矿井电网故障选线方法研究.pdf

第44卷第5期 2018年5月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 5 May 2018 文章编号671-251X 201805-0070-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018010024 矿并电网故障选线方法研究 李科S 随晓娜S 张俊S 张飞飞S 李鹤邹威3 1.国网昌吉供电公司， 新 疆 昌 吉 831100 3.武汉中元华电科技股份有限公司， 湖 北 武 汉 430000 摘要 针对矿井电网附加直流源系统发生单相接地故障时故障线路暂态零序电流的直流分量大于非故 障支路的特征， 提出了一种基于最小二乘矩阵束算法和Romanovsky准则的矿井电网故障选线方法。采用 最 小 二 乘 矩 阵 束 算 法 提 取故障暂态零序电流中的直流分量， 将 各 支 路 的 直 流 分 量 组 成 矩 阵 ； 再采用 Romanovsky准则进行判别 当绝对离差大于临界差时， 判为支路故障， 剔除数据支路即是故障支路， 否则为 母线故障。仿真结果表明， 该选线方法准确、 可靠， 具有较强的适应性。 关键词 矿 井 供 电 ；附 加 直 流 源 系 统 ；直 流 分 量 ；暂 态 零 序 电 流 ；故 障 选 线 ；最 小 二 乘 矩 阵 束 Romanovsky 准 贝 丨 J 中图分类号TD611 文献标志码A 网络出版地址 Ettp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180420. 1544. 001. html Research on fault line selection of mine power network LIKe1， SUI Xiaona1 , ZHANGJun1， ZHANG Feifei1， LIHe2， ZOU Wei3 1. State Grid Changii Power Supply Company, Changii 831100, China; 2. State Grid Suzhou Power Supply Company， Suzhou 234000, China; 3. Wuhan Zhongyuan Huadian Science 修回日期 2018-03-29;责任编辑 张强。 作者筒介李科“ M 87 男，河南商丘人，工程师，硕士，研究方向为电力系统故障检测、电能质量， E-mail likefrp 126. com。 引用格式李科，随晓娜，张俊， 等.矿井电网故障选线方法研究工矿自动化，2018,4450-75. LI Ke， SUI Xiaona， ZHANG Jun, et al. Research on fault line selection m ethod of m ine power network[J] . Industry and M ine Automation,2018,445 ； 70-75. 9]魏明尧， 王春光， 崔光磊 ， 等魏明尧， 王春光， 崔光磊 ， 等.损伤和剪胀效应对裂隙损伤和剪胀效应对裂隙 煤 体 渗 透 率 演 化 规 律 的 影 响 研 究 岩 土 力 学 ，煤 体 渗 透 率 演 化 规 律 的 影 响 研 究 岩 土 力 学 ， 2016,372 74-582. WEI Mingyao， WANG Chunguang, CUI Guanglei，， et al. Influences of damage and shear dilation on permeability evolution of fractured c o a l]. Rock and Soil Mechanics, 2016,372 574-582. [ 2 0 ] 张艳博， 刘善军张艳博， 刘善军.含孔岩石加载过程的热辐射温度场含孔岩石加载过程的热辐射温度场 变 化 特 征 岩 土 力 学 ，变 化 特 征 岩 土 力 学 ，2011，，3241013-1017. ZHANG Yanbo，， LIU Shanjun. Thermal radiation temperature field variation of hole rock in loading process]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32 4 1013-10178 [21] KACHANOV L M. 