各条线路的IMF1高频分量图

分别对各条线路的IMF1高频分量进行Hilbert变换，提取各条线路的瞬时幅值，见图5.

图5 Hilbert变换后的瞬时幅值图

分别计算各条线路故障发生时刻前后1/4周期的能量占比，分别为0.043 9、0.062 0、0.135 7和0.758 4，根据能量占比大于0.5可判断出线路4为故障线路，选线正确。

3.2 故障特征不明显情况分析

设置故障初相角为0°、故障点过渡电阻为5 000 Ω、故障发生在线路总长30%处、母线故障,分别对各条线路的零序电流进行EEMD，提取各条线路的IMF1高频分量，见图6.

图6 各线路的IMF1高频分量图

如果仅观察图6，无法提取对选线有效的信息，因此对各分量进行Hilbert变换，得到的瞬时幅值见图7.

图7 Hilbert变换后的瞬时幅值图

通过图7可看出，故障特征不明显时，故障点处的瞬时幅值很低，计算各条线路在故障发生时刻前后1/4周期的能量占比，分别为0.144 7、0.196 8、0.401 5与0.257 0，根据能量占比均小于0.5可判断为母线故障，选线正确。

4 结 论

针对中性点经消弧线圈接地的矿井供电系统单相接地故障选线准确率低、可靠性差的问题，提出了一种基于EEMD的矿井供电系统单相接地故障选线方法，并通过RTDS实时数字仿真系统进行了大量实验，得出以下结论：

1) 基于EEMD的单相接地故障选线方法可抑制EMD中出现的模态混叠现象，确保了故障选线的准确率。

2) 提取IMF1高频分量进行Hilbert变换并计算各条线路的能量占比，可有效抑制低频分量对选线结果的影响。

3) 经过EEMD后的IMF1分量含有较大的波动，若无法对IMF1进行合适的处理，则可能导致选线失败。