【導(dǎo)讀】高阻接地保護的探究。南京工程學院電力工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）。線路發(fā)生高阻接地故障，不僅會降低電網(wǎng)供電的可靠性，而且還會嚴重影響。電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，造成重大損失。故障電流水平通常低于直接短路故障電流水平，引起的故障電流突變量很小，甚。至為零，其接地相電壓降小、三相線間電壓依然幾乎對稱，增加了高阻接地檢測。因此，為了深入研究高阻接地保護，尋找快速、可靠的保護方案，本文。列出了高阻接地故障的基本知識，包括高阻故障的類型及影響、高阻接地故障的。主要特征、影響高阻故障發(fā)生數(shù)量的主要因素、高阻保護的技術(shù)指標以及常規(guī)保。接地保護的新要求，結(jié)合小波變換和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對輸電線路發(fā)生高阻接地故障。時，故障信號優(yōu)化檢測方式做初步探討，總結(jié)了國外和國內(nèi)研究人員關(guān)于高阻接。地保護的研究狀況，并對高阻保護的發(fā)展提出了展望。關(guān)鍵詞高阻接地故障，低故障電流，優(yōu)化檢測，探討，展望

　　

【正文】 變點。對故障相電流來說，當去除正常分量的影響后，這 些值即代表故障分量信息。利用這一特性可以識別單相高阻接地故障。 小波識別 的識別判據(jù) E5 0 0 k v 1 1 0 k vMD NL O A D 圖 單端電源系統(tǒng)模型 圖 ，參數(shù)如下：母線 M的電壓等級為 500KV，母線 N 的電壓等級為 110KV；電源正序阻抗 1 1 107SZj? ? ?，電源零序阻抗 0 56SZj? ? ?；線路全長 L=300km，正（負）序電阻 ?? Ω /km，正（負）序電感 ?? H/km ，正（負）序電抗 ?? μ F/km，電阻 0 ? Ω /km，電感 0 ? mH/km，電抗 0 ? 51μ F/km。 圖 180km 處 A相經(jīng) 500 Ω 接地時故障相電流和零序電流的波形，圖 。 沈冬梅：高阻接地保護的探究 25 （ a） A相電流 （ b） 零序電流 圖 A相 180km處故障時故障相電流和零序電流 (R=300 Ω) (a)A相電流小波變換的波形 南京工程學院電力工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 （ b） 零序電流小波變換波形 圖 A 相 180km 處故障 （ 300 Ω ） 時故障相電流和零序電流經(jīng)小波變換后的波形 在故障發(fā)生前，經(jīng)小波變換后的電流波 形比較平滑，當數(shù)據(jù)窗中包含故障 數(shù)據(jù)后，由圖 ，與未包含故障數(shù)據(jù)的前一點相比，該小波變換的幅值有 明顯的躍升。隨著故障數(shù)據(jù)的增加，故障時刻的模極大值變化已經(jīng)非常明顯，對 比圖 ，可以發(fā)現(xiàn)：在故障開始階段，相 同時段的小波變化模極大值的符號、位置和個數(shù)相同，可見其小波變換模極大值 是等同出現(xiàn)的，如圖 （ a） 和 （ b） 中的 1~4 點， 這些極大值對應(yīng)于故障電流的突變點。這一現(xiàn)象同時存在于小波變換的各個尺度中。大量接地故障的小波變換分析也得出同樣的結(jié)論。上述分析表明，利 用故障相電流及零序電流經(jīng)小波變換后的模極大值特性可以有效識別出輸電線路單相接地故障，即同一尺度上故障相電流及零序電流的模極大值同號，則判為輸電線路接地故障。因此可以利用線路電流、零序電流經(jīng)小波變換后的模極大值特性作為接地故障檢測依據(jù)，即比較同一尺度上同一時刻的故障相電流和零序電流的模極大值是否同號，如果同號，則判定為發(fā)生接地故障。 由于小波變換固有的濾波特性，第一尺度包含了基波分量，主要表現(xiàn)為正常 情況下的電流信息，而第三尺度包含的高頻量太多，也不適合作為故障電流的提 取特性。圖 各尺度小波變換波形。 沈冬梅：高阻接地保護的探究 27 ( 1a )A相電流第一尺度小波變換波形 （ 1b ） 零序電流第一尺度小波變換波形 ( 2a )A相電流第二尺度小波變換波形 ( 2b )零序電流第二尺度小波變換波形 ( 3a )A相電流第三尺度小波變換波形 ( 3b )零序電流第三尺度小波變換波形 圖 故障相電流和零序電流各尺度小波變換波形 由上圖可見，第二尺度的小波變換最合適，因此選取第 2 尺度的小波變換值 作為提取特性，能夠保證較高的抗干擾性。判據(jù)如下： 以 , ( 1, 2 , 3 , , 1, 2 , )skW s k? ??? ? ???表示第 S尺度的各局部模極大值 ， k表示模極大值 南京工程學院電力工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 點。例如 表示第 1 尺度上的模極大值點 1。擇個尺度上局部模極大值同號的識別方法可采用以下規(guī)則： 如果 , 1 , , 1 , , 0n k n k n k n k n kW W W W W??? ? ? ? ?， 則 ,nkW 為正極大值； 如果 , 1 , , 1 , , 0n k n k n k n k n kW W W W W? ? ? ? ?， 則 ,nkW 為負極大值； 如果 , , , ,00on k I n k IWW? ? ? ?