摘要：當中性點不接地系統發生單相接地故障時，通過對饋線上各相電流暫態分量的形成與分布特征的分析可知：故障相暫態電流分量（Transient Current Component，TCC）是由故障饋線的非故障相提供的自供性TCC和其它非故障饋線提供的相似性TCC組成，該重要特征使基于正交小波分解提取特征頻帶具有可行性、有效性和穩定性。文中所提出的構成單相接地保護繼電器的判斷準則是理論分析的定義，所以是固定不變的，即：不需整定計算,適合于中性點不接地模式的任何配電網。該保護方式容易融于分布式饋線保護間隔單元中，不需配置監控系統選線模塊或專用選線裝置。經過大量的ATP和MATLAB仿真驗證表明：該原理能夠準確地識別不同類型的單相接地故障，可靠性和靈敏度較高。 　　 關鍵詞：配電系統；中性點不接地模式；暫態電流分量；單相接地保護；正交小波分析；特征頻帶 　　 1 引言 　　 目前，在中性點非有效接地方式（包括經消弧線圈接地、中性點經高阻接地或中性點不接地方式）系統中，單相接地故障的檢測大多是依據變電站母線所有饋線的穩態零序電流按集中選線原理構造的，需在監控系統嵌入專用的選線模塊或專用的選線裝置。該類原理受系統運行方式及故障狀態等因素的影響較大，現場運行可靠性不高，準確率差。 目前在配網接地檢測中[1～4]還存在的問題有：故障信號疊加在負載電流上、穩態幅值較孝環境的電磁干擾等影響著故障分辯的正確性；系統運行方式多變、故障狀態多變、不確定因素多，故要求檢測方法具有更強的適應能力；專用選線裝置接線復雜，并與饋線保護不一體，不利于饋線自動化。這些問題雖已有不少研究[1～6]，但尚沒有得到很好的解決。 　　 本文在對饋線上各相電流暫態分量形成的機理與分布特征分析的基礎上，依據故障暫態電流分量（Transient Current Component，TCC）和正交小波分解算法，提出了單相接地故障的暫態饋線式保護新原理和判斷準則。它通過提取三相暫態電流特征頻帶（the Feature Band of Transient Current，FBTC）之間特征測度的比值形成繼電器的判斷準則。該準則是按故障相和非故障相上FBTC中特征頻帶測度的比值系數為依據。該判據與運行方式、負載或TA的對稱性、故障狀態特征等都無關，是基于理論分析的定義所以是固定不變的準則，動作特性具有更高的可靠性、穩定性、靈敏性和適應性。通過大量的ATP仿真和MATLAB小波分析得到了驗證。由于篇幅的限制，本文僅以中性點不接地模式系統為核心展開研究。 2 配電網單相接地故障繼電器的基本原理 　　 2.1 單相接地故障TCC的形成機理 在中性點不接地模式系統中，當饋線發生單相接地故障時，故障相中除原負載電流外，還存在著由故障相電壓突然降低和非故障相電壓升高而引起的電容放、充電的高頻暫態電容電流，該TCC中穩態工頻電流較小，高頻暫態分量較大[3～6]；當金屬性接地時，暫態接地電流的幅值可達穩態分量的7～8倍，且持續時間很短，約為0.5～1.0個工頻周波[8]。顯然，TCC的幅值、衰減性能與相關系統非故障線路對地電容大孝故障時刻相電壓的角度、故障過渡電阻、故障距離等因素有關，且受故障饋線的不對稱性、TA性能、運行方式等因素的影響，這些將在本文所提出的接地保護新原理中得到解決。 　　 為便于分析小電流接地系統單相接地故障時電容電流的分布特征，將其分為 ① 對故障饋線（Faulty Feeder，FF）的單相接地保護，為區內故障；②對所有非故障饋線（Healthy Feeder，HF）的單相接地保護，為區外故障。由故障相TCC的流通回路可知，其大小與FF上故障相的參數、非故障相的參數和HF上的參數等都有關系。