（信号与信息处理专业论文）基于短距离无线通信的小电流接地故障选线装置.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 小电流接地系统在我国6 - 6 6 k v 电网系统中应用非常广泛，而单相接地故障在 小电流接地系统中发生故障的几率高达8 0 ，且对电网系统造成了严重的损失。因 此，及时处理接地故障，对电力系统的安全运行有着积极地意义。 本文分析了小电流接地系统故障前后的信号特征，研究了目前常用的选线算 法，选取了多种判据融合的综合选线算法，各种算法优势互补，提高了选线的准确 率。针对目前选线装置布线繁多，安装复杂的缺点，设计了一种基于短距离无线通 信的小电流接地故障选线装置，通过无线方式进行数据的传输，使得安装、组网更 方便，快捷。本文详细阐述了各组成模块的软硬件设计方案及具体实现，并通过实 验验证了装置的性能。 关键词：小电流接地系统，故障选线，短距离无线通信，综合选线算法 a b s t r a c t i nc h i n a ，n e u t r a li n d i r e c t l yg r o u n d e ds y s t e mi sw i d e l yu s e di n6 6 6 k vg r i ds y s t e m t h ep r o b a b i l i t yo fs i n g l e p h a s eg r o u n d i n gf a u l ti sa sh i g ha s8 0 ，a n dt h i sf a u l th a s r e s u l t e di ns e r i o u sl o s s e s t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tf o rs a f eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m t or e s o l v eg r o u n d i n gf a u l ti nt i m e i nt h i sp a p e r s i g n a lc h a r a c t e r sa r ea n a l y z e db e f o r ea n da f t e rf a u l t ，a n du s u a lu s e d a r i t h m e t i ci sc o m p a r e d o nb a s eo ft h i s ，i n t e g r a t i v ef a u l t l i n es e l e c t i o nm e t h o di sc h o s e n ， w h i c hf u s e st h ea d v a n t a g e so fs e v e r a la r i t h m e t i c ，s ot h a tt h ec o r r e c tr a t eo ff a u l t - l i n e s e l e c t i o ni si n c r e a s e d c o n s i d e r i n gt h es h o r t a g e so fd e v i c e si nt h em a r k e t ，f o re x a m p l e n e e d i n gm a n yw i r e sw h e nb u i l d i n gs y s t e m ，p r o c e s sc o m p l e xw h e ni n s t a l l i n gd e v i c ea n d s oo n ，an e wd e v i c ef o rf a u l t l i n es e l e c t i o no nn o n - d i r e c t g r o u n dn e u t r a ls y s t e mn e t w o r k b a s e do ns r wi s d e s i g n e d t h ed e v i c e t r a n s m i t sd a t ab yw i r e l e s s ，w h i c hm a k e s i n s t a l l a t i o na n db u i l d i n gn e t w o r km o r ec o n v e n i e n t t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n ds o f t w a r e d e s i g n sa r ee l a b o r a t e d ，a n dd e v i c e sp e r f o r m a n c ei sp r o v e db ye x p e r i m e n t g u ol i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i