一种基于ESMD的小电流系统故障选线新方法

＿　主坌堑！ｓｎｅｊ　ｖｕ　Ｆｅｎｘ　一种基于ＥＳＭＤ的小电流系统故障选线新方法　王震　袁海星　张静　殷志华。　（１．江苏省电力公司无锡供电公司，江苏无锡２１４０６１；２．河海大学能源与电气学院，江苏南京２１１１００）　摘要：在我国３～６６　ｋＶ配电网中广泛采用非直接接地系统，也就是小电流接地系统，而此类系统发生最多的是单相接地故障，如何　快速准确地检测出故障线路一直是电力系统继电保护的重要研究课题。针对故障线路零序无功功率特征量不明显这一问题，提出了一种　基于ＥＳＭＤ的小电流接地系统选线新方法。该方法对各条线路的零序无功功率进行ＥＳＭＤ分解，提取出特征分量，通过比较故障线路和　非故障线路特征量的不同来选线。　关键词：ＥＳＭＤ；ｄ￣电流系统；单相接地；零序无功功率；特征分量　０引言　我国中压配电网大多采用小电流接地方式，单相接地是电　力系统中最常见的一种故障。电力系统的运行经验表明，单相　接地故障大多数是瞬时性的，尤其是对于架空线路，约有９０　以上的故障属瞬时性故障。由于瞬时性单相接地故障能迅速　自动消除，在系统和用户几乎没有感觉的情况下，接地电弧自　动熄灭。即使遇到持久性接地故障，按规程系统也可以持续运　行０．５～２　ｈ，并不需要立即断开线路。因此，非有效接地电网　可极大提高供电可靠性。　在非有效接地电网中，单相接地时流过故障点的电流是数　值很小的电容电流或者是经消弧线圈补偿后的残流，故障特征　不明显，给接地系统故障选线造成了困难。　本文在分析高频条件下零序无功功率特征的基础上，提出　一种基于ＥＳＭＤ的小电流接地系统选线新方法。该方法对零　序无功功率进行了ＥＳＭＤ分解，并提取了零序无功功率的首个　本征模态函数，求出该本征模态函数中绝对值最大的极值，然　后将求出的极值分别与其他线路的极值作差，再取绝对值并求　和运算，所得结果最大的所对应的线路为故障路线。若各线路　结果差距不大，则判断为母线故障。　１零序无功功率特征分析　故障线路的零序电流有效值最大且相位与其他线路相反，　因此故障线路的零序无功功率值的绝对值应该最大，非故障线　路零序无功功率值的绝对值较小。　各条线路（不包括母线）的零序无功功率Ｑ１　计算为：　Ｑ　＝３Ｕｏ　Ｉ。　ｓｉｎ［　（　）］　在谐振接地系统中，由于消弧线圈的补偿作用是仅仅针对　零序基波电流的，其总容量依靠电网的总电容电流来确定，对　于　次谐波来说，在一定谐波电压作用下，电容的容抗将减小　至基波的１／．，而消弧线圈的电抗则要增加为基波的　倍，可见　消弧线圈的阻抗要比全部分布电容的阻抗大很多，因而消弧线　圈的补偿不会对零序谐波电流的大小和方向产生影响；其次，　谐波电流在故障线路上的比例较高。电力系统的谐波主要来　源于变压器、发电机等电磁感应设备以及负荷的非线性特性。　系统正常运行时，各相电压或多或少含有谐波成分，但负荷一　般为感性，其阻抗随频率的增加而变大，所以在负荷电流中谐　波含量很小。发生单相接地故障时，故障电流主要是相电压对　所属项目：江苏省电力公司科技项目，项目名称：基于物联网　技术的配网分支线路故障监测技术研究，项目编号：Ｊ２Ｏ１４Ｏ６７　１２６　线路与大地之间分布电容的放电电流，而电容容抗会随着频　率的增加而减小，此时谐波含量将很可观，特别是在高频信　号中。　在实际的谐振接地系统发生单相接地故障时，由于各条　线路电导损耗以及接地点电弧有功损耗的影响，非故障线路　的零序电流将会落在第一象限，而故障线路的零序电流将会　对应落在第三象限，偏离　轴的　角一般在１５。以内，如图１　所示　３厶　（ｆ　，）　一　／　ｉ　ｂ　ｉ　０　ｄ　／　３，。，　ａ　图１单相接地故障时电流、电压相位图　通过判断各线路零序无功功率值的大小和正负就可以选　出故障线路。当母线发生单相接地故障时，流经各线路的零序　无功功率相差不大。因此，可以通过比较各线路的无功功率的　大小实现故障选线。　２　ＥＳＭＤ算法　ＥＭＤ算法是一种自适应的时频处理方法，适用于分析非　线性、非平稳信号。它依据数据自身的时间尺度特征来进行信　号分解，无须预先设定任何基函数。它可以把信号分解成若干　个本征模态函数之和，分解出的每个ＩＭＦ分量突出了信号的不　同频率成分，反映了信号的局部特征。其中，每个ＩＭＦ必须要　满足两个条件：（１）函数在整个时间范围内，局部极值点和过零　点的数目必须相等，或最多相差一个；（２）在任意时刻点，局部　最大值的包络（上包络线）和局部最小值的包络（下包络线）平　均必须为０。　ＥＳＭＤ方法是“极点对称模态分解方法”的简称，是对著名　的ＥＭＤ方法的新发展。