基于EEMD的单相接地故障选线算法.pdf

第 5 期 山 西 焦 煤 科 技 No. 5 2020 年 5 月 Shanxi Coking Coal Science 2. 太原理工大学 矿用智能电气技术国家地方联合工程实验室, 山西 太原 030024; 3. 太原理工大学 煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室, 山西 太原 030024 摘 要 随着机械化采煤工艺的推广应用,我国矿井供电系统的负荷容量大幅增大,供电距离在 大幅延长,单相接地故障发生概率越来越高。 为了确保矿井供电安全,提出了一种基于 EEMD 的单 相接地故障选线方法。 该方法对各条线路的零序电流信号进行 EEMD,提取分解得到的 IMF1 高频分 量并进行 Hilbert 变换,得到各条线路的瞬时幅值,通过瞬时幅值计算各条线路的能量,根据故障线路 能量最大的原则进行故障选线。 运用 RTDS 实时数字仿真系统进行仿真测试,验证了该算法的可靠 性和有效性。 关键词 单相接地故障;集合经验模态分解EEMD;Hilbert 变换;RTDS 实时数字仿真系统 中图分类号TD602 文献标识码B 文章编号1672-0652202005-0053-04 我国矿井供电系统大都采用中性点经消弧线圈 接地系统[1],发生单相接地故障后,由于三相线电压 仍保持对称,对负载不会产生较大影响。 因此,规程 要求单相接地故障后连续运行最长时间不得超过 2 h[2]. 但是发生故障后,非故障相对地电压升高为 原来的 3 倍,长时间运行会破坏对地绝缘,甚至可能 导致绝缘击穿[3-5]. 因此,如何快速高效地查找出故 障线路并切除具有重要意义。 根据实际矿井供电系统提出了一种基于 EEMD 的单相接地故障选线算法。 该算法改善了 EMD 中存 在的模态混叠现象,采用 Hilbert 变换进行瞬时幅值 的提取,通过计算各条线路故障发生时刻前后 1/ 4 周 期的能量占比进行故障选线,并用大量仿真验证该方 法的可靠性和有效性。 1 单相接地故障暂态特性 中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障 时,其暂态等值电路见图 1. 图 1 单相接地故障暂态等值电路图 图 1 中,Rj为接地点过渡电阻;R 为线路零序等 效电阻;L 为线路零序等效电感;C0为线路对地分布 电容之和;LL为消弧线圈电感;RL为消弧线圈有功损 耗电阻;u0为故障点附加电源电压。 当发生单相接地故障时,由于中性点消弧线圈的 补偿作用,零序电流的分布发生了较大变化,此时故 障线路上的零序电流不再由线路流向母线,而是由母 线流入线路,与非故障线路相同。 因此,中性点经消 弧线圈接地系统无法利用稳态信号进行故障选线。 2 基于 EEMD 的选线方法 集合经验模态分解 EEMD 是经验 模态分解 EMD的改进算法,该方法在待分解的原始信号中 加入高斯白噪声,由于高斯白噪声为不相关信号,其 统计均值为 0,并且加入的高斯白噪声对原始信号的 缺失能起到一定的补偿作用,能在一定程度上抑制 EMD 中存在的模态混叠现象[6-8]. 由于消弧线圈的使用,基于稳态分量的选线方法 不再适用,而基于暂态分量进行选线时,能量是目前 较为常用的特征量。 因此,对各条线路进行 EEMD 后,提取其能量分布,根据能量占比最大的原则进行 故障选线,选线算法流程图见图 2. 该方法主要步骤如下 1 判断是否发生故障,若发生故障则进行 EE- MD,若未发生故障,则继续判断。 2 对各条线路故障的零序电流信号进行 EE- MD,提取分解得到的 IMF1 高频分量进行后续处理, 消除低频分量对选线结果的影响。 3 对 IMF1 高频分量进行 Hilbert 变换,提取分 解得到的瞬时幅值并做能量计算。 4 对各条线路发生时刻前后 1/ 4 周期的能量进 行求和,计算各条线路能量在线路总能量中的占比。 5 若某条线路的能量占比≥0. 5,则判断该线路 为故障线路;若所有线路的能量占比均0. 5,则判断 为母线故障。 3 仿真验证 为验证该算法的可靠性,采用 RTDS 实时数字仿 图 2 选线算法流程图 真系统根据实际矿井系统进行了模型搭建,其供电系 统图见图 3. 图 3 RTDS 仿真模型供电系统图 根据实际矿井系统,设置该仿真模型的主变电站 为 35 kV/ 6 kV 系统,变压器 T1变比为 35/ 6 kV,其二 次侧的中性点经消弧线圈接地,并采用过补偿 10 方式。 出线均为纯电缆线路,共包括 4 条 6 kV 的高 压馈线以及 4 条低压馈线,其中 L0 1. 5 km, L1 6 km, L2 7 km, L3 10 km, L4 8 km, L5 0. 8 km, L6 1 km, L7 0. 8 km, L8 1 km,设置 L4为故障线 路,线路长度均根据实际矿井系统图设定。 变压器 T2T5 变 比 分 别 为 6/ 0. 66, 6/ 0. 69, 6/ 0. 69, 6/ 0. 66 kV. 线路正序零序参数分别见表 1,2. 3. 1 故障特征明显情况分析 设置故障初相角为 90、故障点过渡电阻为 0、故 障发生在线路总长 80处、线路 4 故障,分别对各条 线路的零序电流进行 EEMD,提取各条线路的 IMF1 高频分量,见图 4. 45山 西 焦 煤 科 技2020 年第 5 期 表 1 线路正序参数表 线路 编号 正序电阻值 R1 / Ωkm -1 正序感抗值 X1L / Ωkm -1 正序容抗值 X1C / Ωkm L00. 0910. 080. 004 432 5 L1L40. 2290. 0890. 008 3 L5L80. 2470. 0750. 008 3 表 2 线路零序参数表 线路编号 零序电阻值 R0 / Ωkm -1 零序感抗值 X0L / Ωkm -1 零序容抗值 X0C / Ωkm L00. 910. 320. 008 865 L1L42. 290. 3560. 016 L5L82. 470. 30. 016 6 图 4 各条线路的 IMF1 高频分量图 分别对各条线路的 IMF1 高频分量进行 Hilbert 变换,提取各条线路的瞬时幅值,见图 5. 图 5 Hilbert 变换后的瞬时幅值图 分别计算各条线路故障发生时刻前后 1/ 4 周期 的能量占比,分 别为 0. 043 9、0. 062 0、0. 135 7 和 0. 758 4,根据能量占比大于 0. 5 可判断出线路 4 为 故障线路,选线正确。 3. 2 故障特征不明显情况分析 设置故障初相角为 0、故障点过渡电阻为 5 000 Ω、 故障发生在线路总长 30处、母线故障,分别对各条 线路的零序电流进行 EEMD,提取各条线路的 IMF1 高频分量,见图 6. 