a n gm i n g k e yw o r d s ：n e u t r a li n d i r e c t l yg r o u n d e ds y s t e m ，f a u l tl i n es e l e c t i o n ，s h o r t r a n g e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i n t e g r a t i v ef a u l t l i n es e l e c t i o na l g o r i t h m s 忡5 946 9m 7iiiii脚y 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要1 船s t r a c t i 第一章绪论1 1 1 单相接地故障问题的提出与研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究状况2 1 2 2 国内研究状况2 1 3 本论文的主要内容3 第二章小电流接地系统单相接地故障信号特征及选线算法分析5 2 1 接地故障稳态信号分析5 2 1 1 中性点不接地系统5 2 1 2 中性点经消弧线圈接地系统6 2 2 接地故障暂态信号分析8 2 2 1 暂态等值回路8 2 2 2 暂态电容电流8 2 2 3 暂态电感电流9 2 2 4 暂态接地电流1 0 2 3 综合选线算法1 1 2 3 1 选线算法分析1 3 2 3 2 故障隶属度函数和权系数函数的建立1 4 2 3 3 多种选线算法的综合1 9 2 4 小结2 0 第三章选线装置的硬件设计2 1 3 1 系统的总体架构2 1 3 2 选线装置的硬件设计2 2 3 2 1 主控芯片2 3 3 2 2 无线通信模块2 3 3 2 2 1 射频电路2 5 3 2 2 2 $ 3 c 2 4 1 0 与n r f 2 4 l 0 1 的s p i 通信3 0 3 2 3 驱动电路：3 2 3 2 4 存储器扩展电路3 2 3 2 4 1f l a s h 扩展电路3 3 3 2 4 2s d r a m 扩展电路3 4 3 2 5 以太网接口电路3 5 h 华北电力大学硕士学位论文 3 2 6i o 接口扩展电路 3 2 7 液晶及触摸屏 3 2 8 时钟、电源管理及复位电路 3 3 小结 第四章选线装置的软件设计 4 1 软件开发环境及编程语言 4 2 主程序设计 4 3 无线通信模块设计 4 3 1n r f 2 4 l 0 1 数据包格式 4 3 2 无线通信协议 4 3 3 无线收发程序设计 4 4 故障选线模块设计 4 5 小结 第五章装置的实验测试与结果分析 5 1 实验平台 5 2 实验数据及结果分析 5 2 1 中性点不接地系统线路金属接地故障5 0 5 2 2 中性点经消弧线圈接地系统线路经6 k q 电阻接地故障5 4 5 3 小结5 7 第六章结论5 8 参考文献5 9 致谢6 1 在学期间发表论文和参加科研情况6 2 i i i 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 单相接地故障问题的提出与研究意义 各国电力系统中性点的接地方式主要有五种：中性点直接接地、中性点经低电 阻接地、中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经高电阻接地乜1 。根据 单相接地故障发生时接地电流的大小来划分，前两种统称为大电流接地系统，后三 种称为小电流接地系统。 在我国6 ，一- - 6 6 k v 配电网普遍采用小电流接地方式口1 。采用小电流接地系统的优 点是：当单相接地故障发生时，故障点不会产生大的短路电流，不会形成短路回路， 三相线间电压仍然对称，不影响系统连续供电。因此，电力规程规定，小电流接地 系统在单相接地故障情况下可继续运行1 2 小时心1 。但若不及时处理，会引起一系 列危害4 i ： ( 1 ) 发生接地故障时，若电弧不能自动熄灭，可能会破坏周围绝缘发展成相间 短路，造成停电或设备损害事故。 ( 2 ) 如果产生铁磁谐振，过电压会导致电压互感器回路熔断器频繁熔断、电压 互感器烧毁。 ( 3 ) 发生间歇电弧接地时，可能产生高幅值过电压，导致电网设备绝缘薄弱的 地方放电击穿。 ( 4 ) 如果触摸到带电部位，可能造成触电人员烧伤甚至死亡。 ( 5 ) 对故障线路周围通讯线路造成严重的电磁干扰，严重影响着通信的质量。 所以，当小电流接地系统发生接地故障时，必须准确而及时地检测出故障线路， 以便采取相应的对策解除故障，恢复系统正常运行。这对提高电网供电的可靠性、 提高供电电能质量、提高运行水平具有重要的意义。 但是，小电流接地系统发生单相接地故障时，由于大地与中性点之间没有直接 电气连接或串接了电抗器，使得故障电流非常小，在判断故障线路时，这恰恰成了 一个非常不利的因素，微弱的零序电流往往混杂在各式各样的干扰信号中间阳6 。 