（电力系统及其自动化专业论文）证据理论在小电流接地系统故障选线中的应用.pdf

东北电力大学硕士学位论文 | 量蔓目量曼鼍曼葛p l 巴皂曼皇曼曼曼曼! ! 曼! 曼詈曼曼曼曼曼! 曼曼鲁詈曼曼詈目墨罾曼曼量曼皇宝曼目 a b s t r a c t f a u l tl i n ed e t e c t i o nh a sb e c o m eat i o u b l e g o m ep r o b l e mw h e ns m a l lc u r r e n t g r o u n d i n gp o w e rs y s t e m sh a v et h es i n g l e - p h a s ee a r t hf a u l t s of a r ，a l t h o u g hm a n y l i n ed e t e c t i o nm e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e d ，a n ys i n g l el i n ed e t e c t i o nm e t h o di sv e r y d i f f i c u l tt oa d a p te v e r yk i n do fe l e c t r i c a ln e t w o r ks t r u c t u r ea n dt h ec o m p l e xf a u l t c o n d i t i o nc o m p l e t e l y , m o r e o v e r , d i f f e r e n tt i m ew h e nf a u l ta p p e a r s ，t h ef a u l t e dc h a r a c t e r i s t i ca l s o p e r f o r m a n c e sd i f f e r e n t l yi nt h ed e g r e eo fs t r e n g t h i ft h es i g n a li nt h ep r o c e s so ft h e f a u l tc a l lb em a d ef u l lu s eo f , t h e nt h ec o n d i t i o no fl i n ed e t e c t i o nw i l lb ei m p r o v e d g r e a t l y i nv i e wo ft h eq u e s t i o n sa b o v e , al i n ed e t e c t i o nm e t h o dw i t hm u l t i - c r i t e r i aa n d m u l t i - p e r i o di sp r o p o s e d ，w h i c hm a k e sf u l lu o ff a u l ti n f o r m a t i o n ，a n dr e a l i z e st h e m u l t i - c r i t e r i ai n f o r m a t i o nf u s i o nu s i n gt h ed se v i d e n c et h e o r y , t h e r e f o r et h e p e r f o r m a n c eo fl i n ed e t e c t i o nc a nb ei m p r o v e dg r e a t l y i ti su s u a l l ya b a n d a n to ft r a n s i e n tc o m p o n e n t si ns i n g l e - p h a s ee a r t hf a u l t t t i i s p a p e rp r o p o s e sa f a u l td e t e c t i o nm e t b o dw h i c hu s e sw a v e l e tt r a n s f u r m a t i o nd e r i v i n g f r o m 仃a n s i e n ti n f o r m a t i o n a n db a s e do nt h i s at r a n s i e n tf a u l tm e a s u r ea l g o r i t h mi s e s t a b l i s h e d t h i sp a p e ra l s og i v e sad i s c u s s i o no nr e p r e s e n t a t i o no ff a u l td e t e c t i o nw i t hf a u l t m e a d ys i g n a l ，a n de s t a b l i s h e df a u l tr l e a s u r ea l g o r i t h m sf o rm a g n i t u d e sa n dp h