基于电流突变比和支持向量机...S系统漏电故障二级判别方法_黄国政.pdf

配电317供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月基于电流突变比和支持向量机的TN-C-S 系统漏电故障二级判别方法黄国政1，赵瑞锋2，梁国斌1，黄孟哲1（1广东电网有限责任公司江门供电局，广东 江门 529000；2广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 510620）摘 要：针对低压配电网TN-C-S接地系统固有剩余电流大，台区总保护和中级保护无法投运，线路漏电故障缺乏保护的问题，提出一种基于剩余电流-不平衡电流突变向量之比和粒子群优化支持向量机的漏电故障二级判别方法。首先，推导了TN-C-S接地系统漏电故障前后，剩余电流-不平衡电流突变比与零线阻抗、接地阻抗之比的关系，提出以突变比幅值为判据的故障一级判别方法。然后，以剩余电流、不平衡电流突变量的基波、3次谐波作为特征量，利用粒子群优化最小二乘支持向量机对判定结果进行二级判别，实现故障的可靠识别。最后，实际测试结果表明，在固有剩余电流幅值高于故障电流的情况下，所提方法的总识别率可达80%以上。所提方法计算量较小、成本低，使TN-C-S系统总保护和中级保护可靠投运成为可能。关键词：TN-C-S系统；漏电故障；剩余电流；不平衡电流；二级判别；支持向量机中图分类号：TM77 文献标志码：A DOI：10.19421/ki.1006-6357.2023.02.003引文信息黄国政，赵瑞锋，梁国斌，等基于电流突变比和支持向量机的TN-C-S系统漏电故障二级判别方法J 供用电，2023，40（2）：17-23HUANG Guozheng,ZHAO Ruifeng,LIANG Guobin，et alTwo-stage leakage protection method of TN-C-S system based on ratio of current mutations and support vector machineJ Distribution&Utilization，2023，40（2）：17-23基金项目：中国南方电网有限责任公司科技项目（GDKJXM20198107）。Supported by China Southern Power Grid（GDKJXM20198107）.0 引言低压配电网直接与用户相连，对漏电故障的检测能力直接影响用户的人身安全。据有关部门统计，我国每年因触电而死亡的人数高达8 000人，占全国总事故死亡人数的5%，85%以上的触电故障发生在低压配电网中1-4。因此，提高漏电故障的检测能力对减少人身伤亡具有重要意义。目前，低压配电网中TN-C-S接地系统在国内外被广泛应用，系统中除变压器中性点外，还存在重复接地点，导致台区总保护（总保）或中级保护（中保）处存在大幅值固有剩余电流，导致剩余电流动作保护器（residual current protection device，RCD）难以投运，系统剩余电流保护完全依赖户内的末级保护（末保）。变压器到用户之间的线路缺乏剩余电流保护措施，存在人员触电以及故障引发火灾的风险5-6。目前国内外普遍采用RCD进行低压配电网的剩余电流保护。随着剩余电流保护技术研究工作者的不断研究，逐渐形成了包括幅值比较法、电流脉冲法、鉴幅鉴相法、电流分离动作法在内的剩余电流保护方法7-9。其中，幅值比较法以系统回路总剩余电流幅值超过整定值为判据，但低压配电线路在正常运行时即存在较大剩余电流，此方法要求躲过最大正常剩余电流，导致检测灵敏度低，拒动和误动频繁。电流脉冲法以触电或漏电故障发生前后的剩余电流突变量为判据，该方法受系统正常剩余电流与触电或漏电故障电流之间相位的影响，仍不能完全反映剩余电流的变化量，存在动作死区。鉴幅鉴相法则在电流脉冲法的基础上增加了相角差的判据，引入了参考电压，综合比较剩余电流突变量和相角差，但人体触电电流引起的剩余电流相位差较小时，RCD仍会误动。