電力系統(tǒng)中性點接地方式可劃分為兩大類：大電流接地方式和小電流接地方式[1，2]。在大電流接地方式中，主要有：中性點直接接地方式，中性點經(jīng)低電阻、低電抗或中電阻接地方式；在小電流接地方式中，主要有：中性點經(jīng)消弧線圈接地方式，中性點不接地方式和中性點經(jīng)高電阻接地方式等。我國6-66kV配電網(wǎng)一般為小電流接地方式。單相接地故障是配電網(wǎng)中發(fā)生頻率較高的故障，故障發(fā)生后，由于大地與中性點之間沒有直接電氣連接或串接了電抗器，因此短路電流很小，保護裝置不需要立刻動作跳閘，從而提高了系統(tǒng)運行的可靠性，特別是在瞬時故障條件下，短路點可以自行滅弧恢復絕緣，有利于減少用戶短時停電次數(shù)。但如果故障是永久性的，系統(tǒng)僅允許在故障情況下繼續(xù)運行1-2小時，此時必須盡快查明接地線路，以便采取相應措施排除故障，恢復系統(tǒng)正常運行。因此提出小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障選線問題。

　　摘要：我國配電網(wǎng)中性點大多數(shù)采用小電流接地方式，包括中性點不接地方式和中性點經(jīng)消弧線圈接地方式。為了提取零序電流的故障突變特征和暫態(tài)分量，使該故障突變特征和暫態(tài)分量更有效地應用于選線，本文研究了一種基于S變換的配電網(wǎng)單相接地故障暫態(tài)量選線方法。鑒于模擬電網(wǎng)的局限性，采用MATLAB7.1/Simulink6.3軟件搭建具有10kV五出線的仿真電網(wǎng)進行大量的單相接地故障仿真實驗。并對該方法進行大量不同條件下仿真實驗，進一步驗證該判據(jù)的正確性。

　　關鍵詞：小電流接地選線,單相接地故障,暫態(tài)分量,零序電流,S變換,MATLAB

　　0引言

　　S變換是對連續(xù)小波變換和短時傅里葉變換做了進一步的發(fā)展，它克服了短時Fourier變換窗口形狀固定，時頻分辨率不能調(diào)節(jié)的缺陷。S變換具有較好的時頻分辨率和時頻定位能力，能夠反映非平穩(wěn)信號的局部特征，既適合于分析具有突變性質(zhì)的非平穩(wěn)信號，又在特征提取方面具有結果直觀、物理含義明確的優(yōu)勢。因此，S變換適于單相接地故障信號的時頻分析研究。本文將通過單相接地理論分析，仿真電網(wǎng)模擬故障的波形分析，得到小電流接地電網(wǎng)單相接地故障的暫態(tài)特性，并驗證本方法的正確性。

　　1電網(wǎng)單相接地暫態(tài)故障特征分析

　　中性點經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，當發(fā)生金屬性單相接地時，由于通常消弧線圈處于過補償狀態(tài)，故障線路與非故障線路的基波零序電流在數(shù)值和方向上都很難區(qū)分[2，3，4]。所以，在中性點經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)中，不能利用基波零序電流的數(shù)值大小和方向?qū)崿F(xiàn)單相接地故障選線。單相接地故障的暫態(tài)分量中包含多種頻率成分的周期分量和非周期分量，暫態(tài)信號特征頻段的確定是利用暫態(tài)量進行故障選線的關鍵。當中性點經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，可利用圖1-1中的等值回路分析流過故障點的暫態(tài)電容電流、暫態(tài)電感電流和暫態(tài)接地電流。

　　C為非有效接地電網(wǎng)的三相對地電容；L0為三相線路和電源變壓器等在零序回路中的等值電感；R0為零序回路中的等值電阻，應為接地電流沿途的總電阻值，包括導線的電阻、大地的電阻以及故障點的過渡電阻；L、rL、L分別為消弧線圈的有功損耗電阻和電感；u0為零序電源電壓。對于中性點不接地電網(wǎng)，相當于消弧線圈支路開路。由于L>>L0，因此實際上消弧線圈暫態(tài)電流的計算與電容暫態(tài)電流的計算是可以獨立進行的。電容暫態(tài)電流的計算可以忽略消弧線圈支路的影響。因此，電容暫態(tài)電流的分析結果對中性點不接地和中性點消弧線圈接地電網(wǎng)都是適用的。

　　暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電容電壓均由自由分量和強制分量組成，利用初始條件u0=0，

　　i0=0計算得出：

　　其中um——相電壓幅值，■——自由分量衰減系數(shù)，■回路共振角頻率，■——回路自由振蕩角頻率；ω——回路基頻角頻率。

　　暫態(tài)電容電流主要包含兩個電流分量。一是故障相電壓突然降低而引起的放電電容電流，該電流通過母線直接流向故障點，放電電流衰減很快，其振蕩頻率高達數(shù)千赫茲。二是非故障相電壓突然升高而引起的充電電容電流，該電流要通過電源而形成回路。由于整個流通回路的電感較大，因此充電電流衰減較慢，振蕩頻率也較低，一般僅為數(shù)百赫茲。故障點暫態(tài)電容電流的典型波形如圖1-2所示：

