用于配电网单相接地故障选线的注入信号检测技术

王希

（华北电力大学，河北保定071003）

用于配电网单相接地故障选线的注入信号检测技术

王希

（华北电力大学，河北保定071003）

注入信号法已广泛应用于配电系统单相接地故障选线。注入信号的幅值与工频信号相比十分微弱，能否可靠、准确检测出注入信号就成为选出接地线路的关键。在分析注入信号幅值和频率对检测影响的基础上，设计一种模拟滤波与数字滤波相结合的注入信号检测方案。模拟滤波采用双T滤波器，主要完成工频陷波和对注入信号的选频放大；数字滤波采用差分滤波器和带通滤波器，对直流分量、基波和各次谐波进一步衰减，并准确提取注入信号。采用PSPICE和MATLAB分别对模拟滤波电路和数字滤波器性能进行仿真分析，结果表明所设计的滤波系统能够准确、可靠地对注入信号进行检测。

配电网；单相接地；注入信号检测；模拟滤波；数字滤波

0 引言

利用外加注入信号对配电网单相接地故障进行选线的方法具有不受系统结构和消弧线圈补偿的影响，选线准确率较高，且能够实现故障定位功能，已广泛应用于我国配电网中。但是注入信号与工频信号相比幅值很小，加之现场电磁环境复杂，各种杂波干扰、耦合电容的存在都会对注入信号带来影响，使得准确、可靠检测注入信号变得较为困难，严重时甚至会导致小电流接地选线定位保护装置出现误选或漏选［1-3］。

信号注入单相接地故障选线会受过渡电阻的影响，过渡电阻使得流过故障线路的注入电流信号产生分流［4］，为了确保选线准确率，必须能够对注入信号进行灵敏、可靠、准确的检测。

传统的注入信号检测装置主要依靠模拟滤波器对注入信号进行检测，为了达到较好的信号检测效果，需要采用多级滤波，且滤波器的带宽较窄，存在探测器体积大、功耗高、易发生自激振荡、检测精度不高等问题。

设计一种滤波系统，包括模拟滤波与数字滤波，二者共同作用对注入信号进行精确检测。其中模拟滤波器主要完成工频陷波、注入信号选频放大等功能，所需元件较少，可以设计较宽带宽，不会出现自激振荡等问题；数字滤波器具有带通特性，可对注入信号进行精确提取，完全能够满足现场对注入信号检测精度的要求。仿真计算验证了该滤波系统的有效性。

1 信号注入法基本原理

当配电系统发生单相接地故障后，向故障系统注入幅值较小、与电力系统固有频率相区别的电流信号，通过在不同位置对注入信号进行检测完成单相接地故障选线和定位功能［5-7］。如图1所示，当中性点不接地系统发生金属性单相接地故障时（以C相为例），C相对地电压降为零，Uan＝Ubn＝100 V，零序电压Uln＝100 V。此时C相的TV二次绕组中无感应电压，相当于处于“闲置”状态［8］。借助故障相TV的二次绕组，可以将注入信号耦合到一次系统，并经过TV接地点和系统故障接地点形成注入信号电流的流通回路。

图1 注入信号法选线原理示意

注入信号的流通回路如图1中虚线①、②所示。SG表示注入信号源，①为注入信号在TV二次侧的流通路径，②为注入信号在一次系统的流通路径。可以看出注入信号仅在故障线路中流通，在非故障线路和故障线路的接地点下游都不会出现注入信号。因此只要检测各出线中有无注入信号电流，便可确定故障线路，实现单相接地故障选线；在故障线路上对注入信号进行检测，找到注入信号消失的位置，即可实现单相接地故障的定位［9-10］。

2 注入信号的选取

注入信号是外加信号，借助TV耦合到一次系统中，受TV容量的限制并考虑到对系统的影响，注入信号的幅值不宜太大；为了方便检测，注入信号的频率必须与系统的固有频率分量相区别，因此选取注入信号对单相接地选线和定位功能完成十分重要［11-12］。

2.1 幅值的选取

注入信号幅值越大，越有利于检测。假设注入信号源输出的电流幅值为5 A，TV变比为10 kV／100 V，该信号通过TV二次侧耦合到一次侧后幅值降为50 mA，在保护装置内部再经过电流变换器，最后保护装置所采集到的注入信号幅值约为1 mA，该值与工频信号相比很小，如果考虑中间过程衰减、过渡电阻分流、其他信号干扰等因素，该值会更小。因此选择的注入信号幅值不能很小，否则保护装置将无法得到可靠的检测结果。

