基于小波神经网络的小电流接地系统单相接地故障定位研究
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摘要
小电流接地系统是指中性点不直接接地系统，其中大多数采用中性点经消
弧线圈接地方式。这类系统发生单相接地故障时，故障电流较小，三相线电压
仍保持对称，对负荷供电没影响。多年以来，许多科研人员在小电流接地系统
单相接地故障定位方面作了大量工作，但由于该系统单相接地故障特征不明
显，虽然取得一定的进展，但尚未取得实质性的突破，在实际中也无较好应
用。提高供电可靠性的要求和配电网自动化水平的迅猛发展使得对故障定位的
研究日益紧迫。
本文在中性点不同接地方式下，研究和分析了线路零序故障特征量的稳态
和暂态特点，主要从信号处理的角度，提出将小波分析理论和人工神经网络原
理运用到故障定位，将基于稳态信号的定位原理转移到基于故障特征量暂态信
号的定位原理。论文提出利用各个出线零序电流在频带上小波包系数模极大值
的方向和大小的不同来实现故障选线，讨论了利用小波分析的奇异性来判断故
障启动时刻，提出将小波分析和人工神经网络结合，利用人工神经网络的非线
性逼近能力，实现故障暂态量到故障距离的非线性映射，完成测距。并通过典
型的10KV仿真算例验证了该方法的可行性。
尽管本论文中选择的仿真算例针对的情况有限，但是仿真结果表明：利用
小波分析理论对电力系统故障暂态信号进行特征提取处理是行之有效的方法。
The small current neutral grounding system is a kind of system without neutral grounding, in most of which the neutral point connects to ground through a reactor. When single-phase ground fault occurs in this system, the fault current is much low and the phase-phase voltage is still symmetrical. So the system still can supply power to load. Although many researchers have done much concerning on fault location for years, the key problem remain unsolved because of the undistinguished fault feature. With the requirement of improving the reliability of power supply and the fast development of the distributed power system automation, the study of fault location becomes more and more important.
This paper analyses the steady and transient character of line fault when the neutral point connects to ground in different ways. From the angle of signal processing, the wavelet analysis theory and the artificial neural networks are introduced to fault location, in which the fault character is not the steady signal but the transient signal. Judging by the different magnitude and direction of the wavelet packet coefficient modular maximum, we can select the single phase-to-earth line. The method using wavelet singularity detection theory to extract the fault time is discussed. A fault distance measurement algorithm combining wavelet analysis used for separating the character from the transient fault signal with artificial neural networks used for the nonlinear approximation from the transient character to fault distance is presented. The data from a typical small current grounding neutral system example validate the feasibility of the algorithms.
In spite of the limited samples, the simulation result shows that using Wavelet analysis to separate the character from the transient fault signals is an efficient way.
弧线圈接地方式。这类系统发生单相接地故障时，故障电流较小，三相线电压
仍保持对称，对负荷供电没影响。多年以来，许多科研人员在小电流接地系统
单相接地故障定位方面作了大量工作，但由于该系统单相接地故障特征不明
显，虽然取得一定的进展，但尚未取得实质性的突破，在实际中也无较好应
用。提高供电可靠性的要求和配电网自动化水平的迅猛发展使得对故障定位的
研究日益紧迫。
本文在中性点不同接地方式下，研究和分析了线路零序故障特征量的稳态
和暂态特点，主要从信号处理的角度，提出将小波分析理论和人工神经网络原
理运用到故障定位，将基于稳态信号的定位原理转移到基于故障特征量暂态信
号的定位原理。论文提出利用各个出线零序电流在频带上小波包系数模极大值
的方向和大小的不同来实现故障选线，讨论了利用小波分析的奇异性来判断故
障启动时刻，提出将小波分析和人工神经网络结合，利用人工神经网络的非线
性逼近能力，实现故障暂态量到故障距离的非线性映射，完成测距。并通过典
型的10KV仿真算例验证了该方法的可行性。
尽管本论文中选择的仿真算例针对的情况有限，但是仿真结果表明：利用
小波分析理论对电力系统故障暂态信号进行特征提取处理是行之有效的方法。
The small current neutral grounding system is a kind of system without neutral grounding, in most of which the neutral point connects to ground through a reactor. When single-phase ground fault occurs in this system, the fault current is much low and the phase-phase voltage is still symmetrical. So the system still can supply power to load. Although many researchers have done much concerning on fault location for years, the key problem remain unsolved because of the undistinguished fault feature. With the requirement of improving the reliability of power supply and the fast development of the distributed power system automation, the study of fault location becomes more and more important.