它們是單相接地TCC的主要回路。在FF故障相上，TCC的強度與FF、HF的非故障相助增強度有關，系統中故障相的殘壓與故障狀態特征因素并且從理論上分析，即根據電流回路流向可知：在僅有一條故障饋線的系統中，故障相TCC近似等于任一非故障相TCC的2倍；當有多條饋線情況時，由于HF非故障相的助增作用，可使故障相TCC大于非故障相TCC 的2倍。本文的單相接地故障暫態電流保護繼電器的判斷準則由此而導出。 由TCC的分布可知，FF故障相的TCC是由FF的非故障相提供的自供性TCC和其它HF提供的相似性TCC所組成；并且從理論上講，在僅有一條故障饋線的系統中，根據電流回路流向可知：故障相TCC近似等于任一非故障相TCC的2倍；當有多條饋線情況時，由于HF非故障相的助增作用，可使故障相TCC大于非故障相TCC 的2倍。 　　 根據上述不接地模式下FF和HF各相的TCC之間確定的關聯特征，可利用相應的分析算法（如設計匹配的濾波器）提取故障特征頻帶或組合頻帶的測度，形成接地故障相間的測度比值，以作為構造單相接地故障暫態電流保護繼電器的判斷準則。按TCC的形成機理可知，該準則與中性點接地模式有關，只要是中性點不接地或諧振接地模式的配電系統，這一準則必然成立，且是從基本理論上建立的固有關系，是恒成立的關聯關系。 　　 2.2 正交小波分解算法及特征頻帶測度表征 　　 小波分析是處理非平穩暫態信號的工具，且已在電力系統中，如電能質量、繼電保護、暫態分析、高壓放電等檢測分析領域[7] 廣泛應用。在本文的研究中，因影響TCC的頻率、幅值、衰減的因素很多，且具有隨機性和不確定性。根據故障相TCC與其它部件TCC的關聯關系，在TCC的各種分量中最密切相關的是表征電容充電電流的暫態特征，因此，應用小波分析提取其特征是可行的。在多尺度分析方法中，時-頻分辨率是隨尺度變化的。正交小波分析屬多尺度分析，它對分解后的低頻信息進行再分解，從而可實現對TCC信息中反映接地特征頻帶的提齲 令cj（n）為待分解的信號，進行1次正交小波分解，可得到平滑信息cj+1（n）和細節信息dj+1（n）為 　　 式中｛hn｝和｛gn｝為多尺度分析（MRA）中定義的共軛濾波器。 　　 接地暫態電流保護基于正交小波分解算法的步驟如下： 　　 （1）故障暫態分量的提取，為了提取各相TCC的特征頻帶信息，應先消除負載電流的影響，按照Di=i后-i前求取故障暫態分量，其中，i后為單相接地故障后的故障電流瞬時值，i前為單相接地故障前的負荷電流瞬時值；再對故障暫態分量進行正交小波分解，提取反映接地的特征頻帶信息。 　　 （2）故障特征頻帶的提取，本文用不同采樣頻率對正交小波及正交小波包分解的不同層次數作了大量的仿真后，確定選用10kHz的頻率提取故障特征，對于不接地模式，將TCC經2層小波分解，采用第2層的低頻帶，即（2,0）頻帶上的信息提取故障特征測度，它能比較全面地反映中性點不接地系統的不同接地故障特征。 　　 對某一頻帶的分解序列求取lp（p=1）范數，作為接地故障的特征值。lp范數的計算公式為 式中｛WTjk｝為小波分解后第j頻帶上的分解序列； 　　 PI（j）為第j時頻帶上的lp范數，p=1即該頻帶上的時頻信號序列的積分，表示該頻帶信號的測度大校計算時為消除邊界效應，需要足夠大的數據窗長度。實際上，暫態過程一般不超過一工頻周波的時間，考慮到計算邊界的誤差，本文采用了故障前半周和故障后2周共50ms的數據長度作為數據分析窗。 　　 （3）特征頻帶測度比值的求取，配電網的每一條出線（i）按照式（3）計算各饋線中三相TCC分解后的特征頻帶，求得的頻帶測度相對比值系數大者即可用作接地繼電器的判據準則。 