因为非常小的故障电流，加之配电网结构复杂，运行方式多变，使配电网的故障选 线受到很多的限制，这就给故障选线保护造成困难，使得保护装置很难准确判断出 故障出线，导致长期以来小电流单相接地故障选线问题成为一个技术难题。 综上所述，如能根据配电网故障特点，建立较完善的选线算法，并为算法的实 现建立灵敏度高、计算速度快和分析判断能力强的硬件平台，实现配电网的单相接 地故障的快速、准确选线，提高配电网的供电可靠性，将具有重要的学术意义和现 华北电力大学硕士学位论文 实意义引。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究状况 小电流接地系统选线在世界上一直是一个热议问题。为了减少接地故障造成的 危害，各国采用了不同的方法来研制选线装置。 在原苏联，中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式在小电流接地系统中得到 了普遍使用，并深入研究了保护原理及选线装置，用在供电和煤炭行业中。保护原 理从过流、无功方向，发展到了群体比幅、首半波原理。装置由电磁式继电器、晶 体管发展到模拟集成电路和数字电路，而采用微机构成的装置较少口引。 日本在供电、钢铁、化工等行业用电中，普遍采用中性点不接地或经电阻接地 系统。选线原理方面，不接地系统主要采用功率方向继电器；经电阻接地系统则采 用零序过电流保护瞬间切除故障线路。近年来，在如何获取零序电流信号以及接地 点分区段方面做了不少工作，利用光导纤维研制的架空线和电缆零序互感器o z c t 试验获得成功憎1 。 法国过去以中性点经低电阻接地方式居多呻1 ，保护原理则采用零序过电流方法。 随着地下电缆的显著增加和对用户提供电能标准的提高，为了更好地控制接地故障 期间的过电压水平，现在正以谐振接地系统取代中性点经电阻接地系统，同时开发 出了高新技术产品零序导纳接地保护瞪1 。 美国由于历史的原因中性点仍采用低电阻接地方式 1 0 1p 利用零序过电流保护瞬 间切除故障线路，不需要配置故障选线装置。德国大多采用谐振接地系统，且于3 0 年代提出了基于故障暂态过程的接地保护原理，研制了便携式接地报警装置n 。另 外，挪威利用测量空间电场和磁场的相位来反映零序电压和零序电流相位的方法， 研制了悬挂式接地指示器h 引。 上个世纪九十年代初，国外在小电流接地系统接地故障保护中已经运用了人工 神经网络原理，并有文献也已经提到应用专家系统方法。随着小波算法的出现和发 展，国外已有文献提到利用小波分析良好的时频局部性，来分析故障暂态电流的高 频分量n 2 10 1 2 2 国内研究状况 在我国，6 一- - 6 6 k v 中低压配电网中大多数采用中性点不接地或经消弧线圈接地 方式。由于本身电网的网络结构薄弱，我国从五十年代就开始了对小电流接地系统 的单相接地保护原理和装置的研究工作，并先后研发了几代产品，我国对该技术的 研究在国际上处于领先水平。五十年代，我国根据接地电流的首半波极性，研制了 2 华北电力大学硕士学位论文 小电流接地系统选线定位保护装置和利用零序电流五次谐波原理的接地选线装置。 七十年代后期，国内一些生产与研究单位研制生产了一批小电流接地系统的接地保 护装置n 引，如许昌继电器厂的反映中性点不接地系统零序功率方向的z d - 4 型保护 和反映中性点经消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的z d - 5 、z d 一6 、z d 一7 型 保护装置等。八十年代中期以来随着微机的应用和推广，我国又相继研制出一批微 机型接地选线装置和适合微机实现的选线理论。其中有山东大学的基于零序电流群 体比幅原理的单相接地选线装置；南京自动化研究院研制的利用比较零序电流五次 谐波的大小和方向的小电流接地系统单相接地选线装置；华北电力大学研制的基于 群体比幅比相原理的m l - 1 型以及利用零序电流五次谐波比相原理的m l a - 9 8 型小电 流接地选线装置等；选线理论还相继出现了有功功率法，s 注入法，注入变频信号 法，接地残留增量法、小波分析法等等。九十年代后期至今，电子和微电子技术的 进步为电力系统提供了强有力的技术支持，使得小电流接地系统单相接地选线装置 在硬件、软件两方面得以改进和完善。硬件方面出现了以工控机和单片机为代表的 小电流接地选线装置，特别是以单片机为控制核心的选线装置以其成本低、系统集 成度及可靠性高的优点，迅速占领国内小电流单相接地选线装置的市场引。 多年来，我们对小电流接地系统单相接地进行了不断深入的研究，也研发了多 种故障选线装置，但就市场情况看，装置都是有线网络连接，需要布的线路众多， 安装复杂，因此，研究一种无线传输的装置对于解决装置安装的不便有着重要的现 实意义。 1 3 本论文的主要内容 本论文主要进行了以下工作： 第一部分：( 第一章和第二章) 论述了小电流接地系统发生单相接地故障的特 点以及研究的必要性，概括了国内外故障选线的发展情况，简要分析了单相接地的 故障机理，在此基础上，研究了本装置用到的综合选线算法的原理，介绍了用到的 几种选线判据的原理，并建立了各种判据的隶属度函数，为软件实现故障选线提供 了理论支持。 