王希

（華北電力大學(xué)，河北保定071003）

用于配電網(wǎng)單相接地故障選線的注入信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

王希

（華北電力大學(xué)，河北保定071003）

注入信號(hào)法已廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng)單相接地故障選線。注入信號(hào)的幅值與工頻信號(hào)相比十分微弱，能否可靠、準(zhǔn)確檢測(cè)出注入信號(hào)就成為選出接地線路的關(guān)鍵。在分析注入信號(hào)幅值和頻率對(duì)檢測(cè)影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種模擬濾波與數(shù)字濾波相結(jié)合的注入信號(hào)檢測(cè)方案。模擬濾波采用雙T濾波器，主要完成工頻陷波和對(duì)注入信號(hào)的選頻放大；數(shù)字濾波采用差分濾波器和帶通濾波器，對(duì)直流分量、基波和各次諧波進(jìn)一步衰減，并準(zhǔn)確提取注入信號(hào)。采用PSPICE和MATLAB分別對(duì)模擬濾波電路和數(shù)字濾波器性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的濾波系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、可靠地對(duì)注入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

配電網(wǎng)；單相接地；注入信號(hào)檢測(cè)；模擬濾波；數(shù)字濾波

0 引言

利用外加注入信號(hào)對(duì)配電網(wǎng)單相接地故障進(jìn)行選線的方法具有不受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和消弧線圈補(bǔ)償?shù)挠绊?，選線準(zhǔn)確率較高，且能夠?qū)崿F(xiàn)故障定位功能，已廣泛應(yīng)用于我國(guó)配電網(wǎng)中。但是注入信號(hào)與工頻信號(hào)相比幅值很小，加之現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜，各種雜波干擾、耦合電容的存在都會(huì)對(duì)注入信號(hào)帶來(lái)影響，使得準(zhǔn)確、可靠檢測(cè)注入信號(hào)變得較為困難，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致小電流接地選線定位保護(hù)裝置出現(xiàn)誤選或漏選［1-3］。

信號(hào)注入單相接地故障選線會(huì)受過渡電阻的影響，過渡電阻使得流過故障線路的注入電流信號(hào)產(chǎn)生分流［4］，為了確保選線準(zhǔn)確率，必須能夠?qū)ψ⑷胄盘?hào)進(jìn)行靈敏、可靠、準(zhǔn)確的檢測(cè)。

傳統(tǒng)的注入信號(hào)檢測(cè)裝置主要依靠模擬濾波器對(duì)注入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，為了達(dá)到較好的信號(hào)檢測(cè)效果，需要采用多級(jí)濾波，且濾波器的帶寬較窄，存在探測(cè)器體積大、功耗高、易發(fā)生自激振蕩、檢測(cè)精度不高等問題。

設(shè)計(jì)一種濾波系統(tǒng)，包括模擬濾波與數(shù)字濾波，二者共同作用對(duì)注入信號(hào)進(jìn)行精確檢測(cè)。其中模擬濾波器主要完成工頻陷波、注入信號(hào)選頻放大等功能，所需元件較少，可以設(shè)計(jì)較寬帶寬，不會(huì)出現(xiàn)自激振蕩等問題；數(shù)字濾波器具有帶通特性，可對(duì)注入信號(hào)進(jìn)行精確提取，完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)注入信號(hào)檢測(cè)精度的要求。仿真計(jì)算驗(yàn)證了該濾波系統(tǒng)的有效性。

1 信號(hào)注入法基本原理

當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，向故障系統(tǒng)注入幅值較小、與電力系統(tǒng)固有頻率相區(qū)別的電流信號(hào)，通過在不同位置對(duì)注入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)完成單相接地故障選線和定位功能［5-7］。如圖1所示，當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生金屬性單相接地故障時(shí)（以C相為例），C相對(duì)地電壓降為零，Uan＝Ubn＝100 V，零序電壓Uln＝100 V。此時(shí)C相的TV二次繞組中無(wú)感應(yīng)電壓，相當(dāng)于處于“閑置”狀態(tài)［8］。借助故障相TV的二次繞組，可以將注入信號(hào)耦合到一次系統(tǒng)，并經(jīng)過TV接地點(diǎn)和系統(tǒng)故障接地點(diǎn)形成注入信號(hào)電流的流通回路。

