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扫描下载二维码输电线路高阻接地故障检测研究--《南京理工大学》2009年硕士论文
输电线路高阻接地故障检测研究
【摘要】：
线路发生高阻接地故障会影响输配电系统的正常运行。一般情况下,单相接地短路将产生很大的故障相电流和零序电流,相应的传统接地保护装置将能可靠动作将故障切除。然而,线路发生高阻接地故障电流水平通常低于直接短路故障电流水平,其接地相电压降小、三相线间电压依然几乎对称,不易用传统的过电流保护方法检测出来,增加了高阻接地检测的难度。事实证明,高阻故障的检测不能只使用某一故障量进行判别,应该综合考虑故障时各相电压、电流变化情况。首先,文章中研究了BP神经网络在高阻接地故障检测中的实现方法,这种方法能够较好的解决高阻故障检测问题。高阻故障发生后,系统的电压、电流会在故障发生时刻产生高频分量,可利用此特征对高阻故障时的特点进行研究。另外高频分量还会在其他情况下出现,如电容器的开合、变压器分接头的切换。文章从小波分析原理出发,利用小波变换可以检测信号突变的原理,以电压、电流等为研究对象,通过将电压电流小波变换后的标准偏差输入人工神经网络进行故障辨别,来解决输电线路高阻接地故障问题。
大量MATLAB仿真实验结果表明,两种方法具有良好的性能,特别是小波神经网络能准确识别高阻接地故障,并能保证在系统正常投切时不误发信号,提高电网运行安全性和可靠性。
【关键词】：
【学位授予单位】：南京理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2009【分类号】：TM862【目录】：
Abstract6-11
1 绪论11-17
1.1 输电线路高阻接地保护研究现状11-13
1.1.1 高阻接地故障的特点11
1.1.2 高阻接地保护技术指标11-12
1.1.3 国内外对高阻接地保护的研究12-13
1.2 高阻接地保护的设计思想13-16
1.2.1 人工神经网络在电力系统中的应用14
1.2.2 小波变换在电力系统故障检测中的应用14-15
1.2.3 电力系统暂态量保护简介15-16
1.3 文章所要完成的工作16-17
2 高压输电线高阻接地故障的网络分析17-23
2.1 电力系统中性点运行方式介绍17
2.2 高压输电线路单相接地故障分析17-19
2.3 高压输电线路单相接地故障暂态过程分析19-22
2.3.1 故障线路直流分量20-21
2.3.2 电容暂态电流21-22
2.4 本章小结22-23
3 基于小波变换的高阻故障检测23-40
3.1 小波分析概述23-26
3.1.1 小波变换原理23-24
3.1.2 几种常用的小波24-26
3.2 连续小波变换与离散小波变换26-29
3.2.1 连续小波变换26-28
3.2.2 离散小波变换28-29
3.2.3 小波基的选取29
3.3 多分辨率分析29-31
3.4 小波分析在高阻故障检测中的应用31-39
3.4.1 小波分解层数的确定31-32
3.4.2 高阻接地故障分量的小波分解32-37
3.4.3 并联电容器投切对电压电流的影响37-39
3.5 本章小结39-40
4 基于人工神经网络的高阻故障检测40-56
4.1 BP神经网络的基本原理40-43
4.1.1 BP神经网络算法分析40-41
4.1.2 BP算法数学描述41-43
4.1.3 BP网络的训练步骤43
4.2 BP网络模型特点分析及算法改进43-46
4.2.1 BP网络与映射的关系44
4.2.2 BP网络存在的问题分析44-45
4.2.3 BP算法的改进45-46
4.3 BP网络参数确定46-49
4.3.1 网络层数的确定47
4.3.2 激活函数的选择47-48
4.3.3 网络参数设置及学习算法48
4.3.4 初始权值的选取48
4.3.5 误差的选取48-49
4.4 BP神经网络在高阻故障检测中的应用49-54
4.4.1 高阻接地故障仿真49-50
4.4.2 仿真模型参数设置50-51
4.4.3 BP神经网络在高阻接地中的检测研究51-54
4.5 本章小结54-56
5 基于小波神经网络的输电线路高阻接地故障研究56-66
5.1 小波神经网络56-57
5.2 高阻接地故障检测的小波神经网络模型构建57-59
5.2.1 小波变换层57-58
5.2.2 BP网络结构58-59
5.3 高压输电线路小波神经网络的检测研究59-64
5.3.1 采样率的选择59
5.3.2 小波神经网络的融合技术59-61
5.3.3 输电线路高阻接地故障检测逻辑61
5.3.4 小波神经网络在高阻接地故障中的检测研究61-64
