證據(jù)信息電網(wǎng)融選線方法

1、證據(jù)信息電網(wǎng)融選線方法     1引言小電流接地電網(wǎng)單相接地故障線路的檢出問題是一個(gè)工程技術(shù)難題1。單相接地故障電流微弱、測量不準(zhǔn)確，故障狀況復(fù)雜，加上現(xiàn)場的電磁干擾和工頻負(fù)荷電流干擾，使檢出的故障信號(hào)嚴(yán)重失真。這些不利因素綜合作用，導(dǎo)致故障選線問題非常復(fù)雜。近年來，隨著電纜線路的大量使用，很多10kV和6kV電網(wǎng)逐漸改造為消弧線圈接地方式。消弧線圈接地電網(wǎng)故障選線更加困難。國外對消弧線圈接地電網(wǎng)主要采用中性點(diǎn)投電阻以增大有功分量的選線方法2，但投入電阻的阻值過小會(huì)影響熄弧效果，過大則在高阻故障情況下選線靈敏度不夠，而且這種方式操作較復(fù)雜，因此在國內(nèi)很少

2、采用。零序?qū)Ъ{選線方法3,4是建立在對零序電壓、電流準(zhǔn)確測量的前提下，若測量信號(hào)不準(zhǔn)確，則選線可靠性仍不能保證。暫態(tài)量選線方法5,6由于所使用的暫態(tài)特征不確定，使該方法獨(dú)立使用時(shí)存在死區(qū)。行波選線方法7利用故障零序電流行波特征進(jìn)行選線，可以很好地解決故障選線問題并在實(shí)際中得到應(yīng)用，但該方法需要MHz級的高速采樣通道，成本較高。注入信號(hào)法在國內(nèi)外均受到重視8-10，但注入何種信號(hào)、怎樣注入、如何降低故障電阻影響等問題還有待解決。而且注入信號(hào)法需要復(fù)雜的設(shè)備。為充分利用多種故障信息，提高選線方法的準(zhǔn)確性、可靠性和對故障狀況的適應(yīng)性，文獻(xiàn)11提出一種應(yīng)用D-S證據(jù)理論實(shí)現(xiàn)的融合選線方法，構(gòu)造了暫態(tài)量

3、工頻幅值和工頻相角的故障測度算法，但工頻幅值和相位測度算法只適用于中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)，對于消弧線圈接地電網(wǎng)不適用。消弧線圈接地電網(wǎng)選線可用的特征量較少，而且每種故障特征都不是很可靠。本文采用首半波、有功分量、暫態(tài)量作為選線特征量，提出一種綜合利用這3種特征量實(shí)現(xiàn)的證據(jù)融合選線方法。這些特征量相對較明顯，而且分別從不同方面反映消弧線圈接地電網(wǎng)故障線路與非故障線路的特征差異。有功分量是與首半波和暫態(tài)量不相關(guān)的獨(dú)立特征量。而首半波信號(hào)是故障瞬間消弧線圈尚未起作用時(shí)的首個(gè)電流峰值，主要體現(xiàn)的是低頻波峰，本文用電流首半波波峰值與該點(diǎn)電壓變化率的符號(hào)進(jìn)行合成來得到首半波故障測度，反映了故障容性回路上電流與電

4、壓超前關(guān)系的量。暫態(tài)量的使用是對各線路暫態(tài)信號(hào)小波分解系數(shù)逐點(diǎn)比較并累加，其中包括故障發(fā)生所引起的暫態(tài)，也包括故障電弧引起的高頻不規(guī)則量。相對于行波而言，本文使用的信號(hào)對硬件要求較低，信號(hào)采樣率每周波64點(diǎn)或12點(diǎn)即可。2特征信號(hào)的故障測度構(gòu)造故障測度（faultmeasures）是定義在0，)上的實(shí)變量，用來描述一條線路依據(jù)某種特征所表現(xiàn)出疑似故障線路的程度度量。一條線路的故障測度越大，表明該線路越可能是故障線路。以下分析中使用的電流電壓特征量均為零序量。2.1首半波特征故障測度算法由于消弧線圈的慣性，單相接地故障后的短時(shí)間內(nèi)消弧線圈來不及補(bǔ)償線路的容性電流，會(huì)出現(xiàn)故障線路電流等于所有非故障

