电气工程及其自动化毕业设计-基于HHT的10kv配电网单相接地故障定位的研究.doc

1、本科毕业论文（20 届）基于 HHT 的 10kv 配电网单相接地故障定位的研究所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期目 录摘要 .IAbstract.II引言 .11 相关问题的研究进程以及需要解决的问题 .11.1 配电网单相接地故障定位的研究背景和意义 .11.2 国内外关于配电网单相接地故障选线方法简介 .11.3 尚需解决的问题 .21.4 未来的发展趋势 .21.5 本文所做的主要工作 .32 小电流接地系统介绍 .42.1 小电流接地系统单相接地故障时的稳态分量 .42.1.1 中性点不接地系统 .42.1.2 中性点经消弧线圈接地系统 .52.2 小电流系

2、统单相接地故障时的暂态分量 .82.2.1 电感性电流特性分析 .82.2.2 电容性电流特性分析 .92.2.3 接地电流特性分析 .92.3 本章小结 .103 基于 HHT 的故障区间定位和测距 .113.1 HHT-希尔伯特 -黄变换 .113.1.1 经验模态分解（EMD） .113.1.2 希尔伯特变换 .123.2 基于 HHT 的故障行波到达时刻的检测 .133.3 故障区间定位和测距方法的提出 .143.3.1 三端配电线路故障区间定位 .153.3.2 配电线路故障距离的确定 .163.4 故障区间定位和测距的仿真分析 .161）仿真算例一 .162）仿真算例二 .173.

3、5 本章小结 .20结 论 .21参考文献 .22致谢 .23ContentsAbstract.IIIntroduction .11 The research process of related problem and the problem needed to solve.11.1 The background and meaning of the research .11.2 Brief introduction about single-phase grounding fault .11.3 The problem still need to solve .21.4 The devel

4、opment trend of the future.21.5The main work done in this paper.32 Basic knowledge of the small current grounding system.42.1 The steady state component .42.1.1The neutral point geounding system .42.1.2 Neutral point via arc suppression coil grounded system.52.2 The transient component .82.2.1 The a

5、nalysis of inductive current characteristic.82.2.2 The analysis of capacitive current characteristic .92.2.3 The analysis of grounding current characteristic .92.3 The summary of this chapter.103 The fault location and disance interval based on HHT .113.1 HHT-Hilbert-Huang Transform .113.1.1 Empiric

6、al mode decomposition（EMD） .113.1.2 The Hilbert transform.123.2 The fault detection of wave arriving time basde on HHT.133.3 Proposed fault location and distance interval methods .143.3.1 Three-terminal distribution line fault interval mapping.153.3.2 The determination of distribution line fault dis

7、tance .163.4 Simulation of fault section locating and ranging .161）The simulation example of a .162）The simulation example of b .173.5 The summary of this chapter.20Conclusion.21Reference.22Acknowledgement.23I基于 HHT 的 10kv 配电网单相接地故障定位的研究摘要：近年来，我国经济发展迅猛，高速发展的经济对供电质量和供配电可靠性提出了更加严格的要求，当配电网络发生故障时，运行人员应及

8、时、准确地找出故障点并及时对故障进行排除，尽快恢复供电，以减小用户损失。我国配电网中，66kV 及以下大都属于小电流接地系统，其故障的 70%以上是单相接地故障。所以，对配电网单相接地故障定位进行深入研究，迅速、及时、准确找出故障点，这有利于提高配电网供电可靠性和电能质量。本文首先对课题的背景意义进行介绍，对国内外配电网单相接地故障选线以及故障定位的研究动态及其发展趋势进行了总结，并对小电流接地系统出现单相接地故障后零序电流稳态分量和暂态分量特征进行了详细分析。另外，鉴于希尔伯特-黄变换即 HHT 分析方法处理复杂信号时的独特优势，本文提出用 HHT 分析方法对测点处线模电压波形突变点进行检测

9、，进而得出故障行波到达测点的时刻，利用传统的双端行波测距法计算双端支路的故障距离，形成故障支路判定矩阵，通过故障支路判定矩阵来判断出故障区间，进而实现故障测距。最后通过 Matlab 仿真，论证了本文所提方法的准确性。关键词：小电流接地系统；单相接地故障；希尔伯特-黄变换；故障定位IIThe study based on the HHT of 10 kv power distribution network single-phase grounding fault location Abstract With Chinas economic development, the distribut

10、ion network is constantly evolving, and users put forward higher requirements for the reliability and quality of supplying power, once the distribution network has faulty,the operating personnel should find failure location,remove failure and restore power to users as soon as possible. In our countr

