基于改進(jìn)小波包分解的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)回路故障診斷方法

摘要：常規(guī)的保護(hù)回路故障診斷方法以故障特征信息分析為主，受到噪聲干擾，故障診斷結(jié)果存在一定的失準(zhǔn)問題。為了解決這一問題，文章設(shè)計(jì)了一種基于改進(jìn)小波包分解的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)回路故障診斷方法。所提方法首先提取電力系統(tǒng)繼電保護(hù)回路故障波形特征，將繼電保護(hù)回路故障區(qū)段的非平穩(wěn)信號提取出來，以確保后續(xù)故障診斷的準(zhǔn)確性；然后基于改進(jìn)小波包分解構(gòu)建保護(hù)回路故障診斷模型，通過堆疊、重構(gòu)等形式，生成更加準(zhǔn)確的故障診斷分量；最后優(yōu)化模型，求解電力系統(tǒng)繼電保護(hù)診斷模型分支系數(shù)，以使其滿足故障診斷的精度需求。仿真結(jié)果表明，該方法的故障診斷準(zhǔn)確性更高，能夠應(yīng)用于實(shí)際工程中。

關(guān)鍵詞：改進(jìn)小波包分解；電力系統(tǒng)；繼電保護(hù)；保護(hù)回路；故障診斷方法

中圖分類號：TM773" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

電力系統(tǒng)包括電源、變電所、輸電、配電線路、負(fù)荷中心等，能夠完成電能傳輸、分配的任務(wù)。繼電保護(hù)回路在電力系統(tǒng)異常時(shí)，能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行邏輯判斷，從而避免電力事故。在繼電保護(hù)回路長期運(yùn)行狀態(tài)下，很容易出現(xiàn)相應(yīng)的故障，影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行［1-2］。針對此類問題，研究人員設(shè)計(jì)了多種故障診斷方法。

1 基于改進(jìn)小波包分解的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)回路故障診斷方法設(shè)計(jì)

1.1 提取電力系統(tǒng)繼電保護(hù)回路故障波形特征

本文利用小波變換，定位高階奇異信號的位置，縮小故障診斷范圍，為后續(xù)診斷提供保障；根據(jù)小波變換得到第1層細(xì)節(jié)系數(shù)，得出細(xì)節(jié)層的波形特征［3］；從中提取出繼電保護(hù)回路故障區(qū)段的非平穩(wěn)信號，以確保后續(xù)故障診斷的準(zhǔn)確性。保護(hù)回路故障波形特征如圖1所示。

圖中，Ua、Ia為a相正常波形，Ub、Ib、Uc、Ic為存在回路故障的波形特征。當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)為1000時(shí)，b相、c相存在故障，此處的波形與其他波形不同。因此，本文將數(shù)據(jù)點(diǎn)1000作為突變點(diǎn)，此后的電壓、電流信號為異常狀態(tài)［4］。將回路故障縮小到一定范圍之后，使用回路故障診斷模型，精準(zhǔn)定位回路故障，從而避免故障診斷失誤的問題。

1.2 基于改進(jìn)小波包分解構(gòu)建保護(hù)回路故障診斷模型

小波包分解算法能夠生成一組不同頻率與時(shí)移的小波函數(shù)［5］。通過傅里葉函數(shù)變換小波函數(shù)基底，控制小波函數(shù)伸縮量與尺度變量，從而達(dá)到改進(jìn)小波包分解的目的，進(jìn)一步提高故障診斷的準(zhǔn)確性。通過尺度變量、平移變量，將低頻與高頻分量分離，并通過堆疊、重構(gòu)等形式，生成更加準(zhǔn)確的故障診斷分量，以滿足故障診斷的精度需求。改進(jìn)小波族表示為：

WT（k，s）=1k∫∞-∞f（t）ψt-sk（1）

其中，WT（k，s）為改進(jìn)小波族，k為尺度參數(shù)，s為平移參數(shù)，f（t）為小波函數(shù)，t為時(shí)間常數(shù)，ψ為歸一參數(shù)。從信號處理學(xué)的角度來看，繼電保護(hù)回路存在一定的信號干擾，將改進(jìn)小波族的高頻分量與低頻分量分解開來，能夠避免信號干擾對診斷結(jié)果的影響。根據(jù)保護(hù)回路故障波形特征，本文方法將高頻分量分離，對低頻分量進(jìn)行二次分解，重復(fù)堆疊，達(dá)到小波包分解的目的，確保故障診斷的準(zhǔn)確性。本文采用相量形式表示高頻分量與低頻分量，并在相同拓?fù)涞谋Ｗo(hù)回路中，以相量形式表示功率。公式如下：