圖1 注入信號(hào)法選線原理示意

注入信號(hào)的流通回路如圖1中虛線①、②所示。SG表示注入信號(hào)源，①為注入信號(hào)在TV二次側(cè)的流通路徑，②為注入信號(hào)在一次系統(tǒng)的流通路徑?？梢钥闯鲎⑷胄盘?hào)僅在故障線路中流通，在非故障線路和故障線路的接地點(diǎn)下游都不會(huì)出現(xiàn)注入信號(hào)。因此只要檢測(cè)各出線中有無(wú)注入信號(hào)電流，便可確定故障線路，實(shí)現(xiàn)單相接地故障選線；在故障線路上對(duì)注入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，找到注入信號(hào)消失的位置，即可實(shí)現(xiàn)單相接地故障的定位［9-10］。

2 注入信號(hào)的選取

注入信號(hào)是外加信號(hào)，借助TV耦合到一次系統(tǒng)中，受TV容量的限制并考慮到對(duì)系統(tǒng)的影響，注入信號(hào)的幅值不宜太大；為了方便檢測(cè)，注入信號(hào)的頻率必須與系統(tǒng)的固有頻率分量相區(qū)別，因此選取注入信號(hào)對(duì)單相接地選線和定位功能完成十分重要［11-12］。

2.1 幅值的選取

注入信號(hào)幅值越大，越有利于檢測(cè)。假設(shè)注入信號(hào)源輸出的電流幅值為5 A，TV變比為10 kV／100 V，該信號(hào)通過TV二次側(cè)耦合到一次側(cè)后幅值降為50 mA，在保護(hù)裝置內(nèi)部再經(jīng)過電流變換器，最后保護(hù)裝置所采集到的注入信號(hào)幅值約為1 mA，該值與工頻信號(hào)相比很小，如果考慮中間過程衰減、過渡電阻分流、其他信號(hào)干擾等因素，該值會(huì)更小。因此選擇的注入信號(hào)幅值不能很小，否則保護(hù)裝置將無(wú)法得到可靠的檢測(cè)結(jié)果。

注入信號(hào)的幅值也不能過大。注入信號(hào)屬于間諧波信號(hào)，如果幅值較大，勢(shì)必會(huì)給系統(tǒng)的運(yùn)行、計(jì)量、保護(hù)和控制等多個(gè)環(huán)節(jié)帶來(lái)不利影響，因此必須限制幅值不能過大；如果注入信號(hào)的幅值過大，會(huì)超出TV的容量限制，可能發(fā)生TV斷線或燒毀的現(xiàn)象（目前配電系統(tǒng)所用TV的容量一般為30 VA或50 VA）。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，注入到TV二次側(cè)繞組的信號(hào)幅值應(yīng)取3～6 A。

2.2 頻率的選取

注入信號(hào)頻率的選取主要取決于［13-15］：注入信號(hào)的頻率必須與電力系統(tǒng)固有頻率相區(qū)分，即不能使用基波和諧波頻率；注入信號(hào)的頻率不能太低，否則易受工頻和直流分量的影響，檢測(cè)誤差會(huì)增大；注入信號(hào)的頻率也不能太高，否則系統(tǒng)容抗變大，檢測(cè)靈敏度會(huì)降低［4］；為了滿足數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)要求，要在工頻信號(hào)的一個(gè)采樣周期內(nèi)，使注入信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)也為整數(shù)，且還要滿足采樣定理的要求。

本文AD采樣頻率設(shè)為1 600 Hz，注入信號(hào)頻率選擇為80 Hz，能夠滿足各方面的要求。只要能滿足上述要求，選擇其他頻率也是完全可以的。

3 濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用注入信號(hào)頻率為80 Hz，通過模擬濾波和數(shù)字濾波相結(jié)合的方式，對(duì)80 Hz注入信號(hào)進(jìn)行可靠、準(zhǔn)確的提取。

3.1 模擬濾波器的設(shè)計(jì)

模擬濾波器采用雙T型帶阻濾波，以達(dá)到衰減工頻信號(hào)的目的。

圖2 雙T帶阻濾波器及等效電路

雙T型濾波器結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，該濾波器由一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器并聯(lián)構(gòu)成。低通濾波器由兩個(gè)電阻R和一個(gè)電容2C構(gòu)成一個(gè)T形網(wǎng)絡(luò)，高通濾波器由兩個(gè)電容C和一個(gè)電阻R/2構(gòu)成另外一個(gè)T形網(wǎng)絡(luò)。利用Y—△變換可將雙T網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化成π型等值電路，如圖2（b）所示。該濾波器傳遞函數(shù)的幅頻特性為

