基于小波分析的配电网单相接地故障诊断方法

安徽理工大学 许运山

我国配电网是我国极其重要的基础设施，而单相接地故障在配电网故障中最为常见。当出现单相接地故障时，故障线路处的接地电流难以检测，故障特征难以辨识和提取。随着配电网规模的不断扩大，对配电网安全性的要求也在不断提升。孙鹏提出了一种将蚁群算法和模糊神经网络相结合的故障诊断方法，该方法适用于大多数情况下的故障检测，但检测时间较长。郭谋发设计了一种立足于支持向量机的奇异值分解故障诊断方法。该方法能降低特征值的提取难度，快速提取出特征值，减少故障诊断时间。但故障类型诊断准确率下降。白振宇研究了一种关于导纳系数的故障诊断方法。只需要较少的特征相量即可检测出故障类型，具有一定的实用性。王世林提出了一种基于BACA和FNN的故障诊断系统，解决了算法迭代次数较多、搜索较慢等问题，能够实现不同故障类型的精准分类。

本文提出将先进的小波分解理论应用于配电网单相接地故障诊断中。首先，分析配电网发生单相接地故障情况时，各相电压电流变化情况，通过对稳态特征和暂态特征进行分析和对比，分析得出零序电流分量在发生故障时，突变量较大。其次使用小波分析来对零序电流进行分解，选择dB5作为小波变换基函数，通过小波分解对暂态信号的特征提取功能，提出了一种了利用小波变换模极大值的诊断方法。最后本文采用MATLAB/Simulink软件搭建仿真平台，通过模拟配电网线路发生单相接地故障这一情况，对该方法进行仿真验证。

仿真结果表明：本文提出的方法能够准确的对配电网单相接地故障进行诊断，具有较高的可靠性和准确性。

1 配电网单相接地故障分析

1.1 暂态特征分析

系统发生单相接地故障时，三相线路接地的电容C为同一值，相电压发生变化，此时三相线路中的电容电流之和为0，假设B相发生故障时，则B相的电压是0V。B相此时的对地电容的电流也为0A。使得非故障相的对地电阻增加为原来的倍，并且此时非故障相的对地电容的电流也增加为原来的倍。

1.2 稳态特征分析

在中性点经消弧线圈接地线路出现单相接地故障的情况，暂态电感电流会保持平稳的幅度不断的减小，而暂态电容电流会以较大的幅度减小。

2 小波分析法

本文利用小波分析法进行诊断，使用dB5作为小波变换基函数，选线频带采用暂态特征突变程度最大的频带。通过小波分解出的模极大值和极性来判断出故障线路。具体步骤如图1所示。

图1 小波分析诊断流程图

如图1所示，对线路中的零序电流进行小波变换，当检测到的线路中零序电流的小波变换模极大值最大，方向与其他线路的方向不同，则该条线路被诊断为单相接地故障线路。当被检测线路中的零序电流经小波分解后的模极大值有一条较大但方向和其他线路相同，则该故障线路被诊断为母线故障。

3 仿真与验证

通过Simulink搭建仿真平台，设置母线发生单相接地故障，如图2所示。

图2 单相接地故障仿真平台

如图3所示，单相接地故障发生在系统0.05s时，此刻通过波形图可知零序电流幅值发生较大的突变，由图4可得出线路1的零序电流小波变换大于线路2，但线路1和线路2具有相同极性，即可判断出此时为母线发生单相接地。仿真结果表明该方法能够实现配电网单相接地故障的准确的诊断。

图3 线路1和线路2零序电流波形

图4 线路1和线路2零序电流信号小波分解图

总结：本文通过对配电网单相接线系统故障特征的详细分析，得出了通过故障线路零序电流发生较大突变的结论，通过选用小波分析法将各线路零序电流进行暂态分量下的提取和分解，提出利用小波变换模极大值的故障选线方法。通过对比每条线路上同一时刻下的小波变换模极大值和方向，进而对故障线进行诊断。最后仿真结果表明：该方法具有较高的准确性、可靠性和实用性。