第二部分：( 第三章和第四章) 首先，考虑到目前选线装置采用多条线路连接， 布线繁多，给安装带来了很多不便。本论文提出了用短距离无线通信的方式代替传 统有线连接的装置实现方案，第三章，根据小电流接地系统故障选线的功能要求， 对装置的硬件进行了设计，包括主控芯片的选取，数据存储、无线通信等模块的设 计。第四章，在前一章硬件模块设计的基础上，完成了装置的软件设计，包括软件 的开发环境编程语言的选择及主要模块的软件设计流程。 第三部分：( 第五章) 选线装置设计完成后，在i o k v 物理模拟实验室进行了多次 华北电力大学硕士学位论文 实验，本文重点分析了两种接地方式下的录波数据，验证了装置的性能。 最后，对论文的设计进行了总结，给出了装置的创新点，同时分析了装置下一 步研究中有待解决的问题。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章小电流接地系统单相接地故障信号特征及选线算法分析 正常运行的小电流接地系统的三相对地电压对称，其大小为相电压，中性点对 地电压为零，系统中无零序电压产生。当某一相发生接地故障后，此时的电导不能 忽略，中性点对地电压值升高，各相对地电压发生变化n 引。 小电流接地系统发生单相接地故障时，电压电流物理量的变化与系统中性点接 地方式、接地电阻值、接地点位置、燃弧和熄弧情况等因素都有关系。不过，总的 来说，接地故障发生后总是各相电压先变化，然后引起各相电流发生变化。各相电 流包含基波分量、高次谐波分量和暂态分量。其中基波电流包含无功电流和有功电 流分量，零序、负序和正序分量等；高次谐波电流中主要是五次谐波电流分量；暂 态电流中含有电容电流和电感电流分量n 朝。我们可以利用这些物理量作为故障选线 的依据，也称其为故障特征量。 综上所述，研究小电流接地系统单相接地故障的情况，应该首先分析故障发生 后各相电压和电流的变化特点，然后研究各种选线原理所关注的故障特征量，找出 这些故障特征量与各相电压电流的关系，从而对各种选线原理做出评价和选择n 副。 在我国中低压配电网中极少用到中性点经高阻抗接地方式，因此本文只对中性 点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统的单相接地故障特征进行分析。 2 1 接地故障稳态信号分析 2 1 1 中性点不接地系统 正常运行的中性点不接地系统，三相对地有相同的电容且三相对地电压对称， 中性点对地电压可以认为零，此时，各线路对地电压为相电压，每相都有一超前于 相电压9 0 。的电容电流，且三相电容电流和为零。如果发生单相接地故障，其它两 相电压及电容电流均会增加；倍旧c 1 7 。相量图如图2 1 所示。假设a 相发生接地 短路，正常线路中电容电流的分布和故障线路的电容电流分布如图2 - 2 。 5 华北电力大学硕士学位论文 以 i f 需运行h 单捆接地 图2 1 正常和故障情况下三相电压和电容电流向量图 cb 线蹈l 线路2 图2 - 2 中性点不接地电网单相故障简化模型 分析图2 1 、图2 2 ，可知： ( 1 ) 各相对地电压为： 乩= 0 ( 2 1 ) = 一只= 3 邑p 叫如 ( 2 2 ) = 艮一色= 3 e 渤 ( 2 3 ) ( 2 ) 故障点的零序电压： q - v o = ( u a + u 0 + u 0 ) = 一只 ( 3 ) 各线路都出现零序电流，故障线路零序电流等于非故障线路零序电流之和。 ( 4 ) 从零序电流的方向看，故障线路零序电流滞后零序电压9 0 。，非故障线路零序 电流超前零序电压9 0 。；即故障线路与非故障线路零序电流反向。 2 1 2 中性点经消弧线圈接地系统 单相接地的系统，当接地电流超过一定值，接地点电弧不但不会自动熄灭，而 且间歇性重燃会形成很高的电压，因此需要安装消弧线圈。应装设消弧线圈进行补 6 华北电力大学硕士学位论文 偿的电压等级及其对应的最大电容电流值如下所示n 8 1 ： 3 - - , 6 k v 电网一3 0 a ；1 0 k v 电网一2 0 a ；2 2 6 6 k v 电网一1 0 a 。 在经消弧线圈接地的系统中发生单相接地故障时，电容电流的分布规律如图 2 3 所示。 蛔 娥赡3 - _ - - - - i - _ | 卜t - ，l 工扛 埠l 撇兰 - 一弱磁z鳓2 认 - i _ 2i m m ll 一， 妻喜j r 喜1 i c i 一 皴鼹l 手t - - _ _ _ _ _ _ - - - 童li rl_ _ 工一 乡王j j - 上i 工- 一 - r - - - r - 王 i_一_一- l ：k 一 一一 i 图2 - 3 中性点经消弧线圈接地故障电流的分布 系统发生单相接地故障时，与中性点不接地系统相比的不同之处在于：故障点 流过的电流除了接地电容电流，还增加了由于中性点电压偏移而产生的电感电流分 量，从故障点经故障线路流向消弧线圈。