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小电流接地故障 选线与定位技术 庞清乐 著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书在分析小电流接地故障稳态和暂态特性的基础上，系统地介绍了各种故障选线和定位方法，尤其是基于智能算法的小电流接地故障选线和定位方法。主要内容包括基于故障暂态特征信息的智能选线方法、基于故障暂态和稳态特征信息的智能融合选线方法和基于暂态特征信息的小电流接地故障定位方法。其中，以基于智能算法的选线和定位方法为主，介绍了基于粗糙集信号增强的小波包选线方法、基于粗糙集的融合选线方法、基于神经网络的融合选线方法、基于粗糙集预处理的神经网络融合选线方法、基于复合导纳的小电流接地故障定位方法和基于 Multi-Agent 的智能配电网的故障定位方法等作者的创新性研究成果。本书可作为从事小电流接地故障选线和定位技术研究和应用的科技人员的参考书，也可作为高等学校研究生学习继电保护、电力系统运行与控制和智能配电网的教学参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 小电流接地故障选线与定位技术庞清乐著.北京：电子工业出版社，2010.8 ISBN 978-7-121-11529-5 .小 .庞 .小电流接地故障诊断 小电流接地故障定位 .TM72 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2010）第 151138 号 策划编辑：董亚峰 责任编辑：夏平飞 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：8501 168 1/32 印张：7 字数：179 千字 印 次：2010 年 8 月第 1 次印刷 印 数：2 000 册 定价：28.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至。服务热线：（010）88258888。序 言 自愈是实现智能电网安全可靠运行的主要功能之一，配电网故障的快速、可靠检测是实现自愈功能的基础。配电网发生单相接地故障的概率很高，由于我国中压配电网大多采用小电流接地方式，一旦发生单相接地故障，很难查找故障线路和故障点，小电流接地故障选线和定位是一个迄今为止并未彻底解决的难题。随着传统电网向智能电网的发展，小电流接地故障自动选线和定位技术变得尤为重要。本书主要从两个方面对小电流接地故障进行了探讨和研究。一方面，在研究近年来各种选线方法的基础上，提出了利用粗糙集理论和神经网络等智能算法实现小电流接地故障选线的方法；另一方面，在研究近年来各种定位方法基础上，提出了复合导纳的小电流接地故障定位方法，并在分析智能配电网功能的基础上对智能配电网故障定位的关键技术进行了初探。本书共分 9 章。第 1 章为概述，第 2 章为小电流接地系统单相接地故障特征分析，第 3 章至第 6 章给出了基于智能算法小电流接地故障选线方法，第 3 章为基于故障暂态特征信息的智能选线研究，第 4 章为基于故障暂态和稳态特征信息的融合选线研究，第 5 章为小电流接地故障选线方法的仿真与现场验证，第 6 章讨论了小电流接地故障选线装置设计，第 7 章至第 9 章给出小电流接地故障定位方法，第 7 章为基于暂态特征信息的小电流接地故障定位方法研究，第 8 章为小电流接地故障定位方法的仿真与试验验证，第 9 章主要讨论了智能配电网故障定位关键技术初探。本书的研究工作得到国家自然科学基金（50777040，60970105）、中国博士后科学基金（20090461204）、山东省自然科 学基金（Z2006F05，Y2007G26）、山东省博士后创新项目专项资金（200903066）、山东省高等学校科技计划（J09LG09）和烟台市科技发展计划（2008159）等项目的资助。