小波分析在线路保护中应用的可行性研究

　

　　时具有良好的局部化性质，它能对信号的不同频率成分采用逐渐精细的采样步长，从而可以聚焦到信号的任意细节，尤其是它对奇异信号很敏感，能很好地处理微弱或突变信号。这些优点决定了小波分析在信号检测、信噪分离、状态监视、故障诊断、数据压缩、特征提取、信号重构等方面都有着非常重要的应用价值，小波分析发展至今已形成了一套广泛实用的应用技术，在工程领域得到了广泛的应用。
　　虽然小波分析在电力系统中应用的研究刚刚起步，但作为一种信号分析的强有力的新型工具，小波分析在电力设备状态监视、电力系统故障诊断、谐波分析、暂态稳定、动态安全分析、神经网络和专家系统在电力系统中的应用、抗电磁干扰、输电线路故障定位、电力系统短期负荷预测、高压直流输电系统等诸多方面均有着广阔的应用前景。
　　随着电力工业的飞速发展，大容量机组和超高压远距离输电线路日益增多。为了确保电力系统的稳定运行、减轻故障对电力系统造成的危害，对电力系统继电保护装置的快速性、灵敏性提出了更高的要求。如何充分发挥、利用微型计算机的优势，不断改善继电保护装置的性能，开发新原理的微机继电保护装置，是广大继电保护工作者共同关心的课题。目前微机保护装置的工作原理大多建立在工频电气量的基础之上。为了从故障的暂态信号中提取出基波分量，科技工作者们作了大量的研究工作，提出了许多数字滤波算法，以获得性能优越的数字滤波器，这些算法大多基于傅氏变换原理。但是性能完善的滤波器一般都要求有较长的数据窗，这就影响了保护动作的快速性，而且在故障开始的最初时间内工频分量的信息很少。因此，仅靠改善数字滤波器性能来提取工频分量的保护装置很难进一步提高动作速度。
　　在故障开始的瞬间，各种暂态分量非常丰富，以往因不能正确区分干扰信号与故障产生的暂态分量信号，而将暂态分量当作噪声滤除了。实际上暂态分量中包含了大量的故障信息，如果能对此加以利用，将有可能进一步提高微机保护装置的动作速度。
　　小波分析可对信号进行多尺度分析，具有很强的特征提取功能，对突变信号的处理优势尤为明显。另外，由于随机噪声信号的小波变换与有效信号的小波变换在特征上具有明显的区别，因此小波分析方法具有很强的消噪功能。这些均为小波分析在微机继电保护中的应用提供了可能性。

1　用小波分析方法构成启动元件

　　随着电力系统的快速发展，输电线路的电压等级和输送容量逐步提高，由输电线路故障所造成的损失也越来越大。快速切除输电线路故障是保证电力系统暂态稳定的投资最少、收效最大的措施之一。随着电力系统的不断发展，对保护动作的快速性要求也越来越高。
　　所有微机继电保护装置中都设有启动元件。启动元件的动作表示故障的开始：只有启动元件动作，保护才能出口；保护逻辑回路中一些时序回路的时间是由启动元件启动后开始计时的；主要测量元件的延时是由测量元件本身启动后才开始计时的。有些测量元件也可以在启动元件启动后才开始测量，这样该测量元件可以完全不受故障影响，但这将给测量元件的动作增加了启动元件的启动时间。因此，启动元件应能快速、灵敏地反映各种类型的故障。加速启动元件的动作速度，将有利于提高整组保护装置的动作速度。
　　小波变换的窗口大小具有自适应性，当减小尺度参数的取值时，可以使时窗宽度变窄、频窗高度增大，这将有利于检测突变信号。利用小波变换的这一特点，可以在故障发生的瞬间快速检测出电流或电压突变信号。
　　由小波变换用于信号突变检测的基本原理可知，如选择小波函数为光滑函数的一阶导数，则由小波变换的模极大值点，可检测到信号的突变点。故可采用下述方法构成微机保护的启动元件。
　　(1)选择合适的采样频率，以使各种故障情况下的电流、电压信号具有明显的突变特征。
　　(2)选取合适的尺度参数，对电流、电压采样信号进行离散二进小波变换。
　　(3)取当前时刻小波变换的模的绝对值与一个周期前对应时刻的小波变换的模的绝对值相减，根据有效信号突变点所对应的小波变换模极大值具有沿尺度传递的特性，当某一时刻在各尺度上，小波变换模的突变量均超过各自尺度上的整定值时，即可判定在该时刻发生了故障，启动元件可不带延时立即动作。
　　(4)由于小波变换的模极大值仅在故障瞬间出现，因此应将启动元件的动作时间固定下来，固定的时间应大于故障可能持续的时间。
　　用上述方法小波变换原理构成微机保护的启动元件，可提高启动元件的动作速度和灵敏度。由于小波变换对奇异信号反映非常敏感，对由系统操作等情况引起的电流、电压突变量也有所反映。因此在使用时应比较慎重，应考虑各种影响因素，以采取相应的措施避免保护装置频繁启动。　

