信息融合技术在小电流接地系统故障检测中的应用

郝洁

摘要：随着信息融合技术和电力系统的发展，信息融合技术越来越多的被用到处理复杂的和不确定性问题上。本文基于信息融合技术在选线思路上做了一定的原理探究，所研究的信息融合方法也相对比较简单，决策层信息融合中隶属函数的形状和每个特征所取的权值的处理要根据不同的小电流接地系统做不同的调整，这些问题尚需深入研究和不断完善，进而达到最大限度地提高选线准确率的目的。

关键词：小电流单相接地 故障检测 信息融合

1 小电流接地系统故障概述

小电流接地系统在发生单相接地故障时，受接地相角、接地电阻、接地方式等等多种因素的影响，再加上电网本身结构和负荷很复杂，所以，到目前为止还没有一种方法可以很好的解决小电流接地系统单相接地故障选线的问题。在目前看来，小电流接地系统单相接地选线问题因为存在上述的多种因素的影响，所以我们单独采用一种方法进行准确选线是很困难的。经过电力工作者和科研工作者多年的努力，现在我们已经探索出多种基于不同原理的选线方法。本文通过采用新兴的信息融合技术来把多种方法综合起来，对故障特征信息进行融合，进而达到最大限度地提高选线准确率的目的。

2 数据层信息融合

随着对信息融合研究的深入，在多个领域己经采用了信息融合技术来解决实际的问题。同样，对于复杂的电力系统我们也应该采用信息融合技术来综合复杂的电力系统中的各种信息来做出准确的决策和判断。小电流接地系统一直是电力系统中的一个难题，经过几十年来科研工作者的努力，至今都没有很好的解决。但是，我们从不同的角度、基于不同的原理已经获得了很多选线方法。所以，我们采用信息融合技术来融合不同选线方法，进而提高选线的正确率。在故障选线信息融合过程中，数据层信息融合对应于AD采集数据的滤波处理及故障启动检测，其数据层信息融合方法包括差分滤波、采样频率自动跟踪、零序电压启动判据。在数字式故障选线装置中，数据层信息融合和特征层信息融合得到广泛使用，在故障选线中决策层信息融合技术得到初步的应用。对于故障选线装置通常只采用单一的故障选线方法进行故障选线。为此，一方面需要研究不同的故障选线方法的融合处理，另一方面需要研究配电网中不同测量点的各种故障特征量的融合处理，采用更多的故障特征量进行综合故障选线，进而提高保护的精度和鲁棒性。

进行故障检测时，单一的故障选线方法准确度比较低，其原因在于：①小电流接地系统零序阻抗大，在故障接地过渡阻抗的影响下，产生的故障电流比较小，导致故障线路与非故障线路难以区分。②在各种干扰因素的影响下，通过故障选线装置对故障特征量的测量具有很大的模糊性和不确定性。

通常情况下，故障检测信息的类别影响着干扰的程度，对不同的故障检测信息同一干扰信号的影响也存在较大的差异，例如：接地相角对暂态电容电流的影响比较大，在接地相角比较小时，暂态电容电流幅值比较小，所以，此时基于暂态电容电流的选线方法不是很理想：而基于5次谐波的选线方法却不受接地相角等因素的影响。

当小电流接地系统发生故障后，与正常运行相比，系统在稳态和暂态都会表现出不同的特征。基于稳态分析的选线方法研究的比较多，其中许多方法在现有的选线装置中得到了广泛应用；而基于暂态分析的研究相对较少，随着DSP和其他硬件技术的发展，获取暂态信息的能力不断提高，再加上在电力系统应用了小波分析理论。所以，要充分利用小电流接地系统的在暂态所表现出的故障特征进行故障选线。

以前多是单独根据稳态或者暂态来进行选线，没有充分利用故障信息，所以，本文顺应电力系统信息化发展的潮流，采用新兴的信息融合技术，把暂态和稳态两个方面的故障特征作为来自不同的“传感器”所得到的数据，充分利用两方面的特征信息，最大限度的提高选线的准确率。而且，根据电力系统规章，故障发生后还允许运行1-2个小时，所以，也给我们进行信息融合处理放宽了时间上的限制，可以考虑在实际工程上进行运用本方法。

