小电流接地系统故障选线方法研究.doc

论文小电流接地系统故障选线方法研究申请人：刘富强学科（专业）：电力系统及其自动化指导教师：张金莲 2014年08月19网络教育学院毕 业 设 计 (论 文) 任 务 书专业班 级电力系统及其自动化 层次专升本 姓名刘富强 学号12017976010004一、毕业设计（论文）题目 小电流接地系统故障选线方法研究 二、毕业设计（论文）工作自 2014 年 6 月 10 日起至 2014 年8 月 日26止三、毕业设计（论文）基本要求 1、通过毕业设计（论文），巩固所学基本理论知识和基本技能，培养运用所学基本知识解决实际问题的能力； 2、针对选题，查阅相关资料，对目前的发进行分析、研究，结合实际提出解决问题的思路和方法； 3、根据论文写作基本要求，认真完成论文撰写工作，自己的研究与设计工作是整个论文的写作重点，切忌抄袭他人的研究成果，引用内容应注明出处； 4、按照规定时间要求，及时提交相关文档资料。 指导教师： 张金莲 网络教育学院毕业设计(论文)考核评议书指导教师评语：该同学能按时完成论文阶段各项工作任务；论文对小电流接地系统选线方法进行了分析研究，并结合实际进行了总结和改进，对实际工作有一定指导意义；论文格式较为规范，内容比较充实，符合毕业论文写作要求。建议成绩： 良好 指导教师签名： 年 月 日答辩小组意见：负责人签名 年 月 日答辩小组成员 毕业设计（论文）答辩委员会意见： 负责人签名： 年 月 日摘要论文题目：小电流接地系统故障选线方法研究学科（专业）：电力系统及其自动化申请人：刘富强指导教师：张金莲 摘要小电流接地系统，由于中性点不是直接接地的，当发生单相接地故障时，故障特点不是非常明显，故障选线就很有必要。本文详细分析了国内外小电流接地系统故障选线的研究现状和研究方法，对现在的选线方法进行总结并加以改进，确定出较为适合的故障选线的方法。关键词：小电流接地系统；故障选线目录目录1绪论12单相接时中性点不直接接方式主要特征22.1不接地系统22.2经消弧线圈接地系统22.3经高电阻接地系统23小电流系统单相接地的难点23.1电流信号太小33.2干扰大、信噪比小33.3随机因素影响的不确定33.4电容电流波形的不稳定34单相接地现象分析与判断34.1中性点不接地系统单相接地故障分析34.2仿真系统故障判断45对几种选线保护原理讨论55.1早期的单一判据原理55.2群体比幅比相原理55.3“ 注入法” 原理55.4注入变频信号法55.5能量法65.6负序电流选线原理65.7基于小波变换的接地选线原理65.8模式识别和多层前馈神经网络方法66综合选线方法66.1D - S证据理论66.2故障选线方法的选取和改造 76.3D - S证据理论106.4实例分析117结论与展望13致 谢 17参考资料18中看不见即可）：1、绪论在我国电力系统中采用的中性点运行方式有：中性点直接接地，中性点不接地，中性点经消弧线圈接地等三种。由于中性点直接接地方式，发生单相接地时的短路电流较大称为大电流接地系统；而中性点不接地和中性点经消弧线圈接地方式，当发生单相接地时，其短路电流小，而称为小电流接地系统，在366KV电力系统广泛应用。在366 kV电力系统中，当系统发生单相接地故障时，由于不能构成短路回路，接地故障电流往往很小，系统线电压的对称性并不遭到破坏，系统还可继续运行一段时间，规程规定一般为12h。若长期带故障运行，因非故障的两相对地电压升高倍，则可能引起绝缘的薄弱环节被击穿，以至形成相间短路，这样可能使电压互感器铁芯严重饱和，导致电压互感器严重过负荷而烧毁 ，也使得事故被扩大，直接影响到用户的正常供电。同时弧光接地还会引起全系统过电压，从而损坏设备，破坏系统安全运行。为防止系统事故扩大，在接地运行的这段时间里必须设法排除接地点。