電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域形態(tài)濾波技術(shù)的應(yīng)用及問題分析

邵逸洲

摘 要：全面探討了形態(tài)濾波技術(shù)在機電保護中的應(yīng)用問題，并分析了形態(tài)濾波技術(shù)在電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：繼電保護；形態(tài)濾波技術(shù)；電力系統(tǒng)；數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)

中圖分類號：TM771 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.153

1 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本論述

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是建立在嚴(yán)格數(shù)學(xué)理論上的一門學(xué)科。當(dāng)前，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的思想和方法主要運用在圖像處理方面?；谛螒B(tài)濾波技術(shù)的形態(tài)學(xué)預(yù)算工作主要是結(jié)合二值膨脹因素和腐蝕因素對形態(tài)學(xué)中的各個子系統(tǒng)加以運算。運算內(nèi)容包括二值結(jié)構(gòu)元素集合和二值輸入集合，計算得出結(jié)構(gòu)元素與輸入集合的關(guān)系以及兩者相互作用的過程。在實際運算過程中，膨脹完全是在放大處理元集合之后依據(jù)運算規(guī)則所得出的結(jié)果；腐蝕則是針對膨脹形態(tài)所進(jìn)行的一種元集合縮小處理。函數(shù)與本影的關(guān)系即函數(shù)、本影是描述函數(shù)的二值形態(tài)。形態(tài)濾波是一種幾何模式，它可以用來探測信號的集合模式和部分目標(biāo)圖像，與線性無關(guān)。形態(tài)濾波是利用二值形態(tài)學(xué)的方法在集中信號方面處理濾波目標(biāo)，具體結(jié)合結(jié)構(gòu)元素和一維輸入，將信號當(dāng)作計算函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。一維信號與二維信號不同，需要使用兩個特定形式的字符表示定義域和集合等?？偟膩碚f，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素來量度和提取圖像中的對應(yīng)形狀，以達(dá)到分析和識別圖像的目的。

2 多分辨形態(tài)學(xué)梯度的應(yīng)用

多分辨形態(tài)學(xué)梯度的運算原理就是運用扁平結(jié)構(gòu)函數(shù)計算出腐蝕和膨脹的分?jǐn)?shù)差。結(jié)構(gòu)函數(shù)的位置影響著運算結(jié)構(gòu)的變化，它的運算結(jié)構(gòu)與部分極小值或極大值有一定的相關(guān)性。在使用這種多分辨形態(tài)學(xué)的梯度技術(shù)時，不僅需要重視對暫態(tài)信號的識別與處理，還需要有效控制信號中的穩(wěn)態(tài)分量，且結(jié)構(gòu)元素的寬度設(shè)計要科學(xué)，梯度級數(shù)的設(shè)計要合理。

暫態(tài)保護和電壓信號頻率研究都可以通過分辨形態(tài)學(xué)梯度來實現(xiàn)。在測量電力系統(tǒng)中電壓分量波形的時候，通過設(shè)置與地面接觸的輸電系統(tǒng)故障，可更好地測試信號基波分量。測試結(jié)果顯示，產(chǎn)生故障的主要原因是行波中出現(xiàn)的自行故障和電弧產(chǎn)生的故障分量。如圖1所示，仿真設(shè)置一個與地面接觸的400 kV EHV輸電系統(tǒng)故障，線模電壓分量波形在保護安裝處的測量顯示，一部分暫態(tài)信號分量產(chǎn)生于故障行波，另一部分來源于故障點電弧產(chǎn)生的高頻分量。暫態(tài)信號分量在輸電線上傳播，在電氣間斷點處發(fā)生透射和反射。如圖2所示，應(yīng)用多分辨形態(tài)梯度技術(shù)進(jìn)行2級分析，可將扁平結(jié)構(gòu)元素的初始寬度設(shè)為8個采樣點。通過分析可以確定暫態(tài)波頭到達(dá)的時間，以波頭極性的反映判斷出入射波頭的來源。如圖3所示，使用100 μs數(shù)據(jù)窗和40 kHz中心頻率的小波變換處理同樣的輸入信號（CW是小波變換的綜合系數(shù)），也能達(dá)到分析效果。不過，8 μs的多分辨形態(tài)梯度數(shù)據(jù)窗分析比小波分析的時延短，而且形態(tài)梯度分析更規(guī)則，易于識別，且計算量較小，易于操作。根據(jù)上述對兩種不同方式的比較分析可知，多分辨形態(tài)梯度技術(shù)更適合于暫態(tài)的超高速保護。因此，要想在電力系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)對暫態(tài)的有效保護，應(yīng)先合理識別和提取暫態(tài)的波頭。這不僅關(guān)系到對暫態(tài)的保護結(jié)果，還關(guān)系到對電力系統(tǒng)的故障測試。

3 形態(tài)學(xué)信號分解的應(yīng)用

形態(tài)學(xué)信號分解主要是定性、定量分析當(dāng)前社會發(fā)展中時空因素對信號復(fù)雜性的影響，然后對其進(jìn)行合理、有效的控制。在當(dāng)前的實際工作中，應(yīng)用形態(tài)學(xué)的原理、規(guī)范管理、控制趨勢和對空間的轉(zhuǎn)化來完成信號的復(fù)雜處理，然后處理函數(shù)和其他數(shù)學(xué)概念。二值基本運算的運用以一系列簡單的信號分量作為參考分析，得出多種不同的處理信號波形的技術(shù)，實現(xiàn)了濾波技術(shù)在繼電保護中的科學(xué)應(yīng)用。通過對形態(tài)學(xué)信號分解概念的初步認(rèn)識，了解到形態(tài)學(xué)信號分解技術(shù)主要應(yīng)用于變壓器中勵磁涌流的識別中。在變壓器的勵磁涌流中，由于輸入的電流信號包括正波形和負(fù)波形，只有二次分解每一級的信號，才能提高信號分解的準(zhǔn)確性，提高形態(tài)學(xué)信號分解在勵磁涌流中的識別度。在應(yīng)用結(jié)構(gòu)函數(shù)的過程中，通過迭代次數(shù)推導(dǎo)和多次分解的濾波信號揭示勵磁涌流的特征，以完成形態(tài)學(xué)信號分解的主要目標(biāo)。

圖1 單相接地故障線模電壓分量波形

圖2 多分辨形態(tài)梯度分析結(jié)果 圖3 小波分析結(jié)果

4 結(jié)束語

形態(tài)濾波技術(shù)是一種很好的繼電保護方法，在運算時間、信號結(jié)構(gòu)處理和信號識別方面表現(xiàn)出了其他繼電保護措施所無法替代的優(yōu)勢。通過分析多分辨形態(tài)梯度和小波變換的暫態(tài)故障信號，我們加深了對形態(tài)濾波技術(shù)的理解，認(rèn)識到形態(tài)濾波技術(shù)在電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域中的實用價值和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：王霞〕