参加研究工作的还有杨福刚博士、孙波博士、高文博士、闫龙博士、初永丽老师、张勇老师、孙静老师、金杰老师等，在此一并致谢！另外要特别致谢孙同景教授、高厚磊教授、华臻教授、朱智林教授、刘成印教授等，感谢他们为本书写作所提供的帮助和支持。本书可作为从事小电流接地故障选线定位技术研究和应用的科技人员的参考书，也可作为高等学校研究生学习继电保护的教学参考书。由于撰写时间和作者水平之限，书中难免存在缺点和错误，敬请读者批评指正。作 者 2010.05.10 目 录 V 目目 录录 第 1 章 配电网概述.1 1.1 配电网概况.1 1.2 小电流接地故障选线现状及评价.3 1.2.1 被动式选线方法.4 1.2.2 主动式选线方法.9 1.3 小电流接地故障定位现状及评价.10 1.3.1 被动式定位方法.10 1.3.2 主动式定位方法.14 1.4 小电流接地故障选线存在的问题.16 1.5 小电流接地故障定位存在的问题.17 1.6 人工智能算法在电力系统中的应用.20 1.7 本书内容摘要.22 1.7.1 本书研究的主要工作概述.22 1.7.2 本书的章节安排.25 第 2 章 小电流接地系统单相接地故障特征分析.27 2.1 小电流接地系统的中性点接地方式.27 2.1.1 中性点不接地方式.28 2.1.2 中性点经消弧线圈接地方式.28 2.2 小电流接地系统单相接地故障的基波稳态特征分析.29 2.2.1 中性点不接地系统单相接地故障的基波稳态 特征分析.30 2.2.2 消弧线圈接地系统单相接地故障的基波稳态 特征分析.33 VI 小电流接地故障选线与定位技术 2.3 小电流接地系统单相接地故障的暂态特征分析.37 2.4 小电流接地系统单相接地故障的谐波特征分析.41 2.5 小电流接地系统的模量分析.43 2.5.1 基于线路分布参数的高精度复合模网.43 2.5.2 基于 型电路的故障简化模型及特点.44 2.5.3 小电流接地故障频域特征分析.51 2.6 本章小结.57 第 3 章 基于故障暂态特征信息的智能选线研究.58 3.1 基于小波包分析的故障选线方法分析.58 3.1.1 小波包基本理论.58 3.1.2 基于小波包分析的故障选线方法原理.63 3.1.3 基于小波包分析的故障选线方法存在的问题.66 3.2 基于粗糙集的信号增强理论.69 3.2.1 暂态零序电流信号的增强.69 3.2.2 粗糙集基本理论.70 3.2.3 基于粗糙集的信号增强信息系统.74 3.3 基于粗糙集信号增强的智能选线实现.75 3.3.1 基于粗糙集的信号增强.75 3.3.2 故障选线实现.78 3.4 本章小结.78 第 4 章 基于故障暂态和稳态特征信息的融合选线研究.80 4.1 问题的提出.80 4.2 信息融合基本理论.82 4.2.1 信息融合的产生与发展.82 4.2.2 信息融合的功能与层次.83 4.3 信息融合技术在故障选线中的应用.84 4.4 故障测度函数.85 目 录 VII 4.4.1 故障测度函数的定义.86 4.4.2 零序电流暂态分量的故障测度函数.86 4.4.3 零序电流有功分量的故障测度函数.88 4.4.4 零序电流五次谐波分量的故障测度函数.90 4.4.5 零序电流基波分量的故障测度函数.92 4.5 基于粗糙集理论的融合选线方法.93 4.5.1 基于粗糙集理论的融合选线原理.93 4.5.2 基于粗糙集理论的融合选线方法实现.95 4.6 基于神经网络的融合选线方法.98 4.6.1 神经网络基本理论.98 4.6.2 基于神经网络的融合选线方法.102 4.7 基于神经网络的融合选线方法改进.105 4.7.1 BP 神经网络的局限性及改进.106 4.7.2 基于粗糙集理论的样本归一化方法.108 4.7.3 基于粗糙集样本归一化的神经网络融合选线.112 4.8 本章小结.115 第 5 章 