11、y ,66kV and below distribution network mostly belongs to the small current grounding system,and the single-phase ground fault accounts for 70% of the small current grounding system fault. Therefore, researching deeply on single-phase ground fault locating of distribution network and identifying the

12、point of failure rapidly and accurately has a very important significance to improve the reliability and quality of supplying power .This paper describes the background and significance of the subject, summarizes the domestic and international research dynamic and development trend which is about th

13、e single-phase to ground fault line selection and fault location of the distribution network and analyzes the zero sequence current steady-state component and temporary-state component features after the single-phase ground fault occurs in the small current grounding system. Secondly, this paper pre

14、sented the transient zero-sequence current amplitude comparison method to select the faulty line on the basis of these studies, which is a good solution to line selection problem when the single-phase ground fault occurs in the small current grounding system. Again, given the Hilbert - Huang Transfo

15、rm (HHT) analysis method has unique advantages to analyze the complex signal, this paper uses the Hilbert - Huang Transform analysis method to detect mutation point of line mode voltage waveforms of measuring point, and then acquires the moment that the fault traveling wave reaches the measuring poi

16、nt, uses the traditional double-ended traveling wave distance measurement method to calculate from the fault distances of double-ended branches,and forms the the identification matrix to judge the fault section and calculate the fault distance. Finally, Matlab simulation demonstrates the accuracy of

17、 the proposed method.Key words: Small Current Grounding System; The Single-phase to ground Fault; Hilbert-Huang Transform; Fault Location-1-引言当前社会经济发展迅速，对电量需求也越来越多，因此，需要时刻保障配电网络的安全高效运行。这就要求配电网出现故障时，供电部门应以最快速度查出故障位置，同时尽快消除故障，以尽可能降低用户的损失，提高供配电可靠性。所以，加大对配电网故障定位探索与研究的力度，提高供电部门处理故障的效率，降低人力的使用，节省投资，对于提高供电

18、以及用电可靠性具有相当重要的意义。1 相关问题的研究进程以及需要解决的问题1.1 配电网单相接地故障定位的研究背景和意义配电网多采用小电流接地方式，主要有中性点经消弧线圈、不接地和经高电阻接地三种方式 1。中 性点到底选择哪种接地方式应根据系统的运行情况和设备绝缘水平进行选择。在我国的配电网中，66kV 及以下大都采用小电流接地方式，高压配电网 (35110kV) 广泛采用经消弧线圈接地运行方式，中压配电网(310kV)多采用中性点不接地方式 2。考虑到实际中的特殊情况，本文还对中性点经消弧线圈接地的 10kV 配电网进行仿真。小电流接地系统在供配电网络中应用范围较广，主要是由于它的以下优势：

19、它在发生单相接地时产生的接地电流较小，但线电压与是否接地无关，仍然保持三相对称，在这种情况下，系统仍然可以继续运行 2 个小时左右，提高了供电可靠性；当发生瞬时故障时短路点的弧光可以自己熄灭使系统恢复绝缘，系统自动恢复到正常运行状态。在发生故障的情况下，检修人员必须在尽量少的时间内找出故障分支，并确定故障点。这是由于系统带故障运行超过 2 个小时的时候，不仅会引起更加严重的相间故障，而且由于小电流系统发生单相接地时，非故障相相电压的幅值会增大至线电压的幅值，如果不能及时切除故障，线路绝缘会遭受严重破坏 3。因此，深入对小电流系统单相接地故障定位的研究，提高故障定位精度，能够使供电部门更及时的找

20、出故障点，保证可靠供电。故障定位主要有故障选线和故障定位两个部分。为了更好的对配电网单相接地故障定位进行研究，本章首先对国内外有关故障选线和故障定位的文献所提方法进行描述，并指出其存在的不足。然后，预测配电网关于故障定位研究的发展前景，为其他学者开展进一步研究提供思路。1.2 国内外关于配电网单相接地故障选线方法简介国内外对于 110 KV 以上的超高压输电线路的故障选线研究比较成熟，但是，针对66KV 及以下配电网的故障选线研究却没有突破性的成果。虽然配电网故障选线方法已经有很多成果，但现场使用情况却很不理想。目前的故障选线方法主要有以下三大类：（1）利用稳态分量进行故障选线，有比较零序电流