∑bk=1U^bI·b=0

∑bk=1U^cI·c=0（2）

其中，U^b、I·b分別為b相故障回路的電壓、電流相量，U^c、I·c分別為c相故障回路的電壓、電流相量。以等值電路表示正常運(yùn)行的保護(hù)回路，線路兩端的負(fù)荷按照等效定理進(jìn)行等值。當(dāng)b、c相出現(xiàn)故障時(shí)，2個(gè)回路的元件參數(shù)相同，則滿足：

U·bI^b=I^bZbI^b=U·cI^c=I^cZcI^c（3）

其中，Zb、Zc分別為b、c相的阻抗。根據(jù)相量變化，構(gòu)建故障診斷模型，W表達(dá)式如下：

W=1U·bI^b·U·cI^c∫∞-∞f（t）ψt-ZbZcU·bI^b·U·cI^c（4）

本文將U·bI^b、U·cI^c作為尺度參數(shù)，ZbZc作為平移參數(shù)，重復(fù)小波變換過程。綜上，本文完成電力系統(tǒng)繼電保護(hù)診斷模型構(gòu)建。

1.3 求解電力系統(tǒng)繼電保護(hù)診斷模型分支系數(shù)

為了進(jìn)一步提高繼電保護(hù)診斷模型的診斷效果，求解電力系統(tǒng)繼電保護(hù)診斷模型的分支系數(shù)。這一系數(shù)在模型中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其取值范圍被嚴(yán)格限定在0～1。本文利用分支系數(shù)，可對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)診斷結(jié)果進(jìn)行精準(zhǔn)評估。具體而言，當(dāng)分支系數(shù)趨近于0時(shí)，意味著繼電保護(hù)回路故障診斷模型可能存在較大的偏差。此時(shí)，本文需要對診斷模型進(jìn)行深入分析和調(diào)整，以提高診斷的準(zhǔn)確性。相反，當(dāng)分支系數(shù)趨近于1時(shí)，這預(yù)示著繼電保護(hù)回路故障模型得出的診斷結(jié)果更加精確，模型的表現(xiàn)達(dá)到了較為理想的狀態(tài)。通過精確計(jì)算并調(diào)整分支系數(shù)，能夠有效地避免診斷過程中的偏差，確保診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。分支系數(shù)計(jì)算公式為：

Zd=kU·b+U·cI^b+3KI^c（5）

其中，Zd為診斷模型的分支系數(shù)，K為零序補(bǔ)償系數(shù)。當(dāng)b、c相回路出現(xiàn)故障時(shí)，相電壓、相電流、零序電流引入分支系數(shù)的概念。通過K的補(bǔ)償，所提方法可以求解分支系數(shù)的取值，從而對診斷模型的精準(zhǔn)度進(jìn)行評估，便于診斷模型的優(yōu)化，進(jìn)而提高診斷結(jié)果的可靠性。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的方法是否滿足電力系統(tǒng)繼電保護(hù)回路的故障診斷需求，本文對上述方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以徐宇等［1］基于優(yōu)化核極限學(xué)習(xí)機(jī)的診斷方法、尚浩然等［2］基于深度學(xué)習(xí)的診斷方法為對照組，判斷本文設(shè)計(jì)的基于改進(jìn)小波包分解的診斷方法與對照組方法之間的對比情況。具體的實(shí)驗(yàn)過程以及后續(xù)分析結(jié)果如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

本文采用PSCAD/EMTDC搭建繼電保護(hù)回路故障診斷算例，電流互感器額定變比為1200/5，單相電源M、N相同，額定電壓為220 kV，頻率為50 Hz。仿真算例如圖2所示。