a s e a n g l e sr e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h ed e t a i lo f s m a l lc u r r e n tf a u l t , t h eb a s i cp r o b a b i l i t y ( b p a ) f u n c t i o n i sd e s i g n e d ，a n dt h e nb a s i cb e l i e f v a l u e so f e v e r yl i n ei ne a c hp e r i o dc a nb eo b t a i n e d n 峙p a p e ru s e st h ed i s t r i b u t i o n a lf u s i o na l g o r i t h ma n dc o m b i n e sd - sc o m b i n a t i o n r u l e s ，a n dm a k e sf i n a lj u d g m e n to ft h el i n ed e t e c t i o nb yt h ec o m p r e h e n s i v eb e t i e f v a l u e s ， f i n a l l y am a t i - a bs i m u l a t i o nm o d e lo fs m a l lc u r r e n tg r o u n d i n gp o w e r s y s t e m si se s t a b l i s h e d , a n dt h es i m u l a t i o n ss h o wt h a te a c hk i n do fi i n ed e t e c t i o n c r i t e r i aa n dt h em e t h o dw h i c hi sp r o p o s e di nt h i sp a p e ra r ec o e r e c ta n de f f e c t i v e k e y w o r d s ：s m a hc u r r e n tg r o u n d i n gp o w e rs y s t e m s ；s i n g l e - p h a s ee a c hf a u l t ； f a u l tl i n ed e t e c t i o n ：i n f o r m a t i o nf u s i o n ：d se v i d e n e et h e o r y 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉： 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：二每豸过眵一日期：塑耻上月卑日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：司叁吐日期：2 塑? 年拿l 月2 乒曰 导师签名： 日期：孔啐年士月莓日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 小电流接地系统单相接地故障选线研究的背景及意义 电力系统按其中性点运行方式可分为中性点直接接地系统和中性点不直接 接地系统，即大电流接地系统和小电流接地系统。目前世界各国的高压输电网 均采用中性点直接接地方式，即大电流接地系统；而中低压配电网则各不相同， 基本上都采用中性点不直接接地方式，即小电流接地系统，它又可分为中性点 不接地系统、中性点经电阻接地系统和中性点经消弧线圈接地系统“1 。对于小电 流接地系统，美、日等国采用的是低电阻接地方式，这是因为美国历史上曾过 高地估计了弧光接地过电压的危害性，中性点经低值电阻接地以泄放线路上过 剩的电荷，借以限制弧光接地过电压。这种接地方式尽管可以很快地切除故障， 但这并不是最安全的，尤其是当今社会配电网容量不断扩大而使线路电容电流 大为增加，致使接地故障电流也大大增加，对人身安全的威胁也进一步加大； 最近，法国决定将以前采用的经低值电阻接地的方式，全部改用小电流接地方 式；瑞典、德国、前苏联和我国多采用小电流接地方式“1 。由此可见小电流接地 方式在低压配电网中占有重要地位。为保证供电可靠性。我国多采用经消弧线 圈接地方式，而中性点不接地方式往往只在电压等级较低、线路不太长的系统 或煤矿井下供电系统中使用m 在我国3 6 6 k v 的中压配电网中，大多数采用中性点非直接接地系统，a p , j , 电流接地系统。其原因在于当小电流接地系统发生单相接地故障时，不能形成 短路回路，只是经线路对地电容形成较小的电流通路，故障点电流较小，特别 是在中性点经消弧线圈接地系统中，故障时流过接地点的电流很小，并且故障 后三个线电压仍然保持对称嘲，所以不影响对负荷的正常供电，电力系统安全 规程规定单相接地后仍可继续带故障运行一至两个小时，而不必立即切断故 障线路，继电保护对单相接地故障通常只需作用于信号系统，而不作用于跳闸 操作。