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The uses least-square matrix pencil algorithm to extract DC component of transient zero-sequence current, and the DC component of each line is ed matrix. Then, it uses Romano vsky criterion to judge fault. If the absolute dispersion is larger than the critical dispersion, it is the line fault, the rejected data branch is the fautt line, otherwise it is the buses fault. Simulation results show that the is accurate, reliable with high adaptability. Key words mine power supply; additional DC system; DC component; transient zero-sequence current; fault line selection; least-square matrix pencil; Romanovsky criterion 〇 引言 我国矿井电网低压供电系统一般为中性点不直 接接地系统。单相接地故障是矿井电网系统中最常 见的故障， 约 占 总 故 障 的 80[12]。若系统在发生 单相接地故障时， 未能快速有效地检测出故障线路， 导致故障时间过长， 不仅会增加人身触电的危险， 可 能还会产生电火花， 甚至会引起瓦斯、 火灾、 煤尘爆 炸等重大安全事故， 严重影响煤矿安全生产。因此， 在复杂的低压矿井电网系统中能够快速、 有效地判 断出故障支路具有重要意义。但矿井环境较为恶 劣 ， 电压系统漏电机理复杂， 且漏电信号微弱， 导致 选择故障支路比较困难[3]。 目前， 我国的矿井漏电保护方法主要有零序过 电流保护、 零序功率方向保护、 零序电压保护、 旁路 接地保护、 三相半波整流漏电保护、 附加直流检测式 保护原理等方法[45]。对这些漏电保护方法进行深 人分析比较发现， 附加直流检测式保护方法虽然不 具有故障支路的选择性， 但它比其他几种方法适应 性更强， 不仅能够覆盖整个矿井电网系统， 而且此方 法不受故障类型、 初相角及故障时间的影响。所以， 针对附加直流源系统进行研究的故障选线将会更加 有效。但目前的漏电保护方法包括附加直流检测式 保护方法都是基于稳态下的故障选线， 很难满足矿 井低压系统下对保护30 m s内启动的要求， 故研究 附加直流源系统下单相故障时的暂态信号具有非常 实用的意义。 在附加直流源系统下， 暂态过程机理比较复杂， 不仅有交流量， 而且还有直流量， 可变量较多， 且状 态随机） 7]， 所以， 找准暂态机理中的目标量， 并能够 准确提取是关键。通过分析矿井电网附加直流源系 统单相接地故障， 发现故障线路暂态零序电流的直 流分量总是大于非故障支路。针对这一特征， 本文 提 出 了 一 种 基 于 最 小 二 乘 矩 阵 朿 算 法 和 Romanovsky准则的矿井电网故障选线方法， 该方 法采用最小二乘矩阵朿算法提取附加直流源系统下 故障暂态零序电流中的直流分量， 以进行故障支路 的选择。但利用最小二乘矩阵朿算法仅能判别出支 路故障， 无法判别母线故障， 且当系统中零序电流较 弱时， 更容易造成误判。为此， 在基于最小二乘矩阵 朿 算 法 的 基 础 上 ， 根 据 异 常 数 据 判 断 准 则 ， 建立 Romanovsky准则的选线判据 当绝对离差大于临 界差时， 为支路故障， 剔除数据支路即是故障支路， 否则为母线故障， 从而实现故障支路判别。 Matlab 仿真结果验证了该方法的正确性。 1最小二乘矩阵束算法及Remanovsky准则 1.1 最小二乘矩阵束算法 最小二乘矩阵朿算法又叫矩阵朿算法， 是以拉 氏变换为基础的一种算法， 主要应用在广域测量系 统下的在线测量， 并可对振荡模态和故障区域进行 实时辨识分析） ]。若用复指数形式将采样数据进行 衰减线性拟合，再经过适当扩充， 就能够快速、准确 地 得 到 故 障 后 的 信 号 频 率 、 衰 减 因 子 、 相位和 幅值） ]。 在数值计算理论中， 可将矩阵朿定义为 ft,D gt Lht 1 式中 / “ ， P 的约朿函数， ； “ ） 和 K“ 为 B时间内的采样函数， 且 g “ 不 能 是 h“ 的纯倍 数 ;L 为朿参数。 设观测值为y “ ， 在给出观测值y “ 后 ， 如果 选择合适的g “ 、h“ 和 A估计值， 就可得到极值点 的有关信息） 0]。 假设信号可以表示为M 个具有任意幅值、 相 位、 频率和衰减因子的指数函数线性组合形式， 即 ykt xkt 6nkt M 3exp W 人 为 第 * 个信号的复幅值;A为第个信号的衰减因子; 尺 为 第 t个信号的角频率。 令 2exp 以 迟 ） 山 则 式 （ 2可改写为 M ykAt 3 2v\ 6 “At 3 i-i 令 i *“ *i *P i. *1 *2 *P -*NL 1 *N L *N 2 - ■ YDXL 4 2 *1 *2 *L *2 *3 *L 1 *N 一L K ff时， 为线路故障，为故障支 路 ， 否则为母线故障。 