淺談配電網故障基于小波分析的選線方法

【摘要】本文淺談配電網故障基于小波分析的選線方法，通過分頻特性良好的小波，利用頻帶剔除線路諧振狀態(tài)，適當帶寬分解故障后線路的暫態(tài)零序電流，從而小波重構低頻段下各線路的零序電流，最后比較重構后的信號來選線。

【關鍵詞】小波分析； 小電流接地系統(tǒng)；暫態(tài)信號

1.配電網故障基于小波分析的的選線原理

串聯(lián)諧振過程和并聯(lián)諧振過程存在于配電網線路中，在諧振狀態(tài)時，故障線路的阻抗有時呈感性，有時呈容性，受各線路長度、系統(tǒng)出線數(shù)等因素的影響，同時故障線路與非故障線路零序電流關系較為復雜，剔除進入諧振狀態(tài)的頻段，在有效頻段內通過線路在各頻帶上的模極值能量進行判斷，當配電網發(fā)生單相接地故障時，利用db10小波包將流經某一條非故障線路的暫態(tài)零序電流分解4層，將各線路信號分解到16個不同子頻帶上，記各線路零序電流小波包分解后在各有效子頻帶上的模極值為WIMLj，其中L=1，2，，n表示線路編號，j=1，2，，p表示有效子頻帶編號。線路L在各頻帶上的模極值能量為： （1）

此時利用故障線路能量較大且極性和其它線路相反的原理進行選線。本文基于小波分析的選線方法，利用頻帶剔除線路諧振狀態(tài)，通過分頻特性良好的小波，得到其在不同頻帶下的輸出，然后按照能量最大的確定線路故障特征最明顯的頻帶。根據(jù)故障線路暫態(tài)電容電流的極性與非故障線路不同的原理，當各線路的特征頻帶是一致的，選能量最大的頻帶，利用小波包分解頻帶下對各線路的零序電流；當各線路的特征頻帶是不一致的，小波包分解各線路特征頻帶，故障線路除在本身的特征頻帶上分布的能量最強，在其它線路的特征頻帶上也有較強的能量分布，而非故障線路只在本身的特征頻帶上分布的能量較強，在其它線路的特征頻帶上的能量分布較弱。最后比較綜合各頻帶的結果來實現(xiàn)故障選線。

2.配電網故障基于小波分析的選線算法

根據(jù)選線原理的分析，擬定以下選線步驟：（1）計算出中性點不接地系統(tǒng)和中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)各自的有效頻段，其中中性點不接地系統(tǒng)的有效頻段為（0～fSFBH），中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)的有效頻段為（fSFBL～fSFBH）；（2）選擇合適的小波函數(shù)；（3）選擇能量最大的分解尺度作為故障“特征尺度”信息；根據(jù)各線路特征頻段的情況，利用小波包對各線路的零序電流進行分解；若線路中高頻分量占主要成分，利用模極大值和極性進行選線。若線路中低頻分量占主要成分，把各線路零序電流分解至第六層，將所得到的直流分量進行單支重構，通過比較重構后的結果來實現(xiàn)選線。

1）小波分析有效頻帶的選取

由線路相頻特性分析可知：中性點不接地系統(tǒng)的有效頻段為（0～fSFBH），中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)的有效頻段為（fSFBL～fSFBH）。代入零序仿真參數(shù)，可得：（2）因此，（0～968HZ）為中性點不接地系統(tǒng)的有效頻帶，（86～968HZ）為中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)的有效頻帶。

引入比例因子k： （3）是為了明確各線路故障暫態(tài)零序電流在各頻帶下的分布情況，其中：En表示（4，n）頻帶下小波包分解結果的能量，E表示原始信號的能量。

2）小波函數(shù)的選取

因多數(shù)小波變換所具有的基本功能和特點：信號突變檢測能力、分頻能力、時頻局部化分析能力，以信號細節(jié)分量的極性為判據(jù)，正被小電流接地系統(tǒng)的選線問題為用。從接地選線的角度分析，所應用的小波性質如下：（1）具正規(guī)性和正交性。正規(guī)性使得對于信號或圖像的重構問題能夠獲得較好的平滑效果，而正交性使小波變換能快速的運行；（2）有高階數(shù)的消失距。消失距越高，則對于信號的奇異性檢測比較有利；（3）檢測暫態(tài)突變宜采用具有對稱性或近似對稱的小波。對稱性則使得小波變換具有線性相位；（4）為了提高運算效率，減少占用空間，小波基應具有緊支性或較短的濾波系數(shù)。緊支性或較短的濾波系數(shù)，則有利于提高計算的速度，減少消耗時間。

工程上應用較多的小波函數(shù)是dbN小波系，特點是隨著序號N的增大，時域支集長度變長，時間局部性變差； 消失矩階數(shù)增加；濾波器長度變長；正則性增加，頻域局部性變好。把一個信號分解為一系列小波函數(shù)的疊加是小波變換的本質，因此需要盡量使小波函數(shù)的波形與所分析信號的波形一致。綜合以上各種因素，根據(jù)以往的經驗，選db10小波。

3）特征尺度的選取

具有故障特征的高頻分量，是零序暫態(tài)電流經小波分解后，大量能量集中在高尺度上。這樣可以從各尺度中選出能量最大的信號所在的尺度，以該尺度的信息作為選線的判據(jù)。大量的試驗后，作為選線的判據(jù)一般取尺度4或者尺度5上的信號。用于故障選線的頻帶寬度應選擇適當，若過細，則頻帶對應采樣點數(shù)過少，不利于進一步信號分析；若過寬，則信號信息含量增加，降低故障選線的可靠性。所以選擇4層16個子空間的小波包分解，每個頻帶寬度為125HZ。

根據(jù)故障線路與非故障線路暫態(tài)電容電流的極性不同的原理，故障發(fā)生在相電壓過零點附近，暫態(tài)過程不明顯，則在低頻段下對各線路的零序電流進行小波重構，通過比較重構后的信號來實現(xiàn)選線。對10KV系統(tǒng)進行仿真分析。在仿真過程中，通過改變過渡電阻大小、故障點位置等參數(shù)進行了計算，仿真結果表明本文提出的故障選線方法有較高的可靠性。

3.結論

本文提出了基于小波分析的配電網故障選線方法。在有效頻段內基于奇異量小波包變換的多頻帶分析，剔除線路進入諧振狀態(tài)的頻段的故障選線方法。利用故障線路和非故障線路模極值的不同特性，找到各線路奇異量的模極值的大小和相位信息實現(xiàn)故障選線，需要選用合適的小波函數(shù)進行小波包變換。通過對特征尺度的分析，選擇db10小波對故障后的零序電流進行4層分解，在考慮各線路暫態(tài)零序電壓和電流的奇異特性、頻率成分的情況下，選取故障選線的有效頻帶和能量集中的特征頻段，在特征頻段一致和不一致兩種情況下，根據(jù)特征頻段上故障線路和非故障線路暫態(tài)零序電壓和電流的小波包分解后的模極值大小和極性來實現(xiàn)故障選線。

參考文獻

[1]車偉.基于小波分析的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位研究[D].南京：河海大學，2003