基于EMD和注入法结合的谐振接地选线研究

王林川，李会杰，杜 冰，韩宝国

(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林 132012)

基于EMD和注入法结合的谐振接地选线研究

王林川，李会杰，杜 冰，韩宝国

(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林 132012)

针对暂态选线方法在相电压过零时信号微弱的问题，提出利用注入信号法与基于经验模式分解(EMD)的暂态法结合的选线方法，利用故障线路次高频分量IMF2在故障后首次达到波峰时刻极性与非故障线路相反进行选线;电压过零时，利用注入特定频率信号在各出线检测该信号暂态幅值实现选线。经故障选线仿真试验表明，该选线方法适用于任意故障条件，选线准确，安全可靠。

缆－线混合;小波去噪;EMD;IMF2;注入法

0 引言

目前，单相接地故障占配电网故障的80%以上。随着中国经济水平的提高，配电网中的缆－线混合线路比例逐渐增大。由于电缆对地电容较架空线路更大，所以近年来以中性点经消弧线圈接地的谐振接地方式应用居多。单相接地故障电流小，不影响对负荷的连续供电，故规程允许系统带故障运行1～2 h，但是故障的持续有可能引发相间短路或三相短路等更为严重的事故［1］。因此有必要及时消除故障，以确保供电的可靠性。

在现有的选线方法中，可以分为基于故障信息和外加诊断信号两大类，其中基于故障信息又可分为基于稳态信息和暂态信息两种情况。在早期，许多学者提出了多种选线方法，有些已经应用于现场之中［1－2］。但是这些方法没有一种能够适应小电流接地的各种情况。与稳态信息相比，暂态信号中含有丰富的故障信息，因此近几年的选线研究大多是基于故障暂态信息进行的。基于暂态信号的检测方法具有较高的灵敏性和可靠性，并且在高阻接地和弧光接地故障引起的多过渡过程中均适用，唯一的弊病就是当故障发生在相电压过零时，暂态信号极其微弱，使得基于暂态信息的选线方法有可能失效。而信号注入法正好可以克服此弱点，当故障发生在相电压过零时，向暂时闲置的电压互感器二次侧故障相注入一个特定频率的电流信号，观察各出线此特定频率信号的强度，从而实现选线。

本文通过综合利用上述两种方法，提出了信号注入法和基于EMD的暂态方法相结合的选线方法，以实现优势互补。同时指出对待分解的暂态信号进行小波去噪，以使分解出的高频分量更为精确。最后利用Matlab对相电压过零与不过零时刻发生故障进行数字仿真，验证了该选线方法的可行性。

1 谐振接地系统暂态电流特性

谐振接地系统发生单相接地故障时的等效电路如图1所示。

图1 单相接地暂态过程等效电路

根据图1可写出下面的方程式:式中UΦm为相电压幅值。根据式(1)可得暂态电容电流iC与暂态电感电流iL为

暂态电流由放电电容电流和充电电容电流组成。前者经对地电容流入大地，衰减迅速，称为暂态电容电流;后者经变压器或发电机中性点分配到非故障相，再经对地电容流入大地，衰减较慢，称为暂态电感电流。对于谐振接地系统，还包括消弧线圈本身产生的稳态电感电流和暂态电感电流［3］。从式(2)和式(3)看以看出，当故障发生在相电压接近于最大值瞬间时，iC较iL大很多，而且暂态电流的频率也很高，这时流过消弧线圈的电流很小，对暂态量不起作用。所以在故障初期，iL与iC是不能互相补偿的，其暂态接地电流的特性主要是由iC所决定。

根据以上分析，当故障发生在相电压接近最大值时，应该提取暂态电流进行分析，避免了稳态电流因消弧线圈补偿而幅值较小的现象。

2 EMD分析方法

2.1 经验模式分解

EMD是1998年由N.E.Huang提出的一种新的信号处理方法［4］，它通过对信号的“筛选”将信号分解成不同频率的IMF分量。IMF具有两个特点:第一，IMF的极值数与过零点的数目相等或者最多相差一个;第二，在任意时刻，IMF的上、下包络线的均值必须是零。EMD分解过程如下:

1)根据信号x(t)的局部极大值和局部极小值求出其上下包络线的平均值m1。

2)将原数据序列减去平均包络后得到h1=x(t)－m1;判断h1是否为IMF，若不是则将h1看作新的x(t)，重复上述处理过程，直到h1满足IMF条件时，记 c1=h1，视为 IMF1。