21、幅值法、比较零序电流相位法 4、群体比较幅值和相位法 5、五次谐波法 6等，该类方法受系统运行方式影响大，可能会出现漏选和错选的状况。（2）利用暂态分量进行故障选线，有暂态能量法、小波分析法 7、暂态零序电流幅-2-值比较法等。该类方法可以实现可靠选线，但是，由于现场实现起来比较困难，因此一直处于研究阶段。（3）利用注入信号来进行故障选线，如 S 信号注入法 8、变频信号注入法 9。这些方法需要另外增加信号发生装置和信号检测装置，这样会增加了设备投资，而且信号检测时易受到系统谐波的干扰。国外主要使用故障指示器寻找故障区段，在故障分支上，故障指示器给出提示。但是，该方法要求在线路每一个分支上装设

22、故障指示器，增加设备数量，加大设备维护的难度，同时也使投资大大增加。1.3 尚需解决的问题近几年，随着国内外学者的深入研究，小电流接地的故障选线技术已经取得了较大的发展，同时很多新的故障选线方法也正在提出。但是相比较于已经很成熟的输电线路的故障选线技术，配电网故障选线还存在许多的困难，其中最主要的原因之一就是配电网结构的复杂程度远远大于输电线路。随着城市规模的不断扩大以及人们对于市容市貌的要求，电缆线路得到越来越多的青睐，因此越来越多的的电缆线路被接入到配电网中，这也增加了故障选线的难度。除此之外配电网还存在大量多级分支线路，存在大量伪故障点，因此，如何找出故障分支，进而确定故障点需要进一步深

23、入研究。综上可知，国内外现有的针对配电网的单相接地故障选线和定位技术还处在理论研究阶段，定位效果并不理想，现场依然需要人工巡线来找出故障点，这样费时费力，严重影响供电可靠性，而且与配电网自动化的要求大相径庭，需要提出更加有效的方法来解决这个问题。1.4 未来的发展趋势通过对现有故障选线和定位方法的简单总结，可以看出，未来的研究方向需要重点在以下六个方面进行突破：（1）由于过渡电阻的影响，使得故障信号比较微弱，因此，必须提高设备对于微弱故障信号检测的能力；（2）多种故障定位方法的相结合，以实现各种故障定位方法的优势互补，以提高定位精度；（3）研制出适用于高频采样的电压互感器和电流互感器；（4）提

24、高配电网故障测距的智能化水平；（5）对于架空线路-电缆混合线路的研究；（6）含有分布式电源的配电网的研究。1.5 本文所做的主要工作本文主要工作分为以下四个部分：大量研读国内外关于配电网单相接地故障定位的文献，为下一步研究工作提供理论支持；-3-简要介绍基于暂态零序电流幅值比较的故障选线；鉴于希尔伯特-黄变换即 HHT 分析方法处理复杂信号的独特优势，将 HHT 用于测点处电压线模分量突变点的检测，该突变点即为配电网单相接地故障时故障行波到达测点的时刻；利用传统的双端行波测距法计算双端支路的故障距离，形成故障支路判定矩阵，实现故障区间定位及测距；编写故障选线和定位的算法程序；用 Matlab

25、搭建 10kV 配电网单相接地故障仿真模型，验证本文所提方法理论上的准确性和可行性。-4-2 小电流接地系统介绍在小电流接地系统的故障中，最为常见的是单相接地短路故障，能占到 80%以上，为了能准确快速的找出故障、排除故障，有必要对配电网发生接地故障时的故障分量进行分析，为下一章提出故障定位的解决方案奠定基础。2.1 小电流接地系统单相接地故障时的稳态分量 2.1.1 中性点不接地系统当发生上述故障时，首先分析其稳态分量，如图 2-1 所示的系统共有 N 条支路，中性点不接地。我们假设支路 N 出现了单相接地故障（以 A 相为例），每一条支路的对地基波电容电流流向已经用箭头在图中标出。如果系统

26、不发生故障，则三相对地电容相等，并且两相之间的相对电容也相等，此时线路不存在零序电压和零序电流。根据电力系统的相关知识可以分析得到，非故障支路 1，其三相电容电流为：(2-1) 0111CUjICBBA其中，三个电流分别为非故障支路 1 各相对地容性电流，三个电压分别为非故障支路 1 各相对地电压。系统的频率为 50Hz。由式（ 2-1）可以推导出非故障支路 1 中零序电流为：(2-2)0110133CABCOIIj式(2-2)中表示出中性点零序电压 、单相对地电容 和系统角频率 之间的关系。U01C由图 2-1 所示的电流方向，可以看出非故障支路和故障支路 N 中的零序电流的流向相反。图 2-1 小电流不接地系统发生单相接地后的示意图N（ 不 接地 ）CBA 0102C0N支 路 1支 路 2支 路K支 路路 N故 障 点