小电流接地故障选线方法的仿真与现场验证.116 5.1 仿真模型及参数.116 5.2 基于故障暂态特征信息的智能选线方法验证.117 5.3 基于故障暂态和稳态特征信息的融合选线方法验证.133 5.3.1 基于粗糙集理论的融合选线方法验证.133 5.3.2 基于神经网络的融合选线方法验证.138 5.4 本章小结.141 第 6 章 小电流接地故障选线装置设计.142 6.1 小电流接地故障选线装置的总体结构.142 6.2 硬件设计.143 6.2.1 数据采集单元.143 VIII 小电流接地故障选线与定位技术 6.2.2 数据存储单元.144 6.2.3 DSP 系统.146 6.2.4 FPGA 系统.146 6.2.5 通信端口.146 6.3 软件设计.147 6.4 本章小结.149 第 7 章 基于暂态特征信息的小电流接地故障定位方法 研究.150 7.1 暂态 0 模电流特征分析.150 7.1.1 故障点同侧暂态 0 模电流特征分析.150 7.1.2 故障点两侧暂态 0 模电流特征分析.151 7.2 基于复合导纳的小电流接地故障定位方法.153 7.2.1 单一频率 0 模导纳及其不足.153 7.2.2 特征频段内 0 模复合导纳.155 7.2.3 0 模复合导纳应用于故障定位的可行性分析.157 7.2.4 复合导纳法故障定位原理.158 7.2.5 0 模复合导纳法特点.158 7.3 定位方法性能比较.159 7.4 本章小结.162 第 8 章 小电流接地故障定位方法的仿真与试验验证.163 8.1 仿真验证.163 8.2 试验验证.165 8.2.1 试验平台介绍.165 8.2.2 试验验证.166 8.3 本章小结.167 目 录 IX 第 9 章 智能配电网故障定位关键技术初探.168 9.1 智能电网概述.168 9.2 智能配电网模型.172 9.3 智能终端单元模型.173 9.4 基于 Multi-Agent 的智能配电网的故障定位技术.175 9.4.1 面向智能配电网的 MAS 结构.175 9.4.2 适用于智能配电网的故障区段定位技术.175 9.4.3 适用于智能配电网的网络重构方法.176 9.4.4 适用于智能配电网的故障诊断方法.177 9.4.5 智能配电网分布式控制方法.177 9.5 智能配电网的通信网络.177 9.6 智能终端单元 ITU 的硬件和软件设计.178 9.7 本章小结.179 附录 现场数据.180 附录 1 竹园站 2004 年 4 月 16 日发生单相接地故障的 部分数据.180 附录 2 竹园站 2004 年 12 月 18 日发生单相接地故障的 部分数据.182 附录 3 清濛变 2005 年 5 月 18 日发生单相接地故障的 部分数据.184 附录 4 清濛变 2005 年 9 月 30 日发生单相接地故障的 部分数据.186 附录 5 潮湖变 2005 年 9 月 30 日发生单相接地故障的 部分数据.188 参考文献.190 第 1 章 配电网概述 1 第第 1 章章 配电网概述配电网概述 国内外中压配电网中性点广泛采用小电流接地方式，以避免发生单相接地故障时跳闸造成供电中断。对于小电流接地故障，由于故障电流微弱、电弧不稳定和随机因素影响等原因，接地故障选线和定位比较困难，一直缺乏可靠的故障选线方法和高准确度的小电流接地故障选线和定位装置，至今许多变电站仍然使用人工拉路方法查找故障线路。随着人们对配电网自动化水平要求的提高，小电流接地故障自动选线和定位问题更加突出，迫切需要从根本上予以解决。本章重点论述了小电流接地故障选线和定位技术现状及评价，并指出了小电流接地故障选线和定位技术存在的问题。1.1 配电网概况 电力系统中性点接地方式可划分为两大类：大电流接地方式（中性点有效接地方式）和小电流接地方式（中性点非有效接地方式）。在大电流接地方式中，主要有中性点直接接地和中性点经低电阻、低电抗或中电阻接地；小