3)将r1=x(t)－m1看作新的x(t)，重复以上步骤1)和 2)，即可依次得到 IMF2、IMF3、…，直到cn或r满足给定的终止条件时筛选结束;最后，原始数据序列可表示为

式(4)说明原信号被分解成了频率从大到小排列的n个IMF分量和一个趋势项之和。因此“筛选”的过程实际上是将原始数据序列分解为各种不同特征波动序列的叠加［5］。

2.2 EMD分析选线方法

由上述可知，EMD分解是根据信号本身信息进行的自适应分解，分解出的高频分量(即IMF分量)有很高的分辨率，可以用它来提取信号的奇异信息。本文经过多次仿真试验，得知高频分量IMF1中含有多余冗余分量，相比而言，次高频分量IMF2中包含大量故障暂态信息，故选取各线路EMD后的IMF2分量进行极性比较。具体步骤如下:

1)对各线路零序电流进行EMD分解，求取各IMF分量。

2)作为暂态方法，提取各线路故障后1/4周期的次高频分量IMF2波形。

3)观察IMF2波形，自故障时刻起，首次达到波峰时进行极性比较。

4)其中一条线路的IMF2的极性与其它三条不同，则判定为故障线路。

当故障发生在相电压过零时，暂态零序电流极其微弱，以至于EMD分解后得到的次高频分量IMF2奇异时刻值很小，此时采用上述方法有可能造成误选。

3 小波去噪

由于电力系统现场环境复杂，故障录波器采集到的信号存在噪声，因此，提高选线的准确性，必须对零序电流进行EMD之前做去噪处理，以消除这些噪声。

对信号的去噪实质上是抑制信号中的无用部分，增强有用部分的过程。连续小波变换的冗余特性使其具有很好的去噪性能［6］，本文使用连续小波变换进行去噪，具体步骤如下:

1)选择一个小波函数并确定分解的层数。

2)小波分解高频系数的阈值量化。

3)一维小波重构。

本文使用sym8小波进行三层分解，用heursure软阈值进行小波系数阈值量化，实现对零序电流的去噪处理，使接下来的EMD分解得到更为精确的结果。故障线路零序电流小波去噪前后对比如图2所示。

图2 故障线路零序电流小波去噪前后对比

4 注入信号法

注入信号法是1997年由山东工业大学桑在中教授提出的选线定位新方法［7］。注入信号法示意图如图3所示。

由图3可见，当线路发生单相接地故障后，通过闲置的电压互感器二次侧向系统注入特定的频率电流信号，该信号感应到一次侧，并通过接地点、分布电容等形成回路。该方法的关键是注入信号频率的选择，保证大部分注入信号沿故障线路的接地相流动并经故障点入地，而且要躲过工频及各次谐波的干扰。桑在中教授的试验中用的是220 Hz电流信号，通过信号探测器检测各出线故障相中220 Hz电流信号的强度，选出故障线路。由于对应该频率的现场设备比较成熟，故本文也选取220 Hz作为注入信号频率。

图3 注入法注入信号流通路径示意图

在采集220 Hz电流信号时用Matlab中自带的2阶滤波器进行滤波，首先装设50 Hz带阻滤波器，滤除工频信号，再串接20 Hz带通滤波器，以获得噪声很小的20 Hz信号。但是，当接地点经较大过渡电阻接地，或者发生弧光接地时，注入的信号电流被其它线路严重分流，导致故障线路中220 Hz频率信号微弱，可能引起误判。

5 EMD和注入信号法结合的故障选线仿真验证

鉴于以上对暂态极性比较方法易受电压过零时故障的困扰，但在其它情况下适用于各种接地方式;而注入信号法不受电压过零影响，但是易受过渡电阻过大干扰的特点，故将上述两种方法相结合，形成一种新的选线方法。电压不过零时，先用小波法对零序电流信号去噪，然后用EMD分解各线路零序电流，提取各线路次高频分量IMF2波形，比较故障后首次到达波峰时刻各线路IMF2极性，极性相反的一条为故障线路;当电压过零时故障，应在不受暂态电流干扰时注入特定频率的恒流信号，在母线出口检测各线路注入信号的暂态幅值，幅值最大的判定为故障线路。

图4是利用Matlab搭建的谐振接地系统单相接地数字仿真模型。该模型包含4条馈线的35 kV线路，其中L3为缆－线混合线路，消弧线圈补偿度为8%，接地过渡电阻为20 Ω，L4分别在t=0.027 4 s(电压接近于最大值时)和t=0.032 4 s(电压过零)时发生A相接地故障。仿真时间为0.2 s，为了躲过暂态电流信号对注入信号的干扰，选择t=0.1 s时，向母线A相注入幅值为10 A的220 Hz恒流信号，并利用 Matlab中自带的2阶滤波器进行采集。