电容电流与电感电流反向，即电容电流超 前于零序电压9 0 。，电感电流滞后于零序电压9 0 。，因此在数值上互相削弱，由于 电感电流的补偿作用，使得故障点的总电流减小了很多，致使接地电弧不易重燃。 通过经消弧线圈的接地方式，使得许多瞬时性接地故障得以自动消除，同时也制约 了接地过电压的发展。 为了防止铁磁谐振，过电压采用过补偿方式使电感电流大于电容电流( i l i c ) ， 补偿度p 的定义n 钔为：电感电流与电容电流之差和电网的电容电流之比叫补偿度， 一般为5 1 0 。接地故障点的残余电流值等于补偿度与接地电容电流和的乘积， 数值很小，相位滞后零序电压9 0 。非故障线路的零序电流大小等于本线路的接地 电容电流，超前零序电压9 0 。故障线路的零序电流大小等于残余电流与本线路接 地电容电流之和，也超前零序电压9 0 。在单相短路接地达到稳态时，故障线路的 零序电流与非故障线路的零序电流相位一致。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 2 接地故障暂态信号分析 当小电流接地系统发生单相接地故障时，系统运行由正常状态进入故障状态， 但这时并不是立即达到故障后的稳定状态，它产生了一个瞬时的过度状态。当中性 点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障的瞬间，流过故障点的暂态接地电流包括 暂态电容电流和暂态电感电流，两者在暂态过程中不能相互补偿心叭。 2 2 1 暂态等值回路 系统发生单相接地故障时的暂态过程，可以用图2 4 所示的暂态等值回路表示。 暂时忽略故障点的接地电阻，如果发生金属性单相接地故障，暂态接地电流最大， 零序回路的参数比较容易确定，因此本文只对该种情况进行暂态分析。其中，c 表 示补偿电网三相对地电容；r 表示零序回路中的等值电阻；l 。表示零序回路中的等值 电感；r l 为消弧线圈的有功损耗电阻；三表示消弧线圈的电感；为中性点对地电压。 2 2 2 暂态电容电流 图2 4 单相接地暂态电流的等效电路 c 小电流接地系统发生单相接地故障时，故障相和非故障相的电压都会发生变 化，此时暂态电容电流可以看作是由故障相电压突然降低而引起的放电电容电流和 由非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流之和心。故障相的电容电流衰减很 快，其振荡频率与故障点位置、线路参数及过渡电容的大小有关，通常能达到数千 赫兹；非故障相的电容电流通过电源或变压器形成回路，因为整个回路的电感较大， 因此电容电流衰减较前者慢，振荡频率也较前者低。暂态时，因其自由振荡频率比 较高，而且消弧线圈的电感远远大于零序回路中的等值电感，所以图2 4 中的r ，和 可以忽略不计。这样，利用厶l 、c 、r 组成的串联回路和，就可以确定暂态电容 电流。 暂态电容电流由暂态自由振荡分量t 和稳态工频分量不两部分组成，具有周 期性振荡衰减特性，当t = o 时利用乏+ 乏= 0 这一初始条件和k = 玑缈c 的关系，经 过拉普拉斯变换等运算可得 华北电力大学硕士学位论文 f c = 毒+ e = 屯 ( 鲁s i n 缈s i i l 耐一c o s 矿c o s 吁咖呐+ c o s ( c o t + ( p ) ( 2 4 ) 其中， 么为电容电流幅值；吁为暂态自由振荡分量的角频率； 万= 吉= 老为自 由振荡的衰减系数，为回路的时间常数。 如果系统的运行方式不变，则为一常数，当乇较大时，自由振荡衰减较慢； 反之，衰减较快。由于自由振荡分量乏中包含s i n e 采1 c o s ，因此在相角为任意伊值 发生接地故障时，都会产生自由振荡分量。 当故障相在电压过零时，即妒= 0 时接地时，暂态自由振荡电流的振幅最小，在 时间f = 互2 ( 弓= 等为自由振荡的周期) 时出现，该自由振荡电流分量的最小值t 曲 为： 互 t 血= 乙e 2 七 ( 2 - 5 ) 由上式知，在9 = 0 时接地，暂态电容电流的自由振荡分量与工频电容电流的幅值相 等。因此这种情况下不会产生暂态电容电流。 当故障相在电压峰值，a pq , = 詈接地时，暂态自由振荡电流的振幅最大，在时 间f = 互4 时出现，该自由振荡电流分量的最大值t 一为 一t f ，二一= ，c m 孚p 4 7 c ( 2 6 ) 由上式知，暂态自由振荡分量的最大值t 一与誓成正比。 2 2 3 暂态电感电流 根据非线性电路的基本理论，暂态过程中的铁心磁通与铁心不饱和时的方程式 相同乜副，因此，只要求出暂态过程中消弧线圈的铁心磁通表达式，消弧线圈中的电 感电流便能迎刃而解。根据图2 4 可得： 玑s i n ( c o t 捌吨+ 形等( 2 - 7 ) 其中，w 表示消弧线圈相应分接头的线圈匝数；，表示消弧线圈铁心中的磁通。 消弧线圈的磁化特性曲线在补偿电流的工作范围内应保持线性关系，即 华北电力大学硕士学位论文 屯- - 詈a , 工。