基于小波包的電力網(wǎng)沖擊接地電阻系統(tǒng)分析*

張秀秀

(長治學(xué)院電子信息與物理系，山西 長治 046011)

1 概述

在配電網(wǎng)中，電力部門的部分工作是將電力線上的電力設(shè)備部分和地面連接，連接的作用是保護(hù)用電設(shè)備。接地電阻在電力系統(tǒng)領(lǐng)域指恒流或市電流流過裝置時的阻抗[1]。在雷雨天氣，對于裝置的防雷工作一般是防雷接地處理，具體就是測試沖擊電流流過裝置時的電阻。

大多數(shù)電力研發(fā)部門對沖擊接地電阻的研究方法有以下幾類：

1) 對用電接地裝置采用理論分析，并且構(gòu)建一定的虛擬仿真模型，即用數(shù)學(xué)方法建立該物理模型，通過計算分析求出沖擊接地電阻；

2) 針對性地對一些集中接地裝置開展虛擬模擬實驗；

3) 沖擊接地電阻的求法是通過物理測量首先得到工頻接地電阻，再利用數(shù)學(xué)公式將它乘以沖擊系數(shù)；

4) 大量數(shù)據(jù)用經(jīng)驗公式估算得到。

以上方法都不是通過室外具體實驗得到數(shù)據(jù)，可以說都是間接的測量方法求出的。但是在戶外尤其是山區(qū)搭桿進(jìn)行物理實驗又不太現(xiàn)實，因為搭桿距離要求較遠(yuǎn)，一般需要幾百米，而且整個搭桿回路的感抗和阻抗都很大，這在防雷過程中會需要很高的電壓，在戶外物理實驗中很難實現(xiàn)。這里提出一種基于小波包最優(yōu)算法的處理方式，即通過小波包最優(yōu)算法計算得出接地裝置在較大感應(yīng)下的雷電流信號，然后進(jìn)一步分析沖擊接地電阻。

2 小波包最優(yōu)算法介紹

最早應(yīng)用最多的是小波分析，也就是說小波包分析是在其之后，兩者聯(lián)系很大，但是也有區(qū)別。

ψa,b(t)波基函數(shù)，是母小波函數(shù)逐漸發(fā)展來的派生函數(shù)，俗稱波基。

如果兩個參數(shù)(a和b)逐漸變換，產(chǎn)生的ψa,b(t)有一族函數(shù)ψ(t)。給定平方可積的信號x(t)，即x(t)∈L2(R)，則x(t)的小波變換(Wavelet Transform，WT)：

(1)

小波包分析是后來出現(xiàn)的一種更加準(zhǔn)確的傅里葉分析。圖1為對信號做的小波包分析，結(jié)構(gòu)有三層。小波包分層的思路是當(dāng)尺度變量不斷增大，當(dāng)參數(shù)j高到一定程度，正交小波包基函數(shù)就會相應(yīng)地對上面的fL成分和fH成分進(jìn)行分化，隨后的處理就和小波分析一致。

圖1 信號的小波包結(jié)構(gòu)圖

3 基于小波包的沖擊接地電阻系統(tǒng)分析

3.1 沖擊接地電阻信號的去噪方法

1) 含噪接地電阻信號的小波包分層:首先找一個小波，確定下來對它分層，層數(shù)設(shè)為N，之后對含噪接地電阻信號處理；

2) 最優(yōu)小波包的處理方式是針對一個已知的嫡標(biāo)準(zhǔn)來找到小波包分解的最優(yōu)小波包基；

3) 針對fL分解系數(shù)等一系列小波包分解系數(shù)，找一個合適的上限值且對小波包分解系數(shù)進(jìn)行頻率段內(nèi)的量化；

4) 含噪接地電阻信號的小波包重構(gòu):在這里小波包重構(gòu)方式是依據(jù)上面的兩步，首先分解出第N層的小波包分解系數(shù)，然后是小波包分解系數(shù)進(jìn)行的閡值量化。

閡值處理分類有：閾值、軟閾值和改進(jìn)閾值處理[2]。硬閾值處理方法是把含噪接地電阻信號的絕對值去和小波包閾值對比，如果含噪接地電阻信號的絕對值點大于閾值，則點不變。如果含噪接地電阻信號的正值點不大于上限值，則點會趨近于收斂。軟閾值處理方法與硬閾值處理方法相同之處是當(dāng)含噪接地電阻信號的絕對值點小于或等于閾值，則點就趨于收斂程度,不同之處是當(dāng)含噪接地電阻信號的絕對值數(shù)據(jù)大于閾值，則點則向零靠近,變?yōu)樵擖c的值與閾值之差。

3.2 仿真結(jié)果及分析

文章在MATLAB環(huán)境中，使用其自帶的小波包工具箱去對小波包的沖擊接地電阻系統(tǒng)仿真[3]。仿真中含噪沖擊接地電阻信號采用MATLAB中隨機(jī)噪聲函數(shù)heavysine，信噪比SNR選擇7 dB，隨機(jī)噪聲信號的采樣點選擇合理[4]。實驗仿真中用的小波包為sym3小波，對其進(jìn)行了不多于三次的分解。仿真圖如圖2所示，實驗結(jié)果表明，基于小波包的沖擊接地電阻系統(tǒng)的信號去噪效果不錯，這比小波去噪方法要好。

圖2 含噪接地電阻信號最優(yōu)濾波仿真圖

4 結(jié)束語

小波包優(yōu)于小波的特點是因為它把含噪的信號低頻率段和高頻率段進(jìn)行了N層次分解,仿真結(jié)果顯示去噪效果較好。具體文章使用MATLAB中的隨機(jī)噪聲模擬含噪沖擊接地電阻信號，仿真了小波包去噪；仿真結(jié)果表明基于小波包最優(yōu)算法的處理方式能很好地去除接地電阻信號中的電磁干擾成分，這對設(shè)計可靠的配電網(wǎng)沖擊接地電阻測試系統(tǒng)有著一定的指導(dǎo)作用，也對實際的物理實驗有著一個很好的參考價值。