由于配电网的绝大部分故障为单相接地故障，占接地故障的9 0 ，而且很 多是瞬时性的，所以，小电流接地系统可以极大的提高供电可靠性。 但是，尽管小电流接地系统可以允许带故障运行一至两个小时，然而，随 着馈线的增多，电容电流也在增大，长时间运行易使故障扩大成两点或多点接 地短路。同时，故障后非故障相电压会升至正常时的3 倍，这对于系统的绝缘 很不利。如果发生间歇性弧光接地，由于中性点没有电荷释放通路，能够引起 弧光过电压，系统绝缘受到威胁，容易扩大为相间短路：并且弧光接地还可能 引起全系统过电压，从而损坏设备，破坏系统安全运行。所以应及时选出故障 线路并给予排除同时，由于小电流接地系统直接应用于生产、生活它的故 障会直接给人们的日常生活带来不便，给工厂企业的生产造成损失，及时地排 除这些故障就显得十分必要。 准确地确定故障线路并尽快将其切除对保证系统安全和用户供电可靠性有 着重要的意义。故障选线的传统方法是逐线拉路，尽管选线很可靠，但是它不 仅烦琐费时，也为某些接地故障的发展和扩大提供了条件，对电网运行存在很 多不利因素，并且在检除故障的过程中，会使部分电力用户供电中断，而造成 不应有的损失。8 0 年代以来人们开始探索应用微机选线，提出各种选线原理， 并研制出在线自动选线装置。这一代选线装置选线的基本依据是单相接地产生 的稳态零序电流，并由此衍生出各种选线方法。由于小电流接地电网单相接地 故障产生的故障电流很小，有时可能接近于零序c t 容许下限值，测量误差较大； 另一方面，对于架空线路，由于零序滤过器三相不对称而在二次侧产生的不平 衡电流作为工频干扰，量值上可能与故障零序电流相当，难以彻底清除：对于 消弧线圈接地电网，基波成分不再满足选线判据，一般采用五次谐波，而五次 谐波量值更小而且不确定。这些原因导致现有选线装置选线正确率极低，几乎 不能满足现场需要。因此，进一步探索更加有效的选线方法，提高小电流系统 接地故障的选线精度就显得更为重要了”。 1 2 中性点不直接接地系统单相接地时的特性分析 1 2 1 中性点不接地系统单相接地时的特性 小电流系统的系统模型如图卜1 所示，图中画出了a 相单相接地时的电容电 流分布。图1 - 2 为系统的零序网络图，当图i - i 和图1 - 2 中k 断开时，为中性点不 接地的情况。图i 一2 中c o l 、c 0 2 、c 0 3 分别为线路l l 、k ，l 3 的分布电容，用集中 的电容表示，u o 为发生单相接地故障时系统的零序电压，1 0 l 、1 0 2 分别为线路l l 和线路l 2 的对地零序电容电流，此时图中j o z = - + 如+ 厶，为全系统一相对地 第1 章绪论 电容电流之和，用虚线标出的变量不起作用。其各电压相量图如图卜3 所示。 正常时各相均有幅值相等的对地电容电流，因其大小相等、相位相差1 2 0 0 ， 故相量和为零。系统中没有零序电压或只有很小的偏移电压。 当a 相接地时各线路电压电流具有以下特点： ( 1 ) a 相的对地电压为零，中性点对地电位升至相电压，b 、c 两相对地 电压升高为原来的3 倍( 图卜3 中【k 、( b ) ，它们的对地电容电流各升高至原 来的；倍； ( 2 ) 在发生单相接地故障后，整个系统都会出现零序电压，幅值等于相 电压，方向与故障相原相电压的方向相反，在忽略线路电阻的情况下，线路各 处的零序电压大小相等； ( 3 ) 系统中非故障线路的零序电流为本身的对地电容电流，方向为由母线 流向线路；系统中故障线路的零序电流等于所有非故障线路的零序电流之和， 其方向为由线路流向母线。即 l 4 = 一1c o s ! = = ：r ： l 2上一 严v 弋 l 尸r 中竹 li c c 2 + i +l 7 l t n l i c 2 + + + k ； ，l 一 t ! i 。擎警c 哇地沁 3 i 眈 。l俺士执k 图1 - 1 小电流接地系统单相接地时电容电流分布图 图l - 2 单相接地时小电流系统的零序网络图 u c d 图! - 3a 相接地的电压向量图 = 0 t ) a d ：意a 一雹d ：压意 e - j 1 鲥i c b ：良一岛：；厶p j l s o 。 1 u o = ( u + u b d + r i c o ) = 一e d i o = 3 u o o ) c o - 4 一 u b d ( 1 1 ) ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 - 5 ) 第l 章绪论 1 2 2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障时的特性 中性点不接地系统发生单相接地故障时，会在接地点引起多次熄拉弧从而 产生间歇电弧过电压，使非故障相电压进一步升高、故障进一步扩大以至发展 成相间或多点接地故障。为解决这一问题，通常在变压器中性点接入一个电感 线圈，通过电感电流对电容电流的抵消作用来减小接地点的电流，使故障点在 第一次熄弧后绝缘迅速恢复，从而消灭故障点电弧，防止过电压。