1、利用神经网络，小波变换和人工智能的方法已经越来越重要了。低频信号分析也已经被用来分析故障特征，在中性点经消弧线圈接地系统中，利用改变消弧线圈的档位或者在中性点向系统注入工频电流信号，通过检测其对地的流通回路，但是，大部分这种技术只是用于一些小电流接地故障或者仅仅用于特定的情况下和特定类型的配电网中。 本文提出了一种基于电压信号叠加原理来监测小电流故障的的新方法，该方法适用配电网中的任何接地故障类型。2 小电流接地技术分析2.1 基于电压信号叠加的故障监测 单相故障改变系统的参数和电磁能量关系，单相接地故障相导纳改变并且中性点的不对称度增加。因此，单相接地故障导纳可以作为故障参数来监测。但是由于
2、健全相的故障电阻很大，所以单相故障时对地电阻的下降可以作为故障时的特征量监测故障线路。 这种方法可以用在有补偿故障电流（中性点经消弧线圈接地）的系统中，要计算导纳值，就要在中性点向系统注入工频电流信号，这种方法只是用于中性点补偿或者经高阻接地的配电网中。 本文所述的方法并不是在中性点向系统注入电流，而是在母线上叠加特定频率的电压信号。此外，测量故障情况下的比较大的电气量都是在工频条件下进行。这种检测方法工作与正常系统是独立的，因为向系统叠加工频信号可能会影响用户的供电。因此，高频信号可以用作叠加的信号。 这些改变可以使种方法适用于各种类型中性点接地的系统中: 谐振接地系统 不接地系统 直接接地
3、系统 高阻接地系统 这种方法的使用依赖于单相对地时的故障电阻和线路（feeder）电阻的计算，故障时使得中性点对地电压改变，结果馈线残余电流发生变化，通过这电压电流的变化便可以来测量电阻值。如图一所示,第i线路的p相对地故障电阻可以用式（1）来求解， （1）式中，除了残留电流，所有的magnitudes都可直接测量。残余电流即为出线I三相电流的和，如式（2）为了求得故障电阻，必须知道相电压V_pG，中性点对地电压V_NG以及出线i的残余电流。另外，也必须知道故障前两种正常状态a和b下网络的参数，以求取不同的中性点电压和残余电流。2.2 选线步骤按照上文论述，通过测取在叠加电压信号后的中性点电压
4、和残余电流，来求得故障电阻。具体测量方法如下： 三相电压值（叠加信号而言） 每一条出线的残余电流 中性点电压测取这些量和系统的拓扑结构，系统的状态（故障或正常）以及所叠加的信号有关。前两种状态由系统的决定，然而叠加信号有选线装置给定。为了检测出故障，需叠加两种相同频率的不同信号： 正序三相信号 零序三相信号在检测过程中，这些信号重复产生以测得在给定频率，三种不同情况下的电压电流值：1） 故障前。这对应于系统正常状态下，只叠加正序信号，与式（1）中下标为a的值对应，而且是没有叠加零序信号。2） 重复叠加信号。每次重复叠加信号之前 ，系统必须在正常状态下。同时只叠加正序和零序信号。在式（1）中对应
5、于下标b。3） 故障时。计算故障电阻的时候。考虑故障电阻的计算结果，故障或者正常状态必须确定。只叠加正序信号。在式（1）中，对应于没有任何下表的量。在这种方法中，第一步，给出两种不同的正常状态（故障前和叠加信号后），为了的到第一种状态下的参数，叠加特定频率的正序信号。第二步，在前一步的基础上叠加零序信号得到第二种状态下的参数。为了求得故障电阻，把前两种测得相关数据保存起来，当再一次把叠加信号时，便有了一个模拟的系统。在第二步，用前面得到的虚拟系统和实际系统的电压电流值求得每一条出线的每相故障电阻。当发生故障时，故障出线和故障相都能识别出来。直到新的叠加信号产生，再次执行上述步骤。因此，正序信号
6、一直叠加，零序信号只在每一次开始叠加前加入。为了检验选线系统的可靠性，故障电阻的计算应该和的虚拟系统下进行。那样的话，叠加信号的持续时间必须考虑到具体的一个配电网，然而，每改变一次系统的拓扑结构，当测量到的值发上较大变化时，持续时间可以自动或者被外部触发确定。那样的话，除了故障电阻，每一条线路的不平度也可计算出来，如（3）式式中，参考的不平衡度（对应于在虚拟系统中叠加信号前）在式（4）和（5）中，定义了上述的不平衡度：2.3 接地特征到目前为止，推荐的方法已被描述的一种通用的方式，而不区别的中性点接地连接类型。事实上，如前面所证，基于电压信号叠加的中性点非有效接地故障选线已经广泛应用于配电网中
7、，包括中性点不接地、谐振接地、可靠接地、或者电阻接地。然而，根据目前的接地方法，重视这些方法的是很有必要的，因而，当中性点直接接地时，无法获得中性点电压（YNG = ）。在这种情况下，对于每一条出线是否为故障线路的确定，必须用同级电网的电压代替中性点对地的电压。同级电网电压根据单相对地电压很容计算出来，如式（6）所示 （6）遵循的程序进行故障检测没有了变化这一接地方法。3 信号叠加信号叠加在电网中个应用从很久以前的通信网中就开始了。应用与电网中这些方法克服许多困难由于电力系统本身的特点。后来，对用于通信系统的信号叠加法做适当的修改便用于电力系统的保护了。中低压电网用于通信主要使用一下三个不同的