小电流接地选线装置自20世纪80年代问世以来，已经历了几次技术更新换代，其选线的准确性也在不断提高，尽管备厂方宣称100选线正确率，但工程实际中均存在误判率较高的问题，使许多用户有一种不用麻烦，用了也麻烦的感觉，故现场好多情况都是选检设备闲置退出而采用手动拉闸试验的原始方法查找接地。在不同的情况下选取适当的故障选线算法来处理故障信息 ，并对故障信息进行D-S证据理论的信息融合，提高了故障选线的准确率。如何将选取的群体比幅比相算法和小波分析方法进行改进以适合证据理论的融合，如何设计算法计算D-S证据理论中的不确定性问题。2单相接时中性点不直接接方式主要特征当小电流接地系统发生单相接地故障时, 各种中性点接地方式会表现出不同的故障特征： 2.1不接地系统 (1) 在发生单相接地时,全系统都将出现零序电压。(2) 在非故障相的元件上有零序电流, 其数值等于本身的对地电容电流,电容性无功功率的方向为由母线流向出线,即零序电流超前零序电压90。(3) 在故障线路上,零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和, 数值一般较大,电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线,即零序电压超前零序电流90。2.2经消弧线圈接地系统 (1) 当采用完全补偿方式时,流经故障线路和非故障线路的零序电流都是本身的电容电流, 电容性无功功率的实际方向都是由母线流向出线。在这种情况下, 利用稳态零序电流的大小和功率方向都无法判断出哪一条线路上发生了故障。(2) 当采用过补偿方式时, 流经故障线路的零序电流将大于本身的电容电流, 而电容性无功功率的实际方向仍然是由母线流向线路, 和非故障线路的方向一样。在这种情况下,首先就不能用功率方向来判断故障线路；其次由于过补偿度不大,也很难利用零序电流大小的不同来找出故障线路。2.3经高电阻接地系统 (1)可以有效地抑制弧光接地过电压。这对运行多年的、设备绝缘弱点较多的老电网，具有直配发电机的电网，或绝缘较低的电缆网络，均有提高运行安全可靠性的明显作用。(2)可以降低设备绝缘水平，提高经济效益。对于电缆、干式 变压器等投资较高的设备，降低绝缘水平的经济效益十分明显。(3) 运行方式灵活。为提高城市电网的供电可靠性，不少用电线路及用户常由多路电源供电，在线路切换时，往往会改变系统的电容电流，如采用中性点经消弧线圈接地方式，会影响消弧线圈的调谐方式，而采用经电阻接地方式，则无此弊病。(4) 电压和谐振过电压等对设备的损害。3小电流系统单相接地的难点分析小电流系统单相接地时的运行状态，其不同于正常运行状态的信息主要有2点：故障线路流过的零序电流是全系统的电容电流减去自身的电容电流，而非故障线路流过的零序电流仅仅是该线路的电容电流。故障线路的零序电流是从线路流向母线，而非故障线路的零序电流是从母线流向线路，两者方向相反，或者说两者反相。从小电流系统单相接地时与正常运行时，状态信息的不同看，故障线路的判定似乎非常容易，然而事实并非如此，其原因主要有以下四点：3.1电流信号太小小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模大小和线路类型(电缆或架空线)有关，数值甚小，经中性点接人消弧线圈补偿后，其数值更小，且消弧线圈的补偿状态(过补偿、欠补偿、完全补偿)不同，接地基波电容电流的特点与无消弧线圈补偿时相反或相同，对于有消弧线圈的小电流系统采用5次谐波电流或零序电流有功功率方向检测，而5次谐波电流比零序电流又要小2050倍。3.2干扰大、信噪比小小电流系统中的干扰主要包括2方面：一是在变电站和发电厂的小电流系统单相接地保护装置的装设地点，电磁干扰大；二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流和谐波电流较大，特别是当系统较小，对地电容电流较小时，接地回路的零序电流和谐波电流甚至小于非接地回路的对应电流。