2　用小波分析方法构成选相元件

　　在高压输电线路中广泛采用单相自动重合闸装置，这就需要选相元件。选相元件在单相故障时应选出故障相，以保证可靠切除故障相，在多相故障时应能判定为多相故障而立即跳三相。在距离保护中也需要选相元件，在微机距离保护中为了减少计算量，一般采用先选相再测量的方法。为了满足正确测量距离的要求，必需在单相故障、多相故障和转换性故障时都应能正确选出故障相，在对侧先跳闸的情况下也要保持正确选相。此外，加快选相元件的动作速度有利于提高整组保护装置的动作速度。
　　小波分析方法具有很强的特征提取功能，可以对故障相的故障特征进行提取，为简化选相方法、进一步提高选相元件的动作速度和准确性提供了可能。用小波分析原理构成微机线路保护装置中选相元件的方法与构成启动元件的方法相同。在合适的采样频率下对各种电流、电压信号进行采集，并对各采样值分别进行小波变换，对于在相邻几个尺度上小波变换的模极大值均超过整定值的相，即可判定为是故障相。因小波变换的模极大值仅在故障瞬间出现，因此，选相元件应和启动元件同时启动，并将选相结果固定下来。该方法动作速度快、简单易行，并且不受负荷电流与短路点过渡电阻的影响。
　　本文作者利用EMTP仿真程序对输电线路的故障进行仿真，利用小波分析程序对仿真结果进行小波变换，并对小波变换结果进行了分析。发现在故障瞬间，故障相电流和故障相电压的小波变换均有模极大值出现，故障特征明显；而非故障相电流和非故障相电压的小波变换则没有突变的模极大值出现。因此，利用电流或电压的小波变换均可构成反映故障暂态分量的选相元件。如利用电流、电压元件同时选相还可以确保选相的准确性，进一步减小干扰信号的影响。

3　用小波原理构成线路特高速保护设想

　　为了确保电力系统的稳定运行，对电力系统继电保护装置的要求越来越高，特别是长距离重负荷输电线路，对保护的快速性要求最高。为了全线快速切除故障，目前我国电网中对于220kV及以上的高压输电线路大多采用高频保护作为主保护。由于高频保护要求在线路两侧间交换信号，因此影响了保护装置的动作速度。
　　迄今为止继电保护的动作原理都建立在电流、电压为工频正弦波的基础之上。在基于工频的传统保护方式中，故障产生的高频暂态分量均被当作干扰信号被滤掉，传统保护中大量的研究工作都用在设计滤掉高频信号的滤波器上。但无论是模拟滤波器还是数字滤波器，在滤波的效果和速度之间都存在着矛盾。模拟滤波器的效果越好，要求的品质因数就越高，时间常数也越大。数字滤波器的效果越好，所需的数据窗也越长。为此常常需要在滤波效果和动作速度之间权衡折中，这也影响了保护装置动作速度的进一步提高。
　　事实上，故障产生的暂态高频信号中，含有大量的信息，其中包括故障的类型、位置、持续时间等。这些信息可用来实现利用工频信号所实现不了的新型保护方案。利用故障产生的暂态分量来实现保护原理，可加快保护的动作速度，并使其不受系统振荡、高阻接地、CT饱和等因素的影响。
　　当输电线路发生故障时，在短路的暂态过程中将出现大量的高频暂态分量，利用小波变换原理可以在短路瞬间快速检测到这些高频信息。但是由于小波变换对任何突变信号均很敏感，它不能用来区分内部还是外部故障。为了利用小波变换能快速检测到故障的暂态分量这一优良性能来实现全线特高速保护，本文提出了一种设想。
　　因小波分析在时域和频域上同时具有良好的局部化性质，它能对不同的频率成分采用逐渐精细的采样步长，聚焦到信号的任意细节。因此，在一定的采样频率和一定的尺度下，检测出的高频暂态分量信号可反映出某一频带范围内的高频信息。在输电线路两端装设高频阻波器，使其阻波频带与小波变换在某一特定采样频率和尺度下所反映的频带相同。利用高频阻波器即可把故障产生的这一频带内的高频暂态分量限制在本线路以内，使由小波变换原理构成的保护装置只能检测到本线路以内的故障信息，而对线路外部故障则没有反应。因此可以实现全线特高速动作。
　　用该原理构成的保护速度快、灵敏度高，但对一些因非故障因素所产生的奇异信号反映也极灵敏，易引起保护装置误动作。因此，在设计该保护时应对各种可能出现的奇异信号给于特别注意。