， 則正同號； 如果 , , , ,00on k I n k IWW? ? ? ?， 則負同號。 其中， ,nkIW?為相電流小波變換的局部模極大值； ? 表示 A、 B、 C 三相； 0,nkIW為零序電流小波變換的局部模極大值。當 AI 或 BI 或 CI 與 0I 小波變換的局部模極大值連續(xù)超過 n( n ≥ 3)次同號時，即認為 A或 B或 C可能發(fā)生接地故障。本論文中以 A相討論。 實驗及仿真驗證 MATLAB 簡介 MATLAB(MATr ix LABora tory,即矩陣實驗室 )是美國 Mathworks公司 1984年推出的高性能的數(shù)值計算和可視化軟件產(chǎn)品 ,歷經(jīng) 20多年的發(fā)展與競爭 ,現(xiàn)已成為國際公認的優(yōu)秀的工程應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。 MATLAB提供的 Simulink工具箱是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包 ,它為用戶提供了用方框圖進行建模的模型接口 ,直觀、方便、靈活。 Simulink有兩個明顯功能 :仿真與連接。是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的一個集成環(huán)境。 MATLAB中的電力系統(tǒng)模塊 P SB(Power System Blockset)是一種針對電氣系統(tǒng)的可視化建模與仿真工具 ,可用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電力傳輸?shù)冗^程的仿真 ,電力系統(tǒng)模塊 PSB在 Simulink環(huán)境下使用 ,通過點擊和拖拉等操作 ,可以很快的構(gòu)建系統(tǒng)的仿真模型。 沈冬梅：高阻接地保護的探究 29 基于 MATLAB 的仿真 對輸電線路 A相進行高阻接地故障仿真分析，當系統(tǒng)發(fā)生高阻接地故障時，如圖 A相發(fā)生高阻故障后電流增大不 明顯，根據(jù)電流的增大無法實現(xiàn)對高阻故障檢測。 圖 A相故障電流 根據(jù)小波變換中對奇異信號檢測原理，對 A相電流進行小波多尺度分析，檢測電流波形中的突變信息。小波基函數(shù)的選取以及多尺度分解的層數(shù)會影響到故障信號的時頻分析精度，因此根據(jù)實驗證實在多尺度分析程序中使用了Daubechies3(db3)小波能夠滿足本次檢測要求。此外選擇的分解層數(shù)少，則分析速度快，這對于高頻帶信號尤其明顯，但頻帶分辨率低；選擇的分解層數(shù)多，則分析速度慢，但頻帶分辨率高。兼顧兩者的關(guān)系并考慮所分析信號的時 變特性和 頻變特性，選擇合適的分解層數(shù)。在圖 20ms時發(fā)生故障，A相電流通過小波進行變換后在第二，第三尺度小波空間的變換系數(shù)發(fā)生了突變。在 20ms之前經(jīng)小波變換的波形是平滑的。其中 d2[n]電流突變明顯，能夠反應(yīng)高阻接地故障特征。 南京工程學院電力工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 圖 A相電流小波 5尺度分解 高阻接地故障分量的小波分解 單相接地故障時，故障特征會受到故障位置、過渡電阻、故障初始相角等條件的影響會發(fā)生不同程度的變化，影響故障的判別。 (1)故障初始相角的影響 沈冬梅：高阻接地保護的探究 31 南京工程學院電力工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 (a)初始相角為 0? (b)初 始相角為 30? (c)初始相角為 45? (d)初始相角為 90? 圖 沈冬梅：高阻接地保護的探究 33 非周期分量和高頻周期分量都會受到故障初始相角的影響，對于不同初始相 角，受影響程度是不同的。當初始相角為 0? 或者 180? ， 線路阻抗角為 90? 時，非 周 期分 量幅值最大，高頻自由周期分量再次幅值為最小； 當初始相角為 90? 時，非周期分量的幅值為最小，高頻自由周期分量的幅值為 最 大。圖 地電阻為 500 ? ，故障點在線路 30％ 處，初始相角為 0? ， 30? ， 45? ， 90? 時 A相模電流和零序電流的仿真分析結(jié)果。從中分析可以發(fā)現(xiàn)，初始相角的增加，零序電流小波變換系數(shù)模極大值是逐漸增大的，在 90? 時達到雖大。由此可見，小波變換分析的最 不 利的情況是在初始相角為 0? 情況。 （ 2） 故障位置的影響 分別選擇在線路的 10％ (線路近端 )、 50％ (線路中端 )、 90％ (線路遠 端 )三處 接地阻抗為 500? ， 初 始相位角為 45? 的接地故障進行仿真分析。從中可以發(fā)現(xiàn)，單相接地故障時刻零序電流、模電流都會發(fā)生一個較大的突變，隨著距離的增加，突變程度明顯降低?？梢岳眯〔ǚ治鲞@個性質(zhì)，通過設(shè)置整定值，保證區(qū)內(nèi)故障發(fā)生時，保護和發(fā)訊機快速準確啟動。 南京工程學院電力工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 (a)故障位 于線路 10％ 處 (b)故障 位于 線路 50％ 處 (c)故障 位于 線路 90％ 處 圖 （ 3)故 障接地電阻的影響 選擇 在線路 中間位置發(fā)生接地阻值 為 100? 