注入信号的幅值也不能过大。注入信号属于间谐波信号，如果幅值较大，势必会给系统的运行、计量、保护和控制等多个环节带来不利影响，因此必须限制幅值不能过大；如果注入信号的幅值过大，会超出TV的容量限制，可能发生TV断线或烧毁的现象（目前配电系统所用TV的容量一般为30 VA或50 VA）。

实验室测试和现场运行经验表明，注入到TV二次侧绕组的信号幅值应取3～6 A。

2.2 频率的选取

注入信号频率的选取主要取决于［13-15］：注入信号的频率必须与电力系统固有频率相区分，即不能使用基波和谐波频率；注入信号的频率不能太低，否则易受工频和直流分量的影响，检测误差会增大；注入信号的频率也不能太高，否则系统容抗变大，检测灵敏度会降低［4］；为了满足数字滤波器的设计要求，要在工频信号的一个采样周期内，使注入信号的采样点数也为整数，且还要满足采样定理的要求。

本文AD采样频率设为1 600 Hz，注入信号频率选择为80 Hz，能够满足各方面的要求。只要能满足上述要求，选择其他频率也是完全可以的。

3 滤波系统设计

采用注入信号频率为80 Hz，通过模拟滤波和数字滤波相结合的方式，对80 Hz注入信号进行可靠、准确的提取。

3.1 模拟滤波器的设计

模拟滤波器采用双T型带阻滤波，以达到衰减工频信号的目的。

图2 双T带阻滤波器及等效电路

双T型滤波器结构如图2（a）所示，该滤波器由一个低通滤波器和一个高通滤波器并联构成。低通滤波器由两个电阻R和一个电容2C构成一个T形网络，高通滤波器由两个电容C和一个电阻R/2构成另外一个T形网络。利用Y—△变换可将双T网络简化成π型等值电路，如图2（b）所示。该滤波器传递函数的幅频特性为

设计的工频带阻滤波器幅频响应曲线如图3所示。可以看出滤波器对工频信号的衰减达到了60.4 dB，具有良好的工频带阻能力。80 Hz距离工频较近，对注入信号也有一定的衰减作用，衰减大小为25.8 dB。因此在工频带阻滤波器后，需要增加选频放大环节，对80 Hz的信号进行选频放大，便于后续电路处理使用。

图3 带阻滤波器幅频响应特性曲线

3.2 数字滤波器设计

虽然模拟滤波器对工频信号有较大的衰减作用，但由于工频信号幅值相对注入信号而言非常大，经过模拟滤波后，信号还是以工频和各次谐波信号为主。为了准确提取叠加的注入信号，可以借助数字滤波器。首先对直流、工频和谐波信号进行陷波，然后用窄带的带通滤波器提取注入信号。

3.2.1 工频与谐波陷波器的设计

对工频和谐波信号陷波采用最简单的差分滤波器。如果系统的采样频率为1 600 Hz，对工频信号一周采样32点，对80 Hz的注入信号，一周采样20点。差分滤波器的差分方程为

式中：k取32。

对于80Hz的注入信号，差分滤波器的幅频响应为

即经过差分滤波后，注入信号幅值增大为原来的1.9倍。可见差分滤波器不仅能够消除工频和各次谐波的影响，对于注入信号还有放大作用。

3.2.2 带通滤波器的设计

注入信号频率靠近工频，且幅值很小，为了准确提取注入信号，设计一个高阶窄带的FIR带通滤波器，中心频率为80 Hz，带宽为10 Hz，滤波器阶数为200阶。

FIR滤波器可以对给定的频率特性直接进行设计，滤波器的传递函数只有零点，除原点外，没有极点，因此FIR要取得好的衰减特性，一般要求传递函数的阶次要高。FIR滤波器具有一直稳定，易于实现线性相位，允许设计多通带滤波器等优点。

采用MATLAB数字信号处理软件包对带通滤波器进行设计，窗函数为Hamming窗。设计得到的带通滤波器幅频响应特性如图4所示。可以看出，该数字滤波器具有良好的带通特性，且对工频、各次谐波信号具有良好的衰减作用，即使在差分滤波环节由于系统频率偏移无法完全滤除直流、工频和谐波分量时，在带通滤波环节也能保证对上述信号的可靠衰减。