8、频段： 频率从30到1000Hz，主要用来传输远程投切负荷的信息。 频率从3kHz到145.8kHz,主要用来传输电网控制的信息。 频率在几百MHz的，主要用于提供用于连接Internet的数字通信和数据通信。衰减的信号会显著的影响电力线，而这种衰减的信号取决于频率。因此，低频信号衰减的很小，所以比较适合用作保护。除此之外，高频信号的使用还有技术方面的困难。电网的频率通常设计为50/60Hz，以适应这种需求。在高频段，电力变压器的漏抗将会表现的明显，会阻止信号的通过。电容器组用作功率因数校正，也为高频信号提供对地的低阻抗回路，除非高频信号被滤掉。如果频率比较低，则信号很容易通过。不管怎样，为了
9、在实际的配电网中实现这种办法，很有必要分析噪声的大小及其频率。叠加的信号频率选择必须很电网中的噪声的频率不相同。另外，叠加的电压信号的最高频率必须予以考虑。因此，推荐的频段为110Hz到485Hz之间，如表14所示。表信号频率的最大值频率（Hz最大值（%）1101.7168183320621727031738342548544 方法的证明为了证明推荐的这种方法可靠性，必须使用MATLAB/Simulink开发的软件工具RESFAL15做很多次试验。这种方法已经在各种接地方式、各种接地故障、各种故障电阻、各种故障位置下做了很多次的试验。为了这个目标，我们使用一个简单的配电网模型。后来，我们搭出了
10、一个实际的这样模型。下面是关于试验的一些重要数据和典型结论。4.1 简单的配电系统图2 简单的配电网为了测试方法的有效性，简单的配电系统如图2所示，20KV系统，共两条出线。在这个模型中，除过信号叠加部分和测量部分，只有考虑每条出线对地的电容和等效的系统电源。为了仿真不同的接地方式，模型中中性点和地之间是一个可变的导纳，根据不同的接地方式（不接地、谐振接地、直接接地、电阻接地）而改变。表为在图3所示的系统下得到的结果表简单系统的试验结果接地方式故障线路故障相故障电阻测量电阻谐振1R15001499.992S1200012000.14不接地T250249.991400014000.17直接接地6
11、0005999.981500014999.91电阻接地1000999.991000010000.124.2 实际的配电系统第二步，在实际的配电模型中验证方法的可靠性。这个模型源于西班牙的巴斯克村的一个有5条辐射出线的变电站的中压配电网。 系统中的参数如下（系统如图3所示）： 三柱式三相变压器，/连接组别，额定电压比为30/13.5KV,额定容量为12MVA。 有5条出线，有35.7Km的架空线和8.9Km的电缆组成，架空线由钢芯铝绞线和铜导线组成，电缆由铝芯或者铜芯和电子顺磁控制的绝缘层。 整个系统共有98个负荷。这么多的的负荷被划分为基本的几种。已经证明，这样的等效不会影响试验结果。根据伊维
12、尔德罗拉公司电力公司提供的数据，ATP和Matlab/Simlink仿真表明这个配电网模型是很有效的，具体结果如表所示：图3 实际的配电网模型表实际系统与仿真模型比较出线线电压（KV）电流（A）有功（KW）实际仿真13.733.33.297272.5215.4215.29338337.63945.7445.02998997.2144.6644.33978975.71528.4927.89626623.96向系统注入不同幅值和频率的电压的信号表明这种方法是可行的，频率的范围为60Hz到500Hz。根据以上结果，可以得到如下结论： 注入信号的频率增加时，计算的故障电阻的值误差也在增加，即故障电阻的
13、精度降低了。 注入信号灯饿频率增加时，故障阻抗的相角增加，即虚部影响加大了，这样一来选线的可靠性就降低了。 对于选线和故障电阻的计算，最理想的频率范围为100Hz到300Hz之间。对于不同的接地方式，大量的试验以证明这种选线方法的有效性，因此，故障电阻从几到15K都是可以使用的。另外，不同故障对选线的影响必须予以考虑。那是因为，在配电网不同故障点有如下不同分析：对于所有的相和出线，不同故障点，不同区域只有几个负荷在故障点和变电站之间。例如，表-总结了对于所有接地方式的试验结果。在这些表中，比较了仿真得到的故障电阻值和采用选线方法得到的故障电阻值。另外，不同出线，不同相，不同故障点都列出来了。在
14、所有的仿真条件下，采用这种选线方法都能正确的选线，识别出故障出线和故障相，并且可以定位。而且可以看出通过仿真和实际测得的故障电阻值差别很小，理论上故障电阻的值越小，误差会越大，通常故障点离变电站较远。但是无论误差有多大都不会影响故障选线。最后，这种方法可以识别出故障情况和配电网的正常操作，因而，当线路的拓扑结构发生变化时仿真表明也能正确地选出故障线路。所有的仿真测试表明，如果没有发生故障并且各条对应的出线的不对称度变化很小，拓扑结构发生变化也能被识别（参见表）。事实上，监测每条出线的不对称度对于故障选线也是有益的。如果所有的出线的拓扑变化都能使叠加信号的系统结构变化。表不接地系统故障点中点6.
