新型小电流接地故障选线装置

摘要：小电流接地系统发生单相接地故障后的选线问题长期以来没有得到很好地解决，本文介绍了一种新型的选线装置，装置采用综合选线技术和连续选线技术极大的提高了选线正确率。综合选线技术通过为多种选线算法定义有效域，将多种选线算法有效地融合到一起，发挥选线算法之间的互补性，扩大了选线范围。连续选线技术利用系统可以带故障运行的特点，充分利用故障信息进行连续选线，避免了故障信号被干扰。现场实际故障录波数据证明新型选线装置能够适应各种故障情况，选线正确率很高。
关键词：小电流接地系统，故障选线，综合选线，连续选线。

1、引言
目前我国6－66kV配电系统多数采用小电流接地方式，包括中性点不接地系统与中性点经消弧线圈接地系统。小电流接地系统在发生单相接地故障时，由于故障电流很小，多数情况下能够自动熄弧，所以不用立即跳闸，极大地提高了供电可靠性。但是发生永久接地故障时，为了防止因非故障相电压升高而导致故障扩大，必须在1－2小时内确定故障线路，这就提出了单相接地故障选线问题[1]。
目前有很多装置投入现场运行，但是在运行过程中发现选线正确率很低，其原因在于小电流接地系统发生单相接地时接地电流很小，容易受到干扰而且故障特征不易提取。虽然目前已经提出了很多种选线方法[2-6]，但是每种选线方法都只利用了故障某一方面的特征，当该方法需要的故障特征不明显时，这种方法就会出现错误判断。例如五次谐波选线方法利用了零序电流的五次谐波特征，但是在高阻接地情况下，五次谐波分量很不明显，这时五次谐波选线方法就失效了。以往的选线装置仅仅采用一种方法，因此正确率低。
为了解决这个问题，本文介绍一种新型选线装置“KA2003型小电流接地选线装置”的技术原理，该装置采用了综合选线和连续选线技术，这两种技术可以极大的提高选线正确率。综合选线技术通过为多种选线算法定义有效域，将多种选线算法有效地融合到一起，发挥选线算法之间的互补性，扩大了选线范围。连续选线技术利用系统可以带故障运行的特点，充分利用故障信息进行连续选线，避免了故障信号被干扰。本文从算法原理、选线流程以及算法中具体问题的处理等方面做了深入、完整的论述，并通过现场实际故障数据进行验证。
2、综合选线方法
目前有许多中选线方法得到应用，如五次谐波法、有功法等，每一种方法都需要提取电流、电压信号的某种特征，利用该特征进行选线。但是小电流接地系统发生单相接地时，故障信号没有固定的模式，特别是经过非线性电阻和电弧接地时信号波形更是复杂多变。这时候，如果某种方法所需要的故障特征不明显，这种方法就要失效。因此，每一种选线方法都不是适用于所有情况，都存在有效性的问题。
选线方法的有效性具有一定的模糊性，可以通过模糊理论来定量的描述算法有效性。对于每一种选线方法都可以构造一个模糊隶属度函数，如图2-1所示。其中横坐标代表该选线方法所需要的故障信号的特征，纵坐标代表在某个故障特征的情况下该方法的有效性，其值Y∈[0,1]。

下面详细介绍装置采用的各种选线方法原理，以及针对各种选线方法建立的模糊隶属度函数。
2.1中性点不接地系统
对于中性点不接地系统，装置采用以下选线方法：
（1）基波比幅比相方法。该方法的基本原理是：对于中性点不接地系统，比较母线的零序电压和所有线路零序电流的幅值和相位，故障线路零序电流相位应滞后零序电压90°并与正常线路零序电流反相，若所有线路零序电流同相，则为母线接地。传统比幅比相方法在信号处理、抗干扰和有效域方面存在一定的缺陷。智能型的比幅比相方法采用Butterworth数字滤波器，对信号进行有效的数字滤波处理，提取出了更可靠的信号成分，提高了选线正确性。由于该方法利用了基波分量，因此对该方法构造有效性函数，
 
