信号注入法小电流接地故障保护中注入信号检测技术研究

信号注入法小电流接地故障保护中注入信号检测技术研究
李盼盼，潘贞存，陈 青,丛 伟，施啸寒
（山东大学电气工程学院，济南 250061）
摘 要：针对基于信号注入法的小电流接地故障保护中注入信号由于幅值较小、干扰严重而导致检测困难的现状，研究了一种模拟滤波和数字滤波相结合的注入信号检测方法，分别设计了模拟滤波器和数字滤波器，分析了各自的传递函数特性，采用PSPICE和MATLAB分别对模拟滤波器和数字滤波器的工作特性进行了仿真，仿真结果表明，本文所研究的注入信号检测方法具有较高的灵敏度和可靠性，完全能够满足现场应用的要求。

关键词：注入信号小电流接地系统信号检测滤波器
0 引言
通过电压互感器的二次侧注入特殊信号进行小电流接地故障选线原理自上世纪90年代初被提出以来，已获得了较为广泛的应用。

理论上该方法具有较高的选线准确率，并能够进行故障定位。

但由于注入信号微弱，加之现场运行环境恶劣，难于准确提取出注入信号，致使容易出现误选或漏选等选线失败的现象，特别是过渡电阻较大且系统对地分布电容也较大时，对选线的准确率的影响也进一步增大。

与配网自身的高电压、大电流相比，注入信号不仅量值很小、而且能量很低，因此，能否准确、可靠的检测出注入信号，是保证选线准确率的根本。

本文设计了一种模拟滤波与数字滤波相结合的信号处理方法，通过设计不同特性的滤波器，能够可靠的将弱信号与强信号分离，并通过仿真试验验证了信号检测的效果。

1 信号注入法基本原理与注入信号的选取
信号注入法是在发生单相接地故障后向系统注入特殊频率的信号，通过跟踪、检测注入信号的路径和特征来实现故障选线。

系统正常运行时，三相对称，系统中没有零序分量；线路发生金属性单相接地故障后，故障相对地电压降为零，两非故障相电压升高为线电压，零序电压升高为相电压。

此时TV的故障相一次绕组被短接，其二次绕组中也无感应电压，使TV的故障相在故障期间处于“闲置”状态。

利用这一特点，可以通过TV 的故障相二次侧将信号电流注入到故障系统中[1]。

注入信号仅在故障线路中流通，且越过接地点后注入信号不再存在，只要检测各出线中有无注入信号电流，便可找出故障线路[2]，这就是信号注入法选线的基本原理。

从TV二次侧注入的信号电流感应到一次系统中，实质上是人为增加了故障系统的零序电流，因此需保证在不影响配电系统的正常运行的前提下合理的选择注入信号的幅值和频率，并分析不同幅值频率对检测环节的影响。

1.1注入信号幅值的选取
对注入信号幅值的选取首先要不影响配电系统的正常运行，其次要考虑到TV的容量有限，注入信号过大容易烧毁二次保险，另外由于信号源本身经济性的制约，注入信号源宜向系统提供幅值相对较小的信号。

具体幅值的大小还要考虑过渡电阻、系统分布电容、系统中性点接地方式、系统电压等级等诸多因素的影响，确保在极端的故障情况下也能可靠检测到注入信号电流[3]。

假设系统电压等级为10kV、TV变比为100：1，注入信号装置输出的电流为5A，则耦合到一次系统后注入信号的大小为0.05A，再经过零序TA耦合进入保护，设TA变比为50：1，最终进入保护的电流大小为1mA，此电流是未考虑其他影响因素分流前的结果。

如此微弱的信号对检测技术提出了更高的要求，如何从相差千倍以上的工频电流中提取微弱的注入信号成为了应用该原理需要解决的关键问题。

1.2注入信号频率的选取
注入信号频率的选取主要取决于以下几个因素：（1）注入信号的频率必须与电网的固有频率相区分；（2）注入信号的频率不能太低，否则易受电力系统中工频和直流分量的影响，检测误差增加；注入信号的频率也不能太高，否则会使得系统容抗变大，降低检测灵敏度[4]；（3）为了满足数字滤波器的设计要求，在工频信号的一个采样周期内，对注入信号的采样点数也应为整数，且满足采样定理的要求。

在许多文献中提出了应用20Hz[4]，60Hz[5]、220Hz[6]等频率的信号。

选用20Hz主要是为了减
小对地电容对注入交流信号的分流，但容易混入直流分量；60Hz 又离工频50Hz 太近，不易于信号的提取与检测；选用220Hz 主要是为了方便信号的运算与处理，但对AD 采样率的要求较高。

在实际的应用中考虑上述原因，假设AD 采样率为1600Hz ，选取注入信号的频率可选为80Hz 。

该信号的选取符合上面三个选取条件的要求，同时满足了AD 采样率和数字算法处理的要求，方便信号的运算与处理，但距工频50Hz 仍较近，因此必须设计性能足够好的滤波器。

