基于变分模态分解的配电网单相接地故障区段定位_杨海运.pdf

2023 1期基于变分模态分解的配电网单相接地故障区段定位杨海运（国网平昌县供电公司，四川 巴中 ）摘要：解决小电流接地系统单相接地故障的有效识别与故障区段定位问题，可为确保配电网的安全稳定运行发挥重要作用。针对接地故障波形识别困难与区段判别繁琐等不足，基于变分模态分解（）技术构建了暂态零序电流突变极性差异的单相接地故障区段定位判别方法。首先建立了 配电网故障分析模型，获取了线路各监测节点的零序电流波形。其次根据各节点暂态电流，提取暂态波形的特征模态分量作为故障研判依据，提出了比较相邻监测点的突变极性差异法用于判别故障所在区段位置。通过仿真测试，验证了该方法对于不同故障初相角下的配电网故障定位均为有效，具有用于单相接地故障识别的优势。关键词：配电网；单相接地故障；变分模态分解；突变极性中图分类号：（，）：，（），：；收稿日期：引言配电网系统日益庞大，分支遍布，运行过程中不可避免发生故障。其中，单相接地故障占比最高，达到所有故障总数的。目前，我国配电网的中性点普遍采用不接地或经消弧线圈接地的小电流接地方式，小电流接地配电网单相接地时引发的故障电流很小，系统可继续维持运行状态。然而，当故障仍无法及时定位和排除，故障进一步的扩大将可能对配电网造成更大程度的危害，因此实现对故障的选线及定位是确保配电网系统可靠性的一项基础性工作，具有重要的工程意义。对于小电流接地配电网的故障定位研究，因单相接地暂态故障信号特征明显，较稳态信号不受消弧线圈对故障电流补偿作用后的影响，故通过对沿线路安装的 提取暂态故障信号特征实现故障的判别与定位，具有较强的适用性，得到了广泛的关注和相关研究。目前主要定位方法包括电流极性法、能量熵法和功率相关法等。文献 利用故障点上游和下游暂态零序电流的极性差异，提出了基于暂态电流比较的区段定位方法，但暂态信号复杂且受外界干扰影响大，仍需进一步完善。文献 通过小波变换技术求取故障两端暂态零序电流的能量相对熵，实现了故障区段定位，但对信号分解自适应特性较差，判据适用性有限。文献 采用希尔伯特变换计算暂态电压与电流的乘积，通过功率相关法进行故障判断，但需获取零序电压信息，加大了数据的获取难度。由此可知，针对暂态信号的有效识别技术有待进一步深入研究。本文引入变分模态分解技术（）对配电网单相接地故障暂态电流信号进行模态分解，以取得更为显著的暂态信号分量实现故障区段定位。首先通过 输配电工程电工技术中国电工网 仿真平台搭建 配电网故障分析模型，获得各监测节点暂态电流并提取特征模态分量作为故障研判依据，通过比较相邻监测点的突变极性差异判别故障位置。配电网故障仿真模型 仿真模型利用 仿真环境搭建了 配电网架空线路小电流接地系统线路故障模型，线路分布结构如图所示。图 1 配电网线路分布结构图10 kVK消弧线圈P11P21P22P23P24 P31L1L2L3该系统共包含条馈电线路，、和 的长度分别为、。故障点位于 距母线 处，前后 设置监测点 和，前后 设置监测点 和。和 距母线 处分别设置监测点 和。仿真模型中的线路参数见表 。表架空线路参数零序电阻（）零序电感（）零序电容（）正序电阻（）正序电感（）正序电容（）配电系统中性点接地方式选择经消弧线圈接地，消弧线圈采用过补偿方式接入，过补偿度。仿真模型中消弧线圈电感为：（）.（）式中，为线路对地电容。故障仿真设置 发生发生金属性单相（相）接地故障，故障点位于监测点 和 之间，故障发生时间为 ，故障初始相角为 。网络中各监测点的零序电流波形如图所示。图 2 各监测点零序电流波形图P11 P22 P21P23 P31 P24电流/A 电流/A 电流/A电流/A 电流/A 电流/A时间/s时间/s由图可知，在消弧线圈的补偿作用下，各监测点的零序电流稳态分量相位一致，因此无法依据零序电流相位差异关系实现单相接地故障判别。