第24卷第9期 2011年9月 广东电力 GUANGDONG ELECTRIC PoWER Vo1.24 NO.9 Sep.2011 基于模糊理论的多判据信息融合 小电流接地系统单相接地故障选线方法 王波,余传坤,叶俊,白杨 (武汉大学电气工程学院,湖北武汉430072) 摘要:小电流接地系统的单相接地故障选线问题是长期以来一直存在的技术难题,为提高故障选线的可靠性, 提出基于模糊理论的多判据信息融合的单相接地故障选线方法。电网一次故障数据经电压互感器、电流互感器 变换后,将故障特征量送入不同的选线判据,然后根据模糊变换得到母线及各条出线的故障测度及各种判据的 权系数,最后进行融合决策,并输出最终决策结果。指出该故障选线方法的关键技术是合理定义故障测度隶属 函数和判据权函数。 关键词:小电流接地系统;故障选线;模糊理论;故障特征量;权系数 中图分类号:TM862.3 文献标志码:A 文章编号:1007—29OX(2011)09.0024—05 Fault Line Selection Method for Single Phase-to-ground Faults of Multi—criteria Information Integrated with Lower Current Grounding Power System Based on Fuzzy Theory WANG Bo,YU Chuan-kun,YE Jun,BAI Yang (School of Electrical Engineering,Wuhan University 430072,China) Abstract:Line selection for single phase—to-ground fault for low current grounding power system has been a technical prob- lem since long before.Fault line selection for single phase—to・ground fault of multi—criteria information integrated with low current grounding power system is proposed for reliability improvement.After conversion of primary data through VT and CT,fault features will be sent to various criteria for line selection;afterwards,fault measures of each busbar and outgoing line according to fuzzy transformation and weight coefficients of various criteria will be concluded;ultimately,fusion deci- sion will be made and final decision result will be output.The paper points out that the key technology of this fault line selec— tion is to reasonably definition of membership function of fault measures and weight function of criteria. Key words:low current grounding power system;fault line selection;fuzzy theory;fault feature;weight coefficient 目前,我国6~66 kV配电网广泛采用中性点 不接地或经消弧线圈接地的小电流接地系统,可带 现实意义。 故障运行1~2 h,供电可靠性较高,但是,如线 路发生故障而不及时排除,则有可能导致故障的进 步扩大。小电流接地系统发生接地故障时故障信 号较微弱_1I2],且容易受到干扰,随着故障条件和 一电力系统发生故障时会产生大量的故障稳态信 号和故障暂态信号,因此基于故障信息的选线方法 就有稳态分析方法和暂态分析方法两大类。稳态分 析方法有群体比值比相法、零序有功分量法、能量 函数法和相关系数法,暂态分析方法有5次谐波 法、小波包极性检测法和首半波法。这些算法都有 其局限性和适用性[3I5],且故障选线都是基于待测 的故障信息,而没有利用已有故障样本中对故障选 线有利的信息。