1 引言

　　配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障以后，由于故障特征不明顯，使得準(zhǔn)確的故障選線存在一定難度。長期以來，配電網(wǎng)單相接地的故障選線問題一直是電力系統(tǒng)繼電保護的一個難點問題。到目前為止，仍有許多配電網(wǎng)的故障選線采用無選擇性的“拉線法”，這既不利于電網(wǎng)的安全供電，也給運行人員增加了勞動強度。

　　小波變換作為一種有效的時頻分析工具用于分析暫態(tài)信號時具有獨特的優(yōu)勢。本文應(yīng)用小波包良好的頻域分頻特性，以適當(dāng)頻率帶寬對配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后暫態(tài)電氣量進行分解，得到其在不同頻段下的輸出。對于中性點接地方式不同的配電網(wǎng)，按照能量的觀點，選擇不同的頻段，利用波形識別技術(shù)來實現(xiàn)故障選線。根據(jù)小波算法對硬件系統(tǒng)的要求，充分利用數(shù)字信號處理器DSP芯片優(yōu)越的數(shù)字信號處理功能和快速的運算速度，實現(xiàn)了故障選線算法。并通過高壓動模實驗故障數(shù)據(jù)驗證了文中方法的正確性和可行性。

　　2.小波包選線方法

　　小波分析可以對信號進行有效的時頻分解，但在高頻段其頻率分辨率較差，而在低頻段其時間分辨率較差。小波包分析能夠為信號提供一種更加精細(xì)的分析方法，將頻帶進行多層次劃分。并能夠根據(jù)被分析信號的特征，自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶，使之與信號頻譜相匹配，從而提高了時頻分辨率，具有更廣泛的應(yīng)用價值。

　　綜合應(yīng)用小波包良好的頻域分頻特性和波形識別技術(shù)，以適當(dāng)頻率帶寬對配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后暫態(tài)電氣量進行分解，得到其在不同頻段下的輸出。按照公式⑶計算分解后各頻帶信號對應(yīng)的能量。

　　式⑶

　　式中 為小波包分解第（j,k）子頻段下的系數(shù)。對于中性點接地方式不同的配電網(wǎng)，按照能量的觀點， 選擇不同的頻帶。然后在所選頻帶上，限度保留了暫態(tài)信號的基礎(chǔ)上，剔除其中不支持選線要求的分量。進行幅值和相位的比較。論證，在已知的各種小波基函數(shù)中，db6小波的支集長度為12，能量集中度高，能夠在各種故障波形中較好的提取有用信號成分，因此選擇db6緊支集小波作為小波基函數(shù)。選線過程如下：

　　⑴ 以故障發(fā)生時刻對應(yīng)的采樣點為基準(zhǔn)，取故障前0.5周期、故障后4.5周期的采樣數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)窗，用db6小波對各條線路的零序電流進行小波包分解。應(yīng)先選擇適當(dāng)?shù)姆纸鈱訑?shù)，層數(shù)過多則頻帶寬度過小，頻帶對應(yīng)的采樣點數(shù)過少，使得判據(jù)靈敏度降低。本文每周期采樣64點，采樣周期為3200HZ，基于對以上原因，采用4層分解，每個頻帶寬度為100。

　?、?給母線及各線路分別設(shè)置故障標(biāo)志f（k），k為線路編號（k=0為母線），并令初值為零。

　　⑶ 設(shè)定一閾值（一般可取 =0.01～0.02）。對于每一條線路在這該節(jié)點上的所有小波分解細(xì)節(jié)系數(shù)滿足|w（i）|> 的依次進行極性比較，如果哪一條線路上的一個小波分解系數(shù)的極性與其它線路上對應(yīng)于同一時間位置的小波分解系數(shù)的極性都相反，則該線路的標(biāo)志加1；如果所有線路上的小波分解系數(shù)的極性都相同，則母線的標(biāo)志加1；不符合以上兩條原則的點，則應(yīng)丟棄。

　　⑷ 比較完畢后，將各個標(biāo)志排序，標(biāo)志的那條線路為故障線路。

　　3.硬件結(jié)構(gòu)

　　圖1是整個硬件平臺的硬件結(jié)構(gòu)框圖。A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成DSP可處理的數(shù)字量。系統(tǒng)中設(shè)計了40路模擬輸入，通過模擬開關(guān)分兩級將模擬信號分時送到A/D轉(zhuǎn)換器進行處理。TMS320LF2407是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的。整個平臺的邏輯控制全部由一片可編程邏輯器件CPLD來實現(xiàn)，采樣率：3200Hz。