各线路零序电流的暂态分量幅值较稳态分量明显，故障点上游故障电流大于故障点下游和非故障线路，接地故障发生瞬间，故障点上游测点突变极性与故障点下游及健全线路测点相反，但信号差异不易观察，不利于进行有效的接地故障区段判别。故障区段定位方案为了清晰地刻画出故障的突变特征，通过小波变换、经验模特分解等信号分析方法可实现故障特征提取。相较于这些方法在信号分解时存在小波基类型选择困难、模态混叠的局限性，变分模态分解 作为一种新型自适应信号处理手段，能准确反映原信号的特性。为此，本文将利用该方法作为故障特征提取工具对采集的暂态零模电流信号进行模态分解，取得故障特征更为显著的暂态信号分量，消除随机干扰，突出主导部分，提高对接地故障的判别能力。变分模态分解原理变分模态分解 技术是通过变分思想来求解处理非平稳信号问题，根据设定的本征模态分量（）分解层数将原始信号置入变分模型框架，依次迭代寻找变分模型的最优解，确定各模态分量的频率中心及带宽，从而将原始信号有效分离为各 分量。各 分量函数为：（）（）（）（）式中，（）为瞬时幅值。瞬时频率（）为：（）（）（）的分解过程分为提出变分问题和对变分问题求解两部分。第一部分为提出变分问题，在约束下的变分模型可表示为：，（）（）（）（）式中，（）为单位脉冲函数；为梯度运算；为各模态分量且，；为相对应的中心频率且，。第二部分为变分问题的求解，这里对式（）引入二次惩罚因子和增广 函数（），转化为非约束变分模型：（，）（）（）（）（）（），（）（）（）交替方向乘子算法逐步迭代更新（）、（）与电工技术输配电工程2023 1期（），从而得到（）的鞍点，可更新（）为：（）（）（）（）（）（）将式（）转换成频域范围：（）（）（）（）（）（）中心 频 率 在 频 域 内 的 公 式 与 各 分 量 的 解 表示为：（）（）（）（）（）（）（）其算子的更新方式表示为：（）（）（）（）根据收敛精度判定收敛条件，若且满足式（）则停止迭代，获取个不同频段的 分量；反之，则返回循环更新。（）故障定位判据对图接地故障波形的 监测点 截取发生故障节点前后周期的暂态分量波形，并通过变分模态分解算法求取层模态分解。获得的一系列 分量如图所示。图 3 监测点 P22暂态零序电流的各 IMF 分量由图可知，分量包含了原始故障波形的主要趋势变化信息，具有很强的辨识度，因此可选取故障波形经变分模态分解产生的 分量的突变极性来实现故障判别。进一步地，仿真模型各个监测点的暂态零序电流波形经变分模态分解的 分量如图所示。对于各条分支线路，故障线路 出线端监测点 的暂态零序电流特征分量极值与非故障线路、的监测点、相反，可初步判别故障所在线路位置。由故障线路的各监测点数据可知，故障点发生位置的上游监测点图 4 各监测点经 VMD 分解的 IMF1 分量P11 P22 P21P23 P31 P24 、与下游监测点 、特征分量极值相反，因此根据各监测点的暂态零序电流波形 分量突变极性可判断故障所在故障区段位置。仿真验证与分析为验证基于变分模态分解算法实现单相接地故障区段定位策略的有效性，以图构建的配电网架空线路小电流接地系统线路故障模型为例，通过设定不同故障初相角，经变分模态分解算法求解出特征故障波形分量，测试故障区段定位判别性能。由表可知，故障线路 与非故障线路 和 的暂态零序电流波形 分量突变极性相反。对于故障线路，故障点同侧监测点的暂态零序电流波形 分量突变极性相同，故障点两侧监测点的突变极性相反。不同的故障初相角会影响接地故障所产生的零序电流波形，随着故障初相角的减小，故障电流及其特征分量越不明显，但是通过各监测点的特征分量极性仍可确定故障所在的区段范围内。综上所述，本文提出的单相接地故障区段定位方法依据故障波形特征分量的极性差异来区分故障，具有灵敏度高、判据特征明显、适应性强的优势，满足配电网故障定位的要求，达到预期目标。表架空线路参数故障线路故障初相角（）故障区段 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）结语本文将基于变分模态分解的特征分量突变极性差异法应用于配电网小电流接地系统故障区段定位。