电力系统暂态信号的小波分析方法及其应用

电力18讯：    1　引言
　　故障暂态高频分量中包含有比基波分量更多的诸如故障点位置、故障方向、故障类型及故障持续时间等信息，因此，充分利用故障产生的暂态高频信息实现高压及超高压系统的保护―暂态保护，将是继电保护新原理的发展方向［1］。对于超高压（EHV）输电线路，暂态保护可划分为两大类：单端量暂态保护和纵联暂态保护。纵联保护需要通讯装置和通道的巨大投资，且保护的可靠性依赖于通讯通道和设备的可靠性，而单端量暂态保护既不需要通信，又可以实现全线路保护，具有明显的优越性，在线路保护中具有较大的潜力［2］。国内外对单端量暂态保护的研究都引起了高度重视，如英国Bath大学、ALSTOM公司以及我国清华大学、西安交通大学等为代表的高校和科研机构在该领域已取得了卓有成就的进展，目前研究的单端量暂态保护主要包括：行波距离保护、单端量暂态电压保护和单端量暂态电流保护。然而，单端量暂态保护在实现上还存在许多困难，小波分析的引入，可以解决特征提取这一难点。基于此，本文对基于小波分析的超高压输电线路单端量暂态保护进行了探讨。
2　单端量暂态保护的内容
2．1　行波距离保护
　　目前行波保护原理中，只有行波距离保护属于单端量暂态保护，而行波距离保护技术的关键和难点在于如何分辨和检测反射行波波头的到来。行波距离保护由于难以区别行波是来自故障点或对端母线，以及理论上不能判别电压过零时故障，而没能得到推广［3］。
2．2　单端量暂态电压保护
　　基于高压电网故障带有电弧的特点，克服了行波理论中电压过零时刻故障，高频暂态不存在的困难，利用线路两端的阻波器将区内故障时产生的暂态高频电压信号封闭在被保护线路以内，而将区外故障时产生的暂态高频电压信号阻挡在被保护线路之外，这是文献［4－5］提出的单端量暂态保护原理的基本思想。这种保护方案的优点是可以实现单端量的全线路保护，而且节省了通信投资，动作速度快，能够快速切除故障［5，6］。但仍有如下缺陷：①要求每条线路的两端都装设阻波器，增大了设备投资；②当电压接近零点短路或故障电阻较大时，系统中的高频电压的幅值大大降低，用传统的Fourier分析方法对弱信号的检测变得因难，保护的灵敏度大大降低；③故障选相变得困难。
2．3　单端量暂态电流保护
　　近年来的研究表明，电流互感器可以可靠地传变最高频率达数百kHz的高频电流信号，目前光学互感器的研究也正在进行，它将使一次侧各种频率的电流准确传变到二次侧，这使得基于暂态电流的暂态保护比基于暂态电压的暂态保护更加具有优势。文［7－8］利用高频电流实现暂态保护，该保护原理本质上与文［4］相同，因而存在与文［4］类似的缺陷。文［9］提出了一个新的基于故障暂态电流的保护原理，该原理利用故障暂态电流不同频率成分的衰减差异来区分区内外故障，充分利用了CT可以传变高频电流的特点，无须在线路的两端增加任何设备，具有较好的应用前景，但存在高频暂态提取方法不够理想的缺陷。
3　小波分析引入单端量暂态保护的意义
3．1　单端量暂态保护存在的问题
　　线路故障的时刻具有随机性，当电压过零时刻故障时，理论上，电压和电流将不产生行波，只剩下由EHV线路对地电弧故障产生的高频故障电弧暂态，而故障暂态的大小与线路的具体情况、故障类型等因素有关，当电弧暂态比较微弱时，给暂态信号的检测带来较大的困难。
　　实际的行波距离保护等单端量暂态保护的运行表明，单端量暂态保护还难以区分雷电冲击及刀闸操作引起的暂态或故障产生的暂态，因而容易引起保护的误动作。
　　另外，目前的单端量暂态保护还无法从技术上实现故障选相。
3．2　小波分析引入的必要性
　　从上面对暂态保护研究现状的分析可以看出，暂态保护（特别是单端量暂态保护）实施中都少不了对某些高频暂态的提取和识别，因此，暂态保护技术的实施关键无凝是暂态特征的提取和暂态保护机理的建立。行波保护运行效果还不是很理想，其根本原因是对故障信息处理的手段落后，如数字滤波器提取暂态特征时，其滤波频宽是固定的，不能满足实际系统故障时间、位置、类型、故障电阻等因素变化的要求。小波分析具有可调的时频窗，恰好在处理非平稳、暂态信号等领域具有它独特的优势，它可对信号进行精确分析，对暂态信号在时间特征和频率特征上进行描述，小波系数特别是对暂态突变信号和微弱信号的变化较为敏感，能可靠提取故障暂态特征；同时，小波变换在克服Fourier分析不能做局部分析的同时，它具有类似于FFT的快速算法，因此，暂态保护要得到成功的应用，小波分析方法的引入是必然的。文［10］中行波浪涌性质的判别以及文［11］中对瞬时性与永久性故障的成功识别，使小波分析在EHV输电线路单端量暂态保护的应用潜力初见端倪，文［12］的研究工作也充分展示了这一点。
4　基于小波分析的单端量暂态保护研究现状
4．1　区内和区外故障判别
　　对于EHV输电线路，当传输线路发生故障时，系统将产生高频宽带暂态电流行波，电流暂态信号从故障点沿线路的正反方向传播，当遇到变电站母线等不连续波阻抗时，部分反射回来，另一部分通过母线传播到下一段，因此，故障电流行波在故障点和母线之间来回反射。研究表明，由于母线对地电容的存在，暂态电流通过母线时将有一定的衰减，且频率越高的成分，衰减越大。正是基于这一性质，利用单端暂态电流实现暂态保护的区内外故障选择变得可行。如图1中，设故障点F1在PM段，F2发生在MN段，电流互感器CT采集的电流为I，当故障发生在F2时，其电流I1通过母线M时部分由对地电容流入地，设其为I0，此时，CT上检测到的电流为I＝I1－I0。基于上述原理，故障发生在PM段和MN段，CT检测到的电流频率成分将会不同，即使是F1点靠近M或F2点靠近M，其暂态电流也有一定的差别。基于此，文［12］采用小波分析来检测这种差别，初步建立了基于小波分析的单端量暂态保护机理，给出了保护判据。