　　硬件平臺具有以下特點：

　?、?具有40路的模擬輸入通道，8路開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出，同時采用了16bit的DSP和12bit的AD轉(zhuǎn)換器作為整個平臺的。保證了足夠的輸入輸出通道，以及對模擬量與開關(guān)量處理的快速性、可靠性、高性。

　?、?由于電力行業(yè)設(shè)備應(yīng)用環(huán)境惡劣，平臺的模擬量采用硬件及軟件濾波，輸入輸出通道均采用光電隔離及浮動電源技術(shù)。工藝上采用多層電路板和大面積電源及地平面，元件亦采用貼片封裝，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

　?、?具有串口和PWM電流環(huán)電路接口以及CAN網(wǎng)絡(luò)接口，以適應(yīng)繼電保護的網(wǎng)絡(luò)化。

　　⑷ 提供了鍵盤輸入和液晶漢字顯示功能，方便了人機交互。

　?、?利用CPLD的在系統(tǒng)可編程功能可修改系統(tǒng)的邏輯，保證了系統(tǒng)的可擴充和可升級功能。

　　在軟件實現(xiàn)上采用了易讀的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言 C語言進行整體設(shè)計編程。系統(tǒng)軟件由四大部分組成：初始化、采樣、故障判斷和通信顯示。軟件設(shè)計采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的編程思想，使整個裝置可以根據(jù)不同的需求方便地添加或刪除一定功能。軟件流程圖如圖2所示。

　　4.高壓動模實驗室仿真結(jié)果

　　4.1 6kV高壓動模實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　高壓動模實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。系統(tǒng)電源電壓為6kV，裝有接地變壓器（50kVA/6Kv）提供中性點，消弧線圈為隨調(diào)式消弧線圈（35kVA/6kV）。采用單母線分段接線方式：段模擬架空線路。第二段模擬電纜線路，均有4回饋線。4條線路的設(shè)計，充分考慮了實際系統(tǒng)的條件和應(yīng)用情況，架空線路的長度分別為L1=51km; L2=21km；L3=11km；L4=1km；電纜線路的長度分別為L1=5.1km; L2=2.1km；L3=1.1km；L4=0.1km；在一定程度上避免了得出偏頗的結(jié)論，同時加大了選線難度，對算法的考驗更加嚴(yán)格。有效的克服了故障類型單一、過于簡單化和理想化的不足，與現(xiàn)場實際非常相似。

圖3  6kV的動模實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　4.2仿真結(jié)果

　　為了驗證本文所提出的算法的有效性，本文作者進行了大量的動模實驗。下面為三種不同的典型條件下的接地故障實驗。

　　算例1：中性點不接地，架空線路與電纜線路混合系統(tǒng)中，選取4條架空線路（L1=51km; L2=21km；L3=11km；L4=1km）和后三條電纜線路（L5=2.1km；L6=1.1km；L7=0.1km）。其中線路1末端B相經(jīng)3kΩ電阻接地，故障初相角：-38.10。

　　小波包算法各線路的故障度為（依次為母線、線路1、線路2依次類推，以下同）： 0.230769, 0.615385, 0, 0, 0.153846 , 0, 0, 0。算法結(jié)果排序：（按降序，若相等按線路符號升序排列，以下同）：f（1） f（0） f（4） f（2） f（3） f（5） f（6） f（7）。

　　算例2：對于架空線路與電纜線路中性點經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)，此算例把架空線路和電纜線路全部投入，共8條。線路8末端B相經(jīng)過渡電阻6kΩ接地，故障初相角為：-166.70。

　　小波包算法各線路的故障度為： 0, 0.062500, 0.062500, 0.062500, 0 , 0.125000, 0.062500, 0, 0.625000 。算法結(jié)果排序：f（8） f（5） f（1） f（2） f（3） f（6） f（0） f（4） f（7）。

　　算例3：對于架空線路與電纜線路中性點經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)，此算例把架空線路和電纜線路全部投入，共8條。母線A相經(jīng)過渡電阻1kΩ接地，故障初相角為：-161.70。

　　小波包算法各線路的故障度為：0.833333, 0.083333, 0.083333, 0, 0 , 0, 0, 0, 0。算法結(jié)果排序：f（0） f（1） f（2） f（3） f（4） f（5） f（6） f（7） f（8）。

　　5 結(jié)語

　　我國的配電網(wǎng)龐大，接地選線一直是配電網(wǎng)繼電保護的薄弱環(huán)節(jié)；本文利用小波包的時頻特性，對中性點非有效接地配電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障后的暫態(tài)零序電流進行了分解，根據(jù)故障線路和非故障線路小波細(xì)節(jié)系數(shù)極性的比較結(jié)果來確定故障線路。提高了抗干擾能力和暫態(tài)檢測方法的可靠性，不受消弧線圈的影響，可適用于中性點不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。