2故障选线方法 附加直流源系统不仅漏电保护范围极广， 而且 增 加 了 故 障 支 路 的 直 流 量 ，更 容 易 找 到 Romanovsky准 则 中 的 可 疑 数 据 ， 使 Romanovsky Di Fi ReaKln zt At magdn z, At 式 中 i 1 ,2 ， ， M 。 信号的复幅值2 i 满足方程 8 *0■ p1 -*- 21 Z2 N 1 〜N 1 12,- zM 2.2 yN 1 M -2 - 9 准则更加有效。设 为 附 加 的 直 流 电 压 源 ， S K 为 三相电抗器， L K 为零 序 电 抗 器 ， Cn为 隔 直 电 容 ， R 和 C 分别为系统对地绝缘电阻和对地电容， 则传 统的附加直流源矿井供电系统如图1 所示。 在附加直流源系统的基础上， 提取各支路故障 状态下零序电流的混合信号， 利用最小二乘矩阵朿 算法提取混合信号中的直流分量， 将各支路的直流 分量组成矩阵， 再 利 用 Romanovsky准则进行判别， 实现 加直 选 电 。 矿井电网故障选线方法流程如图2 所示。 2 0 1 8 年 第 5 期李 科 等 矿 井 电 网 故 障 选 线 方 法 研 究 73 additional DC source WW |获取各支路暂态零序电流矩阵| I |利用最小二乘矩阵束算法对电流矩阵进行处理 1 1提取出各支路直流分量1 丨 利 用 Romanovsky准则判另IJ 丨 大于 与均值的纟 同 临 界值比 支路发生 单相漏电故障 母线故障 11 跳闸并显示 故障支路 跳闸并显示 母线故障 图2矿井电网故障选线方法流程 Fig. 2 Flow of fauit line selection of mine power network 3故障选线方法仿真验证 在 660 V 矿井电网系统下， 为了更好地验证本 文提出的新选线方法的可靠性， 设线路L i 中各相的 对地电容与对地绝缘电阻均相等， 且分别 为 0. 4 ” F 和60 k同样设线路L 中各相的对地电容与对地 绝缘电阻均相等， 且 分 别 为 0. 3 M F 和 60 k设线 路乙3 中各相的对地电容与对地绝缘电阻均相等， 分 别 为 0. 3 M F 和 60 k设线 路 L 4 中各相的对地电 容 与 对 地 绝 缘 电 阻 均 相 等 ， 分 别 为 0. 2 M F 和 75 k 。 3 . 2 仿真算例 算 例 ％在仿真模型中， 假 设 L 发生单相漏电 故障， 且 A 相 接 地 （ 其 中 系 统 过 补 偿 2 0 ， 电感为 2.345 4 H ， 初相角为0， 接地电阻为600 设故障发生在0. 01 ， 各支路零序电流波形如 图 4 所示。 Fig. 4 Simulation wave of each branch zero sequence current under condition of line fauit with overcompensation 取系统故障后暂态数据即故障后的0. 01 s 数 3. 1 仿真模型 在矿井低压电网系统中主要有3 种电压， 分别 为 380,660， 1140V 。其 中 660 V 是目前最常用的 电压等级[16]， 故此次仿真选择模拟660 V 的矿井供 电系统， 如 图 3 所示。艮为限流电阻， 相对于对地电 阻来讲， R〇 在此可忽略不计。在仿真验证中DC给出 的是36 V 直流电压， 采样频率为2 000 Hz。 图3矿井供电系统仿真模型 Fig. 3 Simulation model of mine power supply system 据 ， 利用最小二乘矩阵束算法得到各支路暂态时的 直流分量 二 0. 0312 A ; Il2 二 0. 024 A ; Il3 二 0. 137 3 A 一； | 0. 113 5;选取置信 度 为 0. 005， 查 询 〖分布的检验系数K 5. 841， 可得 K a0. 043 560. 113 5,故障为支路故障， 则故障支 路暂态时直流分量最大的支路为L3。 算 例2在仿真模型中， 假 设 L 3发生单相漏电故 障， 且 A 相接地系统欠补偿2 0 ， 电感为3. 518 1 H， 初相角为0 接地电阻为400 设故障发生在0. 01 s， 各支路零序电流波形如 图 5 所 示 。 同理可求得 0.019 1 A Il3 0. 247 2 A ; Il4 0. 011 5 A ;绝 对 离 差 |;一 ； | 0. 231 7;K a0. 022 360. 231 7,则故 为 故 ， 故 为 L3 。 