5.4 ANN和WNN在高阻故障检测中的比较64-65
5.5 本章小结65-66
6 结论66-68
参考文献69-73
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基于模极大值理论的配电网接地保护研究
发布日期： 9:46:21&&(阅次)
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&摘要： 针对单相接地困难的问题，应用小波变换模极大值理论，对故障后的电气量进行分析，反应零序电流的突变情况，根据其在各条线路上的极性和大小的不同变化规律实现。判据采用做内积的方法，在对含有误差的信号进行处理时具有良好的容错性，因而能够获得更高的选线精度。该方法适用于小接地电流系统的各种中性点运行方式，并且现场安装简单、不需要定值整定。EMTP仿真结果表明，该方法是有效的、可靠的。
　　1 引言
单相接地电弧能够自行熄灭的中性点非有效接地系统称为小接地电流系统[1]，主要以中性点不接地、经高阻接地及经消弧线圈接地系统的形式出现。我国3～60kV的通常都属于小接地电流系统。
小接地电流系统发生单相接地故障时，电源与故障点之间并不形成低阻抗回路，短路电流很小，同时线电压仍然保持对称，不影响对用户的连续供电，所以不必立即跳闸，规程规定可以继续运行1～2个小时。但是，为了防止故障进一步扩大，必须及时、准确地选出故障线路，并且予以切除。
为解决这一问题，国内外学者进行了深入而广泛的研究，提出了基于稳态分量、暂态分量及外施影响的多种选线方法（例如：比幅、比相法，谐波法，补偿法，零序导纳法，功率法；首半波法，能量法，谱功率法，小波法；拉路法，残余电流增量法，注入信号法）[2]，并开发出了相应的保护装置，先后推出了几代产品。然而迄今为止，此类装置在实际运行当中的效果仍然不能令人满意。
本文提出应用小波变换模极大值理论，找出故障后电气量的变化特点，并把与之相对应的模极大值作为特征量来分析，建立出简单、可靠的选线判据。大量的EMTP仿真数据表明，该方法是正确的、可靠的。
2 基本原理
通过对小接地电流系统单相接地故障时的零序电压、电流进行，可以确定出它们在故障后突变部分的极性和大小，比较其在各条出线上的不同变化情况，可以识别出故障线路。
我们将无限次可导的函数称为光滑的或没有奇异性，若函数在某处有间断或某阶导数不连续，则称其在此处有奇异点。就是要将信号的奇异点识别出来并判断其奇异程度。数学上，通常用Lipschitz指数来刻画信号的奇异性[3]。由于小波变换极大值在多尺度上的表现与Lipschitz指数之间存在对应关系[4]，这为通过小波变换检测信号奇异点并区分奇异点提供了依据。即小波变换后的模极大值能够反应接地故障的某些特征，所以本方法利用此理论实现。
2.1 小波函数的选取
小波函数在理论上有无限多种，由其引出的小波基所具有的性质也各不相同，可以满足各种问题的需要。但对同一个信号利用不同的小波基进行处理，取得的效果并不相同，甚至差异较大。所以为了得到令人满意的结果，就必须对小波函数进行适当的选取。虽然目前还没有一个成熟的方法来选择在解决具体问题时所需的最佳小波函数，但通常的做法是把各种小波函数分类，并总结出每类小波函数的性质和特点，结合要解决的问题来确定使用哪一类，并在该类中进行试验比较来确定使用哪一个小波函数[5]。
如上所述，针对小接地电流系统故障选线的具体问题：为了减小频谱的泄漏和混叠，要求小波函数具有好的频域特性。dbN小波系是工程上应用较多的小波函数，这一小波系的特点是随着序号N的增大，时域支集变长，时间局部性变差；同时，正则性增加，频域局部性变好。但是当N增大到10以后，dbN小波在频域内的分频表现与N为10时很接近。
综合考虑在时频两域内进行分析的需要，并结合故障选线问题的特点，通过采用几种小波进行多次仿真计算，证明使用db10小波可以得到较为理想的结果。所以本文选用db10小波，其尺度函数和小波函数的波形分别如图1（a）和（b）所示。&
2.2 选线判据
首先，对各出线上零序电流在故障前一个周波和故障后三个周波内的数据进行小波变换，得到相应的一组模极大值，其中n表示线路编号，i表示出现摸极大值的序号。然后，任意选定一条出线作为参考线路，将其上零序电流的小波变换模极大值组分别与其它线路上的零序电流的小波变换模极大值组做内积，并把这一内积结果作为一种测度，用S来表示。
式（1）中，j是被任意选定的那条参考线路的编号；k是剩余线路的编号，即k = 1，2，& n，且k & j；n是总的出线数目；m是模极大值的个数。
这样，就可以建立如下的选线判据：
（1）若Sjk不同时大于零或小于零，则使成立的线路是非故障线路；而使成立的线路是故障线路。