基于模糊理论的多判据选线信息融 运行方式的改变,故障信号的特征也不一样,这些 都使得建立完善的选线方法具有重要的学术意义和 收稿日期:2011-04-28 第9期 王波,等:基于模糊理论的多判据信息融合小电流接地系统单相接地故障选线方法 25 合选线方法是将经电压互感器、电流互感器变换后 出错,这种差异从符号型选线结果上体现不出来; 的电网故障特征量送入不同的选线判据,通过模糊 变换得到母线及各条出线的故障测度及各种判据的 权系数,最后进行融合决策,并输出最终决策结 不能提供其他线路的故障迹象信息,以非“1”即“0” 来判断线路是否为故障线路往往与实际情况不相 符;不利于综合利用多个判据,简单地把几个判据 果。 1信息融合和模糊选线原理 信息融合是进行多源信息综合处理的新技术, 把多个传感器集中于1个统一的感知系统中,从而 有机地综合利用来自于多个传感器的信息,以便建 立一致的状态矢量。融合后的信息更确切地解释和 更高层次地描述了被感知的对象或环境,能将来自 某一目标的多源信息加以智能化合成,产生比单一 信息源更精确、更完整的估计和判决。 多重故障信息融合选线是根据单相接地故障在 电网中表现出的多方面特征,构造多个选线判据, 对多判据提供的故障信息进行融合,得出一个可靠 的选线结果。不需要每一个选线判据给出选线结 果,而是要对故障量进行特征提取,形成各条出线 的故障测度函数,然后根据故障发生时的初始情况 给予选线判据一个适当的权重,最终经过综合决策 选出故障线路。使用多重判据信息融合的优势在 于:充分利用了故障量的各种信息,对单一判据不 充分或错误的选线结果进行融合,能得到一个更加 充分可信的选线结果。 模糊选线是运用模糊理论实现多判据选线信息 融合,根据判据规则建立各选线方法的故障测度隶 属函数(表征1条线路所表现的故障特征程度)和各 选线方法的权系数隶属函数(表征1种方法的可信 度)。多种选线方法可能有多种选线结果,因为这 些方法的选线依据是不同的故障特征,故障特征在 不同的故障条件下的表现程度是不一样的。显然某 一选线方法所依据的特征相对明显时,应给予这种 判据更多的重视,因此融合时的权系数就不能设为 定值,而应根据实际情况而变化。最后对各个判据 的数值属性进行融合,得出一个综合的选线结果。 2选线算法故障测度函数的构造 传统的选线方法直接输出选线结果,明确地给 出故障线路,这种符号型输出有以下弊端:当适合 此种选线方法的故障特征量非常明显时选线结果才 非常可靠,当故障特征量不明显时选线结果就可能 的选线结果通过“举手表决”的方式得出最终结果, 并不是一个可行的办法。符号型输出不能满足信息 融合的要求,因此要根据判据规则构造各选线方法 的故障测度隶属函数(表征1条线路在该判据基准 下具有的疑似故障线路的特征明显程度)。故障隶 属度是定义在[0,1]上的实变量,线路的故障隶属 度越接近1,表明该线路越可能是故障线路。 2.1 小波包多频带极性选线方法的故障测度函数 文献[6—7]中,在选定的小波包节点处比较小 波包分解系数的极性,故障线路与非故障线路的小 波包系数极性相反。设系统有Ⅳ条线路,确定故 障测度函数的步骤如下: a)给母线和各条出线设置一个故障测度变量 一,k,k=0,1,2,…,Ⅳ,其中 一,。表示母 线故障测度,并设母线和各条出线的故障测度初值 为零。 b)比较选定节点小波包分解系数的极性,在 第 个点上第7条线路与其他线路小波包分解系数 极性相反,则对应线路的故障测度 一,『力Ⅱ1;若 所有线路的小波包分解系数极性均相同,则母线故 障测度 一,o加1。 c)比较各出线故障测度 , 的累加值,累加 值最大所对应的线路则判断为故障线路,如果 一,o最大,则判断为母线故障。 定义第i个频带处各条出线及母线故障测度函 数 /2 = , / ,f,k=0,1,2,…,N. =0 (1) 当选定的小波包节点不唯一,即各条线路的最 大能量频带不一致时,假设确定的频带有m个, 则第 条线路第 个频带的能量 Ⅳ E =∑∑ , 1,2,…,m. (2) k=1 n 式中: 为第k条线路在[ , ]子频带下的小波 包分解系数,所选小波函数的振荡次数为 。 第 个频带在 个频带中所占的比例 广东电力 第24卷 e E /∑E , (3) =1 母线和各条出线在m个频带下的综合故障测度函 数 m= : IIk・ei,k=0,1,2,…,N.(4) i:1 2.2基于衰减直流分量能量选线方法的故障测度 函数 故障线路暂态零序电流衰减直流分量的能量值 最大,非故障线路暂态零序电流衰减直流分量能量 值比较小,通过判断各条线路暂态零序电流直流分 量的能量值就可以确定故障线路。 利用db15小波包对各出线暂态零序电流进行 一定层数的分解,提取出只含直流分量信息的子频 带,然后对所提取的频带小波分解系数进行重构, 得到所需要的子频带重构信号,设为 。