消弧线圈的 作用表现在以下三点： ( a ) 能在不开断线路的情况下自动消除各种瞬时性故障； ( b ) 能够降低接地电弧熄灭后的故障相电压恢复速度，以减少电弧重燃的 可能性，保证电弧的彻底熄灭并降低电弧过电压的数值： ( c ) 能保证发生金属性接地故障时继续供电，减少由单相接地故障引起的 多相接地或相间短路故障。 当图卜1 和图1 - - - 2 中k 闭合，且消弧线圈不并联电阻时，为常规的中性点经消 弧线圈接地系统，图中l 为消弧线圈电感，五为消弧线圈的电感性电流。此时， 故障线路中的零序电流为所有非故障线路零序电流与消弧线圈的电感电流之和 ，即为图中的j ”。 根据对电容电流的补偿程度不同，消弧线圈有以下几种补偿方式： 全补偿：即采用五= 缸的补偿方式，可使零序电流接近于零以避免产生 弧光过电压，但在架空线路三相对地电容不完全相等的情况下，中性点的对地 电压会产生偏移，有可能出现因串联谐振引起的中性点对地电压严重升高，从 而危及系统的安全，因此在实际应用中很少采用这种方式。 欠补偿：即采用五 尼z 的补偿方式。此时流经接地点的电流为感性电流， 即使切除部分线路，也不会发生谐振过电压，现在主要采用这种补偿方式，其 l ，一一 补偿度( p = j l 一i c u ，其中五为消弧线圈电感，i c c 为接地点电容电流) 在实际 l c c 中一般为3 1 0 9 6 。 在经消弧线圈接地的系统中，发生单相接地故障后，整个系统都会出现零 序电压，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高为原来的3 倍。当采用 全补偿方式时，非故障线路的零序电流为该线路的对地电容电流：对故障线路， 经消弧线圈的补偿后，流经其的零序电流也为本身的电容电流，两者电流的方 向均由母线流向线路，这时任何一条线路发生故障，其系统的零序电流特征都 一样，无法用零序电流的大小和方向区分故障线路和非故障线路；采用过补偿 方式时，故障线路的零序电流为经补偿后的残流( 为感性) ，方向由母线流向线 路，非故障线路的零序电流为该线路的对地电容电流，其方向为由母线指向线 路，所以也无法用零序电流的大小和方向区分故障线路和非故障线路n ”。 1 3 小电流接地系统单相接地选线方法的分类及特点 正是由于小电流接地系统故障选线具有较高的理论和实践价值，因此国内 外很多学者对此都进行了深入的理论研究和实践工作，并提出了多种选线方法。 目前，己提出的选出接地故障线路的方法概括起来可以分为：稳态分量法， 暂态分量法和注入信号法。在现代应用方法中，主要是上述方法间的融合改进 以及和新的数学方法的结合。本文归纳了现有的各种选线方案，并对其优缺点 做出分析。 1 3 1 稳态量选线方法 i 稳态零序电流幅值比较法 当中性点不接地系统发生单相接地短路时，流过故障设备的稳态零序电流 在数值上等于所有非故障设备对地电容电流之和，故障线路上的零序电流最大， 所以通过零序电流幅值大小比较就可以找出故障线路。该方法的缺点：不能排 除电流互感器( c t ) 不平衡的影响：受线路长短、系统运行方式及过渡电阻大小 的影响。 2 稳态零序电流相位比较法 该方法也称作零序功率方向法。当发生单相接地故障时，中性点不接地系 统中故障线路与非故障线路的稳态零序电流分别为从线路流向母线和从母线流 向线路，所以只要比较零序电流方向就可以找出故障线路。此法在故障点离互 感器较近或线路很短，或者出现高阻接地故障时，测量到的零序电压、零序电 第1 章绪论 流较小，相位判别较困难，可靠性低。 3 群体比幅比相法 该方法为多重判据法，采用幅值法和相位法结合，先用“最大值”原理从 线路中选出3 条以上的零序电流i 。最大的线路，然后用“功率方向”原理从选 出的线路中查找零序电流i 。滞后零序电压u o 的线路，从而选出故障线路。群体 比幅比相法是中性点不接地系统的常用选线一种方法。该方法在一定程度上解 决了前两种方法存在的问题，但是同样不能排除c t 不平衡电流及过度电阻大小 的影响n 1 1 。 4 最大a ( i s i n 由) 原理 该方法是把所有线路故障前、后的零序电流都投影到故障线路零序电流方 向上，计算出各线路故障前、后的投影值之差，然后找出差值的最大值，即最 大a ( i s i n 币) 。显然，当差值的最大值大于零时，对应的线路为故障线路。但是， 该算法在计算过程中需求出有关向量的相位关系，计算量很大，选取的参考正 弦信号如果出现问题会造成算法失效。为解决上述的两个问题，可以应用a ( i s i n 币) 的快速算法一递推o f t 算法，从而省去了中间参考正弦量，同时也简化了原有的 计算工作量，使得a ( i s i n 舻) 原理可以快速、可靠地实现“2 。 5 五次谐波分量法 由于谐波电流方向原理所使用的高次谐波相对于基波来讲谐波次数越高含 量越少，易受干扰影响，在高次谐波电流中主要为五次谐波分量，所以实际运 行中多使用五次谐波法。在理论上，故障线路中的五次谐波零序电流应当最大， 且滞后五次谐波零序电压9 0 。：非故障线路中的五次谐波零序电流较小，且超 前五次谐波零序电压9 0 。，因此可以利用该特征进行故障线路的选择。但是当 接地过度电阻很大时，零序电流及零序电压的五次谐波分量很小，大小及相位 也不稳定，因此误判率极高“”。 