3 小电流接地系统故障特征分析

当中性点非直接接地系统出现单相接地时，产生暂态过程。电气量中含有高频分量和直流分量。其中，电流量通常比较大，尤其是接地电容电流的暂态分量往往比其稳态值大几倍到几十倍，容易测量。而此时的消弧线圈对于暂态分量中丰富的高频信号相当于开路。

在单相接地故障发生后，故障相电压降低，正常相的电压升高：由于线路上存在分布电容，所以，相电压的变化会导致分布电容有一个比较明显的充放电的过程。故障点的相电压降低，这条线路的电容进行放电，相当于加入了一个电流源，故障线路的电流从故障点流向母线，而正常线路的电流从母线流向线路末端。因为对于暂态电容电流而言，它们的频率是比较高的，消弧线圈的作用可以忽略，相当于中性点不接地，所以，故障线路的暂态电容电流幅值相当于别的线路上的电容电流的总和。

小波包变换实际上就相当于一个高通和低通双通道滤波器，其过程就是将信号分为高频信号和低频信号，再对高频信号和低频信号进行再次的分解，分解到所需的频率段。通过小波变换把信号分解成不同的尺度，对信号进行多分辨率分析，把信号分解成不同的频率段分量。

所以，采用小波包对各条线路进行小波包分解，找出电容电流特征最明显的频段，可以根据这个特征頻段的模最大值来比较电容电流的大小。也就是说，小电流接地系统发生单相接地故障后，在系统所有的线路中，故障线路的暂态电容电流经小波包分解后特征频段的模最大值是最大的，这一点可以成为我们进行故障检测的依据。

受电网本身和接地电阻的影响和制约，通过选取合适的小波函数，进而最大限度地提取暂态故障信息。但是，面对不同的电网，不同的接地方式，不同的接地电阻，都会对故障信息的幅值有所影响，但是故障线路的电容电流相对来说还是比较大的。通过采用比较法，找出各个线路在细节系数的模的大小顺序，通过模糊运算得出判断结果。在各种干扰存在的情况下，最大限度的提高选线的准确率。

4 故障选线过程

因为在发生单相接地故障后，三相零序电压比起正常情况突然有明显升高，所以把零序电压作为发生单相接地故障的判断信号。一般情况下，设置一个电压阂值，当三相电压超过此值时，我们就认为是发生了单相接地故障。

因为要对暂态过程进行分析，我们又不能够预知故障发生的具体时刻，所以采样要不间断的进行。当判断发生单相接地故障后，再连续采样几个周期，然后，根据接地故障前的1个周期和故障后的几个周期的数据进行离散小波包分析，根据以上所述的原则对每条线路的模最大值按大小顺序进行排队。

谐波法是基于稳态特征进行选线，所以，我们需要根据故障后的数据进行运算。因为傅里叶变换可以计算几次谐波，所以，我们可以等进行完离散小波包分析后，对小电流接地系统进行数据采样，用傅里叶变换求出每回出线零序电流的5次谐波。

接下来就是对所获得的稳态和暂态特征量进行模糊化，再加权进行求和，把计算结果按大小顺序进行排队，让电站操作人员进行故障选线，排除故障线路。本文所采用的方法具体的实现流程图如图1所示。

5 结论

对于小电流接地系统的故障选线，本文通过采用信息融合技术进行解決。通过综合处理多种故障信息，在一定程度上降低了干扰的影响，进而提高了故障检测的精度以及系统的鲁棒性。对于故障选线方法输出的模糊性通过隶属函数进行表示，通过加权求和的方式进行运算，进而将多种故障选线方法的信息进行融合。

随着信息融合技术和电力系统的发展，在电力系统中运用信息融合技术解决复杂问题。但是，基于信息融合技术的小电流接地系统的单相接地故障选线处在起步阶段，对信息融合方法的研究相对简单，对于隶属函数的形状和每个特征的权值，需要根据小电流接地系统做出相应的调整，这些问题需要进行深入地研究。

参考文献：

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