DSP和小波變換在配電網(wǎng)接地選線中的應(yīng)用

摘要：本文應(yīng)用小波包良好的頻域分頻特性，以適當(dāng)頻率帶寬對(duì)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后暫態(tài)電氣量進(jìn)行分解，得到其在不同頻段下的輸出。對(duì)于中性點(diǎn)接地方式不同的配電網(wǎng),按照能量的觀點(diǎn),選擇不同的頻段，利用波形識(shí)別技術(shù)來實(shí)現(xiàn)故障選線。根據(jù)小波算法對(duì)硬件系統(tǒng)的要求，充分利用數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片優(yōu)越的數(shù)字信號(hào)處理功能和快速的運(yùn)算速度，實(shí)現(xiàn)了故障選線算法。并通過高壓動(dòng)模實(shí)驗(yàn)故障數(shù)據(jù)驗(yàn)證了文中方法的正確性和可行性。
關(guān)鍵詞：DSP；小波變換；故障選線

1 引言

中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)單相接地故障選線問題一直以來是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作的重要課題?，F(xiàn)有的選線方法大都是基于穩(wěn)態(tài)分量進(jìn)行分析的，實(shí)際使用效果不夠理想。小波包(WP) 技術(shù)能夠把任何信號(hào)投影到一個(gè)由小波伸縮而成一組基函數(shù)上，可以對(duì)頻帶進(jìn)行任意層次的進(jìn)一步信息分解， 信息量完整無缺，在通道范圍內(nèi)得到分布在不同頻帶的分解序列，能更清晰的表示故障暫態(tài)信號(hào)某頻段的時(shí)域特征, 為暫態(tài)量故障選線進(jìn)行深層信息處理提供條件[1]。但對(duì)多通道高采樣率所獲得的龐大暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，需要對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行大量的逐層提取與分離，因而乘法運(yùn)算量十分巨大。暫態(tài)信號(hào)持續(xù)時(shí)間很短，前面的數(shù)據(jù)處理部分要在短時(shí)間內(nèi)完成，這就對(duì)處理器工作速度提出了很高的要求。一般微處理器系統(tǒng)難以滿足要求。隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，快速數(shù)字采樣芯片（高速AD）和快速信號(hào)處理器芯片（DSP）的出現(xiàn)為復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)提供了硬件支持。

本文利用db6小波包分解故障暫態(tài)信號(hào)，根據(jù)不同接地方式，選擇能量集中的不同頻帶作為選線頻帶，利用波形識(shí)別技術(shù)，來判斷故障線路。在DSP芯片TMS320LF2407上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用高壓動(dòng)模實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和可行性。

2.小波包選線方法

小波分析可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效的時(shí)頻分解，但在高頻段其頻率分辨率較差，而在低頻段其時(shí)間分辨率較差。小波包分析能夠?yàn)樾盘?hào)提供一種更加精細(xì)的分析方法，將頻帶進(jìn)行多層次劃分，因此能對(duì)多分辨分析沒有細(xì)分的高頻部分作進(jìn)一步分解。并能夠根據(jù)被分析信號(hào)的特征，自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶，使之與信號(hào)頻譜相匹配，從而提高了時(shí)頻分辨率，具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值[2]。

綜合應(yīng)用小波包良好的頻域分頻特性和波形識(shí)別技術(shù)，以適當(dāng)頻率帶寬對(duì)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后暫態(tài)電氣量進(jìn)行分解，得到其在不同頻段下的輸出。按照公式(3)計(jì)算分解后各頻帶信號(hào)對(duì)應(yīng)的能量。

式（3）

式中 為小波包分解第(j,k)子頻段下的系數(shù)。對(duì)于中性點(diǎn)接地方式不同的配電網(wǎng),按照能量的觀點(diǎn), 選擇不同的頻帶(NUS:能量集中的高頻頻帶；NES：能量次最大的高頻頻帶)[3]。然后在所選頻帶上，最大限度保留了暫態(tài)信號(hào)的基礎(chǔ)上，剔除其中不支持選線要求的分量。最后進(jìn)行幅值和相位的比較。由于在諧波干擾嚴(yán)重時(shí)，所選頻帶中只有少數(shù)的小波分解系數(shù)的極性由于干擾而變得沒有規(guī)律[4]，因此采用少數(shù)服從多數(shù)的原則確定選線結(jié)果。文獻(xiàn)【5】論證，在已知的各種小波基函數(shù)中，db6小波的支集長(zhǎng)度為12，能量集中度高，具有最佳的局部特性，能夠在各種故障波形中較好的提取有用信號(hào)成分，因此選擇db6緊支集小波作為小波基函數(shù)。選線過程如下：

（1）以故障發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)為基準(zhǔn)，取故障前0.5周期、故障后4.5周期的采樣數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)窗，用db6小波對(duì)各條線路的零序電流進(jìn)行小波包分解。應(yīng)先選擇適當(dāng)?shù)姆纸鈱訑?shù)，層數(shù)過多則頻帶寬度過小，頻帶對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)過少，使得判據(jù)靈敏度降低；層數(shù)過少則頻帶寬度過大，信息量增加，可能引入更多的干擾成分，降低判據(jù)的可靠性。本文每周期采樣64點(diǎn)，采樣周期為3200HZ，基于對(duì)以上原因，采用4層分解，每個(gè)頻帶寬度為100。