6 遥感式小电流接地选线方法 此法利用电导体周围产生的电磁场，交变电流的幅值可以通过在其激励的 电磁场中的某一点所感应出的电动势的大小直接反映出来的原理，在所有输电 线路出1 ：3 处装设遥感探测器，测量电容电流五次谐波电磁场，比较出信号最强 的线路就是故障线路。 7 有功分量法、能量函数法 对于中性点经消弧线圈接地系统，消弧线圈不能补偿零序电流有功分量， 因此故障线路零序电流有功分量与正常线路零序电流有功分量相位相反，并且 东北电力大学硕士学位论文 故障线路零序电流有功分量幅值最大。 有功分量法通过傅立叶变换直接分析线路零序电流中的有功分量的大小和 方向，幅值最大且与其他线路反向的就是故障线路。能量函数法通过计算能量 函数e = u o ( k ) + i o ( k ) 的值来体现有功分量的大小和方向，实际上是对有功分量 k 进行累加。这两种选线方法都是通过不同的方式对零序电流有功分量进行描述， 本质上是一样的“”。 利用零序电流有功分量选线可以利用幅值较大的零序基波电流，但不足之 处在于如果零序回路的电阻较低，则零序电流的有功分量值较小，容易造成误 选，此外，利用三相c t 并联获得零序电流的系统，该方法受三相c t 不平衡的 影响较大。 1 3 2 暂态量选线方法 1 首半波法 首半波原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设，此时 故障相电容电荷通过故障线路向故障点放电，故障线路上的电容电流与非故障 线路的电容电流形成回路。对于配电网暂态零序电流和零序电压的首半波之间 存在着固定的相位关系，在故障线路上两者极性相反，在非故障线路上两者极 性相同，由此可以选出故障线路。但是当故障发生在相电压过零值附近时，首 半波电流的暂态分量值很小，以及过渡电阻的影响，易引起方向误判。 2 小波法 小电流接地系统发生单相接地故障时，尽管故障电压和电流的暂态过程持 续时间短，但却含有丰富的特征量，并且这些特征量满足选线规则。小波法是 利用近年来新兴的小波变换理论，提取故障暂态信号的特征量进行故障选线“”。 小波变换具有良好的时频聚焦特性，对于非平稳信号具有比傅里叶变换更好的 分析效果n ”。选择合适的小波基对暂态零序电流的特征量进行小波变换后，得 到的故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值高于非故障线路，并且其特征分 量的极性也与非故障线路相反。利用这一特征即可进行故障选线n 9 】。利用小波 变换分析单相接地故障的暂态特征，识别故障线路，灵敏度非常高。但是如果 第l 章绪论 接地电阻过大，暂态电流的高频分量则过小，易发生无误选。 1 3 3 注入信号法 1 s 注入法 首先定出故障的相别，然后向接地相注入信号电流，其频率f o 可取在各次 谐波之间，使其不反应工频分量及高次谐波。故障时接地相的p t 副边处于被短 路的状态，由副边感应来的信号电流沿接地线路的接地相流动并经接地点入地。 用信号电流探测器在开关柜后对每一条出线进行探测，探测到注入信号的线路 即故障线路。该方法利用处于不工作状态的接地相p t 注入信号，不增加一次设 备，不影响系统运行。但经高阻接地时，发信机工作可能不能满足要求而产生 误判。 2 注入变频信号法 为解决“s 注入法”在高阻接地时存在误判的问题，提出注入变频信号法。 其原理是考虑故障后位移电压大小的不同，而选择向消弧线圈电压互感器副边 注入谐振频率恒流信号还是向故障相电压互感器副边注入频率为7 0 h z 的恒流信 号，然后监视各出线上注入信号产生的零序电流工角，阻尼率的变化，比较各 出线阻尼率的大小，再计及线路受潮及绝缘老化等因素可得出选线判据“4 。但 当接地电阻较小时，信号电流大部分都经故障线路流通，导致非故障线路上阻 尼率误差较大。 1 3 4 综合方法 尽管有以上的许多种选线方法被提出，但任何单一选线方法都很难完全适 应各种电网结构与复杂的故障状况，这是现有选线技术失败的主要原因。为解 决这一现状，唯一可行的办法就是将多种选线方法进行融合来构造一种综合选 线方法。目前，出现的综合选线方法有如下几种： 1 模糊神经网络选线法 模糊神经网络具有模糊信息处理能力，该方法采用相对成熟的零序电流群 体比幅法和能量函数法的结合，对其作算法上的改进并取得样本，通过模糊神 经网络中的极大一极小神经网络进行训练，利用多层训练的收敛结果作为选线 东北电力大学硕士学位论文 的判别依据。它对电网结构和系统运行方式没有依赖性，而且比较特征量很明 显，选线准确率高。 2 基于小波包变换的模糊神经网络法 利用小波包来分解故障暂态信号，将信号分解成不同频带的信号，根据这 些频带信号激励模糊神经网络，利用经过接地后零序电流训练的模糊神经网络 来判别接地线路。该方法不受负荷谐波、暂态过程、故障点过渡电阻等因素的 影响1 。 3 模式识别和多层前馈神经网络法 用统计模式识别中基于最小错误的贝叶斯( b a y e s ) 决策方法和人工神经网络 方法进行故障选线。它将故障后各线路零序电流看作某类故障的一个模式，通 过人工神经网络的训练与学习来判断故障模式，实现故障选线咖。 4 粗糙集理论的应用 进行多种选线方法的融合，其前提条件就是确定各种方法的适用范围( 即 有效域) 。