CN103323728A - 基于全周波能量比的单相接地故障与虚幻接地识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全周波能量比的单相接地故障与虚幻接地识别方法，属于电力***继电保护技术领域。本发明提取故障后两个周波的零序电压数据，分别对其进行小波变换后，将变换后各尺度下的小波重构系数的平方求和，得其最高频能量值，将第一个周波的最高频能量值比第二个周波的最高频能量值，这样根据其与设定阈值的大小关系来可靠实现配电网单相接地故障与虚幻接地的识别。本方法原理较为简单，能够在较短时间内识别虚幻接地；鲁棒性好，具有不受电弧性故障、非线性负荷影响等优点，大大降低了对硬件采样速率的要求，有较强的实用性。

Description

基于全周波能量比的单相接地故障与虚幻接地识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于全周波能量比的单相接地故障与虚幻接地识别方法，属于电力***继电保护技术领域。

背景技术

正常运行情况下，通常中性点经消弧线圈接地配电网处于过补偿状态，当母线投入运行的馈线增多或***运行方式改变等因素导致容性电流增大时，自动调谐装置会自动跟踪电容电流的变化调节消弧线圈投入值，这时***可能会进入到全补偿状态，从而产生谐振过电压，谐振过电压可能会接近甚至超过单相接地故障时的中性点位移电压，这种现象称之为虚幻接地。当中性点电压的升高是由于单相接地故障引起的，应调节消弧线圈使脱谐度减小，向全补偿方向调节；如果是虚幻接地现象，则应调节消弧线圈使其脱谐度增大，向过补偿增大的方向调节，以消除串联谐振，使***恢复正常。

比较单相接地和虚幻接地时中性点位移电压，可看到二者在稳态数值上没有区别，很难通过中性点位移电压的稳态值的大小对这两种运行方式进行辨别。通过实际运行经验表明，现有两种方法对识别虚幻接地是有效的。一种是出现中性点电压升高后，调节消弧线圈档位变化，通过监测由此引起的中性点电压的变化来区分二者。另一种方法是通过监测零序电压的上升斜率来区分单相接地故障和虚幻接地。但上述两种方法所需时窗都较长，不利于及时发现单相接地故障。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有识别单相接地故障与虚幻接地方法所需时窗较长，不利于及时发现单相接地故障的不足之处。

本发明的技术方案是：一种基于全周波能量比的单相接地故障与虚幻接地识别方法，提取故障后两个周波的零序电压数据，分别对其进行小波变换，将变换后各尺度下的小波重构系数的平方求和，得其能量值，将第一个周波的最高频能量值比第二个周波的最高频能量值，得到                                                

值，根据其与设定阈值

的大小关系来可靠实现配电网单相接地故障与虚幻接地的识别。

配电网单相接地故障与虚幻接地识别方法具体按照下面步骤进行：

（1）配电网发生单相接地故障后，启动元件立即启动，根据保护安装处测得的三相电压可得故障零序电压

：

                                       (A)

式中：

、、

分别为故障线路A、B、C三相电压；k =1、2、3…N，N为采样序列长度；

（2） 提取配电网单相接地故障后两个周波的零序电压数据，利用小波变换技术对其进行分解，提取各频带能量，设离散信号x(n)，对各分解尺度下的小波系数进行单支重构后，得到的信号分量所包含信息的频带范围如式（B）所示： 

                                                  (B)

式中，D _j (n)为信号高频分量的小波重构系数；A _j (n)为信号低频分量的小波重构系数；f _s 为信号的采样频率；j=1，2，3…J，J为最大分解尺度，原始信号序列x(n)可表示为各分量的和，即

x(n)=

                                                        (C)

令D _m+1(n)=A _m (n)，则有

x(n)= 

                                                              (D)

式中，m为小波变换尺度；

（3）对于正交小波变换，变换后各尺度的能量可直接由其单支重构后的小波重构系数的平方得到，即

                                                       (E)