线路k 的零序电流直流分量的能量 Ek=∑%,k=1,2,…,JⅣ. (5) J=1 式中, f为第 条出线的, 值。 又设E==∑Ek,E =max Ek,E i = k=1 min E ,定义故障测度函数: 2, =Ek/E=,k=1,2,…,N; (6) F —F 2,o=1一 坠 . (7) = 式中: , 为出线的故障测度函数;/2 ,。为母线的 故障测度函数。 2.3基于小波重构的相关系数选线方法的故障测 度函数 故障线路暂态零序电流与非故障线路暂态零序 电流在波形上存在较大的差异,而各非故障线路暂 态零序电流波形之间是相似的,因此,构造故障测 度函数的方法为: a)除去矩阵 的对角线元素(去掉自相关系数,保留互相关系 数),求每一行的元素之和和平均值,矩阵中的元 素P为2条出线间零序电流基波暂态分量的相关系 数,下标表示出线的序号。设 Ⅳ 一,k=∑P kj/(N一1). (8) ,=1, ≠k b)定义各出线的故障测度函数 f1, 一,k≤一m; 3,k= l 一, I, 一m< 一,k≤0; lmax ,k— , , ,k>0. (9) 母线的故障测度函数 fmax S ,k, 一,k≥m; 3,o max ,≈一min Ⅲ, ,m< ,k≤0; 【0, , <0. (10) 3判据权系数的确定 频信号。第k条线路高频信号和低频信号的能量 :謦= . … 第9期 王波,等:基于模糊理论的多判据信息融合小电流接地系统单相接地故障选线方法 条出线之间的高频零序电流分量和低频零序电流分 量。 随着故障发生的初始情况不同,丁 值也是不 断变化的。下面给出几种典型情况下的丁 值: a)故障发生在相电压最大值时,经20 Q电阻 接地,第k条线路的零序电流波形如图1所示。 经计算T =42.886 7,暂态过程明显,暂态零序 媛 恤 狮 电流中高频分量很大,而低频分量很微弱。 ≤ 煺 恤 脚 图1 故障相电压最大时的零序电流波形 b)故障发生在相电压过零值时,经500 Q电 阻接地,第k条线路的零序电流波形如图2所示。 经计算T =0.277 3,暂态过程很短,很快就进入 稳态,暂态零序电流中高频分量很微弱,低频分量 较大。 图2故障相电压过零时的零序电流波形 c)故障发生在相电压中间值时,经1 kQ电阻 接地,第k条线路的零序电流波形如图3所示。 经计算T =0.619 5,暂态零序电流中高频分量和 低频分量所占比例差别不是很大。 大量的仿真结果显示:当丁 ≥1(即EH ≥ E )时,线路暂态零序电流中高频分量非常丰富, 这时利用暂态零序电流中的高频分量来选线,其可 靠性高;当0≤T <0.4时,线路暂态零序电流中 图3故障相电压中间值时的零序电流波形 果仍利用该故障特征来选线,抗干扰能力差,往往 经大量仿真得出:小波包多频带极性选线方法 在各种故障情况下的选线可靠性较高,特别在暂态 l,T ̄ I , 丁<式中T为丁 去掉最大值和最小值后剩余数的平均 统中,基于衰减直流分量能量选线方法在各种故障 低频分量较明显时,选线的准确性和可靠性更值得 信赖。结合理论分析和大量仿真研究可以确定此种 选线判据的权系数j7 ,权系数函数采用折线型模 广东电力 第24卷 型,其表达式为 f1,T≤0.4; 2: 1—7(T一0.4)/6,0.4<T≤1;(13) l0.3,T>1. 3.4基于小波重构的相关系数选线方法的权系数 经大量仿真得出:对于利用暂态零序电流高频 分量和低频分量来选线的基于小波重构的相关系数 选线方法,其权系数函数采用折线型模型。该选线 方法的权系数】7 由下式确定: 】7 :f1 ,().5+5 T/3,T≥ T<0.3. (14 4) 4多判据融合选线方法 为适应接地故障选线的特点,在基于不同故障 特征的故障隶属度函数设计的基础上,采用模糊信 息融合原理构造综合选线判据。 文献[8]采用 种选线方法完成综合选线判 断,先通过各种判据分别计算出对应的故障测度隶 属函数值序列 (.7:i,2,…,m;k=0,i, 2,…,Ⅳ),再计算每种判据自身的权系数值叩f (『=1,2,…,m),则每一条待选线路k都可以 得到一个融合m种方法的总模糊决策可信度y , Y 1,k 1+ 2,k 2+…+ m,k叩m ∑( 】71+[22,kg]2+…+ , ) k=() (15) 显然,可信度最大的线路为故障线路,故障线 路的故障可信度 Yf=max Y ,k=0,1,2,…,N. (16) 同时,可信度次大的线路可作为故障参考线 路。 5结束语 本文重点研究了判据适应性和应用模糊理论的 多判据融合方法,详细论述了所选的3种选线判据 的故障测度函数的构造以及判据权函数的确定,形 成了最后的多判据融合选线方法。 