、 300? 、 500? 的 單相接地故障來分析。從圖可以看出，隨著接地電阻的增加，零序電流、模電流突變值會不斷減小，以至于常規(guī)零序啟動元件無法啟動。在接地阻值為 500? 時，其故障電流小波變換系數(shù)模極大值也是明顯的，這說明小波變換在分析高阻接地故 障電流上具有優(yōu)越性。 沈冬梅：高阻接地保護的探究 35 南京工程學院電力工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 36 （ C） (a)接地電阻為 100? (b)接地電阻為 300? (c)接地電阻為 500? 圖 輸電線路發(fā)生單相高阻接地故障后，根據(jù)其電流、零序電流的波形及其小波變換后波形分析可以看到，故障發(fā)生后原始分量突變值較小，特別在接地阻值較大時，傳統(tǒng)的保護無法根據(jù)設(shè)定閾值進行動作 。若是通過小波多尺度分解對電流電壓波形進行分析，能夠看到當系統(tǒng)中未發(fā)生故障時小波變換波形后基本為零值，當發(fā)生故障后發(fā)生明顯的突變。因而可以使用小波變換對信號進行分解以便進行后續(xù)檢測。 本章小結(jié) 高壓線路中，單相高阻接地故障時有發(fā)生，由于其故障電量變化不明顯而難以檢測，但是故障暫態(tài)電流中包含著豐富的故障信息。同時，小波變換作為一種 沈冬梅：高阻接地保護的探究 37 新的數(shù)字技術(shù)被引入工程界后，己在信號分析等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。小波函數(shù)本 身衰減很快，也屬一種暫態(tài)波形，其是雙正交小波，具有緊支撐雙正交、對稱性，線性相位等優(yōu)點。為了準 確識別出高阻接地故障，本章利用高阻接地故障后故障相電流和零序電流經(jīng)雙正交小波變換后模極大值極性、個數(shù)和位置的比較形成了 高阻接地故障的識別判據(jù)。 利用仿真工具 （ MATLAB） 仿真 線路發(fā)生高阻接地故障 ， 得到 故障后相電流和零序電流經(jīng)小波變換后的情況，討論了影響高阻接地故障判斷的因素有故障位置、初始相角、接地阻值等 。 南京工程學院電力工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 38 4 基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸電線路高阻接地故障研究 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 設(shè)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為 3層網(wǎng)絡(luò) ， 包括輸入層、隱含層和輸出層 ， 輸出層采用線性輸出 ， 輸入層有 ( 1, 2,..., )M m M? 個神經(jīng)元，隱含層有 ( 1, 2,..., )K k K? 個神經(jīng)元，輸出層有 ( 1, 2,..., )N n N? 個神經(jīng)元。如圖 ， 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的激勵函數(shù)由原來 的 非線性激勵函數(shù) (如 Sigmoid函數(shù) )改變?yōu)樾〔ê瘮?shù)。 1x2xMx1y2yNy1 ()xh2 ()xh()k xh圖 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)歸納起來有以下優(yōu)點： (1)小波變換通過尺度伸縮和平移對信號進行多尺度分析，能有 效提取信號的局部信息； (2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學習、自適應(yīng)和容錯性等特點 ， 并且是一類通用函數(shù)逼近器； 沈冬梅：高阻接地保護的探究 39 (3)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基元和整個結(jié)構(gòu)是依據(jù)小波分析理論確定的，可以避免 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)） 等結(jié)構(gòu)設(shè)計上的盲目性； (4)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有更強的學習能力，精度更高； (5)對同樣的學習任務(wù) ， 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更簡單，收斂速度更快。 高阻接地故障檢測的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建 針對小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的兩種結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合高阻接地故障的具體實例分析，文章中采用松散結(jié)合型網(wǎng)絡(luò)進行檢測分析處理。關(guān)于松散結(jié)合型網(wǎng)絡(luò)的 特點做如下分析： ??? ?????? ???1x2x3x7x1y2y3y 輸入層小波變換層標準偏差化層 隱含層 輸出層