2 注入信号的检测单元设计
与工频信号相比，注入信号十分微弱，为了确保对注入信号有足够的精度，必须将工频信号衰减，并将注入信号放大到微机系统能够识别的量值，这部分工作由模拟滤波器完成。

为了进一步精确提取80Hz 的注入信号，还必须将与80Hz 频谱较为接近的信号滤掉，这部分工作则由数字滤波器完成。

模拟滤波器和数字滤波器配合工作，才能达到较好的检测效果。

2.1 模拟滤波器设计
为了衰减工频信号，设计了双T 带阻滤波器，原理结构如图1（a ）所示。

图 1 双T 带阻滤波选频网络
双T 网络为无源滤波器，是由一个低通电路和一个高通电路并联得到。

低通电路由两个电阻R 和一个电容2C 构成的T 形网络。

高通电路是由两个电容C 和一个电阻R/2构成T 形网络。

因此称为双T 网络。

利用星形—三角形变换原理将双T 网络简化成π型等效电路如图1（b ）所示。

其幅频特性为：
()()
()[]
n
2n 2
n 313/4j /-1/-1j F ωωωωωωω+=
+=z z z （1）式
中RC
1
n =ω。

当时，，因此，
就是双T 网络的特征角频率。

合理的选取RC 便可
对工频实现很好的滤波效果。

n ωω=0=f v n ω带阻滤波后对工频信号进行了衰减，接下来需要对注入信号进行放大，放大电路的设计采用
RC 双T 反馈选频放大电路，如图2所示。

图 2 双T 反馈选频放大电路
其中双T 电路作为反馈，合理的选取RC 可以对80Hz 信号实现选频放大，滤波器选频特性与放大器放大倍数有关，倍数越大选频特性越好。

整个模拟滤波器的幅频响应特性曲线如图3所示。

图3 模拟滤波器幅频响应特性曲线
图中横轴是频率（Hz ），纵轴是增益（dB ），可以看出，经过双T 带阻滤波器与反馈选频放大电路，50Hz 工频信号衰减28.984dB ，80Hz 增益为41.731dB ，即对工频衰减28倍，而对注入信号放大122倍，达到了最初设定的衰减工频放大注入信号的目的，但同时可以看到该模拟滤波器对二次谐波信号与三次谐波信号也有一定的放大作用，但放大倍数远低于80Hz 注入信号。

2.2 数字滤波器设计
信号经过模拟滤波器后，虽然衰减了大部分的工频信号，但仍有少部分工频信号、放大了的谐波信号和无法滤掉的直流分量，为了进一步准确的将注入信号分离出来，首先要滤掉直流分量和各次谐波，然后经过窄带的带通滤波器，让以注入信号频率为中心的附近频带的信号通过，其它频率信号则衰减严重，达到了提取有用信号，滤除干扰信号的目的。

上述功能通过设计数字滤波器来完成。

(1)直流和谐波滤波器设计
滤除直流分量和谐波可以采用最简单的差分滤波器。

设系统的采样频率为1600Hz ，对50Hz 工频信号而言一周采样32点，注入信号的频率为80Hz ，一个工频周期采样20点，差分滤波器表
达式为：
()()()32x n y −−=n x n （2）
对于80Hz 的注入信号，其幅频响应为：
() 1.920
32
sin
2A ==πω （3）
即经过差分滤波后，注入信号的幅值增大了1.9倍。

(2)带通滤波器的设计
经过差分滤波后直流与谐波分量基本被滤除，剩余信号为注入信号和其他频段的干扰信号。

但若系统频率发生偏移，则差分滤波对谐波信号无法起到很好的滤除作用，剩余信号中将会出现新的不规则干扰信号。

最后的数字带通滤波器必须能对此类信号进行有效衰减。

采用FIR 滤波器进行数字带通滤波器的设计，其传递函数为
()()n z n −=∑=1
-N 0
n h z H （4）
FIR 滤波器可以对给定的频率特性直接进行设计，滤波器的系统函数只有零点，除原点外，没有极点，因此FIR 要取得好的衰减特性，一般要求传递函数的阶次要高。

用MATLAB 数字信号处理软件包所提供的Hamming 窗函数可以方便的设计出所需要的带通滤波器。

所设计的滤波器幅频响应如图4所示。

图4 FIR Hamming 窗带通滤波器的幅频特性
图中滤波器的通带中心频率为80Hz ，上限频率为85Hz ，下限频率为75Hz ，滤波器阶数为200阶。

从图中可以看出，该数字滤波器对注入的80Hz 信号基本保持不变，对工频及谐波都有很好的衰减特性，其中对50Hz 、100Hz 和150Hz 信号衰减分别达到62.90dB 、63.98dB 和54.22dB ，同时对这些信号附近的信号也都具有很强的衰减能力，因此在发生频率偏移后同样也能够得到很好的滤波效果。