3.3随机因素影响的不确定我国配电网一般都是小电流系统，其运行方式改变频繁，造成变电站出线的长度和数量频繁改变，其电容电流和谐波电流也频繁改变；此外，母线电压水平的高低，负荷电流的大小总在不断地变化；故障点的接地电阻不确定等等。这些都造成了零序故障电容电流和零序谐波电流的不稳定。3.4电容电流波形的不稳定小电流系统的单相接地故障，常常是间歇性的不稳定弧光接地，因而电容电流波形不稳定，对应的谐波电流大小随时在变化。 4单相接地现象分析与判断4.1中性点不接地系统单相接地故障分析 在中性点不接地系统中，假定有3 条相同长度的线路，当线路3 的A相发生接地短路时，用三相系统表示的电容电流分布，电容电流分布用箭头表示。每条线路均有电容存在，以C01 C02 C03等集中电容来表示。当线路3 的A相接地后，接地点处的A 相对地电压为零。 对地电容被短接， 电容电流为零。在非故障线路1 和2 中 A 相电流为零， B 相和C相有自身的电容电流，因此，线路1和2始端反应的零序电流为：非故障线路的零序电流为其本身的电容电流，电容性无功功率的方向为由母线流向线路。故障线路3 中的B 相和C相流有其本身的电容电流，在接地点要流回全系统B相和C相的对地电容电流总和，故障线路3始端所流过的零序电流为： 其有效值为：故障线路的零序电流等于非故障元件对地电容电流的总和，电容性无功功率的方向为由线路流向母线，与非故障线路上的相反。 4.2仿真系统故障判断警铃响，“X X干伏母线接地”光字牌亮，个性点经消弧线圈接地的系统，常常还有“消弧线圈动作”的光字睥亮。绝缘监察电压表三相指示值不同，接地相电压降低或等于零，其它两相电压升高为线电压，此时为稳定性接地。如果绝缘监察电压表指针不停地来回摆动，出现这种现象即为间歇性接地。当发生弧光接地产生过电压时，非故障相电压很高，表针打到头，常伴有电压互感器高压一次侧熔体熔断，甚至严重烧坏电压互感器。完全接地。如果发生 A相完全接地 ，则故障相的电压降到零，非故障相的电压升高到线电压，此时电压互感器开口三角处出现 100V电压，电压继电器动作，发出接地信号。不完全接地。当发生一相( 如 A相) 不完全接地时，即通过高电阻或电弧接地 ，中性点电位偏移，这时故障相的电压降低，但不为零。非故障相的电压升高，它们大于相电压，但达不到线电压。电压互感器开口三角处的电压达到整定值 ，电压继电器动作 ，发出接地信号。电弧接地。如果发生A相完全接地，则故障相的电压降低，但不为零，非故障相的电压升高到线电压。此时电压互感器开口三角处出现 1 0 0 V电压，电压继电器动作 ，发出接地信号。母线电压互感器一相二次熔断件熔断。此现象为中央信号警铃响，打出“电压互感器断线” 光字牌，一相电压为零，另外两相电压正常。处理对策是退出低压等与该 互感器有关的保护 ，更换二次熔断件。电压互感器高压侧出现一相（A相) 断线或一次熔断件熔断。此时故障相电压降低，但指示不为零，非故障相的电压并不高。这是由于此相电压表在二次回路中经互感器线圈和其他两相电压表形成串联回路，出现比较小的电压指示 ，但不是该相实际电压 ，非故障相仍为相电压。互感器开口三角处会出现35左右电压值，并启动继电器 ，发出接地信号。对策是处理电压互感器高压侧断线故障或更换一次熔断件。5对几种选线保护原理讨论以下为小电流接地系统单相接地选线 目前常用的几种判别原理， 每种选线原理都有其 自身的优缺点 ， 在小电流接地选 线装置应用中， 往往需采取多种不同的选线原理、 不同测量点 的各种故障特征量进行融合处理， 以消除干扰的影响， 提高选 线的准确性。 5.1早期的单一判据原理 零序电流法是基于线路 自身的电容电流可能大于系统中 其它线路的电容电流之和这一特点；“功率方向”原理采用检测零序电流功率方向来完成选线功能；首半波原理基于接地线路的相反的特点实现选择性保护；利用5次或7次谐波电流的大小或方向构成选择性接地保护的谐波方向原理。