利用信息融合技术进行多判据融合的关键在于 定义的故障测度隶属函数和判据权函数是否合理, 目前这些函数的确定主要依靠专家经验,具有一定 的主观性,要提高其合理性,需要通过大量的样本 来改进和完善。 参考文献: Eli李丹,徐志刚.小电流接地系统故障选线的一种新方法[J]. 陕西电力,2010,38(4):13—16. LI Dan,XU Zhi-gang.A New Method of Faulty Line Selec- tion for Small Current Neural Grounded System1-J].Shaanxi Electric Power,2010,38(4):13-16. [2]张双平,张汉雄.小电流接地系统单相接地故障选线方法综述 [J].安徽电力,2010(2):75—79. ZHANG Shuang-ping,ZHANG Han-xiong.Survey of the Mthods of Fault Line Slection Based on Small Current Ground. ing System of Distrbution Network[-J].Anhui Electric Power, 2010(2):75-79. I-3]王新超,桑在中.基于“s注入法”的一种故障定位新方法[J]. 继电器,2001,29(7):9—12. WANG Xin-chao,SANG Zai-zhong.A New Method of Fault Location Based on“S Injection Method”[J].Relay,2001,29 (7):9.12. E43唐轶,陈庆,陈奎.单相接地故障暂态电流方向选线研究r-J]. 中国矿业大学学报,2008,37(2):201—206. TANG Yi,CHEN Qing,CHEN Kui.Study of Detecting Sin・ gle-phase-to-ground Fault Feeder Using a Transient Current Direction[J].Journal of China University of Mining&Tech- nology,2008,37(2):201—206. E5]毕研秋,赵建国.基于暂态量和小波包的配电网故障选线方法 _J].电力自动化设备,2007,27(6):17—21. BI Yan—qiu・ZHAO Jian-guo.Faulty Feeder Detection Based on Transient Current and Wavelet Packet in Distribution Sys- temEJ].Electric Power Automation Equipment,2007(6):17-21. [6]毛鹏,孙雅明,张兆宁,等.小波包在配电网单相接地故障选 线中的应用[J].电网技术,2000,24(6):10—17. MAO Peng,SUN Ya-ming,ZHANG Zhao-ning,et a1.Wave- lets Packet Based Detection of Phase--to--ground Fault in Distri・・ bution Automation System[J].Power System Technology, 2000,24(6):10—17. -17]操丰梅,苏沛浦小波变换在配电网自动化接地故障检测中的 应用研究1-J].电力系统自动化,1999,23(13):33—36. CHAO Feng-mei,SU Pei-pu.Study on the Application of Wavelet Transform to Detect Earth..fault in Distribution Auto.. mation System -lJ].Automation of Electric Power Systems, 1999,23(13):33—36. [8]陈炯响 小电流单相接地故障选线算法有效性及多判据融合 r-D].北京:华北电力大学,2004. CHEN Jiong-xiang.Effectiveness of Algorithm for Low Cur- rent Single Phase-to-ground Fault and Integration of Multi-cri- teria[D].Beijing:North China Electric Power University, 2004. 作者简介:王波(1983 ),男,安徽阜阳人。在读硕士研究生, 主要研究方向为电力系统继电保护。