应用粗糙集理论对故障样本集进行数据挖掘和知识发现，确定各种选 线方法的有效域，同时利用模糊理论建立模糊综合选线模型，将多种选线方法 进行综合来选出故障线路删。 1 4 多判据连续多测量周期选线方法的提出 总之，为解决接地选线这一问题，国内外学者进行了深入而广泛的研究。通 过上面的分析可知，小电流接地选线的方法很多，这些方法都适用于一定结构 和参数的中性点非直接接地电网中，在具有各自的优势的同时，也有着各自的 局限性和缺点。其原因在于 ( 1 ) 现场实际故障状况复杂，可能是理想的金属接地或稳定的电阻接地， 也可能是没有规则的非线性电阻接地故障或是电弧故障，故障状况情况不同， 产生的故障量在数值上、变化规律上相差悬殊； ( 2 ) 现场的电磁干扰以及工频负荷电流干扰使检出的故障成分信噪比非常 低，有用信号不能被有效提取出来，有时接地故障电流微弱，导致测量精度难 以保证； ( 3 ) 很多装置在故障发生后只能利用几个周波数据进行一次选线，这些信 息可能利于选线也可能对选线结果不利，这将增加误选的可能性； ( 4 ) 尽管有上文所述的多种选线方法，但是任何一种选线方法都很难对所 第1 章绪论 有故障状况均做出正确选线，仅利用一种方法进行选线是不允许的； 基于上述原因，迄今为止，现有的单一选线方法都没有很好地解决选线问题。 但是，多重判据选线的方法是将两种或几种判据有机地结合，因此可以扬长避 短，弥补单一判据的不足，一般来说要优于单一判据的方法，这也就是今后选 线方法发展的趋势。 另外，在小电流接地故障发生后，带故障运行的1 2h 内，故障信号不是 一成不变的，有些时段信号受到干扰而不利于选线，有些时段信号反映了故障 特征适于选线，因此如果能将单相接地故障持续过程中的信号进行充分利用， 那么选线正确性将得到很大的提高，最极限的想法当然就是将故障持续时间内 的全部信息储存起来进行选线，但是受装置储存容量的限制，这是不可能做到 的，一个可行的方法就是选取尽可能多时段的故障信息加以利用，这就是多周 期选线的思想。 针对上述问题，本文认为应充分利用多方面、不同时段的故障信息，探索多 种选线方法，使之相互补充、相互融合，以提高故障选判的能力。所以，本文 从信息融合的角度出发，提出一种应用d - s 证据理论实现多种选线判据连续多 周期融合的选线方法，用以提高故障选判能力，由于该方法面向全局获得多方 面、多时段的故障信息，从而使少数受到严重干扰而导致误选的信号不会对选 线结果造成重大影响，保证了选线结果更加准确和有效。 1 5 本文所做的主要工作 本节在分析了小电流接地系统单相接地原理，介绍了现有的各种障选线方 法的优势和不足的基础上，从信息融合的角度出发，提出了一种充分利用多方 面、不同时段故障信息的选线方法。 为实现上述方法，本文做了如下的工作： 1 ) 建立基于暂态量选线判据。小电流故障中暂态量丰富，而且满足选线规 则，本文应用小波变换提取暂态信息，构造出暂态测度值，并编制相关的程序。 2 ) 建立基于稳态量选线判据。对传统的稳态量选线方法进行改造，使之能 够定量的表达线路具有的故障程度，分别基于幅值信息和相位信息构造出了故 障测度的算法，并在此基础上编制相关的程序。 3 ) 在完成各种选线判据的基础上，构造证据理论的基本信度分配函数。在 获得各种选线判据测度的基础上，要应用证据理论进行故障选线，还应将故障 东北电力大学硕士学位论文 测度转化为基本信度分配函数( b p a 函数) ，本文按照b p a 函数的定义并考虑到 故障选线问题的特点，来构造b p a 函数，同时编制相关的程序。 4 ) 利用d - s 证据理论的分布式融合算法实现多判据连续多测量周期选线。 并编制总的算法程序。针对单一选线方法不能很好的解决选线问题，同时，在 接地故障后不同时段的故障特征表现不同的特点，本文从信息融合的角度出发， 利用d - s 证据理论来进行多种选线判据连续多周期融合的选线，从而使故障选 判能力得到很大的提高。 最后，就本文提出的方法，利用m a t l a b 建立小电流接地系统的仿真模型， 来验证上述各种选线判据的有效性，及本文所提方法的正确性。 2 1 引言 第2 章暂态量选线判据的构造 小电流接地电网发生单相接地故障过程中，故障电流分量中除含有工频基 波成分外，通常还含有丰富的不规则谐波成分。这些谐波成分可能是稳定的， 或是瞬变的，每次故障中谐波成分的含量及变化规律也是不确定的。谐波成分 主要有三个来源：1 ) 单相接地故障初期的过渡过程中要产生暂态电流；由于小 电流接地电网单相接地故障等值网络是一个强容性网络，在金属性单相接地过 程中暂态电流成分非常大，经电阻接地情况下随故障电阻的增大，暂态成分相 应降低；暂态分量中频率范围通常在3 0 0 h z 2 5 0 0 h z 范围，持续时间一般在半个 周波以内；2 ) 单相接地故障点过渡电阻通常具有非线性、时变性质，尤其在故 障初期阶段这种性质更加明显；非线性时变电阻也在故障网络中产生谐波成分， 这部分谐波成分通常频率较低，持续时间较长，一般有两个周波以上；3 ) 电网 中非线性元件引起电压畸变，单相接地容性网络对电压的高次谐波敏感，电源 电压的轻微畸变在故障网络中产生较大的谐波电流。 