（2）若Sjk同时小于零，则线路j为故障线路。
（3）若Sjk同时大于零，则为母线故障。
2.3 选线判据的说明
首先，由于小波变换自身算法上的原因，在变换过程中会把数据窗的右边界当成突变点，使得各尺度分量在右边界附近会出现较大值，这就是小波变换的边界效应。为了克服边界效应给选线带来的不利影响，只取前两个周波内的摸极大值做内积。
其次，做内积的实质是在进行极性比较。幅值大的模极大值在比较过程中有利，结果可靠；而幅值小的模极大值在比较过程中就会有容易受误差的影响，以至于得到错误结论。通过做内积的办法，就相当于使幅值大者的比较结果在测度中占有高权重，而幅值小者的比较结果在测度中占有低权重。这样就在很大程度上克服了误差的影响，从而提高了选线精度。
再次，小波反应的是信号的奇异性，不要求信号是跃变的[6]。所以，尽管本方法使用暂态过程中的数值来分析，但是在相电压过零附近发生单相接地，本方法仍然有效。
另外，因本方法是基于暂态分量的选线方法，所以在实际使用中，虽然可以瞬时选出接地线路，但是为了区分瞬时性故障和永久性故障，还需要判断一个延时后故障是否仍然存在，才决定是否执行跳闸操作。
3 仿真分析
对某个35kV的辐射状小接地电流系统在中性点运行方式为经消弧线圈接地时进行仿真分析。顺便指出，本方法对中性点不接地、经高阻接地系统同样适用。&
由于本方法取用故障点附近几个周波的数据实现选线，此时电气量的变化通常很明显，特征量幅值较大，所以具有很高的选线精度。同时，小波奇异性检测反应的是信号的奇异性，不要求信号是跃变的。所以，即使在相电压过零附近发生单相接地，暂态过程不明显的情况下，本方法仍然有效。
选线判据中采用做内积的方法，实质是在进行优化的极性比较，对含有误差的信号具有良好的容错性，而且不需要设置阀值。不论是中性点不接地、经高阻接地还是经消弧线圈接地的系统，本方法都适用。在系统不同位置、经不同过渡电阻接地的情况下，所得到的选线结果也都很精确，可见，此方法具有很强的鲁棒性。
需要指出，本方法适用于母线上至少有三条出线的情况，而在只有两条出线的时候将会失效。
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文档介绍：
@鬈鬻学电力自动化设备Electric Power Automation EquipmentVol_33 No.5Mav 2013基于暂态小波能量的小电流接地故障选线新方法吴乐鹏,黄纯,林达斌,朱智军,蒋洪涛(湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082)摘要:为解决小电流接地系统在相电压过零点附近发生故障选线不准确的问题,在详细分析小电流接地系统暂态零序网络故障特性后.提出了一种新的基于暂态小波能量的小电流接地系统选线新方法。首先将各馈线暂态零序电流进行小波变换:再利用小波系数计算小波高频能量和小波低频能量:最后根据相电压峰值附近故障和过零点附近故障时故障信号能量谱特征不同.通过比较小波高频能量或小波低频能量极大值进行选线。采用EMTP进行大量仿真,结果表明.该方法不受故障合闸角、故障距离、过渡电阻、电弧及系统运行方式等因素的影响.在线路末端发生单相高阻接地或在相电压过零点附近发生故障时均可以准确可靠选线。关键词:小电流接地系统:单相接地故障:故障选线;小波能量;EMTP:接地;仿真中图分类号:TM 77 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.. 0 引言我国中低压f3。66 kV)配电网多采用小电流接地:l-2 n.主要有中性点不接地、中性点经高阻接地、中性点经消弧线圈接地3种接地方式。前2种方式的故障馈线零序电流的幅值等于非故障馈线零序电流的幅值之和而方向相反.基于这一故障特性提出了多种工频稳态量分析的选线方法:”]:但是,中性点经消弧线圈接地方式中.由于消弧线圈的补偿作用,故障馈线零序电流的幅值和相位均发生改变,基于工频稳态量选线方法不再适用。近年来.基于故障暂态信号分析的选线方法[6-15i得到研究人员的特别关注。基于故障暂态信号分析的选线方法适用于3种小电流接地方式:其原理大多是利用小波变换对故障突变量作精细分析.小波变换依据其良好的时频特性.并通过小波函数的伸缩和平移获得移动时间窗.使小波工具在分析暂态信号和非平稳信号时具有良好的优越性。但是,在相电压过零点附近或者线路末端发生高阻接地故障时.由于其故障暂态分量小,暂态时间短,目前的小波选线方法很难准确判断故障馈线。本文分析故障暂态零序电流特征.并依据相电压峰值附近故障和过零点附近故障时故障信号能量谱特征的不同.