电流分离动作法是近些年来高校研究人员主要攻克的剩余电流保护方法，此方法将人身触电电流从剩余电流中分离出来，触电电流的幅值超过整定值时RCD动作，与正常剩余电流和相角差无关，理论上来说是最理想的解决方法。文献10基于统计特征参数和支持向量机，提供用电2023年第02期第一部分.indd 17供用电2023年第02期第一部分.indd 172023/2/8 下午4:102023/2/8 下午4:10配电318供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月取时域和频域特征参数，经降维处理后将新的降维后的特征量输入到支持向量机中分析。文献11将小波分析与神经网络相结合，小波分析处理后的数据带入神经网络进行训练，从而分离触电信号。除此之外，还有Hilbert-Huang变换法、分形特征提取法、均方根值（root mean square，RMS）法、自适应算法等12-13，但此类方法仅停留在理论阶段，尚难以用于实际应用。本文就TN-C-S接地系统因固有剩余电流大导致总保和中保无法投运的问题，提出一种漏电故障二级判别方法。首先分析接地故障发生前后剩余电流和不平衡电流突变量与零线阻抗、接地阻抗间的量化关系，提出基于阻抗比突变量的故障一级判别方法。利用粒子群优化最小二乘支持向量机进行二级判别，实现较低计算能力条件下的故障可靠识别。该方法能够极大提高TN-C-S系统中保和总保的可靠性与灵敏度，为未来相关研究提供新的思路和方向。1 基于突变向量比的故障一级判别低压配电网剩余电流保护分为总保、中保和末保三级。总保安装在变压器出口处，动作定值一般在300500 mA；中保安装于总保和末保（户保）之间的干线或分支线处，动作定值为50100 mA；末保为住宅配电保护或单台用电设备的保护，动作定值一般为30 mA14-15。在TN-C-S系统中，用户进线处及上级线路存在至少一处重复接地点，一部分中性线电流经重复接地点流回变压器侧，表现为剩余电流数值可达几安培16-17。出于简化考虑，本文分析仅一个重复接地点的TN-C-S系统。由于线路阻抗远小于负荷阻抗，因此忽略三相线路阻抗；中性线对地电压低，对地泄漏电流幅值小，不再考虑其影响；重复接地点后侧的中性线和保护地线长度较短，忽略二者的线路阻抗，则TN-C-S系统简化等效电路如图1所示。图 1中：分别为三相电流和中性线电流；ZAload、ZBload、ZCload分别为三相负荷；ZNline为中性线阻抗；ZAG、ZBG、ZCG分别为三相线路和用电设备的正常对地泄漏阻抗；分别为三相线路和负荷的正常对地泄漏电流；ZOG为变压器中性点对地阻抗；为总的流入大地的电流；ZSG为重复接地点对地阻抗；为中性线流过重复接地点的电流；ZH为C相漏电故障的对地阻抗；为C相接地故障电流。当系统无漏电故障时，由图1分析可知，TN-C-S系统剩余电流 为：（1）式中：为不平衡电流，。根据基尔霍夫电流定律又有：（2）式中：为ABC三相正常对地泄漏电流之和，与之和即为TN-C-S系统无故障情况下的固有剩余电流。中性线阻抗一般不大于1，根据GB 500542011低压配电设计规范，重复接地点的阻抗不大于10，中性点阻抗不大于4，远小于三相线路和用电设备的正常对地泄漏阻抗，因此，可以认为不平衡电流全部从零线和重复接地点流过，则有：（3）整理得：（4）（5）式中：M0为复数，表征线路无故障情况下中性线阻抗与总接地阻抗间的关系。中性线阻抗与接地阻抗变化取决于外界环境，如温度和湿度的变化，这些非电气量不会发生突变，可认为无故障情况下，M0在短时间内不会发生突变。由式（2）知，故障发生前t1时刻有：（6）则故障发生后t2时刻有：（7）式中：为用电设备投切导致的对地泄漏电流突变量；为三相负荷不平衡导致的重复接地点电流突变量；为故障电流变化量。