这里选取db4小波对所选零序电压信号的两个周波分别进行6层小波分解，即此处

；根据式（E）得到各层频带的能量值；

（4）设故障后第一个周波经小波变换后得到的最高频能量值为E ₁₁，第二个周波的最高频能量值为E ₁₂，记二者比值ρ为：

                                                           (F)

（5） 配电网发生虚幻接地后，获取其两个周波的零序电压数据，利用上述方法中步骤（1）至步骤（4）分别求得两周波的最高频能量值，并取其比值

；

（6）根据比值与所设阈值

之间的关系判别单相接地故障与虚幻接地：

当ρ≥ρ _set时，判定为单相接地故障；

当ρ＜ρ _set时，判定为虚幻接地。

本发明的工作原理是：

随着配网中馈线地不断增多，***线路对地的电容电流也日益增大，使得中性点经消弧线圈接地的配电网很可能会进入到全补偿状态，从而引起谐振过电压，其值可能会接近甚至超过单相接地故障时的中性点位移电压，产生虚幻接地现象。由于虚幻接地是工频谐振过电压，理论上不含高频电压成分，而单相接地故障引起的中性点偏移电压含有丰富的高频电压成分。

因此本发明通过分析馈线零序电压信息中包含的高频能量特征完成对单相接地故障与虚幻接地的识别。通过提取故障后两个周波的零序电压数据，分别对其进行小波变换，将变换后各尺度下的小波重构系数的平方求和，得其能量值，选取第一个周波的最高频能量值E₁₁比第二个周波的最高频能量值E₁₂得

，得到值之后，根据其与所设阈值

之间的关系可靠实现对单相接地故障与虚幻接地的识别：

当ρ≥ρ_set时，判定为单相接地故障；

当ρ＜ρ_set时，判定为虚幻接地。

本发明的有益效果是：

1、本方法原理较为简单，时效性好，能够在两个周波的时间内实现虚幻接地的识别。

2、本方法利用能量的方法，其鲁棒性好，不受电弧性故障、非线性负荷等影响。

3、对硬件采样速率的要求较低，有较强的实用性。

附图说明

图1为实施例中用于仿真的配电网***结构图：图中，L ₁、L ₃、L ₅架空馈线，L ₄线–缆混合馈线，L ₂、L ₆电缆馈线，G为无限大电源，T为主变压器，T_Z是Z字形变压器，L为消弧线圈，R为消弧线圈的阻尼电阻；

图2为实施例1的故障角为5°时馈线L ₁的零序电压波形图；

图3为实施例2的故障角为90°时馈线L ₁的零序电压波形图；

图4为实施例中虚幻接地时馈线L ₁的零序电压波形图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示：110kV/35kV配电网单相接地故障仿真模型，图中电源电压为110kV，经变压器变为35kV后输送至负荷端，它有6条馈线，Z字型变压器中性点通过消弧线圈串联电阻接地。架空馈线L ₁=15km、L ₃=18km、L ₅=30km，线–缆混合馈线L ₄=17km，其架空馈线12km、电缆5km，电缆馈线L ₂=6km、L ₆=8km。其中，架空馈线为JS1杆型， LGJ－70型导线，档距80m，电缆馈线为YJV23-35/95型电缆。该电网中的G为无限大电源；T为主变压器，变比为110 kV /35kV，联结组别为Y_N/d11；T_Z是Z字形变压器；L为消弧线圈；R为消弧线圈的阻尼电阻。馈线采用架空线路、架空线—电缆混合线路和电缆线路三种线路。负荷选用恒定功率负荷模型。距离馈线L ₁始端5 km处发生单相接地故障，接地电阻20Ω，故障角为5°，采样频率为10kHz。

(1) 配电网发生故障后，启动元件立即启动，馈线L ₁零序电压波形如图2所示，选取故障后两个周波的时窗数据分别进行小波变换后，将变换后各尺度下的小波重构系数的平方求和，得其能量值；