5、線路電流之和且二者流向相反的特征，這種特征在故障后的第一個(gè)半波內(nèi)最明顯，通常稱為首半波。利用首半波進(jìn)行故障選線在早期的文獻(xiàn)中已有提及，但由于首半波具有不確定性，而且在復(fù)雜的故障波形下準(zhǔn)確找出首半波位置比較困難，因此首半波選線方法沒有受到重視。對于消弧線圈接地電網(wǎng)，由于缺乏非常可靠的故障特征，首半波仍是一種可用的選線特征量。首半波特征故障測度算法構(gòu)造如下：（1）設(shè)線路k故障電流瞬時(shí)值為i(k,tj)，對故障瞬間所有線路電流瞬時(shí)值求絕對值之和j(,)kikt，找出相應(yīng)的極值點(diǎn)，以該點(diǎn)作為首半波極值點(diǎn)，設(shè)極值點(diǎn)對應(yīng)時(shí)刻為tm。用各線路電流之和來定位首半波，可保證各線路首半波位置的一致性，并能綜合反映

6、各線路首半波整體狀況，定位準(zhǔn)確性好。（2）由于故障回路是一個(gè)容性回路，在首半波電流極值點(diǎn)處，零序電壓接近于零，但零序電壓變化率的符號(hào)與非故障線路首半波電流極值的符號(hào)一致，與故障線路首半波電流極值的符號(hào)相反。因此采用電壓變化率的符號(hào)對各線路首半波電流的符號(hào)按式（1）進(jìn)行校正。校正后的首半波電流ic(k)具有故障線路符號(hào)為負(fù)、非故障線路符號(hào)為正，且數(shù)值上故障線路等于所有非故障線路之和的特點(diǎn)。cmmi(k)=sign(U(t)i(k,t)（1）（3）線路k首半波特征故障測度算法定義為由式（2）可知，故障線路的首半波故障測度約等于2SA；對于非故障線路，其首半波電流越大則故障測度越小，越能表明該線路不

7、是故障線路，對于首半波電流很小的線路其故障測度值分布在SA附近。由式（3）知，當(dāng)線路故障時(shí)，母線的首半波故障測度約為SA，而母線故障時(shí)其首半波故障測度約為2SA。2.2有功分量故障測度算法發(fā)生單相接地故障時(shí)消弧線圈和線路都會(huì)消耗一定的有功功率，該有功功率由故障點(diǎn)經(jīng)故障線路提供。因此故障線路中存在較大的有功分量，而非故障線路的有功分量僅為線路自身零序回路的有功損耗。作為量測量，設(shè)消弧線圈消耗的有功功率為P(x)，P(k)為線路k的零序有功功率，以母線流向線路為正方向。則線路k的有功分量故障測度按式（5）計(jì)算，母線的有功分量故障測度按式（6）計(jì)算。由式（5）和式（6）可知，對于非故障線路，其有功損

8、耗越大，則測度值越小，越能表明該線路不是故障線路；故障線路的測度值約為2SP。在線路故障的情況下母線的故障測度約為SP，而母線故障時(shí)，其測度值約為2SP。2.3暫態(tài)特征故障測度算法單相接地回路是一個(gè)容性回路，加上過渡電阻的不穩(wěn)定特性，使故障量中含有豐富的暫態(tài)成分。小波變換是分析非平穩(wěn)信號(hào)的有效工具，本方法采用db6小波做正交變換，按頻段分解出暫態(tài)信號(hào)成分，計(jì)算過程如下：（1）以故障時(shí)刻為基準(zhǔn)，取故障前2個(gè)周波和故障后4個(gè)周波的數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)，對各線路電流進(jìn)行小波分解，根據(jù)信號(hào)的采樣率將信號(hào)分解到細(xì)節(jié)分量中不包含工頻的尺度。第1尺度的信號(hào)由于干擾大、信噪比低，應(yīng)剔除不用。（2）為使各尺度信號(hào)具