　　消弧線圈的磁通和電感電流均是由暫態(tài)的直流分量和穩(wěn)態(tài)的交流分量組成的，而暫態(tài)過程的振蕩角頻率與電源的角頻率相等，其幅值與接地瞬間電源電壓的相角φ有關。當φ=0時，其值最大；當■時，其值最小。

　　磁通和電流分別與時間的關系曲線如圖1-3所示：

　　暫態(tài)接地電流由暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電感電流疊加而成。在暫態(tài)過程的初始階段，暫態(tài)接地電流的特性主要由暫態(tài)電容電流所確定。為了平衡暫態(tài)電感電流中的直流分量，于是在暫態(tài)接地電流中便產(chǎn)生了與之大小相等、方向相反的直流分量，它雖然不會改變接地電流首半波的極性，但對幅值卻能帶來明顯的影響。

　　2S變換

　　2.1S變換的基本原理

　　S變換由Stockwell于1996年提出，是一種可逆的局部時頻分析方法，其思想是對連續(xù)小波變換和短時傅立葉變換的發(fā)展[4，5]。信號x（t）的S變換S（t，f）定義如下：

　　■（1）

　　■（2）

　　式中■為高斯窗口（GaussianWindow）；下為控制高斯窗口在t軸位置的參數(shù)。由式中可以看出，S變換不同于短時傅立葉變換之處在于高斯窗口的高度和寬度隨頻率而變化，這樣就克服了短時傅立葉變換窗口高度和寬度固定的缺陷。如果S（t，f）中τ是定值而f是變量，式（1）就是一個時域局部化函數(shù)，該函數(shù)的作用與窗函數(shù)相似。對于每一f值用不同的時間窗函數(shù)獲得S，S的縮放特性導致在τ附近的高頻分量有更高的幅值。

　　信號x（t）的S變換S（t，f）還可寫為x（t）的傅里葉變換形式：

　　■（3）

　　其中■，

　　信號x（t）可以由其S變換S（t，f）很好地重構，其S逆變換為：

　　■（4）

　　S變換可以看作是對連續(xù)小波變換的一種相位修正，并可以從連續(xù)小波變換推導而來。信號x（t）的連續(xù)小波變換可以定義如下：

　　■（5）

　　式中d，τ分別為伸縮參數(shù)和時移參數(shù)；■為母小波的伸縮時移變換。如果選取變換核為一高斯窗和一復向量的乘積，即：

　　■（6）

　　注意，此時伸縮參數(shù)d的頻率的倒數(shù)。于是，信號x（t）的s變換式（1）可以表示為以式（6）作為變換核進行連續(xù)小波變換再乘上一個相位校正因子，即：

　　■（7）

　　2.2S變換的離散化算法

　　在實際應用中，S變換通過對樣本時間序列x（kt）進行快速FFT計算獲得。則該序列x（kt）的離散傅里葉變換為：

　　■（8）

　　其中，n、k=0，1，2，…，N-1，x（kt）是對連續(xù)時間信號x（t）進行采樣得到的離散時間序列，T是采樣時間間隔，N為總采樣點數(shù)。

　　式（3）中，令■，■，則得一維離散S變換為：

　　■（9）

　　其中，i=0，1，2，…，N-1表示時間，n=1，2，…，N-1表示頻率。顯然，由式（8）和式（9）可知，S變換可以通過快速傅里葉變換實現(xiàn)快速運算

　　當n=0時，■（10）

　　顯然，連續(xù)信號x（t）的采樣時間序列x（kt）經(jīng)S變換后的結果是一個復時頻矩陣，記為S矩陣，其行對應時間，列對應頻率。復時頻矩陣S的行向量表示信號某一時刻的復數(shù)量值隨頻率變化的分布，其列向量表示信號某一頻率處的復數(shù)量值隨時間變化的分布。因此，S矩陣某位置元素的大小就是相對應頻率和時間的經(jīng)S變換的數(shù)值，其包括實部和虛部兩個部分。

　　2.3構造選線判據(jù)