3仿真分析
为了检验滤波器的性能进行了两组仿真试验，第一组构造了包含1V 基波、0.01V 二次谐波、0.1V 三次谐波和0.01V 直流分量的原始电压信号
x 1，
以及在上述信号中加入0.001V80Hz 注入信号的电压信号x 2，对这两个信号进行对比分析，比较最终的滤波效果。

第二组信号在第一组的基础上将基波、二次谐波和三次谐波信号的频率做了部分偏移分别输入的是49Hz ，98Hz 和147Hz ，得到了y 1和y 2两个信号，用来对比系统发生频率偏移后的滤波效果。

3.1模拟滤波器仿真
本文采用专用电路分析仿真软件PSPICE 对设计的模拟滤波器进行仿真分析，仿真模型如图5所示。

图5 模拟滤波器仿真模型
输入信号为构造的各种电源信号串联，首先经过双T 带阻滤波，之后经过两级双T 反馈选频放大电路，输出V o 进入数字滤波器。

下面对两组信号模拟滤波后的波形分别进行对比分析。

（a ）信号x 1 （b ）信号x 2
图6 第一组原始输入信号对比
（a ）信号x 1 经模拟滤波后 （b ）信号x 2经模拟滤波后
图7 第一组信号经模拟滤波后输出的信号对比
如图6所示，构造的原始信号x 2由于其中注入信号的幅值仅为1mA ，所以其波形与x 1基本无差别。

经过模拟滤波后可见图7中信号x 1主要是谐波混合信号，信号x 2中叠加了放大后的80Hz 信号，波形与x 1显著不同，说明注入信号在经过模拟滤波后已经在混合信号中占有很大的比重，
达到了模拟滤波衰减工频放大注入信号的目的。

由图8可以看到，系统频率发生轻微偏移后，模拟滤波的效果与未发生偏移前差别不大，具有较好的抗频率偏移能力。

（a）信号y1 经模拟滤波后（b）信号y2经模拟滤波后
图8 第二组信号经模拟滤波后输出的信号对比
3.2数字滤波器仿真
PSPICE将模拟滤波器的仿真结果以CSDF
格式存储到文件中，在MATLAB中进行编程，
对来自模拟滤波的数据进行数字滤波处理。

首先经过差分运算滤除直流、残余工频和各
次谐波分量。

从图9中可以看出信号x1经差分滤
波后基本消失，而x2差分后剩余的信号绝大部分
为80Hz的信号。

当系统频率发生偏移后差分滤波
对于直流可以完全消除，但对于偏移频率的工频
及谐波的滤波效果则稍差，如图10所示。

信号y1
差分后与差分前（图8）的变化并不十分明显，
只是幅值略有下降；由于差分对80Hz注入信号有
放大作用，y2的波形则更接近于80Hz。

（a）信号x1 经差分滤波后（b）信号x2经差分滤波后
图9 第一组信号经差分滤波后输出的信号对比
（a）信号y1 经差分滤波后（b）信号y2经差分滤波后
图10 第二组信号经差分滤波后输出的信号对比
差分滤波之后进入80Hz带通滤波器，滤波效
果如图11所示，信号x1在经过带通滤波后变得更
小，信号x2可以得到较为理想的80Hz信号。

（a）信号x1 经带通滤波后（b）信号x2经带通滤波后
图11 第一组信号经带通滤波后输出的信号对比
（a）信号y1 经带通滤波后（b）信号y2经带通滤波后
图12 第二组信号经带通滤波后输出的信号对比
系统频率发生偏移后的滤波波形如图12所
示，信号y1经带通滤波后被进一步被衰减，虽然
最终也会得到频率为80Hz左右的信号，但其幅值
与含注入信号的波形y2幅值相比有明显的差距，
完全能够从量值上进行区分。

由此可以看出该滤
波器在系统频率发生偏移也能够有效的检测到注
入信号。

4结论
基于注入法的小电流接地故障保护中注入的
信号微弱，因而对其在实际中的应用和选线保护
的准确性方面带来了一定得影响，所以需要良好
的信号检测技术对注入信号进行的有效提取。

本
文设计了一种模拟滤波与数字滤波相结合的检测
方法，给出了各种滤波器的设计方案，详细分析
了滤波器的特性，并通过仿真验证了该方法的可
行性和有效性。

参考文献
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[3]张慧芬. 配电网单相接地故障检测技术[D].济南：山东大学，
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[7]张慧芬，潘贞存，桑在中. 基于注入法的小电流接地系统故障
定位新方法[J].电力系统自动化，2004，28(3)：64-66.
作者简介：
李盼盼（1983-），男，黑龙江七台河人，汉族，硕士研
究生，主要研究方向为电力系统继电保护，
csslpp2000@；
潘贞存（1962-2008），男，教授，博导，研究领域为电
力系统继电保护和安全自动装置；
陈青（1963-），女，教授，博导，研究领域为电力系
统继电保护及安全自动控制；
丛伟（1978-），男，副教授，硕导，研究方向为电力
系统继电保护；
施啸寒（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向为电
力系统自动化。