5.2群体比幅比相原理 此种方法为多重判据，多重判据即为用二种及以上的原理为判据，增加可靠性和抗干扰能力，减少受系统运行方式、长短线、接地电阻的影响。5.3“ 注入法” 原理 利用单相接地时原边被短接， 暂时处于不工作状态的接地 相 P T人为地向系统注入一个特殊信号电流，用寻迹原理即通 过检测、 跟踪该信号的通路来实现接地故障选线。5.4注入变频信号法 注人变频信号法， 其原理是根据故障后位移电压大小的不 同， 然后监视各出线上注入信号产生的零序电流功角、 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。 5.5能量法 根据非故障的能量函数总是大于零 ， 消弧线圈的能量函数 与非故障线路极性相同，故障线路的能量函数总是小于零 ， 并 且其绝对值等于其它线路( 包括消弧线圈) 能量函数的总和的 特征， 提出方向判别和大小判别两种接地选线方法。 5.6负序电流选线原理 利用负序电流与零序电流比较的故障选线原理。由这种原 理构成的保护装置具有不受弧光接地影响 ，抗过渡电阻能力 强。负序电流与零序电流比较式接地保护具有 自适应等优点， 但负序电流绝大部分由故障线路流向电源， 非故障线路负序电 流很小， 方向准确测量困难， 这就使得负序方向接地保护在实 际保护配置中使用的可能性较小。 5.7基于小波变换的接地选线原理 小波分析对暂态信号和微弱信号的变化较敏感， 能可靠地 提取出故障特征。 小波变换的奇异性检测及模极大值理论提出 了实现故障启动和选线方法。 5.8模式识别和多层前馈神经网络方法 用统计模式识别中基于最小错误的贝叶斯( BAYES ) 决策方法和人工神经网络方法进行小电流接地选线。 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，从而实现故障选线。6综合选线方法在无数代人的研究下，各种选线方法都出现。但是还是没有哪一种方法能完全适应各种环境下的故障。所以开始研究怎么样把各种方法集中在一起，但又不能太过于庞大的投资。现代的信息技术就在这里为研究人员打开了新的思路。在基于Mallat开发的仿真软件，能模仿常见的故障，这样给我们实验室更多的实验条件。综合大多数模拟环境的实验，结合现在信息发展出来的新选线方式，就可以综合一些选线方法进行综合选线。6.1D - S证据理论信息融合技术是在 20世纪 70年代提出来的，起源于军事领域，同时它的理论和方法也广泛的用于民事应用，已经获得了诸多领域普遍的关注和广泛的应用，其理论和方法已经成为智能信息处理的一个重要的研究领域。 D - S证据理论作为信息融合的一种融合方法是由 Dempster和 Shafer于 20世纪 60年代末、70年代初建立的一种不确定推理理论，它是对传统的贝叶斯估计法的扩展，适合于专家系统、人工智能、模糊识别和系统决策等领域，它解决了由于未知引起的不确定性，即可以在信息缺乏或似是而非的情况下使信息明朗化。在小电流单相接地系统发生故障时，由于故障电流在短时间内比较微弱，混在线路的干扰信号故障中，为故障线路的检测带来了困难，这是由于故障线路受到的干扰因素与具体的检测方法有关，同样的干扰信号对不同的检测方法影响程度不同，没有一种方法对所有的故障可能都有效。选取多种故障选线方法，运用 D - S证据理论进行信息融合。可以提高故障选线的准确率。要进行 D - S证据理论的信息融合，必须要有每条线路的故障的大小的数值，而现有的故障检测方法所输出的是具体的故障线路，需将所要选取的故障选线方法进行改造以适合进行 D - S证据理论的信息融合。6.2故障选线方法的选取和改造为了方便选择故障选线方法和之后的 D - S证据理论的信息融合，将小电流接地系统分为暂态和稳态两种情况，在每种情况下选取合适的算法根据系统运行状况和故障状况进行诊断得出结果，将得到的每条线路的故障程度数值化，形象的给出线路的存在的可能的故障程度，提高故障选线的准确率。