由于发生单相接地故障瞬间，没有电流流过消弧线圈，这时工- 0 ，并 将的值代入式2 7 ，即可求出磁通吼的表达式 工= 峨c o 么l - c o s ( 缈+ 孝弦压一c o s ( t o t + 伊+ 孝) 】( 2 - 8 ) 式中，：为稳定状态时的磁通，：= 参；孝为补偿电流的相角，善：t a n t 与；z c p l 为消弧线圈的阻抗，z = 乏+ ( 国l ) 2 ；吒为电感回路的时间常数。 因吃c o l ，故可取z c o l ，孝= o 。考虑到工= ：+ 西：，代入2 - 8 式并化简后 可得： 西工= o ： c o s ( q o e 一言- c o s ( r o t + f o ) ( 2 9 ) 根据上式，考虑到i l ：艺+ 艺和l = 告，即可写出暂态电感电流屯的表达式： 屯= t 。【c o s 妒- - q l - c o s ( r o t + q ，) ( 2 1 0 ) 消弧线圈提供的电感电流屯和磁通吼都包括稳态的交流分量、暂态的直流分量 这两部分口钔，在暂态过程中，振荡角频率等于电源的角频率，其幅值与接地瞬间电 源电压的相角伊有关。当伊= o 时，有最大的幅值，而当缈= 詈时，幅值则最小。若 单相接地故障在缈= 冬发生时，吼和屯帮将连到最本值，两者分别为： 一= ：( 1 + p 一志万) ( 2 - 1 1 ) 笠。 t 腿= 乙( 1 + e 越) ( 2 1 2 ) 2 2 4 暂态接地电流 暂态接地电流为暂态电容电流和暂态电感电流之和，特性根据两者的具体情况 而定。 。 暂态接地电流的表达式为： = t + ( 2 - 1 3 ) ：( k l ) c o s ( 纠+ 力+ k 【睾驴s m r o t 一 + 1 s i n q ，s i n r o t c o s c o s r o t e厶c o s e c i= ( k l ) c o s ( 纠+ 力+ k 【l 一 印+ 厶 气 国 其中，第一项是稳态接地电流分量，其值等于电容电流、电感电流的稳态分量 幅值之差；其余项是暂态接地电流分量，等于电容电流的暂态自由振荡分量与电感 电流的暂态直流分量之和，两者的幅值不能相互抵消，有时还可能叠加，明显地增 华北电力大学硕士学位论文 大暂态接地电流幅值。 由以上分析可知，当发生单相接地故障时，暂态过程受系统运行方式的影响较 小，中性点不接地和中性点经消弧线圈接地系统具有相似的性质，即暂态接地电流 的幅值和频率主要取决于暂态电容电流，幅值同时和初相角有关。在电力系统中， 暂态接地电流的幅值虽然很大，但由于衰减很快，所以仅能持续约o 5 1 0 个工频 周期。对于电感电流的暂态直流分量，其初始值与初始相角、铁心饱和度都有关系。 暂态电感电流的频率等于工频，可持续约为2 3 个工频周波。另外接地电流中也将 产生大小相等、方向相反的直流分量，用以平衡暂态电感电流的直流分量，不过它 只增大暂态接地电流的幅值。 2 3 综合选线算法 小电流接地系统在发生单相接地故障时情况复杂多样，表现出来的故障信号特 征也变化众多。当前，研究出的选线算法的技术已经比较成熟，而且也已将多种选 线方法运用到实际当中，但各种选线方法都有其片面性，它们仅仅用到了某一方面 的故障特征，例如有功法或能量法利用故障信号的有功分量特征、基波比幅比相法 利用故障信号的幅度和相位特征等。这将导致如果这方面的故障特征表现不明显 时，按照这种判据进行故障选线，其结果可能是错误的。这是单相接地故障选线准 确率不高的根本原因。实际上，没有任何一种选线方法对所有故障类型都有效，每 种选线方法都有一定的适用范围，需要满足一定的适用条件，都有各自的局限性。 也就是说，如果某一故障信号符合该方法的适用条件时，用该方法做出的选线判断 其结果一定是正确的；否则，该方法的判断结果不一定正确，其结果具有模糊性。 迄今为止还不存在万能型、无条件的选线判据，因此由单一选线方法进行选线是不 合适的，它无法保证选线的准确率。 为了适用于各种复杂的故障情况，就应该全面考虑，一种可行的办法是使用多 种选线判据集成构造出一种综合选线判据，使得各种选线方法互补，正确选线的故 障范围得以扩大，从而提高选线结果的正确率和可靠性。因为每种选线判据需要利 用的故障信号特征不同，对于某个故障样本，它可能满足有些选线判据的适用条件， 而不满足另外一些判据的适用条件，几种判据所覆盖的总的有效故障域肯定大于单 个判据的有效故障域。选线方法的有效区域是指使某种选线判据正确选线所具有的 故障信号的特征。它意味着若一个实际故障信号特征落在某个选线方法有效域内 时，用该选线方法进行选线得出的结果就一定是正确的，当落在有效域外时，得到 的结果可能正确或错误。所有的故障信号特征称为故障域，多个选线方法的有效域 与故障域的关系可以表示为图2 - 6 。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 6 选线方法有效域与故障域的关系 故障域 当单相接地故障发生后，存在着两种情况：如果故障信号特征落在某个选线方 法的有效域内时，那么直接使用该方法进行选线即可。