　　通過S變換得到一個多維的復時頻矩陣S，它含有豐富的信息特征，包括實部時頻矩陣和虛部時頻矩陣。本章只利用實部時頻矩陣進行故障信號特征量的提取[5]。實部時頻矩陣表示時間、頻率和幅值三者之間的關系，即在任意時刻下頻率對應的暫態(tài)量幅值信息和在特定頻率下時間對應的暫態(tài)量幅值信息。因此，本章利用在任意時刻下的頻率和幅值關系這一特點得到發(fā)生在故障時刻點的幅值隨頻率變化特征曲線，同時利用在任意頻率下的時間和幅值關系這一特點得到在各頻段的幅值隨時間變化特征曲線。前者可以確定在故障發(fā)生時刻的在各頻率段暫態(tài)信號強弱，為選擇理想的頻率段進行故障信號特征提取提供依據(jù)。后者表示在各頻率段提取的暫態(tài)特征曲線。配電網(wǎng)一般采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式。當發(fā)生單相接地故障時，暫態(tài)零序電流作為故障選線的信息。其含有豐富的高頻暫態(tài)分量且不受接地方式、接地電阻的影響。當配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，利用零序電流暫態(tài)分量在各選定的頻率段內(nèi)所對應的極性和幅值關系作為選線判據(jù)。首先比較各線路零序電流暫態(tài)分量幅值大小，對應幅值較大的線路可能為故障線路；然后比較各線路零序電流暫態(tài)分量的極性，所有非故障線路零序電流極性相同，而故障線路與之相反；最后結合所有選定的頻率段，如果有2/3的頻率段都滿足幅值大小和極性的關系，可以判該線路為故障線路。若各線路零電流幅值大小相近，且方向相同可以判母線發(fā)生單相接地故障3故障模型搭建與MATLAB系統(tǒng)仿真

　　本文采用MATLAB仿真軟件建立了10KV小電流接地系統(tǒng)故障仿真模型，本模型是具有5條饋線的分布式參數(shù)的復雜模型，模型原理圖如圖3-1所示，其原理圖中的電源可以用無窮大容量的三相電源等效、變壓器采用Y/△型的線性變壓器、輸電線路采用分布式輸電線路模塊、負載采用三相RCL并聯(lián)負載、單相接地故障采用三相故障模塊、消弧線圈采用補償度為110%的過補償方式。為了更方便獲取零序電壓和零序電流，需要在該系統(tǒng)仿真模型中加入三相電壓電流測量模塊，利用三相電壓電流測量輸出模塊的構成零序電壓和零序電流。

　　3.1系統(tǒng)仿真

　　基于MATLAB的一個10kV系統(tǒng)仿真模型，如圖3-2所示。該小電流接地系統(tǒng)的模型是一個分布式參數(shù)的復雜模型，線路的參數(shù)如下：

　　線路正序參數(shù)為：R1=0.16Ω/km，L1=1.13e-3H/km，C1=6.78e-8F/km；

　　線路零序參數(shù)為R0：=0.22Ω/km，L0=1.998e-3H/km，C0=2.13e-8F/km；

　　線路長度為：線路1：L1=5km；線路2：L2=10km；線路3：L3=12km；

　　線路4：L4=18km；線路5：L5+L6=7km+8km=15km

　　電壓等級為：110/10kV。

　　該系統(tǒng)的對地電容電流為：

　　■

　　消弧線圈按110%的過補償整定，串聯(lián)電感為L=0.734H

　　故障模塊設為A相接地短路

　　3.2仿真驗證

　　顯然，線路5的零序電流幅值較大，而且方向與另外四條線路的零序電流極性相反，根據(jù)構造的選線判據(jù)，可以正確選出此兩種接地方式的單相接地故障線路為線路5。

　　4結論

　　本文利用S變換算法對各條輸出線的零序電流進行處理，提取出零序電流的暫態(tài)特征，并利用MATLAB仿真故障線路模型分析，并在此基礎上利用相關分析法進行故障選線并實現(xiàn)正確選線，最后驗證了此方法選線的正確性。

　　[參考文獻]（References）

　　[1]董迪.小電流接地故障選線算法有效性研究及實現(xiàn)[D].保定：華北電力大學，2009.

　　[2]唐軼，陳奎，陳慶.小電流接地電網(wǎng)單相接地故障的暫態(tài)特性[J].高電壓技術.2007（11）：175-179.

　　[3]張麗萍，張海，等（etal）.諧振接地系統(tǒng)全補償下單相故障的特征分析[J].電力科學與工程，2008，第24卷第10期：9～12.

　　[4]王艷松，張萌萌.基于暫態(tài)分量的配電網(wǎng)單相接地故障選線新方法[J].中國石油大學學報，2006，第30卷第3期：135～143.

　　[5]谷金宏，劉琪，等（etal）.電能質(zhì)量的S變換仿真[J].電測與儀表，2009，第6期：51～62.

　　[6]袁野.基于暫態(tài)量的配電網(wǎng)單相接地故障選線技術研究[D].燕山：燕山大學，2009.

　　[7]李晶，路文梅，等（etal）.供電系統(tǒng)繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2008.

　　[8]肖開進，魯庭瑞，等（etal）.電力系統(tǒng)繼電保護原理與實用技術[M].北京：中國電力出版社，2006.

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