6.2.1群体比幅比相算法现有的小电流接地故障选线方法有很多种，每一种都有自己的独到之处和局限性，群体比幅比相方法是中性点不接地系统的常用选线方法，被大多数选线装置所采用，是当前国内基于系统的稳态故障分量的最好原理。6.2.2群体比幅比相算法原理群体比幅比相算法就是在小电流接地系统发生单相接地故障时，采集所有线路上的零序电流，对采集到的数据进行傅立叶分解，按照基波或者五次谐波进行排队，取出幅值最大的三个电流进行比较，如果某条线路方向和其他线路不同，则该线路为故障线路，反之如果所有的电流同相位，则为母线故障。6.2.3群体比幅比相算法的改造在利用群体比幅比相算法进行故障线路的检测时，是利用故障信号的两个方面的信息:幅值信息和相位信息，在相位上，以电压相位为参考，电流相位滞后电压相位大约 90的线路，是故障线路的可能性较大，而电流相位接近超前 90,该线路越不可能是故障线路；在幅值信息上，滞后电压的线路其幅值越大，越可能是故障线路，而超前电压的线路其幅值越大，越不可能是故障线路。根据这些特性设计出计算每条线路故障可能程度的算法:假设系统存在 N 条线路，每条线路的电流相量的幅值用Ik（k =1, 2, , n） 表示,当线路的电流相量滞后电压时,其幅值Ik则为负值,而线路的电流相量超前电压时,其幅值为正。当所有的线路的电流相量符号全为正或者全为负的时候，则故障线路为母线，即母线的故障可能性为 1,其他情况下，若为故障线路其值 Ik为负，则它的故障可能性也相应的比非故障线路的故障可能性大，这与实际情况是符合的，判断 Ik的标准是选取幅值最大的前三项电流,取幅值与其他两项相反的为标准，定位负值，其他的同号为负，异号为正。然后通过公式（3）我们将每条线路的故障可能性进行百分化，形象的给出线路的相对故障程度的大小。通过对采集到数据的分析，发现大多数采集到的数据是可以反映线路的故障特征，但是也存在一部分数据受到外在环境的干扰不能准确的反应线路的故障特征，这样就会影响到选线的准确度。于是借助信息融合的思想，在故障没有消失的情况下多采集几组数据，在群体比幅比相法处理后利用加权平均算法实现特征级的数据融合，这样可是让得出的结论更接近现实情况，同时为最终的故障线路的判断提供了数值化的依据。6.2.4小波分析小电流接地系统发生单相接地故障时，存在一段暂态的过程，故障电压和电流的暂态过程持续时间短并含有丰富的特征量，故障电流的暂态分量远远大于稳态分量，是其几倍甚至几十倍。于是 在接地故障检测中选用一种合适的分 析暂态分量的理论，提取暂态的特征 分量，能提高故障线路判别的准确率。小波分析的数学基础是傅立叶变换， 它在低频部分具有较高的频率分辨率 和较低的时间分辨率，在高频部分具 有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，可以很好的分析小电流单相接 地系统发生单相接地故障的暂态过程 的故障特征。小波分析对零序电流这种突然变 化非常敏感，能够可靠地提取故障特 、征，即故障暂态零序电流经过 Mallat算法分解后,可以获取理想频段上的小波系数，所获得的小波系数恰恰真实 反映了原始故障信号的这种突变特征，在小波系数上能够体现零序电流的突变点，即奇异点。根据小波变换的模极大值理论可知，小波变换的模极大值点对应着采样信号的奇异点，从而在小波系数中容易找到模大值及其位置。所有非故障线路零序电流突变的极性（突变方向）相同，故障线路零序电流突变的极性与非故障线路零序电流突变极性相反，故障线路零序电流突变幅值约等于非故障线路零序电流突变幅值之和。也就是说如果每组支线的零序电流极性突变方向都相同，则为母线故障，其中一组支线的零序电流突变方向与其他线路方向相反，则为相反的支线发生故障。这一规律为选线提供了可靠的判断依据。通过比较每一组小波系数中同一位置的模大值的极性关系，来找到单相接地故障线路，最后通过类似改进群体比幅比相的方法将每个线路可能的故障可能程度进行数值化。