ABCZAZAZloadZBZBZloadZCZCZloadZHZHZZOZOZGZSZSZGIAIAIIBIBIICICIININIZNZNZlineZAZAZGZBZBZGZCZCZGIBIBIGICICIGIAIAIGIHIHIISISIGIOIOIGOS.图1TN-C-S系统简化等效电路Fig.1 TN-C-S system simplifies the equivalent circuit供用电2023年第02期第一部分.indd 18供用电2023年第02期第一部分.indd 182023/2/8 下午4:102023/2/8 下午4:10配电319供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月触电故障的过渡电阻一般较大，对相电压影响可忽略，因此主要由系统中用电设备接入数量和正常泄露电导影响。由于在不同系统中可能存在较大差异，其精确值无法实时测量，对式（6）、式（7）做差以排除其影响，则故障前后的剩余电流突变量为：（8）在总保和中保的保护范围内，单一用电设备的投切导致的剩余电流变化一般在1 mA以下，最大不超过5 mA，又由于保护区域内用电设备数量有限，除整区域投切的特殊情况外，大量设备同时投切的概率极小，因此幅值较小，将其忽略并归入系统误差，则式（8）简化为：（9）联立式（4）、式（5）、式（9）可得：（10）定义：（11）由式（10）易知，当t1、t2时刻系统均无故障（即）时，恒有：（12）当t1时刻无故障，t2时刻有故障时，有：（13）式（12）、式（13）表明，无故障发生时，M突变幅值M恒等于零；故障出现时刻，M发生非零突变。由于实际测量受测量精度、噪声以及负荷投切暂态等因素影响，M的实时计算值可能存在随机波动。同时，低压配电网继电保护设备硬件计算能力弱，难以完成高复杂度的连续实时计算，因此本文采用两级判别提高故障判别准确率，并降低了对方法总体硬件计算能力的要求。将M越限作为漏电故障的一级判据，若当前M位于以原点为圆心的某圆形区域Q内，则视为无故障；若当前M超出区域Q，则视为可能存在故障，进行二级判别。2 基于粒子群优化最小二乘支持向量机的故障二级判别支持向量机对参数和核函数选择敏感，当样本数目很大时，矩阵的存储和计算将耗费大量的机器内存和运算时间18-19；粒子群优化算法（particle swarm optimization，PSO）局部搜索能力较差，搜索精度不高，容易陷入局部最优，无法获取全局最优近似解20-21。而基于粒子群优化的最小二乘支持向量机（least squares support vector machines，LSSVM）模型是以粒子群优化的方法来选取最小二乘支持向量机的正规化参数c和核参数，在克服了交叉验证法耗时与盲目性问题的同时，又发挥了最小二乘支持向量机的小样本学习能力强和计算简单的特点22-23，使模型估计值与期望值的逼近程度达到预期的目标，寻找参数的最优组合，从而提高分类精度，能够在低压配电网低成本继电保护设备上实现，因此本文选用该方法进行故障的二级判别。鉴于已有大量针对PSO-LSSVM的专门研究，且该算法的原理非本文主要研究内容，以下仅对其特征量进行分析。对剩余电流突变量进行频谱分析可发现，信号能量几乎全部分布在250 Hz及以下频带，能量最大的为工频成分，占比90%以上，直流、奇偶次谐波占比较低，其中又以三次谐波占比最大。根据信号频谱特性及上文的分析，用于粒子群优化支持向量机的输入特征向量应由剩余电流和不平衡电流突变量中的0、50、100、150、200、250 Hz分量构成。为便于数值计算，以各分量的实部和虚部组成的列向量作为构成特征向量的基本单元，以不同基本单元的组合构成支持向量机的输入特征向量。基本单元的具体形式为：（14）式中：下标i表示谐波阶次（其中0为直流，1为基波）；Ai、Ci分别为不平衡电流和剩余电流i阶谐波向量的实部；Bi、Di分别为不平衡电流和剩余电流i阶谐波向量的虚部；Xi为i阶谐波的基本特征向量单元。支持向量机的输入特征向量K由不同基本特征向量单元Xi的组合构成，以下标表示参与构成的谐波阶