圖中：ZM、ZN分別為電源M、N側(cè)的負(fù)載；i11、i12、i13、i14為保護(hù)電流采樣值；CT1—CT4為保護(hù)回路支路。在故障的起始時(shí)間為0.115 s，在故障狀態(tài)下，分析其廣義變比辨識值、整定值、診斷準(zhǔn)確率等指標(biāo)，判斷故障診斷的準(zhǔn)確性。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，本文隨機(jī)選取出多種繼電保護(hù)回路故障類型。在其他條件均已知的情況下，對比了徐宇等［1］基于優(yōu)化核極限學(xué)習(xí)機(jī)方法的診斷性能、尚浩然等［2］基于深度學(xué)習(xí)方法的診斷性能以及本文設(shè)計(jì)的基于改進(jìn)小波包分解方法的診斷性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表中：m_1為單相接地故障；m_2為相間短路故障；m_3為匝間短路故障；m_4為過負(fù)荷故障；m_5為母線故障；m_6為變壓器故障；m_7為發(fā)電機(jī)故障；m_8為控制回路故障；m_9為直流接地故障；m_10為接線不規(guī)范故障；m_11為干擾故障；m_12為微機(jī)保護(hù)裝置故障。在繼電保護(hù)回路運(yùn)行的過程中，廣義變比辨識值能夠描述診斷值與預(yù)期值之間的比例關(guān)系，其值為0～1，辨識值越趨近于1，故障診斷準(zhǔn)確性越高。整定值作為保護(hù)閾值，將其設(shè)定為0～1，整定值越趨近于1，故障診斷的靈敏度越高，越能夠滿足故障診斷需求。在其他條件均一致的情況下，徐宇等［1］、尚浩然等［2］的方法均存在故障診斷失誤的情況，不利于電力系統(tǒng)運(yùn)行效果。而采用本文設(shè)計(jì)的方法后，系統(tǒng)的廣義變比辨識值、整定值、診斷結(jié)果均符合實(shí)際需求，診斷效果更佳。

3 結(jié)語

近年來，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)回路成為保障電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵，其運(yùn)行狀態(tài)受到了廣泛的關(guān)注。當(dāng)繼電保護(hù)回路出現(xiàn)故障時(shí)，無法保護(hù)電力系統(tǒng)，從而引發(fā)更大的安全事故。因此，本文利用改進(jìn)小波包分解，設(shè)計(jì)了電力系統(tǒng)繼電保護(hù)回路故障診斷方法。從波形特征、診斷模型等方面，該方法能夠得到故障信號更加準(zhǔn)確的特征信息，精準(zhǔn)地診斷出故障類別，為電力系統(tǒng)的運(yùn)行提供安全保障。

參考文獻(xiàn)

［1］徐宇，楊鵬杰，李磊.基于優(yōu)化核極限學(xué)習(xí)機(jī)的新能源配電網(wǎng)繼電保護(hù)故障檢測技術(shù)［J］.自動(dòng)化應(yīng)用，2023（23）：64-69.

［2］尚浩然，王丁丑.基于深度學(xué)習(xí)的變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)故障診斷與預(yù)測［J］.電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2023（9）：168-170.

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（編輯 沈 強(qiáng)）

Fault diagnosis method for power system relay protection circuit based on improved wavelet packet decomposition

SUN" Minghong， ZHANG" Chi

（State Grid Yantai Mouping District Power Supply Company， Yantai 264100， China）

Abstract： The conventional fault diagnosis methods for protection circuits mainly rely on the analysis of fault characteristic information. However， due to noise interference， there is a certain degree of inaccuracy in the fault diagnosis results. To address this issue， a fault diagnosis method for power system relay protection circuits based on improved wavelet packet decomposition is designed in this paper. Firstly， the waveform characteristics of the fault in the power system relay protection circuit is extracted， and the non-stationary signals in the fault section of the relay protection circuit is also extracted to ensure the accuracy of subsequent fault diagnosis. Then， based on the improved wavelet packet decomposition， a fault diagnosis model for the protection circuit is constructed， and more accurate fault diagnosis components are generated through stacking， reconstruction，and other forms. Finally， to optimize the model， the branch coefficients of the power system relay protection diagnosis model are solved to meet the accuracy requirements of fault diagnosis. The simulative results show that this method has higher accuracy in fault diagnosis and can be applied in practical engineering project.

Key words： improving wavelet packet decomposition; power system; relay protection; protection circuit; fault diagnosis methods

作者簡介：孫明鴻（1991— ），女，工程師，碩士；研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。