式中PI（j）ˊnfp1, PI（j）ˊnfp2為饋線（i）上兩非故障相TTC分解后第（j）頻段的測度；PI（j）ˊfp為饋線（i）上故障相TCC分解后第（j）頻段的測度。 　　 （4）繼電器的判定，將取式（3）中計算的測度比值與固定的判斷準則值（取1.9，取該值的依據在本文仿真中說明）進行比較，比較結果大于判斷準則值，為區內故障，否則，為區外故障。 3 ATP仿真分析 　　 3.1 仿真模型的基本依據 　　 本文以中性點不接地系統模型為研究依據，設FF為A相接地，分2種情況來仿真和分析：①按一條獨立的FF，僅存在自身的TCC，作為區內故障的最小方式，來校驗所提出的理論性判據；②多條饋線等效為一條FF和一條HF（即助增的饋線），作為分析區內、外故障特征判據的依據，對各類接地故障分別以10kV和35kV的配電系統進行仿真，線路的參數按架空線路的參數（因電纜饋線的助增TCC更大），并保證全系統的電容電流為：10kV配網不超過20A；35kV配網不超過10A。 各類接地故障狀態特征的類型有：① 故障相故障時刻相電壓瞬時角為0°，45°，90°3種不同情況；② 過渡電阻從0W ～300W ，步長為10W變化；③ 故障線路長度變化或非故障線路線路長度變化，步長為1km。對不同故障狀態特征進行組合，形成1272個樣本進行ATP仿真和MATLAB小波分析測試。 　　 3.2 一條獨立故障饋線的仿真和分析 　　 以只有一條出線的配電系統（在實際系統中一般是不存在）對繼電器的最小運行方式進行動作能力的考核，據此可分析其各相TCC特征頻帶的特征相對比值KFF的規律。仿真故障類型由546個樣本集構成，如表1所示，表中，Rf為過渡電阻；LFD為故障點距離；LFF為FF的長度；q為故障相電壓的瞬時角。圖1給出了FF特征頻帶的KFF變化規律。 由圖1和表1的數據可得出結論：故障相與非故障相上的任何一條高頻帶和測度比值都是2.0，2個非故障相對應頻帶之間的測度比值是1，如圖1所示。由于故障相TCC的自供性是來自于FF本身非故障相的TCC，因此該基本性質確定了KFF不受過渡電阻、故障瞬時角、線路長度、故障點位置等因素的影響。 　　 3.3 一條故障饋線和一條非故障饋線的仿真分析 　　 文中以2條饋線系統作為研究模型，仿真多條饋線運行時故障饋線和非故障饋線特征頻帶的測度比值性能，以分析KFF判斷準則的可靠性，并確定FF（即區內故障）的識別界限，仿真時共采集726個帶負載樣本集。仿真各故障類型的組合如表2所示。表中，LHF為HF的長度。由于HF各非故障相上TCC都需由故障接地點流經FF的故障相形成回路，顯然對故障相TCC起到了助增作用，因此，FF故障相TCC的特征頻帶值與非故障相特征頻帶值的特征比值KFF>2，即大于單一饋線的情況。根據該機理就可確定單相接地繼電器的動作判據，本文提出饋線區內接地故障的判據特征頻帶的測度比值KFF>1.9（不用2.0，主要是考慮工程可存在的10%的饋線長度誤差）；根據TCC分布和流動回路，HF流經各相的TCC是饋線本身的TCC，但故障相與非故障相不同，它們的差別是故障相的TCC不經過變壓器的低壓線圈阻抗。因此經大量的仿真得出，本文提出的對饋線區外接地故障的識別判據為測度比值KHF<1.33（見表2），考慮實際工程的可能誤差，本文提出HF的識別判據為KHF>1.9，顯然，該判據在識別區內和區外之間留出了足夠大的安全空間，因此本文提出原理的判據準則是可靠的和可行的。全部仿真的區內、外測度比值如表2所示。圖2給出了特征頻帶上測度比值KFF、KHF的變化規律。由圖可知：所提出的原理對任何饋線都只需在自身內部數據進行測度的求取即可。 　　 