This paper analyses the steady and transient character of line fault when the neutral point connects to ground in different ways. From the angle of signal processing, the wavelet analysis theory and the artificial neural networks are introduced to fault location, in which the fault character is not the steady signal but the transient signal. Judging by the different magnitude and direction of the wavelet packet coefficient modular maximum, we can select the single phase-to-earth line. The method using wavelet singularity detection theory to extract the fault time is discussed. A fault distance measurement algorithm combining wavelet analysis used for separating the character from the transient fault signal with artificial neural networks used for the nonlinear approximation from the transient character to fault distance is presented. The data from a typical small current grounding neutral system example validate the feasibility of the algorithms.
In spite of the limited samples, the simulation result shows that using Wavelet analysis to separate the character from the transient fault signals is an efficient way.
引文
1．肖白、束洪春等．小电流接地系统单相接地故障选线方法综述．继电器，2001．29(4)：16～20
2．张树文等．小电流接地系统单相接地保护原理和技术综述．电力情报，1994．2：1～3
3．曾祥君、尹项根等．适应配电自动化的馈线接地保护研究．电力系统自动化，2000．24(15)：37～41
4．牟龙华．零序电流有功分量方向接地选线保护原理．电网技术，1999．23(9)：60～62
5．潘贞存．比相式和比幅式小电流接地选线保护．山东电力技术，1991．3：60～64
6．郝玉山．小电流接地微机选线的群体比幅比相原理．电力情报，1994．2：15～19
7．刘宇、申东日．小电流系统单相接地选线的两种新思路．继电器，1998．26(4)：25～28
8．何奔腾、胡为进．能量法小电流接地选线原理．浙江大学学报(自然科学版)，1998．32(4)：451～456
9．桑在中等．“S注入法”选线定位原理及应用．中国电力，1997．30(6)：44～45
10．桑在中等．小电流接地系统单相接地故障选线测距和定位的新技术．电网技术，1997．21(10)：50～53
11．桑在中、张慧芬等．用注入法实现小电流接地系统单相接地选线保护．电力系统自动化，1996．20(2)：11～12
12．郁惟镛等．基于暂态分量的小电流接地系统故障定位新方案．中国电力，1998．31(2)：13～16
13．余晓丹等．应用模糊神经网络实现故障测距．中国电力，1998．31(3)：10～13
14．闫钿等．10KV线路故障测距模拟退火算法应用．继电器，1998．26(5)：14～17
15．蔡晓等．行波测距原理在电力系统中的一种实现方法．全国高等学校电力系统及其自动化专业第十六届学术年会论文集．P716～721
16. Togami M, Abe N et al. On the application of a machine learning technique to Fault diagnosis of power distribution lines. IEEE Trans PWRD, 1995,10(4)
17. Chaari O Bastard P. Prony's method: an effect tool for the analysis of earth Fault currents in Petersen-coil-protected networks. IEEE Trans PWRD, 1995,10(3)
18. Gangopadhyay A .A low cost microprocessor based ground fault relay using Walsh Function .IEEE-IAS-1991 Annual Meeting
19．毛鹏、孙雅明等．小波包在配电网单相接地故障选线中的应用．电网技术，2000．24(6)：9～13
20．操丰梅、苏沛浦．小波变换在配电自动化接地故障检测中的应用研究．电力系统自动化，1999．23(13)：33～36
21．操丰梅、苏沛浦、夏瑞华．小波变换在小电流接地故障检测中的应用．电力自动化设备，1999．19(3)：8～11
22．贾清泉、肖鹏、杨以涵等．小电流接地电网单相接地故障的小波选线方法．继电器，2001．29(3)：5～8
23．孙莹．小电流接地系统故障测距原理及装置的研究．天津大学硕士论文．1999．1
24．董新洲、耿中行等．小波变换应用于电力系统故障信号分析初探．中国电机工程学报，1997．17(6)：421～424
25．李尔国、俞金寿．故障检测与诊断方法综述．世界仪表与自动化．2001．2：26～29
26．张文勤．电力系统基础．北京：中国电力出版社，1998．11
27．要焕年．论城市电网接地方式的发展方向．中国电力．1993．8：32～35
28．许正亚编．电力系统故障分析．北京：水利电力出版社，1993．6
29．樊志模．对中性点经消弧线圈接地系统的技术探讨．甘肃电力技术，2000．2：4～8
30．刘万顺主编．电力系统故障分析．北京：中国电力出版社
31．周容光编著．电力系统故障分析．北京：清华大学出版社
32．李光琦．电力系统暂态分析．北京：水利电力出版社