但就目前来看，所有方法的 有效域总和并不能完全覆盖整个故障域，即：有一些故障信号找不到针对它能做出 正确可靠判断的一种选线算法，这就是第二种情况。综合考虑以上两种情况，形成 了多种选线方法综合选线策略。综合选线策略的最终目标就是要构造满足每种判据 有效域的综合选线判据。实际上，要求综合选线判据绝对满足有效域是不现实的， 能够满足合理的预期指标即可。 怎样实现多判据信息融合，这是综合选线策略的重点，本文采用模糊理论来实 现。综合选线策略实现的具体过程是：发生单相接地故障后，各种选线方法根据自 身要求提取故障信号特征，经过模糊变换得到母线及各条线路的故障测度以及各种 选线判据的权系数，最后进行融合决策，并输出最终决策结果。 图2 7 多判据信息融合选线模型结构 由以上分析可知，采用综合选线时，需要解决两个具有模糊性质的问题心引：某一线 路具有故障特征的明显程度；某一选线判据的可信度。通常通过建立选线判据的故障测 度隶属函数和权系数隶属函数来定量的描述故障特征的明显程度以及选线判据的可信 度。由于各种选线判据针对的故障信号特征不同，而且故障信号特征在不同的故障条件 下表现的明显程度也不一样，这就导致了多种选线方法可能有多种的选线结果，但我们 应当关注所依据的故障信号特征相对明显的选线方法。因此，选线判据的权系数就不能 1 2 华北电力大学硕士学位论文 设为定值，应根据具体实际情况而变化。最后对各种选线判据的数值属性进行融合，得 出一个综合选线结果。 本装置选用群体比幅比相法、无功功率法、五次谐波法、有功功率法作为选线 判据，利用每种选线原理依据的故障信号特征来建立相应的故障测度隶属函数，判 据权系数隶属函数，最终对所有判据的数值属性进行融合决策，得出选线结果。 2 3 1 选线算法分析 ( 1 ) 群体比幅比相法心们 群体比幅比相法的基本原理是首先对各条线路零序电流幅值进行比较，选出其 中幅值较大几个，然后再对这几个进行相位比较，选出零序电流方向与其它零序电 流方向相反的，即为故障线路。 群体比幅比相法利用故障特征之间的相对关系，克服了采用“绝对整定值时 原理上的缺陷，同时还将零序电压作为参考正方向，由于零序电压幅值较大，波形 较稳定，保证了参考正方向的稳定性。并且选取幅值较大的线路作为候选线路，这 样在一定程度上避免了不平衡带来的影响。 一 ( 2 ) 无功功率法啪3 无功功率法的原理是故障线路的零序电流无功分量相位滞后于零序电压9 0 。， 而非故障线路的零序电流无功分量超前于零序电压9 0 。，即故障线路的零序电流无 功分量与非故障线路的方向相反。这种方法从本质上讲也是利用了容性电流的幅值 与方向，因此，它适用于中性点不接地系统。 ( 3 ) 五次谐波法 在经消弧线圈接地的系统中，由于基波零序电容电流得到有效补偿，使得基于 基波零序电气量比较的选线方案失效，于是提出了基于高次谐波特征的选线方法。 当小电流接地电网中发生单相接地故障时，高次谐波也随之产生乜7 1 。以五次谐波分 量居多，消弧线圈是针对基波设计的，与基波情况相比较，消弧线圈在五次谐波下 感抗为基波下的5 倍，可以近似认为消弧线圈对于五次谐波电流是开路的，通过消 弧线圈的电感电流减小到五分之一；而线路的容抗在五次谐波下减小到五分之一， 五次谐波容性电流就增大到5 倍。五次谐波电流在发生单相接地时在各线路上的分 布和基波零序电流是相同的。除了基波零序分量以外，谐振接地系统中五次谐波电 流最大，是非故障线路的总和，可以采用五次谐波电流大小、方向或功率方向来找 出故障线路暖引。 ( 4 ) 有功分量法 有功分量法的基本原理妇l2 引是：由于线路、消弧线圈都存在对地电导，所以故 障电流中含有有功分量，当发生单相接地故障时，提取各线路的零序有功分量进行 判别，故障线路的零序有功分量方向由线路流向母线，大小等于非故障线路的零序 1 3 华北电力大学硕士学位论文 有功分量和消弧线圈的零序有功分量之和。非故障线路的零序有功分量方向是由母 线流向线路，大小等于线路本身的有功损耗电流值；当发生母线接地故障时，所有 线路的零序有功分量都等于线路本身的有功损耗电流值，方向由母线流向线路。根 据以上分析，利用零序有功分量的相位关系和相对大小来确定故障线路，由于比较 的是有功分量幅值的相对值，判据不受过渡电阻影响。而且，由于消弧线圈的补偿 作用，故障线路的零序有功分量幅值较中性点不接地时大，故障特征也更明显，更 利于选线。 2 3 2 故障隶属度函数和权系数函数的建立 如何将选线算法转化为构造合理的模糊隶属函数是实现综合选线算法的关键所在， 下面将介绍这一工作。 首先对用到的原始变量进行定义，以下各式中各物理量的含义相同。其中，以表 示母线零序电压的有效值；i “= 1 刀) 表示各条线路零序电流的基波有效值； 仍o = 1 刀) 表示各条线路零序电流基波与零序电压基波相位之差值，仍卜1 8 0 0 , 18 0 0 1 ； 仍，o = 1 刀) 表示各条线路零序电流五次谐波与零序电压五次谐波相位差值；当各物理 量为有符号数值时，值为正，表示零序电流相位超前零序电压相位；值为负，表示零序 电流相位滞后零序电压相位。所有下标f 等于o 的物理量均表示母线所对应的虚拟值。 ( 1 ) 群体比幅比相法 故障信号的稳态量给出了幅值和相位这两方面的信息乜引。对于电流幅值信息，若 电流滞后电压，电流幅值越大，该线路是故障线路的可能性也就越大；若电流超前电压， 电流幅值越大，该线路是故障线路的可能性就越小。对于电流相位信息，若电流相位滞 后电压相位越接近9 0 。，该线路是故障线路的可能性越大；电流相位超前电压相位越接 近9 0 。，该线路是故障线路的可能性越小。基于以上分析，对故障测度隶属度函数的构 造如下： 假设系统有n 条线路，m a g ( i ) 表示线路f 的故障电流幅值，m a g ( i ) 【0 ，) 。 a n g ( i ) 表示线路f 的故障电流相角，母线零序电压作为参考相量，定义相角的范围 a n g ( i ) 【1 8 0 。，1 8 0 。) 。令 m a g s ( i ) = m a g ( i ) * s i g n ( a n g ( i ) ) 其中s i g n ( ) y g 符号函数。当电流超前电压时，m a g s 为正值，反之， 值。再定义， 脚( o ) = 一( m a g s ( i ) ) i l l s u m - z m a g s ( i ) i i f f i o 1 4 ( 2 - 1 4 ) m a g s 为负 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中m a g s ( o ) 表示注入和流出母线的差值电流，即母线对地电流，在线路发生 接地故障时，注入和流出母线的电流近似相等，m a g s ( o ) 的值很小，在母线发生接地 故障时，m a g s ( o ) 的值等于母线故障点电流，符号为负；s u m 表示各线路电流幅值之 和，其近似等于2 倍的故障电流幅值。在忽略误差、干扰和系统有功损耗等理想的 情况下，故障线路电流滞后电压9 0 。，非故障线路电流则超前电压9 0 。，但实际上 由于各种因素的影响，幅值和角度均有误差。 稳态量幅值故障测度函数定义如下： f l m a g s 一 蜘 脚比( f ) = t 吉s u m m a g s ( i ) s u m 一 s u m m a g s 吉s u m l r 飞 l ； i 加5 s u m00 5 s u m m a g s 图2 8 群体比幅比相法测度隶属函数图 由式( 2 1 7 ) 可知，z ( i ) 恒大于零；如果线路i 为故障线路，干扰较小时，其故障 隶属度函数( f ) 约等于l ，干扰较大时，其故障测度隶属度函数较小，因此，可以 看出这种定义方法符合实际情况。 o 基波比幅比相算法的权系数的构造主要利用信号畸变率v 定义，其中v 为各次 谐波有效值平方和的方根值和基波有效值的比率，当波形质量越高，它的可信度也 就越高。因此，构造的具体步骤是首先求出电流最大的三条线路的电流算术有效值， 再通过对其进行傅立叶变换提取基波信号的有效值。 易= 专f i ( t ) d t ( 2 1 8 ) 2f f t ( i ) ( 2 1 9 ) k = l ，2 ，3 表示电流最大的三条线路 权系数的隶属度函数定义为： 钳卜。署t ( e - 2 0 ) ( 2 2 1 ) 船 ，扣 l 3 = y 华北电力大学硕士学位论文 一lp 1 | | 图2 - 9 群体比幅比相算法的权系数函数图 ( 2 ) 零序无功功率法 首先，将各条线路( 不包括母线) 的零序无功功率计算公式定义如下： 1t + t 瓯= 3 u o l o f s i n 仍2 寺j3 u o ( t 一手) 幸3 i o f ( t ) d t 一 ( 2 - 2 2 ) 式中t 为工频周期2 0 m s ，( ) 表示母线零序电压采样序列，l o i ( f ) 分别各条线路零 序电流采样序列。 将母线的虚拟零序无功功率计算公式定义为： j l q o o = 一9 - o ， ( 2 - 2 3 ) 1 = 1 上式表示母线的虚拟零序无功功率值等于各条线路无功功率值之和的相反数。 因此，母线和各条线路零序无功功率绝对值之和i q 。l2 羲i q o j 由此可知，理论 上l g l 一为2 倍的故障线路零序无功功率值。由此，可以推出当某出线发生接地故 障时：g o 0 ；当母线发生接地故障时：鳊一 i q l 一。 出于让所有线路的故障测度隶属函数值都随着姊，的减小而增大考虑，将零序无 功功率法的故障测度隶属函数定义为： i l ( q ，一 i q i 一) _ 锷p ( - 吉p - o l p - o ，- - - l g l = ) j 【 o ( q ， i q i 一) ( 2 2 4 ) 该函数对应的曲线如图2 1 0 所示。从图中可以看出，本文所用的零序无功功率法 不仅比较了各零序无功功率绝对值的大小而且还考虑了零序无功功率的方向。 华北电力大学硕士学位论文 陬i重 卞 l i l l i 生 一；致l o ；峨。 图2 - 1 0 无功功率法故障测度隶属函数图 零序无功功率值是由零序电压和零序电流波形