設(shè)計(jì)的工頻帶阻濾波器幅頻響應(yīng)曲線如圖3所示。可以看出濾波器對(duì)工頻信號(hào)的衰減達(dá)到了60.4 dB，具有良好的工頻帶阻能力。80 Hz距離工頻較近，對(duì)注入信號(hào)也有一定的衰減作用，衰減大小為25.8 dB。因此在工頻帶阻濾波器后，需要增加選頻放大環(huán)節(jié)，對(duì)80 Hz的信號(hào)進(jìn)行選頻放大，便于后續(xù)電路處理使用。

圖3 帶阻濾波器幅頻響應(yīng)特性曲線

3.2 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

雖然模擬濾波器對(duì)工頻信號(hào)有較大的衰減作用，但由于工頻信號(hào)幅值相對(duì)注入信號(hào)而言非常大，經(jīng)過模擬濾波后，信號(hào)還是以工頻和各次諧波信號(hào)為主。為了準(zhǔn)確提取疊加的注入信號(hào)，可以借助數(shù)字濾波器。首先對(duì)直流、工頻和諧波信號(hào)進(jìn)行陷波，然后用窄帶的帶通濾波器提取注入信號(hào)。

3.2.1 工頻與諧波陷波器的設(shè)計(jì)

對(duì)工頻和諧波信號(hào)陷波采用最簡(jiǎn)單的差分濾波器。如果系統(tǒng)的采樣頻率為1 600 Hz，對(duì)工頻信號(hào)一周采樣32點(diǎn)，對(duì)80 Hz的注入信號(hào)，一周采樣20點(diǎn)。差分濾波器的差分方程為

式中：k取32。

對(duì)于80Hz的注入信號(hào)，差分濾波器的幅頻響應(yīng)為

即經(jīng)過差分濾波后，注入信號(hào)幅值增大為原來(lái)的1.9倍?？梢姴罘譃V波器不僅能夠消除工頻和各次諧波的影響，對(duì)于注入信號(hào)還有放大作用。

3.2.2 帶通濾波器的設(shè)計(jì)

注入信號(hào)頻率靠近工頻，且幅值很小，為了準(zhǔn)確提取注入信號(hào)，設(shè)計(jì)一個(gè)高階窄帶的FIR帶通濾波器，中心頻率為80 Hz，帶寬為10 Hz，濾波器階數(shù)為200階。

FIR濾波器可以對(duì)給定的頻率特性直接進(jìn)行設(shè)計(jì)，濾波器的傳遞函數(shù)只有零點(diǎn)，除原點(diǎn)外，沒有極點(diǎn)，因此FIR要取得好的衰減特性，一般要求傳遞函數(shù)的階次要高。FIR濾波器具有一直穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)線性相位，允許設(shè)計(jì)多通帶濾波器等優(yōu)點(diǎn)。

采用MATLAB數(shù)字信號(hào)處理軟件包對(duì)帶通濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，窗函數(shù)為Hamming窗。設(shè)計(jì)得到的帶通濾波器幅頻響應(yīng)特性如圖4所示。可以看出，該數(shù)字濾波器具有良好的帶通特性，且對(duì)工頻、各次諧波信號(hào)具有良好的衰減作用，即使在差分濾波環(huán)節(jié)由于系統(tǒng)頻率偏移無(wú)法完全濾除直流、工頻和諧波分量時(shí)，在帶通濾波環(huán)節(jié)也能保證對(duì)上述信號(hào)的可靠衰減。

帶通數(shù)字濾波器的計(jì)算公式為式中：x（n）為濾波器輸入；h（k）為數(shù)字濾波器的單位沖擊響應(yīng)，由200個(gè)常數(shù)項(xiàng)組成，具體數(shù)值在濾波器設(shè)計(jì)完成后可以獲得；y（n）為數(shù)字濾波器的輸出。

圖4 FIR 80 Hz帶通濾波器的幅頻特性

4 濾波系統(tǒng)性能仿真測(cè)試

4.1 模擬濾波器性能仿真

采用電路分析仿真軟件PSPICE對(duì)設(shè)計(jì)的50 Hz帶阻濾波器和放大電路的性能進(jìn)行了仿真分析，仿真模型如圖5所示。

圖5 模擬濾波器仿真模型

當(dāng)輸入為50 Hz、1 V的電壓信號(hào)時(shí)，經(jīng)濾波電路和放大電路后的波形如圖6所示，可見該濾波器對(duì)工頻信號(hào)具有良好的衰減作用。將輸入設(shè)為80 Hz、1 mV的電壓信號(hào)，輸出信號(hào)的波形如圖7所示，可見該濾波器對(duì)80 Hz也有一定的衰減作用，但經(jīng)過放大處理后，80 Hz信號(hào)的幅值與50 Hz信號(hào)的幅值處于同一數(shù)量級(jí)，這就為后面數(shù)字濾波器的可靠工作提供了有利條件。圖6和圖7中的波形均出現(xiàn)了向下偏移的趨勢(shì)，這主要是器件直流偏置電壓的存在所導(dǎo)致的。