33．刘劲．配电网故障定位研究．河海大学硕士论文
34．王辑祥．小接地电流系统接地故障的分析．电工技术，1991．11：31～33
35．刑瑞．小电流接地系统单相接地和其它故障的鉴别．河南电力，2000．4：47～49
36．郭惠成．小电流接地系统的虚幻接地现象分析．黑龙江电力，1997．19(3)：168～171
37．余水忠．小电流接地系统经过渡电阻接地的分析．继电器，2001．29(4)：21～22
38．要焕年、曹明月．电力系统谐振接地．北京：中国电力出版社，2000．7
39．毛鹏．电力系统智能型线路故障测距的研究．天津大学博士论文．2000．5
40．邱关源主编．电路(下)．北京：高等教育出版社，1997．3
41．陈珩编．电力系统稳态分析．北京：水利电力出版社，1985．5
42．胡昌华、张军波等编著．基于MATLAB的系统分析与设计-小波分析．西安：西安电子科技大学出版社
43．杨福生著．小波变换的工程分析与应用．科学出版社，1999．2
44．赵松年、熊小芸．子波变换与子波分析．电子工业出版社，1996．12
45．冉启文著．小波变换与分数傅里叶变换理论及应用．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001．3
46．王桥．小波分析讲义．东南大学
47．李建平主编．小波分析与信号处理—理论、应用及软件实现．重庆：重庆出版社，1997．12
48．秦前清、杨宗凯．实用小波分析．西安：西安电子科技大学出版社，1994
49．崔锦泰[美]著．程正兴译．小波分析导论．西安：西安交通大学出版，1995．1
50．刘贵忠、邸双亮．小波分析及其应用．西安：西安电子科技大学出版，1992
51．李世雄编．小波变换及其应用．北京：高等教育出版社，1997．7
52. Chaari O, Meunier M. Wavelets :a new tool for the resonant grounded power distribution system relaying. IEEE Trans PWRD, 1996.11(3):1301～1308
53．任震、黄雯莹等．小波分析及其在电力系统中的应用(一)概论．电力系统自动化，1997．21(1)：5～7
54．张佩珧、马孝江等．小波包提取算法及其在故障诊断中的应用．大连理工大学学报，1997．37(1)：67～72
55．楼顺天、施阳．基于MATLAB的系统分析与设计—神经网络．西安：西安电子科技大学出版社，2000．11
56．丛爽编著．面向MATLAB工具箱的神经网络理论与应用．合肥：中国科学技术大学出版社
57．焦李成著．神经网络系统理论．西安：西安电子科技大学出版社，1990．12
58．王建华等．智能控制基础．科学出版社，1998．4
59．沈清、汤霖．模式识别导论．国防科技大学出版社，1991．5
60．陈哲、冯天瑾．小波神经网络研究进展及展望．青岛海洋大学学报，1999．29(4)：663～668
61. Sonja Ebron, David L. Lubkeman, Mark White. A Neural Network Approach To the Detection of Incipient Faults on Power Distribution Feeders. IEEE Trans. Power Delivery, 1990.5(2): 905～914
62．周鄂主编．电机学．北京：水利电力出版社，1995．5
63．曹绳敏主编．电力系统课程设计及毕业设计参考资料．水利电力出版社
64. Power System Blockset User's Guide,Version 2.2 The Mathworks,inc.1998
65．罗成、程时杰、周拥华．基于MATLAB／SIMULINK中PSB的电力系统数字仿真．电力系统自动化高校年会
66．程祥、李朝辉．变电站小电流接地数值仿真研究．水电能源科学，2001．19(2)：48～50
67．韦榕、许镇琳、王秀芝．电气传动系统仿真的新工具—MATLAB 5：2电气系统模块库．电气传动，2000．1：57～59
68．张晓春、郭小进等．基于MATLAB语言的电力系统暂态稳定仿真．湖北电力，2000．24(3)：9～10
69. Jun Zhu, David L. Lubkeman, Adly A. Girgis. Automated Fault Location And Diagnosis on Electric Power Distribution Feeders. IEEE Trans. Power Delivery, 1997.12(2): 801～808
2．张树文等．小电流接地系统单相接地保护原理和技术综述．电力情报，1994．2：1～3
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4．牟龙华．零序电流有功分量方向接地选线保护原理．电网技术，1999．23(9)：60～62
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37．余水忠．小电流接地系统经过渡电阻接地的分析．继电器，2001．29(4)：21～22
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52. Chaari O, Meunier M. Wavelets :a new tool for the resonant grounded power distribution system relaying. IEEE Trans PWRD, 1996.11(3):1301～1308
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63．曹绳敏主编．电力系统课程设计及毕业设计参考资料．水利电力出版社
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66．程祥、李朝辉．变电站小电流接地数值仿真研究．水电能源科学，2001．19(2)：48～50
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68．张晓春、郭小进等．基于MATLAB语言的电力系统暂态稳定仿真．湖北电力，2000．24(3)：9～10
69. Jun Zhu, David L. Lubkeman, Adly A. Girgis. Automated Fault Location And Diagnosis on Electric Power Distribution Feeders. IEEE Trans. Power Delivery, 1997.12(2): 801～808