与ＥＭＤ方法一样，ＥＳＭＤ方法能将　复杂的信号进行平稳化处理，从而将原始信号序列中内在的不　同尺度或周期性振荡和趋势分量逐级提取出来，得到若干具有　不同特征尺度或固有周期的本征模态函数（ＩＭＦ）以及真实的　变化趋势分量。与ＥＭＤ不同的是，ＥＳＭＤ将外部包络线插值　ｓｎｅｊ　ｙｕ　Ｆｅｎｘ　：堡　量坌　ｌ　改为内部极点对称插值，借用“最小二乘”的想法来优化最后剩　余模态，使其成为整个数据的“自适应全局均线”，并由此来确　［参考文献］　ｒ－１］李福寿．中性点非直接接地系统单相接地故障选线方法综述　定最佳筛选次数。考虑到包括Ｈｉｌｂｅｒｔ变换在内的所有积分变　换在分析时一频变化方面都存在固有缺陷，该方法抛弃了频谱　分析依靠积分变换的传统观念，创造性地提出了针对数据的　“直接插值法”。借此不但可以直观地体现各模态的振幅与频　率的时变性，还可明确地获知总能量变化。ＥＳＭＤ方法由于具　有自适应性和基于信号的局部变化特性，广泛适用于海洋和大　＿Ｊ］．继电器，２００４，３２（１８）：７４—７８．　Ｅ２］要焕年，曹梅月．电力系统谐振接地ｒ－Ｍ］．北京：中国电力出版　社，２０００．　１－３］张宇辉，汪利君，兰华，等．基于ＥＭ【）＿一相关性算法的谐振接地　系统故障选线新方法口］．电测与仪表，２０１２，４９（５６４）：７－１１．　［４］王金良，李宗军．关于非线性信号处理的极点对称模态分解方　气科学、信息科学、经济学、生态学、医学和地震学等领域所涉　及的非平稳、非线性信号的处理与分析。　ＥＳＭＤ分解步骤如下：　（１）找出序列ｘ　所有极大值和极小值点，记作Ｅ（１≤　≤　）。　（２）用线段连接所有临近的Ｅ，其中点标记为Ｆ　（１≤　≤”　１），并在左右两端添补边界中点Ｆ０和　。　（３）利用　＋１个中点构建Ｐ条内插曲线Ｌ　”，Ｌ　（户≥　１），计算其平均值Ｌ　一（Ｌ１＋Ｋ＋Ｌ　）／ｐ。　（４）对ｘ　一Ｌ　序列重复上述３个步骤，直至ｌ　Ｌ　Ｉ≤ｅ（ｓ　是允许误差）或者筛选次数达到预设的最大值Ｋ，得到第一个　ＩＭＦ分量Ｍ。　（５）对剩余序列Ｘ　一Ｍ１重复上述４个步骤，直到剩余序列　Ｒ　为单一信号或不再大于预先给定的极值点，便可分别得到　ＩＭＦ分量Ｍ２，　…。　（６）在限定区间［Ｋ　，ＫⅡｍ　］内改变Ｋ值，重复上述５个步　骤。然后计算序列Ｘ　一Ｒ的方差　，并对口／　和Ｋ进行绘图　（　是Ｘ　的标准差），在图中找出口　最小值对应的Ｋｏ，以Ｋ。　作为限制条件再次重复上述５个步骤，最后剩余项Ｒ就是序列　Ｘ　的自适应全局均线，亦即趋势项。　经过分解，原始的时间序列Ｘ　可表示为Ｘ一∑Ｍ＋Ｒ，即　利用ＥＳＭＤ将时问序列Ｘｆ分解成一系列ＩＭＦ和一个趋势项。　３选线算法　当谐振系统馈线发生接地故障时，零序无功功率主要集中　在高频信号中，利用这一特征就可以实现选线。本文采取了以　下算法：　（１）先用ＥＳＭＤ对各馈线的零序无功功率信号进行分解，　提取第一个本征模态函数　＾（　）。　（２）找出各馈线　ｍ　（￡）的绝对值最大的极值，与另外所　有馈线的极值作差并求和。　（３）极值差之和最大的那条线路即为故障路线，若各极值　差之和几乎相等，则判断为母线故障。　４结语　本文分析了谐振系统中发生接地故障时零序无功功率的　特征，发现高频条件下其功率数值更加明显。对此，利用最新　的ＥＳＭＤ算法提取其高频信号，选取极值差之和是否最大作为　判断线路是否发生故障的条件，方法简单易懂，可操作性强。　本方法是对谐振系统故障选线方法的一个有效补充，配合其他　方法可以构成完善的故障选线方案。大量数字仿真结果表明，　该方法选线可靠性高。　法计算软件［Ｚ］，２０１２．　ｒ－ｓ］Ｌｉ　Ｈ　Ｆ，Ｗａｎｇ　Ｊ　Ｉ　，Ｌｉ　ｚ　Ｊ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＥＳＭＤ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ａｉｒ－　ｓｅａ　ｆｌｕｘ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ口］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，　２０１３（４）：８—１１．　Ｅ６］唐秩，陈奎，陈庆，等．导纳互差之绝对值和的极大值法小电流　接地选线研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００５，２５（６）：４９—５４．　收稿日期：２０１５—０５—１９　作者简介：王震（１９７２一），男，江苏江阴人，工程师，从事运维　检修工作。　机电信息２０１５年第１８期总第４４４期１２７