9、備可加性，需將2尺度以下的細(xì)節(jié)分量重構(gòu)到第2尺度，得到具有相同變換增益的細(xì)節(jié)系數(shù)d(k,j)，其中k為線路編號(hào)，j為離散點(diǎn)。（3）線路k的暫態(tài)量故障測度用Ft(k)表示，k=0表示母線，并令初值為零。對各條線路小波變換系數(shù)進(jìn)行逐點(diǎn)比較計(jì)算，在各點(diǎn)處找出小波系數(shù)幅值最大的前3條線路，設(shè)相應(yīng)的線路編號(hào)為p、q、r，按下列4種情況求出各線路暫態(tài)量故障測度：若線路p的小波系數(shù)與線路q和線路r的小波系數(shù)異號(hào)，則線路p的故障測度按式（8）累加若某點(diǎn)處只有線路p和線路q的小波系數(shù)不為零且二者異號(hào)，則2條線路故障測度分別按式若滿足閾值條件的線路只有1條，則只對該線路故障測度按式（13）累加對各有效尺度的小波系

10、數(shù)按上述過程累積計(jì)算，得到最終的暫態(tài)量故障測度。3基于D-S證據(jù)理論的融合選線3.1證據(jù)理論融合選線算法信息融合是協(xié)同利用多源信息進(jìn)行決策的理論方法，比僅利用單源信息獲得更準(zhǔn)確和更穩(wěn)健的性能。證據(jù)理論是信息融合領(lǐng)域的重要方法，該理論提供了一種證據(jù)合成算法，將多個(gè)具體證據(jù)組合成一個(gè)抽象證據(jù)，該抽象證據(jù)綜合了具體證據(jù)的信息，聚焦了具體證據(jù)的共同支持點(diǎn)12,13。3.2應(yīng)用信息熵構(gòu)造基本信度分配函數(shù)如上所述，證據(jù)理論的信度總量m(A)=1，其中m()為支持不確定的信度值，即無傾向地支持所有決策結(jié)果的信度，反映一個(gè)判決問題具有不確定性的程度。不確定的信度值越大，分配給可確定部分的信度就越小，則該特征在

11、融合中的權(quán)重就越小。但本文采用的各特征量具有不同的屬性，不能直接比較不確定性的大小。信息熵是度量一個(gè)事件具有不確定程度的定量算法，信息熵越大，表明事件的不確定程度越大。根據(jù)單相接地故障的特點(diǎn)，一種故障特征越可靠，故障線路與非故障線路的故障測度差異就會(huì)越大，表現(xiàn)出的信息熵值就越小，表明依據(jù)此故障特征的選線結(jié)果不確定性越小。因此可以利用信息熵來度量一種特征的不確定性。對于選線問題，測度值很小的線路肯定不是故障線路，但由于測度算法的原因仍會(huì)使這些線路具有一定的測度值，產(chǎn)生偏移量。為合理進(jìn)行證據(jù)融合，以最小測度值為偏移量，將各測度值減去此偏移量，得到各線路修正后的測度值，用修正后的測度值進(jìn)行證據(jù)融合選

12、線。首先計(jì)算每條線路故障測度與總故障測度的.4算例4.2實(shí)際故障數(shù)據(jù)驗(yàn)證應(yīng)用本文選線方法開發(fā)了單相故障選線保護(hù)裝置，并在實(shí)際電網(wǎng)中得到應(yīng)用。下圖為該選線裝置實(shí)錄的某電網(wǎng)單相接地故障波形，該電網(wǎng)中性點(diǎn)消弧線圈接地，單母線分段接線，每段母線接有12條線路。故障發(fā)生在II段母線的線路7上。表3和表4分別給出該故障數(shù)據(jù)的故障測度和基本信度分配值。由表4看出融合后的信度值m(L7)為0.266，遠(yuǎn)大于其他線路的信度值，正確表明線路7為故障線路。5結(jié)論消弧線圈接地電網(wǎng)單相接地故障信號(hào)微弱、故障狀況復(fù)雜，可用于選線的特征信息非常不可靠，僅利用單一故障信息難以保證選線的正確性。證據(jù)融合選線方法可將多種不可靠的特征信息進(jìn)行綜合，使選線結(jié)果聚焦到各證據(jù)的