带通数字滤波器的计算公式为式中：x（n）为滤波器输入；h（k）为数字滤波器的单位冲击响应，由200个常数项组成，具体数值在滤波器设计完成后可以获得；y（n）为数字滤波器的输出。

图4 FIR 80 Hz带通滤波器的幅频特性

4 滤波系统性能仿真测试

4.1 模拟滤波器性能仿真

采用电路分析仿真软件PSPICE对设计的50 Hz带阻滤波器和放大电路的性能进行了仿真分析，仿真模型如图5所示。

图5 模拟滤波器仿真模型

当输入为50 Hz、1 V的电压信号时，经滤波电路和放大电路后的波形如图6所示，可见该滤波器对工频信号具有良好的衰减作用。将输入设为80 Hz、1 mV的电压信号，输出信号的波形如图7所示，可见该滤波器对80 Hz也有一定的衰减作用，但经过放大处理后，80 Hz信号的幅值与50 Hz信号的幅值处于同一数量级，这就为后面数字滤波器的可靠工作提供了有利条件。图6和图7中的波形均出现了向下偏移的趋势，这主要是器件直流偏置电压的存在所导致的。

图6 50Hz的1 V电压信号经滤波器后波形

图7 80Hz的1 mV电压信号经滤波器后波形

4.2 数字滤波器仿真

在数字滤波器中，使包含不同频率分量的信号经过带通滤波器，来考察其提取80 Hz信号而滤除其它频率信号的能力。调用Simulink中的功能模块构成数字滤波器的模型如图8所示。

图8 数字滤波器仿真模型

将FDATool所设计的滤波器文件导入，数字滤波器便可按照设计的特性进行工作。构造两组信号对数字滤波器的性能进行分析验证，第一组信号包含了基波、三次谐波和直流分量，其数学表达式为

第二组信号在第一组信号的基础上，叠加了80 Hz信号，其数学表达式为

两组信号经数字滤波器后的输出波形分别如图9和图10所示。

图9 对信号x1滤波后波形

从图9中可以看出，信号经过数字滤波器后，所有信号幅值都产生大幅衰减，可见其对直流、工频和谐波分量具有良好的滤波作用。从图10可以看出，信号x2经过数字滤波器后，80 Hz的信号基本没有衰减，而其他频率成分基本被滤除，表现出良好的带通特性，达到滤波器的设计要求。

图10 对信号x2滤波后波形

5 结语

在基于信号注入法的小电流接地选线定位保护中，注入信号的幅值相对较小，对准确可靠的进行选线和定位带来了不利的影响。提高对注入信号的检测灵敏度和精度，有助于进一步提高单相接地选线和定位的准确率和可靠性，具有很高的应用价值。设计包含模拟滤波器和数字滤波器在内的滤波系统，不仅对电力系统直流分量、基波和各次谐波有很好的衰减作用，而且能对80 Hz的注入信号进行精确的提取。仿真测试验证了该滤波系统的可行性和有效性，完全可以应用到实际装置中。

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Signal Injection Detection Technology for Fault Line Selection of Single Phase to Ground Fault in Distribution Power System

WANG Xi
（North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Signal injection method has been widely applied in distribution power system to select single phase to ground fault line for many years.The amplitude of injected signal is much weaker than 50Hz.How to detect the injected signal with high reliability and accuracy is very important for reliable fault line selection.The effect of the amplitude and frequency of injected signal on detection is analyzed,an signal injection detection scheme is designed.This scheme consists of analog filters and digital filters.Analog filters apply double-T filters,which can attenuate 50Hz signal and amplify injected signal.Digital filters contain differential filters and band-pass filters,which can eliminate direct current signal,50Hz signal and harmonic further while picking up the injected signal accurately.Performances of analog and digital filters are analyzed by PSPICE and MATLAB，and results show that this filter system can test the injected signal reliably and accurately.

distribution power system;single phase to ground fault;signal injection detection;analog filter;digital filter

TM773；TM727

A

1007-9904（2015）08-0013-05

2015-07-14

王希（1994），女，华北电力大学电气工程及其自动化专业，参与GIS电气性能测试、电动汽车绝缘电阻测试方法等多项课题研究。