3.4 仿真結果分析和結論 　　 通過大量的仿真和計算，得出以下結論： 　　 （1）FF上故障相的特征比值KFF隨著HF對地電容電流的增長而變大，因此，HF對接地保護是起助增的作用。根據大量的仿真得知，在有助增饋線存在時，可確保單相接地FF（即區內故障）的故障相識別和判斷的測度比值KFF>1.9，HF（即區外故障）可靠識別測度比值為KHF>1.9； 　　 （2）由于FF故障相的TCC是由本身非故障相提供的自供性TCC和其它HF提供的相似性TCC，為小波分解時特征頻帶的提取提供了可行性、有效性和穩定性； 　　 （3）由于在發生單相接地時FF和HF所形成的TCC具有基本的自供性和相似性，而本文所提出的判據是故障相與非故障相之間特征頻帶測度的相對比值，所以完全不同于早先的選線原理。且由于不是用零序而是基于三相的暫態特征分量原理和特征頻帶測度的相對比值來判斷，所以故障前的穩態性能如負載電流大孝不對稱、TA的特性等與判據無關；由于采用了測度的相對比值，使接地故障狀態參數的影響因素得到了有效的抑制。大量的仿真證實了如過渡電阻、故障距離、運行方式和故障瞬時角等都能得到有效的抑制； （4）有關小波分析的計算時間是被特別關注的問題。本文用10kHz的采樣頻率，50ms數據窗，即500點。對于DB5（支撐是10，就是10個點）小波，只計算（2,0）頻帶序列需要3750次乘法，3475次加法。對主頻12M的單片機，大約需要12ms，計算三相需36ms，加存儲器操作的輔助時間約為1.5倍，為54ms，總計為90ms，該計算時間是具可行性的。 4 單相接地保護繼電器的構造和實現 　　 4.1 單相接地保護的啟動方式 　　 根據中性點不接地系統在發生單相接地時的暫態特征，可根據現場的具體情況選用不同的啟動方式，可供選擇的啟動方式有：零序電壓突變量啟動、相電流突變量啟動和零序電流突變量啟動。 　　 4.2 饋線單相接地保護的實現 　　 考慮到接地保護的特點，本文提出利用測量TA獲取三相TCC的采樣數據，以提高檢測精度，故要求配置三相式測量TA；采樣頻率為10kHZ，對常規測量可隔10點抽取一點 （即20點/周） 進行計算。保護啟動后，錄波得到故障時刻前半周、后2周共50ms的采樣數據，對三相TCC信號分別進行正交小波分解，得到（2,0）特征頻帶測度值，選取其中最大測度作為依據，進行相間測度比值KFF>1.9的判別......。保護原理要求三相測量TA配置，如現場已是兩相式TA和零序TA也可經轉換求齲若判斷為該條線路發生單相接地，則可根據實際運行情況發出報警信號或作用于跳閘后再重合（電纜饋線除外）。 　　 5 結論 　　 本文提出了一種基于相電流暫態特征分量原理的單相接地饋線暫態電流保護，其特點如下： 　　 （1）在中性點不接地系統中，FF故障相中的TCC是由本FF的非故障相提供的自供性TCC和其它HF提供的相似性TCC組成，為小波分解的特征頻帶提取提供了可行性、有效性和穩定性，為本文研究的保護繼電器提供了理論依據。 　　 （2）所提出的固定判斷準則對任何不接地模式的配電網都適用，毋須整定計算，其中，單相接地FF（區內）故障相識別和測度比值大于判斷準則，即KFF>1.9；HF（區外）可靠識別測度比值小于或等于判斷準則，即KHF>1.9。HF對接地保護是起助增作用的。 　　 （3）所提出的判據準則是特征頻帶測度的相對比值，完全不同于常規選線原理，也不同于目前保護原理的定值。它對系統的多變因素、不確定因素具有較強的抑制性和自適應能力。 　　 （4）所提出的保護方式能與分布式饋線保護單元構成一體化間隔單元，就地安裝在開關柜上，有利于方便地實現饋線自動化。 　　 本文的研究雖然進行了大量的仿真測試，但還須在現場運行中接受驗證。