15、19251.2720002001.870007003.414006始端5.58250.4199.16995.513990终点250.1891996.16984.513698252.772006.67071.614033表谐振接地故障位置500500.231499.550004996.9119921010.77499.631497.34989.21197312.31503.391505.65013.31202910.63500.731500.95001.712003表直接接地故障电阻测量电阻5051.19300301.27250025026003.115006199.92495598714966
16、51.81302.352507.16014.61503450.63300.682501.16001.915004表 电阻接地350351.281001.540004002.410004350.3999.833997.69993.22526.71352.411003.84010.21002325.62350.691000.84001.5100035 硬件设计及其实现由于没有装置产生电压信号来测试这个原理，研究小组【16】开发了这样的一个硬件平台。这个装置在母线上可以产生高于50/60Hz的的信号如图4所示。其逻辑框图如图5所示，产生叠加所需电压信号的电路包括一下部分：表 改变配电网的拓扑拓扑改变
17、故障检测出线1Kr1出线2Kr2出线3Kr3出线4Kr4出线5Kr5谐振接地出线3停运None1.9343301.831.861.87出线1停运930.16出线4运行1停运92.82.032.8第二段出线5停行0.840.8185.04第二段出线5运行0.790.82528.3出线1第二段出线5停行101.40.960.9588.35出线2运行0.337.820.31 图4产生电压信号的电路控制单元，基于微处理器。可以产生故障前、用于叠加和用于本振的正序和零序信号。作为辅助部分，控制部分还有键盘、显示和通信接口。 滤波和调理部分。可以是模拟信号的幅频精度很高。 键盘接口作为微处理器的数据输入。
18、 数字化显示选线使用的电压信号的幅值和频率 用来外部控制和监视的串行通信接口。图5 信号注入装置原理框图耦合部分。可以连接到信号注入的装置，这个装置直接连到电网的节点。一方面，它和保护电路是隔离的。另一方面，通过优化耦合方式，产生没有畸变的重叠音频信号。根据网络的电压等级，需要一个外部耦合模块。这个电路已经几个实验室的电网条件下证明这个原理的可靠性，这样，小电流接地故障，这个原理可以自动记录每一个仿真步长的电压和电流值，图6显示了叠加基波3%de 217Hz音频电压信号时测得的电压波形。 在实验室条件下测试这种方法，任何情况下都可以正确选出故障线路，故障相。而且通过这样的到的故障电阻的值和仿真
19、过程中的误差比较相似。图6 电压信号：基频电压信号6 结论本文中的单相接地故障选线方法可以用于辐射状配电网、中性点何种接地方式并且在故障电阻高达15K时也能正确选线。该方法是基于叠加不同与工频频率的电压信号。如前所述，该方法可以正确地识别出故障线路和故障相，并且可以测出故障电阻的大小。使用软件RESFAL仿真测试的试验结果这种方法选线的准确性，即使是高阻接地情况下在不接地或者谐振接地系统中。另外，当系统的拓扑结构发生变化时，如果没故障发生的话，该方法也可以正确识别。而且，实验室测试条件下开发了注入信号的装置验用来证这种方法选线的准确性，所使用的数据由Matlab和ATP仿真得到的。参考文献1
20、A. F. Sultan, G. W. Swift, and D. J. Fedirchuk, “Detection of high impedance arcing faults using a multi-layer perceptron,” IEEE Trans. Power Del., vol. 7, no. 4, pp. 18711877, Oct. 1992.2 J. H. Ko, J. C. Shin, C.W. Ryu, C. G. Park, andW. Y. Yim, “Detection of high impedance faults using neural nets
21、 and chaotic degree,” in Proc.EMPD Int. Conf. EnergyManagement and Power Delivery,Mar. 1998,vol. 2, pp. 399404.3 A. Lazkano, J. Ruiz, E. Aramendi, and L. A. Leturiondo, “Evaluationof a newproposal for an arcing fault detectionmethod based on waveletpacket analysis,” Eur. Trans. Elect. Power, vol. 14, no. 3, pp. 161174,May/Jun. 2004.4 T. M. Lai, L. A. Snider, E. Lo, and D. Sutanto, “High-impedance faultdetection using discrete wavelet transform and frequency range andRMS conversion,” IEEE Trans. Power Del., v