图4 谐振接地系统单相接地故障模型

当t=0.032 4 s时，电压接近最大值。图5为故障线路L4经EMD分解后的各IMF分量。

图5 故障线路EMD分解结果

由图5可知，各IMF分量是严格按照频率由高到低排列。IMF1在故障时刻附近高频成分最为密集，含有大量冗余信息。而IMF2含有的故障信息较为准确。故对各线路故障后1/4周期IMF2分量进行提取，结果如图6所示。

图6 各线路故障后1/4周期IMF2比较

由图6可知，t=0.027 8 s为故障后波峰首次到达的时间，此时各线路IMF2值如表1所示。

表1 各线路IMF2值

由表1可知，线路4的极性与其它三条相反，故可判断L4为故障线路，选线正确。

当t=0.032 4 s时，电压过零，此时的零序电流幅值下降比较明显。表2是各线路在故障时刻附近的暂态电流幅值。

表2 各线路暂态电流幅值 A

由表2可知，相电压过零时的幅值下降为相电压不过零时的5～10倍。图7是相电压过零时各线路IMF2分量对比。

图7 电压过零时各线路高频IMF1分量对比

从图7可以看出，相电压过零导致了暂态分量减小，同时，也使各线路IMF2分量的奇异性难以判定，可能导致错选或误选。因此，此时应参考各线路检测到的220 Hz注入信号的幅值大小进行选线，如图8所示。

图8 电压过零时各线路20 Hz信号对比

由图8可以看出，在t=0.1 s附近线路4的220 Hz电流信号幅值约为2.8 A，而其它线路几乎为0，由此可判断线路4为故障线路，选线成功。

6 结论

基于EMD的暂态选线方法和注入信号法相结合的选线方法用于识别线路故障。经故障选线仿真试验，得出以下结论:

1)利用小波法对零序电流信号进行去噪处理可以剔除信号“毛刺”，以使EMD分解得到更准确的结果。

2)提取IMF2作为研究对象，可以避免IMF1中高频冗余分量的干扰。

3)IMF2的极性比较可以在除电压过零外的大多数情况下实现准确选线。电压过零时暂态分量过小可能导致该法失效。

4)注入信号法可以在电压过零时实现选线，但是过渡电阻过大时也可能失效。故要将上述两种方法结合比较，实现优势互补，提高选线准确性。

［1］李冬辉，史临潼.非直接接地系统单相接地故障选线方法综述［J］.继电器，2004，32(18):74－77.

［2］束洪春，彭仕欣，李斌，等.利用测后模拟的谐振接地系统故障选线方法［J］.中国电机工程学报，2008，28(16):59－64.

［3］要焕年，曹梅月.电力系统谐振接地［M］.北京:中国电力出版社，2002.

［4］HUANG N E，SHEN Z，LONG S R，etc.The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and nonstationary time series analysis［J］.Proceedings of the Royal Society A，1998，454(1971):903 －995.

［5］聂永辉，高磊，唐威.Hilbert－Huang变换在电力系统暂态信号分析中的应用［J］.电力系统及其自动化学报，2009，21(4):64－69.

［6］张德丰.Matlab小波分析与工程应用［M］.北京:国防工业出版社，2007.

［7］桑在中，潘贞存，丁磊，等.“S注入法”选线定位原理及应用［J］.中国电力，1997，30(6):44－46.

Study on the line selection for resonance grounding based on the combination of EMD and injection method

WANG Linchuan，LI Huijie，DU Bing，HAN Baoguo
(School of Electrical Engineering of Northeastern Dianli University，Jilin 132012，China)

Since the signal is weak when phase voltage exceeds zero with transient line selection method，this paper proposes a transient method，combining signal injection and EMD，select line when sub－high frequency component IMF2 of fault line reaches peak，the polarity of which is opposite to that of non－fault line;when phase voltage is above zero，select line by injecting certain frequency signal and detecting its transient amplitude at every outgoing line.Simulation of fault line selection proves that this method，which is accurate and safe，applies to any fault condition.

line consisting of power cable and overhead line;wavelet de－noising;EMD;IMF2;injection method

TM862

A

1002－1663(2012)01－0085－04

2011－09－07

王林川(1955－)，男，教授，研究方向为电力系统运行。

(责任编辑 郭金光)