假设一共存在 m 条线路 n个突变点,其中 Iij表示第 i个线路的第 j个突变点, Allj为第 j组数据近似 2倍的故障电流, Pij为第 j组数据中的第 i个极值点对应的故障可能性,其中 P值最高的线路的故障可能性最大，判定为故障线路。6.3D - S证据理论1976年，APDempster首先提出了证据理论，构造了不确定推理模型的一般架构，即建立命题和集合之间的一一对应，把命题的不确定问题转化为集合的不确定问题。 20世纪 70年代中期，他的学生 GShafer对该理论进行了扩充，用信任函数和似然度 （Plausibility Measure）重新解释了该理论，证据理论（D - S推理）针对事件发生后的结果（证据），探求事件发生的主要原因（假设）：首先，分别通过各结果（证据）对所有的主要原因（假设）进行独立的判断，这样，每个结果（证据）下都存在各假设发生的概率分布，然后，将其假设在各证据下的判断进行信息融合，进而形成“综合”证据下该假设发生的概率，这样可以分别求出各假设在“综合”证据下发生的概率，而发生概率最大的假设被认为是事件发生的主要原因。例如在故障诊断问题中，若干可能的故障产生一些症状，每个症状下各故障都可能有一定的发生概率，融合各症状信息以求得各故障发生的概率，而发生概率最大的为主要故障，所以特别适合处理多传感器信息融合的故障诊断问题。在小电流接地系统发生单相接地故障时，存在不确定问题，需要计算出不确定性问题，进行 D S证据理论的融合。 分析影响不确定的因素有:线路的条数，每种方法下最大故障可能程度的线路，给予每种故障检测方法的信任程度的大小。6.4实例分析假设小电流接地系统有 3条线路，线路 1、线路 2、线路 3,则得到证据理论的辨识框架 U = 线路 1,线路 2,线路 3,每条线路得到的故障可能程度，如表 1所示。利用计算不确定度的公式，我们可以计算出融合以后的不确定的可信度的分配情况。其中分配给每种选线方法相同的可信度，则计算出选线方法 1的不确定信度分配。然后再次将线路的故障程度归一化得到如表2所示的数据，可以发现越是那些存在明显故障可能程度的方法，其分配给不确定的信度越小，这与现实是相符的。计算出融合后的可信度分配情况。首先将选线方法 1和选线方法 2进行证据理论的融合,得到表 3然后用同样的方法将选线方法 3进行融合得到表 4。通过方法 1和 2融合，可以发现:在方法 1、2中故障可能程度最大的线路 1经过融合以后故障可能程度大于方法 1和 2中的，而且融合以后线路1依然是故障可能程度最大的，同时证据理论融合以后线路的不确定程度明显降低。将方法 1、2、3融合以后，可以发现，即使在一种选线技术的结论不是很准确的前提下，依然可以得到故障线路 1的故障可能程度最大，判断出其为故障线路，同时降低了不确定程度。本文将 D - S证据理论用于小电流单相接地故障选线中，系统分为暂态和稳态两个过程，分别采用群体比幅比相算法和小波分析算法处理故障数据，计算出每条线路的故障可能程度，然后根据故障选线算法设计 D - S证据理论的不确定问题，最后进行 D - S证据理论的融合，实例证明这样能够提高故障选线的准确度。7结论提出了基于电压互感器注入信号的类能量法、平均相位法。首先, 进行理论分析, 然后, 用算例进行仿真验证各种方法的正确性, 在验证各种方法正确性的基础上, 提出了以电压互感器注入信号为基础的、以波形识别法为核心的、与小波分析法、类能量分析法结合的小电流单相接地故障综合选线法。最后, 阐述了综合选线法判据及其实现的方案、步骤。致 谢致 谢在本次论文是在我的导师张金莲老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。论文从设计、选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我