构建了故障仿真模型，并通过变分模态分解算法获取线路各监测节点暂态零序电流的 特征模态分量，通过比较相邻节点特征分量的突变极性差异，实现了故障区段定位。仿真结果表明，针对不同初始故障角的单相接地故障，本文提出（下转第 页）输配电工程电工技术中国电工网分别为、，选取、杆塔作为典型进线分析，各个阻抗值对应的取能电压如图所示。取能电压/V140120100806040200151050100150200240取能电阻/图 6 不同取能电阻对应的取能电压结语综上所述，当绝缘分段位于系统送端时，取能电压为；位于受端时，取能电压为；位于中间时，取能电压为。送端的取能电压相对较高，受端次之，中间最低。在一个绝缘分段内，仅一点安装取能电阻，比多点同时安装取能电阻，取能电压相对较高。对于取能位置，离接地点越远，取能电压越大。取能电阻和取能电压并非线性关系，基于取能负载阻抗与回路之间的阻抗匹配特性，取能电阻在 以上时，电压增长斜率变小，功率逐渐达到峰值。参考文献 刘振亚，张启平国家电网发展模式研究中国电机工程学报，（）：，李明节大规模特高压交直流混联电网特性分析与运行控制 电网技术，（）：周孝信，鲁宗相，刘应梅，等 中国未来电网的发展模式和关键技术 中国电机工程学报，（）：梁旭明，张平，常勇高压直流输电技术现状及发展前景电网技术，（）：汤广福，庞辉，贺之渊 先进交直流输电技术在中国的发展与应用 中国电机工程学报，（）：李先志，杜林，陈伟根，等 输电线路状态监测系统取能电源的设计新原理电力系统自动化，（）：黄新波，张国威输电线路在线监测技术现状分析广东电力，（）：，黄新波，张晓伟，李国倡，等 输电线路在线监测技术在青藏联网工 程 中 的 应 用 高 电 压 技 术，（）：王晓希 特高压输电线路状态监测技术的应用 电网技术，（）：熊兰，何有忠，宋道军，等 输变电线路在线监测设备供电电源的设计高电压技术，（）：李维峰，付兴伟，白玉成，等输电线路感应取电电源装置的研究与开 发 武 汉 大 学 学 报（工 学 版），（）：李燕军，孟令增，王东育，等 双回输电线路架空地线接地方式分析研究电气技术，（）：王倩，吴田，施荣，等 输电线路光纤复合架空地线的接地方式高电压技术，（）：吴康平 线路绝缘地线的设计电力建设，（）：李宝聚，周浩淮南皖南浙北沪西 交流同塔双回线路架空地线感应电压和感应电流仿真分析电力系统保护与控制，（）：，（上接第 页）的算法均可实现有效的故障判别与区段定位，为提升故障运维与强化配电系统的稳定性带来便利。参考文献 郭丽伟，薛永端，徐丙垠，等中性点接地方式对供电可靠性的影响分析电网技术，（）：刘健，芮骏，张志华，等智能接地配电系统电力系统保护与控制，（）：董俊，李一凡，束洪春，等 配电网馈出线路单相永久性接地故障 性 质 辨 识 方 法 电 工 技 术 学 报，（）：徐丙垠，薛永端，冯光，等 配电网接地故障保护若干问题的探讨 电力系统自动化，（）：王俊，罗嘉玮，冯宗琮，等 基于近似熵的中性点不接地系统故障区段定位电工技术，（）：唐金锐，尹项根，张哲，等 配电网故障自动定位技术研究综述 电力自动化设备，（）：许寅，和敬涵，王颖，等韧性背景下的配网故障恢复研究综述及展望电工技术学报，（）：庞清乐，刘昱超，李希年，等基于电流极性比较的主动配电网故障定位方法电力系统保护与控制，（）：杨和义 小波奇异熵在配电网故障定位中的应用 供用电，（）：王晓卫，张涛，田书，等基于近似熵的小电流接地系统故障区段定位方法 中国电力，（）：康忠健，李丹丹，刘晓林 应用非工频暂态分量的配电网故障选线方法 电力自动化设备，（）：于群，曹娜 电力系统建模与仿真北京：机械工业出版社，（）：赵学文，付泽宇，李乐，等 基于 和 模型的和应涌流识别电工技术，（）：陈陈，李晓明，杨玲君，等 变分模态分解在电力系统谐波检测中的应用电力系统保护与控制，（）：电工技术输配电工程