分别对小波系数的高频分量和低频分量计算小波高频能量和小波低频能量,根据故障馈线暂态小波能量最大原理进行选线。该选线方法收稿日期:;修回日期:基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2010一AA);湖南省自然科学基金资助项目(10JJ5055);教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(『)Project supposed by the National High Technology Researchand Development Program of China(863 Program)(20IOAA一).the Natural Science Foundation of HunanProvince(10JJ5055)and the Scientific Research Foundation forReturned Seholars,Ministry of Education of China([)充分利用零序电流信号.不受消弧线圈和不稳定电弧影响.可以有效解决线路末端发生单相高阻接地故障或相电压过零点附近发生故障时选线不准确的问题,选线速度快、可靠性高。1 故障暂态零序电流特征分析小电流接地系统发生单相接地故障时.其零序网络如图1所示。K闭合时.中性点经消弧线圈接地:K断开时.中性点不接地。架空线路等效为丌型等值网络,k、尺叭G分别为第i条线路的零序线路电感、电阻和分布电容:‰为母线零序电压;L。为消弧线圈零序电感;Rm为零序过渡电阻;“。为故障接地点位置虚拟电源在零序网络上的压降:凡为馈线出线数。线路l线路^线路n图1发生单相接地故障时零序网络图Fig.1 Zero—work with single—phasegrounding fault由图1可知.流过任意健全馈线的零序电流可通过方程表示为:‰‰也i警+击胁t d￡=Uosin(∞郴)(1)当系统发生单相接地故障时.流过故障线路的暂态零序电流i。。等于暂态电感电流i。和暂态电容电流i,之和:万方数据第5期吴乐鹏,等:基于暂态小波能量的小电流接地故障选线新方法i唯=iL+ic (2)iL=i陆+ik=k[cos妒e∥1--COS(tot+9)] (3)ic=江+b=,cm|(导sin(psin∞ft--COS(pcos tort}×L\we。t+c。s(∞￡+妒)1 (4)其中,讧为电感电流暂态直流分量,i抽为电感电流稳态工频分量,9为故障时相电压初相角,厶。为电感电流的幅值,r。为电感回路时间常数,也为电容电流暂态自由振荡分量,池为电容电流稳态工频分量,,cm为电容电流的幅值,6为自由振荡分量的衰减系数,(￡J,为暂态自由振荡分量的角频率。系统发生单相接地故障时.故障线路产生衰减较慢的暂态电感电流i,和衰减较快的暂态电容电流i,。当相电压峰值附近发生故障时,由于暂态电感电流较暂态电容电流小得多.消弧线圈在故障初期不能及时补偿.因此.系统中性点不接地或经消弧线圈接地时.故障线路与非故障线路的零序电流的暂态特性均由暂态电容电流确定.其能量主要集中在高频段300~1 500 Hz[12:(暂态电容电流自由振荡高频段由式(4)确定)。然而,当故障发生在相电压过零点附近时.由于暂态电容电流中的自由振荡分量为零.而基频分量较大.因此非故障线路暂态零序电流的能量主要集中在低频段0~50 Hz:由式(2)可知,暂态电感电流是由直流分量和工频分量构成的.因此故障线路暂态零序电流的能量同样也集中在低频段0~50 Hz.2小波能量法原理2.1小波变换简介小波变换是一种多尺度的信号分析方法.具有良好的时频局部化特性.非常适合分析非平稳信号的瞬态和时变特性。配电网发生单相接地故障时。线路零序电流是非线性的、非常复杂的非平稳信号.由于小波变换多分辨率的特点.其非常适用于对零序电流进行暂态特征提取。多分辨率分析(MRA)理论作为小波分析中的基本框架.满足二尺度方程:——+∞9(t)=、/2∑h(n)(p(2t—n) (5)n--∞——+∞0(t)=、/2∑g(n)9(2t—n) (6)n__∞其中,9(￡)为尺度函数;沙(￡)为小波函数;h(n)和g(n)为小波分解滤波器组系数。在所有的离散小波基函数中.通过Mallat算法快速将原始信号进行小波变换.其实现过程相当于重复使用一组高通和低通滤波器.高通滤波器获得信号的高频分量.低通滤波器获得信号的低频分量。滤波器得到的2个细节分量各占信号频带的1/2。每次分解将信号的采样频率减小一半.对信号低频分量重复上述分解过程.1
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