其中 表示基波信号的功率谱密度， 表示干扰噪声的功率谱密度。如图2－2所示，横坐标代表基波信号和干扰噪声在中心频率处的的功率谱密度的比值，基波越大则该方法的正确性越高。

（2）谐波比幅比相方法。该方法的基本原理是：如果线路零序电流中含有丰富的谐波成分，则比较所有线路零序电流谐波分量的幅值与相位，故障线路零序电流幅值较大且相位应与正常线路零序电流反相。谐波选线方法采用有效的数字滤波手段，提取出能量最高的谐波频带范围，避免了提取单一谐波频率而导致的误差。由于该方法利用了谐波分量，因此对该方法构造有效性函数， 
 
其中 表示3－7次谐波有效值平方和的方根值， 表示基波有效值，k表示信号畸变率。如图2－3所示，其中横坐标代表信号畸变率，谐波越大则该方法的正确性越高。

（3）首半波方法。该方法的原理是：小电流接地电网单相接地故障产生的暂态电流虽然很复杂，但是发生故障的最初半个周波内，一定满足故障线路零序电流与正常线路零续电流极性相反的特点，因此可以通过比较首半波的零序电流极性进行故障选线。由于该方法与零序电流突变程度有关，因此对该方法构造有效性函数，
 
其中 表示首半波内零序电流的突变斜率。如图2－4所示，其中横坐标选择在首半波内零序电流的突变斜率，突变越大则该方法的正确性越高。

（4）小波法。小波分析是一门现代信号处理理论与方法，它能有效地分析变化规律不确定和不稳定的随机信号，能够从信号中提取到局部化的有用成分，装置将小波变换成功的应用于选线中。该方法的原理是：故障发生后存在一个暂态过渡过程，故障线路上的暂态零序电流幅值最大且与非故障线路的极性相反。由于电网中的暂态信号具有非平稳性特点，因此利用小波变换的方法可以更好地提取有用信息。由于该方法利用了暂态高频分量，因此对该方法构造有效性函数，[Page]
 
其中 表示暂态高频信号的功率谱密度， 表示干扰噪声的功率谱密度。如图2－5所示，横坐标代表暂态高频信号和干扰噪声在中心频率处的的功率谱密度的比值，高频信号越大则该方法的正确性越高。

2.2中性点经消弧线圈接地系统
对于中性点经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈的补偿作用，基波比幅比相方法不再适用。上述的谐波比幅比相方法、首半波方法、小波法依然适用。另外装置还采用了有功分量方法。
有功分量方法的原理是：消弧线圈只能补偿零序电流的无功部分，而不能补偿有功部分，故障线路零序电流的有功分量与非故障线路极性相反，幅值等于非故障线路零序电流有功分量之和。由于该方法利用了零序电流有功分量，因此对该方法构造有效性函数，
 
其中 表示零序电流的有功分量有效值， 表示零序电流有效值。如图2－6所示，横坐标选择零序电流的有功分量占全电流的百分比，有功分量越大则正确性越高。

上述方法的隶属度函数是一些经验值，由于实际的配电系统运行情况千差万别，对于不同的系统每种选线算法的隶属度函数也存在一定的差异。构造隶属度函数需要用到专家系统和统计学的方法，通过对大量故障录波数据的统计分析和专家经验得到故障特征和选线算法有效性之间的对应关系。
确定选线方法的隶属度函数之后，可以通过故障信号的特征计算各种选线方法的有效性，最终认为有效性最高的方法的计算结果为故障线路。
3、连续选线方法
小电流接地系统的一个重要特征就是在发生单相接地故障时可以带故障运行一段时间，这样从故障发生到故障结束这段时间的信息都可以用来进行选线，但是目前运行的选线装置只能计算一次，这不仅忽视了许多有用的信息，更增加了误判的可能性。KA2003选线装置采用了连续选线技术，能够有效地利用故障信息，避免了故障信号被干扰。
连续选线的原理是：给每条线路和母线定义一个连续选线的度量值sum(bus)、sum(1)、sum(2)…，在故障发生后，选线算法进行一次运算判断故障线路，此后如果故障没有消失，选线算法间隔一定时间（例如1秒）后重新进行运算，直到故障消失为止，如果第k次选线的结果为Ik，则sum(Ik)= sum(Ik)+1，这样度量值最大的线路就是故障线路。利用连续选线技术，大量的有用故障信息得到了充分的利用，即使少数几次故障信息被干扰，选线装置仍然可以得到正确的选线结果。
4、选线装置设计
装置实时采集母线零序电压及各回线路零序电流数据，并按一定长度的数据窗动态存储。装置依靠中性点电压(即母线零序电压) 进行启动，正常情况下中性点电压接近零，装置对采样数据不做分析。发生单相接地故障后，由母线零序电压越限信号触发装置，装置随即保存当前数据窗中的数据，启动选线运算并给出本次选线结果。计算后间隔1s如果零序电压依然越限则保存数据窗中的数据重新运算，即进行连续选线，每次选线后计算出连续选线测度最大的线路作为最终的选线结果。算法流程如图4－1所示。