图 6 各线路的 IMF1 高频分量图 如果仅观察图 6,无法提取对选线有效的信息, 因此对各分量进行 Hilbert 变换,得到的瞬时幅值见 图 7. 图 7 Hilbert 变换后的瞬时幅值图 通过图 7 可看出,故障特征不明显时,故障点处 的瞬时幅值很低,计算各条线路在故障发生时刻前后 1/ 4 周 期 的 能 量 占 比, 分 别 为 0. 144 7、 0. 196 8、 0. 401 5 与 0. 257 0,根据能量占比均小于 0. 5 可判断 为母线故障,选线正确。 4 结 论 针对中性点经消弧线圈接地的矿井供电系统单 相接地故障选线准确率低、可靠性差的问题,提出了 一种基于 EEMD 的矿井供电系统单相接地故障选线 方法,并通过 RTDS 实时数字仿真系统进行了大量实 验,得出以下结论 1 基于 EEMD 的单相接地故障选线方法可抑制 EMD 中出现的模态混叠现象,确保了故障选线的准 确率。 2 提取 IMF1 高频分量进行 Hilbert 变换并计算 各条线路的能量占比,可有效抑制低频分量对选线结 果的影响。 3 经过 EEMD 后的 IMF1 分量含有较大的波 动,若无法对 IMF1 进行合适的处理,则可能导致选 线失败。 552020 年第 5 期赵 儒等基于 EEMD 的单相接地故障选线算法 参 考 文 献 [1] 罗 超,耿蒲龙,曲兵妮,等. 基于小波包的矿井供电系统单相接地故障选线方法[J]. 工矿自动化,2018,44268-74. 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Single-phase Ground Fault Line Selection Algorithm Based on EEMD ZHAO Ru, ZHANG Zhicheng, WU Chunxiao, XU Da, LUO Ke, LIU Zhenxing Abstract With the popularization and application of mechanized coal mining technology, the load capacity of mine power supply systems in China has increased significantly, the power supply distance has also increased signifi- cantly, and the probability of single-phase ground fault is increasing. In order to more effectively ensure the safety of mine power supply, a single-phase ground fault line selection based on EEMD is proposed in this paper. This first pers EEMD decomposition on the zero-sequence current signal of each line, extract the decomposed IMF1 high-frequency component and per Hilbert trans, get the instantaneous amplitude of each line, and cal- culate the energy of each line based on the instantaneous amplitude, calculate the energy of each line by the instanta- neous amplitude, and finally select the fault line according to the principle of the maximum energy of the fault line. The simulation test using RTDS real-time digital simulation system verifies the reliability and effectiveness of the algo- rithm. Key words Single-phase ground fault;EEMD;Hilbert transation;RTDS 上接第 45 页 参 考 文 献 [1] 康红普,王金华. 煤巷锚杆支护理论与成套技术[M]. 北京煤炭工业出版社,2007. [2] 杨艳国,范 楠. 基于单孔声波法测试巷道围岩松动圈试验研究[J]. 煤炭科学技术,2019,47393-100. [3] 孔宪法. 晋华宫矿煤巷锚杆支护优化研究[J]. 山西能源学院学报,2019,32423-25. Application of Mine Pressure Monitoring Technology in Design of Roadway Support XUN Jianliang Abstract Taking the surrounding rock support during the excavation of 11-1041 roadway in Sanjiaohe coal mine as the research object, the mining pressure monitoring technology is used to monitor the effect of roadway support. It can be seen from the mine pressure monitoring that the full anchor cable support on the roof of the working face is op- timized into the anchor anchor cable combined support , which reduces the per unit cost of the driving, im- proves the advance per round, and changes the crushing state of the shallow part of the surrounding rock . Key words Mine pressure monitoring; Roadway support; Law of mine pressure 65山 西 焦 煤 科 技2020 年第 5 期