所以，由于上述因素，单相接地故障量中通常含有丰富的暂态成分，大量的 现场故障录波数据也证实了这一点。同时，故障初期暂态过程电流通常较大， 更容易测量。所以开发利用故障暂态信息进行选线有一定优势。本章节出于这 种考虑，提出用小波变换提取故障暂态信息，并在此基础上构造出暂态故障测 度来定量的描述各条线路故障的程度，从而实现故障选线。 2 2 小电流接地系统单相接地故障暂态特性分析 小电流接地电网发生单相接地时，接地电容电流的暂态分量较其稳态值要 大很多倍。因电网中绝缘击穿和接地故障经常发生在相电压接近于最大值的瞬 间，这时可将暂态电容电流看成是故障相放电电容电流和非故障相充电电容电 流之和，其放电电流和充电电流的流通路径如图2 - 1 所示。 从图中看出，故障相放电电流为母线所短路，因此衰减很快，非故障相充 东北电力大学硕士学位论文 电电流通过电源形成回路，衰减较慢。对于经消弧线圈接地的系统，因为暂态 电感电流的最大值相应于接地故障发生在相电压经过零值的瞬间，而当故障发 生在相电压接近于最大值的瞬间时，流过消弧线圈的电流i l * 0 ，对暂态量不起 作用。由于绝大多数接地故障，都发生在相电压经过最大值的瞬间，所以在同 一电网中不论中性点绝缘还是经消弧线圈接地，在故障瞬间，暂态过程近似相 同。 由图中暂态零序电流的分布可以看出，小电流接地电网单相接地时，靠近 母线端故障线路的暂态零序电流与非故障线路暂态零序电流方向相反，并且强 度大于非故障线路，据此可作为选线依据嘲。 利用暂态量进行选线，关键是如何把故障分量中可用的暂态成分有效的提 取出来。由于单相接地故障中所能利用的暂态量大都呈随机非平稳状态，信号 的频率和出现的时刻以及持续的时间都是不确定的。而小波变换却是分析这类 非平稳信号的有效工具，它具有动态自动的改变时频窗大小的特点，能有效的 克服傅里叶变换时间窗不可调的缺点，很好的达到与信号的匹配，从而比较准 确的提取出信号暂态特征成分汹。为此，本文利用小波分析工具将故障信号经 小波变换投影到各尺度空间上，并把细节成分提取出来，进行大小和方向的比 较，从而构造出暂态量故障测度来实现故障选线。 l abc 图2 - 1 小电流接地系统单相接地时暂态电流分布图 第2 章暂态量选线判据的构造 2 3 小波简介 小波变换思想源于傅立叶变换，两者都是将被分析信号同一族参考函数作 相关度运算，被分析信号与参考函数越相似，相关度越大，变换系数也就越大。 同傅立叶变换不同的是：小波变换的参考函数不局限于复指数函数，可以有多 种选择，只要满足具有时域和频域局部性即可。 着函数( f ) 满足：a ) 平方可积b ) 容许性条件( 2 1 ) 式 弛出 1 0 ；若线路k 为故障线路，其测度 f m m ( k ) 约等于2 倍的故障电流，测度值最大；若k 为非故障线路( 超前电压) ， 则幅值越大，故障测度越小。电流幅值较小的线路对应的故障测度居中，表明 利用幅值信息不能充分证明线路是故障线路还是非故障线路。这种测度定义与 实际情况相符合。电流幅值越大，受误差、干扰的影响程度越小，它越有理由 表明本线路是否发生故障。 3 3 相位故障测度的构造 构造相位信息的故障测度比较复杂，一方面由于相角与是否故障线路的关 系不是单调的，另一方面，当一些线路上电流很小时，相角误差可能非常大， 以至不能很好的遵循正常相位关系。构造故障测度实际上相当于构造一种非线 性映射，使与被表示事件非单调关系的一组原象映射为与被表示事件成单调关 三 湘 系的一组象，用这组象表示事件更直观。本问题中，被表示的事件是是 否故障线路，原象是相角，映射出的象是故障测度。三者之间 的关系可用图3 - 1 表示。 图3 - 1 故障特征、故障测皮与选线判断之间的关系 注意到当a n 9 0 , ) 0 时 i a n g ( k ) 一9 0 0 i 【o o ，9 0 0 】 该值越小，表明线路k 越不可能是故障线路；当a n g ( k 3 i o 时 - a n g ( k ) + 9 0 0 l 卜- 9 0 0 ，o o 】 该值越大，表明线路k 越可能是故障线路，于是可将其上移1 8 0 ，得 1 8 0 0 一 a n g ( k ) + 9 0 。1 9 0 0 , 1 8 0 0 】 将两部分表达式组合起来，有 彳馏c ：j i 彳愕? 一9 0 ，彳馏 ) o ( 3 5 ) 船一d d 2 汹一陬曷+ 9 0 d l ，鲰 o 慨“”- 1 l i n t 2 ( ( 1 8 0 0 - a n g + 9 0 。i ) 蕊m a g ( k ) 椰脚 式中函数l r r 屹0 为2 值限位函数，定义为 f 1 8 0 。，x ： 1 8 0 。 l m t 2 ( x ) = x ，1 8 0 0 x 9 0 0 1 9 0 0 x 1 5 钟，因此可忽略消弧线圈对五次谐波产生的补偿效果。 又因为在高次谐波电流中主要为五次谐波分量，理论上故障线路中的五次谐波 零序电流最大，且滞后五次谐波零序电压9 0 。；非故障线路中的五次谐波零序 电流较小，且超前五次谐波零序电压9 0 。，也就是零序电流五次谐波分量在中 性点经消弧线圈系统中有着与中性点不接地系统中零序电流基波相同的特点； 故障线路的五次谐波电流最大，且方向和非故障相相反。