5、现场实际故障数据分析
目前依据综合选线方法和连续选线方法设计的装置已经投入运行，运行效果很好。由于KA2003选线装置具有故障录波功能，因此可以保存大量的故障数据进行分析，下面给出现场实际故障数据说明选线方法的有效性。
算例1：现场故障数据，中性点不接地系统，共6条线路。
 
图5－1为第一次选线计算时各条出线的零序电流信号波形，很明显这是电弧接地的情况，波形较乱。对其进行综合选线计算，计算结果如表5－1所示。
表5－1综合选线计算结果
方法名称    计算结果    方法有效性
基波比幅比相方法    线路5    60%
谐波比幅比相方法    线路5    80%
小波法    线路5    70%
首半波方法    线路3    60%
由表5－1可以判断谐波方法的有效性最高，因此认为线路5为故障线路。故障发生后间隔2s连续选线500次，结果如表5－2所示。连续选线结果表明，线路5是故障线路，这与实际故障情况一致。
表5－2连续选线计算结果
计算结果    连续选线测度
线路5    490
线路6    5
线路3    3
线路1    2
算例2：现场故障数据，中性点经消弧线圈接地系统，共10条线路。
 
图5－2故障波形
图5－2为第一次选线计算时各条出线的零序电流信号波形。对其进行综合选线计算，计算结果如表5－3所示。
表5－3综合选线计算结果
方法名称    计算结果    方法有效性
有功分量方法    线路1    90%
谐波比幅比相方法    －    0
小波法    －    0
首半波方法    －    0[Page]
由表5－3可以判断有功分量方法的有效性最高，其他方法都已失效，因此认为线路1为故障线路。故障发生后间隔2s连续选线500次，结果如表5－4所示。连续选线结果表明，线路1是故障线路，这与实际故障情况一致。
表5－4连续选线计算结果
计算结果    连续选线测度
线路1    480
线路10    9
线路3    8
线路2    3

6、结论
小电流接地系统发生单相接地故障时的选线问题是多年的难题，本文介绍了KA2003型选线装置采用的综合选线技术和连续选线技术，这两项技术的应用可以极大的提高选线正确性。KA2003型选线装置已经大量投入实际运行，选线效果非常好。
7、参考文献
[1]  郝玉山，杨以涵，任元恒，等。小电流接地微机选线的群体比幅比相原理。电力情报，1994(2)：15-19.
[2]  张艳霞，陈超英，赵杰辉，戴剑峰. 配电网单相接地故障选线的一种新方法. 电网技术, 2002,12(11): 21-24.
[3]  Givelberg M, Lysenko F, Zelichonok R. Zero Sequence Directional Earth-fault Protection with Improved Characteristics for Compensated Distribution Networks. Electric Power Systems Research. 1999 , 52 (3) : 217～222 
[4]  何奔腾,胡为进.能量法小电流接地选线原理. 浙江大学学报,1998 ,32(4) :451～457
[5]  曾祥君,尹项根,张　哲,等.零序导纳法馈线接地保护的研究.中国电机工程学报,2001 ,21 (4) :5～10
[6]  贾清泉,刘连光,杨以涵,等. 应用小波检测故障突变特性实现配电网小电流故障选线保护. 中国电机工程学报:78～82