圖6 50Hz的1 V電壓信號(hào)經(jīng)濾波器后波形

圖7 80Hz的1 mV電壓信號(hào)經(jīng)濾波器后波形

4.2 數(shù)字濾波器仿真

在數(shù)字濾波器中，使包含不同頻率分量的信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器，來(lái)考察其提取80 Hz信號(hào)而濾除其它頻率信號(hào)的能力。調(diào)用Simulink中的功能模塊構(gòu)成數(shù)字濾波器的模型如圖8所示。

圖8 數(shù)字濾波器仿真模型

將FDATool所設(shè)計(jì)的濾波器文件導(dǎo)入，數(shù)字濾波器便可按照設(shè)計(jì)的特性進(jìn)行工作。構(gòu)造兩組信號(hào)對(duì)數(shù)字濾波器的性能進(jìn)行分析驗(yàn)證，第一組信號(hào)包含了基波、三次諧波和直流分量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

第二組信號(hào)在第一組信號(hào)的基礎(chǔ)上，疊加了80 Hz信號(hào)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

兩組信號(hào)經(jīng)數(shù)字濾波器后的輸出波形分別如圖9和圖10所示。

圖9 對(duì)信號(hào)x1濾波后波形

從圖9中可以看出，信號(hào)經(jīng)過數(shù)字濾波器后，所有信號(hào)幅值都產(chǎn)生大幅衰減，可見其對(duì)直流、工頻和諧波分量具有良好的濾波作用。從圖10可以看出，信號(hào)x2經(jīng)過數(shù)字濾波器后，80 Hz的信號(hào)基本沒有衰減，而其他頻率成分基本被濾除，表現(xiàn)出良好的帶通特性，達(dá)到濾波器的設(shè)計(jì)要求。

圖10 對(duì)信號(hào)x2濾波后波形

5 結(jié)語(yǔ)

在基于信號(hào)注入法的小電流接地選線定位保護(hù)中，注入信號(hào)的幅值相對(duì)較小，對(duì)準(zhǔn)確可靠的進(jìn)行選線和定位帶來(lái)了不利的影響。提高對(duì)注入信號(hào)的檢測(cè)靈敏度和精度，有助于進(jìn)一步提高單相接地選線和定位的準(zhǔn)確率和可靠性，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。設(shè)計(jì)包含模擬濾波器和數(shù)字濾波器在內(nèi)的濾波系統(tǒng)，不僅對(duì)電力系統(tǒng)直流分量、基波和各次諧波有很好的衰減作用，而且能對(duì)80 Hz的注入信號(hào)進(jìn)行精確的提取。仿真測(cè)試驗(yàn)證了該濾波系統(tǒng)的可行性和有效性，完全可以應(yīng)用到實(shí)際裝置中。

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Signal Injection Detection Technology for Fault Line Selection of Single Phase to Ground Fault in Distribution Power System

WANG Xi
（North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Signal injection method has been widely applied in distribution power system to select single phase to ground fault line for many years.The amplitude of injected signal is much weaker than 50Hz.How to detect the injected signal with high reliability and accuracy is very important for reliable fault line selection.The effect of the amplitude and frequency of injected signal on detection is analyzed,an signal injection detection scheme is designed.This scheme consists of analog filters and digital filters.Analog filters apply double-T filters,which can attenuate 50Hz signal and amplify injected signal.Digital filters contain differential filters and band-pass filters,which can eliminate direct current signal,50Hz signal and harmonic further while picking up the injected signal accurately.Performances of analog and digital filters are analyzed by PSPICE and MATLAB，and results show that this filter system can test the injected signal reliably and accurately.

distribution power system;single phase to ground fault;signal injection detection;analog filter;digital filter

TM773；TM727

A

1007-9904（2015）08-0013-05

2015-07-14

王希（1994），女，華北電力大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，參與GIS電氣性能測(cè)試、電動(dòng)汽車絕緣電阻測(cè)試方法等多項(xiàng)課題研究。