4．2　故障类型和故障相判别
　　传统基于工频分量的故障选相是高压和超高压保护设计和实现的前提，一般在故障后一个周期内完成，实时性差；由于受高频成分的影响，可靠性低。目前提出的基于故障高频信号的故障选相元件，其不受系统运行方式和接地阻抗的影响。在实际的三相线路中，由于三相之间存在电磁耦合，非故障相也会有暂态成分出现，文［13～15］研究了采用0，α，β三个模量的小波变换进行选相，能正确地判断出故障类型和选相，理论上该选相方法可靠。
4．3　瞬时性和永久性故障判别
　　瞬时性故障大多是由于雷电引起的绝缘子闪络或树枝等引起的瞬时接地，这类故障在断路器断开后，电弧自行熄灭，故障点恢复正常。永久性故障是指线路绝缘子损坏或断线等原因引起的，在断路器跳开后，故障点的绝缘不能恢复。实际上，从故障发生到断路器断开这一段时间内，其故障相电压的高频成分具有相当大的差别，利用故障相电压或电流的小波分析表达其时频特征，可以较为显著地区分瞬时性和永久性故障。文［16］应用EMTP模拟两种故障，采集保护动作前的电压信息，对其进行小波分析发现，在22尺度下，永久性故障有2个模极大值，瞬时性故障有4个模极大值，从而可以定量地区分两种故障。
5　基于小波分析的单端量暂态保护研究设想
　　电力系统暂态信号的小波分析内容丰富，应用范围广，暂态保护是一个崭新的技术，其应用潜力还有待进一步挖掘。基于此，我们提出了以下一些研究设想，并正在逐步对其开展研究工作。
5．1　电力暂态信号小波分析仪的研制
　　我们认为，暂态保护的研究应首先研制电力暂
　　（1）小波分析方法扩大了被处理信号的类别，其最大的优点是时域和频域都具有良好的局部化能力，是分析非平稳信号和非线性问题的强有力工具，这无凝是未来信号处理的最有效数学工具之一，国内外一些产品中已成功引入小波分析并得到很好应用已说明了这一点。如科汇电气公司应用小波检测行波波头，研制的新型输电线路故障测距装置，提高了测距的准确性，电科院利用小波分析实现故障测距的装置已进行了动模实验［17］；
　　（2）电力暂态信号的小波分析结果中含有更多、更显著的系统参数和系统动态变化信息，这些信息对我们控制电网或总结运行经验都是非常重要的。电力暂态信号小波分析仪的研制和应用，有助于对这些信息的掌握，为电能质量分析和保护判据的建立奠定基础；
　　（3）小波分析方法应用于电力系统中，较传统纯频域的Fourier变换或纯时域的相关分析存在运算量大，需要采样率高的特点，然而，计算机硬件和处理速度的飞速发展使得这一问题已不复存在。如DSP的应用已解决了信号采集和处理实时性的问题；
　　（4）电力暂态信号小波分析仪的研制是一种全新理论的实际应用，该产品在电网运行中具有较好的应用价值，同时也是探讨新的保护原理和装置的实验平台。
　　总的说来，电力暂态信号小波分析仪将在电能质量分析、谐波分析、暂态信号分类与识别、故障测距、故障暂态录波等方面得到应用，同时能为单端量（无通道）暂态保护判据的建立奠定基础。
5．2　EHV输电线路暂态模型和暂态保护机理的研究
　　（1）暂态保护机理得以建立的基础是来自于故障产生的高频暂态，高频暂态受故障电弧特性、高频在线路中的传播特性、测量元件（高频CT）特性等的影响，因此，首要的研究任务应是建立相应的准确暂态频率模型［18］；
　　（2）小波变换具有良好的分析能力，信号的小波变换蕴涵丰富的信息，信息的提取需要一些优秀的方法，对于暂态保护的判据建立，必须寻找到合适的特征提取方法，在此基础上建立的判据才具有更高的可靠性。因此，必须研究具有实时性的小波分析后处理方法（特征提取方法）；
　　（3）人工智能技术将在未来科技领域扮演重技术相结合，应用于暂态保护或电力系统相关领域之中，这是富有潜力的研究方向。

参考文献

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