 (2) 求得第一个周波最高频能量值E ₁₁=35339，第二个周波最高频能量值E ₁₂=5079.6，阈值

的设定根据识别方法的可靠性取1.5，

= 35339/5079.6=6.957＞ρ _set=1.5，故此可以判断馈线L ₁为故障馈线。

实施例2：110kV/35kV配电网单相接地故障仿真模型与实施例1相同，距离馈线L ₁始端5 km处发生单相接地故障，接地电阻20Ω，故障角为90°，采样频率为10kHz。

按实施例1相同的方法，馈线L ₁零序电压波形如图3所示，并求得第一个周波和第二个周波的最高频能量值比

=13198＞ρ _set=1.5，故此可以判断馈线L ₁为单相接地故障馈线。

实施例3：110kV/35kV配电网***仿真模型同实施例1，电压值越限后，获取两个周波零序电压数据。

该基于全周波能量比的单相接地故障与虚幻接地识别方法的步骤同实施例1。

通过仿真实验得到的零序电压波形如图4所示，并求得第一个周波和第二个周波的最高频能量值比

=1.2943〈

=1.5，故此可以判断***发生了虚幻接地现象。

另外，不同故障角及虚幻接地情况下故障后第一个周波与第二个周波最高频能量比如表1所示。该比值在单相接地故障情况下远大于1，而虚幻接地时接近1，由表1可见，本方法能够有效、可靠识别单相接地故障和虚幻接地。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于全周波能量比的单相接地故障与虚幻接地识别方法，其特征在于：提取故障后两个周波的零序电压数据，分别对其进行小波变换，将变换后各尺度下的小波重构系数的平方求和，得其能量值，将第一个周波的最高频能量值比第二个周波的最高频能量值，得到                                                

值，根据其与设定阈值

的大小关系来可靠实现配电网单相接地故障与虚幻接地的识别。

2.根据权利要求1所述的基于全周波能量比的单相接地故障与虚幻接地识别方法，其特征在于：配电网单相接地故障与虚幻接地识别方法具体按照下面步骤进行：

（1）配电网发生单相接地故障后，启动元件立即启动，根据保护安装处测得的三相电压可得故障零序电压

：

                                       (A)

式中：

、

、分别为故障线路A、B、C三相电压；k =1、2、3…N，N为采样序列长度；

（2） 提取配电网单相接地故障后两个周波的零序电压数据，利用小波变换技术对其进行分解，提取各频带能量，设离散信号x(n)，对各分解尺度下的小波系数进行单支重构后，得到的信号分量所包含信息的频带范围如式（B）所示： 

                                                  (B)

式中，D _j (n)为信号高频分量的小波重构系数；A _j (n)为信号低频分量的小波重构系数；f _s 为信号的采样频率；j=1，2，3…J，J为最大分解尺度，原始信号序列x(n)可表示为各分量的和，即

x(n)=

                                                        (C)

令D _m+1(n)=A _m (n)，则有

x(n)= 

                                                              (D)

式中，m为小波变换尺度；

（3）对于正交小波变换，变换后各尺度的能量可直接由其单支重构后的小波重构系数的平方得到，即

                                                       (E)

选取db4小波对所选零序电压信号的两个周波分别进行6层小波分解，即此处

；根据式（E）得到各层频带的能量值；

（4）设故障后第一个周波经小波变换后得到的最高频能量值为E ₁₁，第二个周波的最高频能量值为E ₁₂，记二者比值ρ为：

                                                           (F)

（5） 配电网发生虚幻接地后，获取其两个周波的零序电压数据，利用上述方法中步骤（1）至步骤（4）分别求得两周波的最高频能量值，并取其比值

；

（6）根据比值

与所设阈值

之间的关系判别单相接地故障与虚幻接地：

当ρ≥ρ _set时，判定为单相接地故障；

当ρ＜ρ _set时，判定为虚幻接地。

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