所以实际运行中多使 用五次谐波法，因此可以利用该特征进行故障线路的选择。 3 5 本章小结 本章内容在分析了小电流接地系统发生单相接地故障时，其稳态量特性的 基础上，主要是研究了稳态量选线判据的量化问题，使之能够定量表达各线路 发生故障时的测度值，并分别基于幅值信息和相位信息提出了计算故障测度的 方法：同时对这两种信息应用时的情况加以了说明。 第4 章基于d - $ 证据理论的多判据连续多周期的选线方法 第4 章基于d - s 证据理论的多判据连续多周期的选 线方法 4 1 信息融合及故障选线 信息融合也称多传感器信息融合、或数据融合，是对不同信息源或传感器 采集的数据按既定的规则进行结合，以获得对处理对象更全面、更可靠的认识 和理解。信息融合最初主要应用于军事领域，随着工业系统的复杂化，人们 越来越认识到信息融合的重要性，使得对它的研究应用也不再局限于军事领域， 在工农业诸领域，如：模式识别、图象处理、医疗诊断、遥感、工业过程控制、 城市规划、气象等许多方面都得到了不同程度的应用，应用潜力非常巨大o “。 当前，信息融合较成熟的实现方法主要有：经典推理法、k a l m 觚滤波法、b a y e s 估计法、d s 证据推理法、聚类分析法、专家系统推理法等。 为克服单一选线方法的缺陷和不足，提高故障的选判能力，使得多重信息 的融合成为选线的趋势。在获取暂态量和稳态量多种故障信息并构造出相应故 障测度的基础上，本章从信息融合的角度出发，利用d s 证据理论，采用证据 推理模型来实现多故障信息的融合，从而提高故障的选判能力。 4 2d - s 证据理论 证据理论是经典概率论的种扩充形式，是一种用于处理信息融合中的不 确定性问题的重要方法，它基于对某一假设之上的各个片段的证据进行组合， 来估计假设的真实性。这一理论产生于6 0 年代a p d e m p s t e r 在多值映射方面的 工作。在其原始表达式中，他把证据的信任函数与概率的上下值相联系，提出 一个构造不确定性推理模型的一般框架m 。7 0 年代中期，d e m p s t e r 的学生 g s h a f e r 对这一模型进行了极大的扩充和完善，在此基础上形成了处理不确定信 息的理论，人们称之为d ，s 证据理论( d e m p s t e r - s h a f e rt h e o r yo f e v i d e n c e ) ，以纪 念这两位创始人，但真正实用的算法是8 0 年代j a b a r n e t t 建立的。证据理论早 东北电力大学硕士学位论文 期主要应用在专家系统领域，近些年在模式识别、信息处理等领域应用较多。 设有一判决问题，在证据理论中，对该问题的所有可能的判断结果的集合 称为识别框架( f r a m e o f d i s e e n m e n t ) ，用 表示。 其中的元素满足两两互斥， 且对被识别对象是完备的。令 0 = 执，0 2 ，巩) ， 0 中的元素研就是判决问题中一个可能的基本结论，那么所关心的任一命题都 对应 的一个子集，0 中的元素翻称为的一个单子( s i n g e t o n ) ，只含一个单子的 集合称为单子集( s i n g e t o n s e t ) 。 证据理论研究的基本问题就是：已知识别框架 ，判明一个先验未知对象属 于0 中某个子集a 的程度。 定义1 给定识别框架0 ，在o 的幂集2 0 上定义函数m ( ) ，使2 e - - 0 ，1 ， 并满足： 岁r e 卜( a 。) ：1 ( 4 - 1 ) 1y = ”“ 【届 称m ( ) 为2 e 上的基本概率分配函数( b a s i cp r o b a b i l i t ya s s i g n m e n t ) 或基本信度分 配函数，简称b p a 函数。若a 亡0 ，a ，则m ( a ) 为基本概率值，表示对命 题a 的信任程度，而m ( o ) 则表示分配给不确定( i g n o r a n c e ) 的信任程度( 简称 信度) 。由于 朋( ) = l 一肌( 4 ) ( 4 2 ) c 9 表明证据理论将不确定的信度分配给了整个识别框架。 定义2 与基本概率分配函数有关的信任函数b e i ( f u n c t i o no fb e l i e f ) 定义 为： b e l ：2 e 一 o ，1 对任意a c _ o ，有 b e l ( a ) = l - m ( b ) ( 4 3 ) b c b e i 表示对集合a 总的信任程度，即对a 的幂集2 a 中的元素的基本可信度分配 之和。由定义可知b e l ( 妒产o 。b e l ( o 产l 。而b e t ( 2 ) 表示对j 的总的信任度， 即对a 总的不信任度。其中j 表示a 的补集，它满足a u 互= 0 ，a n j = 。 b e l 函数也称为下限函数，表示命题成立的最小不确定支持程度。 第4 章基于d s 证据理论的多判据连续多周期的选线方法 信任函数b e l 具有以下性质： 1 ) 信任函数为递增函数，即若a l a 2 ，则b e l ( a 1 ) 兰b e i ( a 2 ) 2 ) b