74 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 时间时间A 图图5线路故障及欠补偿时各支路线路故障及欠补偿时各支路零序电流仿序电流仿真波形波形 Fig. 5 Simulation wave of each branch zero sequence current under condition of line fault with under-compensation 算 例 3在仿真模型中， 假设母线发生单相漏电 故障， 且 A 相 接 地 （ 系 统 过 补 偿 2 0 ， 电感为 2.345 4 H ， 初相角为0， 接地电阻为400 设故障发生在0. 01 ， 各支路零序电流波形如 图 所示。 图图6母线故障及过补偿时各支路母线故障及过补偿时各支路零序电流仿序电流仿真波形波形 Fig. 6 Simulation wave of each branch zero sequence current under condition of busbar fault with overcompensation 同理可求得 II 0 021 5 A Il3 j 0 017 7 A ; Jl4 0. 011 5 A ;绝 对 离 差 | 0. 005 9;K a0. 020 90. 005 9,则故 障为母线故障。 3.3 算法适应性分析 在复杂的矿井低压电网系统中， 每次发生单相 接地故障时可能有不同的补偿状态、 不同的接地过 渡电阻及不同的故障角[17]， 所 以 ， 针对不同的补偿 状态、 接地过渡电阻及不同的故障角进行仿真验证， 以验证该方法在不同情况下的适应性。在过补偿 2 0 状态下的选线结果见表1。在欠补偿2 0 状态 下的选线结果见表2。足 为 接 地 电 阻 为 初 相 角。 从 表 1 和 表 2 可以看出， 不管系统处于哪种状 态下， 其选线结果都准确、 可靠， 且具有很强的自适 应。 4结语 在建立矿井电网附加直流源系统的基础上， 提 出了基于最小二乘矩阵束算法及Romanovsky准则 的矿井电网故障选线方法。该方法利用最小二乘矩 表1过 补 偿过 补 偿20状态下的选线结果状态下的选线结果 Table 1 Selection line results in condition of 20 percent overcompensation 线路线路R g/a d/C系数向量系数向量 1 | 8 结果结果 L32000 C. 118 3,0. 086 9，， 0.372 3,0.056 9 0. 293 30.113 5 L3 L340045 0. 0056,0. 004 7，， 0.284 8,0. 003 4 0.28020.0065L3 L360090 0. 022 9,0.022 2，， 0.213 3,0. 014 9 0. 183 30.0259 L3 母线母线 2000 0. 106 5,0. 086 9，， 0. 086 9,0. 056 9 0.02960 . 101 2 线线 线线 400 45 0. 024 6,0. 023 1，， 0. 023 1,0. 015 5 0. 004 00.0256 线线 线线 600 90 0. 021 9,0. 020 2，， 0. 020 2,0. 014 9 0. 003 50.017 9 线线 表表2欠 补 偿欠 补 偿2 0状态下的选线结果状态下的选线结果 Table 2 Selection line results in condition of 20 percent undercompensation 线线 R J d/C系数向量系数向量 1 | K 结果结果 L3200 0 0. 118 3,0. 086 9, 0. 310 0,0. 084 5 0. 212 50.0765 L3 L340045 0. 016 1,0. 010 8, 0. 168 4,0. 006 5 0. 168 40.0028 L3 L360090 0. 029 4,0. 024 0, 0. 168 1,0. 016 3 0. 144 90. 038 5 L3 线线200 0 0. 098 9,0. 075 3, 0.075 3,0. 054 5 0. 030 50.0701 线线 线线40045 0. 015 1,0. 010 8, 0. 010 8,0. 006 5 0.0057 0. 014 5 线线 线线60090 0. 029 4,0. 025 9, 0.025 9,0. 016 3 0.0067 0. 032 4 线线 阵束算法提取零序电流中的直流分量， 并构建基于 Romanovsky准则的选线判据。理论分析和大量的 仿真实验结果表明， 该方法具有较高的适应性和可 靠。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References [1 ]陈忠仁， 张波陈忠仁， 张波.基于小世界网络模型的补偿电网单相基于小世界网络模型的补偿电网单相 接 地 故 障 识 别 与 选 线接 地 故 障 识 别 与 选 线[P]电 力 系 统 保 护 与 控 制 ，电 力 系 统 保 护 与 控 制 ， 2013,41386-90. 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