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(lái)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(guò)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(wèn)題一直以來(lái)是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作的重要課題。現(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(wú)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(lái)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(méi)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(méi)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(guò)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(guò)多則頻帶寬度過(guò)小，頻帶對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)過(guò)少，使得判據(jù)靈敏度降低；層數(shù)過(guò)少則頻帶寬度過(guò)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。[!--empirenews.page--]

（2） 給母線及各線路分別設(shè)置故障標(biāo)志f(k)，k為線路編號(hào)(k=0為母線)，并令初值為零。

（3）設(shè)定一閾值 [6](一般可取 =0.01～0.02)。對(duì)于每一條線路在這該節(jié)點(diǎn)上的所有小波分解細(xì)節(jié)系數(shù)滿足|w(i)|> 的依次進(jìn)行極性比較，如果哪一條線路上的一個(gè)小波分解系數(shù)的極性與其它線路上對(duì)應(yīng)于同一時(shí)間位置的小波分解系數(shù)的極性都相反，則該線路的標(biāo)志加1；如果所有線路上的小波分解系數(shù)的極性都相同，則母線的標(biāo)志加1；不符合以上兩條原則的點(diǎn)，則應(yīng)丟棄。

（4）比較完畢后，將各個(gè)標(biāo)志排序，標(biāo)志最大的那條線路為故障線路。

3.硬件結(jié)構(gòu)

圖1是整個(gè)硬件平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成DSP可處理的數(shù)字量。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了40路模擬輸入，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)分兩級(jí)將模擬信號(hào)分時(shí)送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換器采用了AD公司的AD7864。TI公司TMS320LF2407作為整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心[7]。整個(gè)平臺(tái)的邏輯控制全部由一片可編程邏輯器件CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)，采樣率為3200Hz。

硬件平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：

①具有40路的模擬輸入通道，8路開(kāi)關(guān)量輸入和開(kāi)關(guān)量輸出，同時(shí)采用了16bit的DSP和12bit的AD轉(zhuǎn)換器作為整個(gè)平臺(tái)的核心。保證了足夠的輸入輸出通道，以及對(duì)模擬量和開(kāi)關(guān)量處理的快速性、可靠性、高精度性。

②由于電力行業(yè)設(shè)備應(yīng)用環(huán)境惡劣，平臺(tái)的模擬量采用硬件及軟件濾波，輸入輸出通道均采用光電隔離及浮動(dòng)電源技術(shù)。工藝上采用多層電路板和大面積電源及地平面，元件亦采用貼片封裝，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

③具有串口和PWM電流環(huán)電路接口以及CAN網(wǎng)絡(luò)接口，以適應(yīng)繼電保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)化。

④提供了鍵盤(pán)輸入和液晶漢字顯示功能，方便了人機(jī)交互。

⑤利用CPLD的在系統(tǒng)可編程功能可修改系統(tǒng)的邏輯，保證了系統(tǒng)的可擴(kuò)充和可升級(jí)功能。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖[!--empirenews.page--]

 
圖2 軟件流程圖

  在軟件實(shí)現(xiàn)上采用了易讀的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 C語(yǔ)言進(jìn)行整體設(shè)計(jì)編程。系統(tǒng)軟件由四大部分組成：初始化、采樣、故障判斷和通信顯示。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的編程思想,使整個(gè)裝置可以根據(jù)不同的需求方便地添加或刪除一定功能。軟件流程圖如圖2所示。

5.高壓動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室仿真結(jié)果

5.1 6kV高壓動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3  6kV的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[!--empirenews.page--]

    高壓動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。系統(tǒng)電源電壓為6kV，裝有接地變壓器（50kVA/6Kv）提供中性點(diǎn)，消弧線圈為隨調(diào)式消弧線圈(35kVA/6kV)。采用單母線分段接線方式:第一段模擬架空線路。第二段模擬電纜線路，均有4回饋線。4條線路的設(shè)計(jì)，充分考慮了實(shí)際系統(tǒng)的條件和應(yīng)用情況，架空線路的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1=51km; L2=21km；L3=11km；L4=1km；電纜線路的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1=5.1km; L2=2.1km；L3=1.1km；L4=0.1km；在一定程度上避免了得出偏頗的結(jié)論，同時(shí)加大了選線難度，對(duì)算法的考驗(yàn)更加嚴(yán)格。有效的克服了故障類(lèi)型單一、過(guò)于簡(jiǎn)單化和理想化的不足，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際非常相似。

5.2仿真結(jié)果

   為了驗(yàn)證本文所提出的算法的有效性，本文作者進(jìn)行了大量的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)。下面為三種不同的典型條件下的接地故障實(shí)驗(yàn)。

算例1：中性點(diǎn)不接地，架空線路與電纜線路混合系統(tǒng)中，選取4條架空線路（L1=51km; L2=21km；L3=11km；L4=1km）和后三條電纜線路（L5=2.1km；L6=1.1km；L7=0.1km）。其中線路1末端B相經(jīng)3kΩ電阻接地，故障初相角：-38.10。

小波包算法各線路的故障度為（依次為母線、線路1、線路2依次類(lèi)推，以下同）: 0.230769, 0.615385, 0, 0, 0.153846 , 0, 0, 0。算法結(jié)果排序：（按降序，若相等按線路符號(hào)升序排列，以下同）：f(1) f(0) f(4) f(2) f(3) f(5) f(6) f(7)。

算例2：對(duì)于架空線路與電纜線路中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)，此算例把架空線路和電纜線路全部投入，共8條。線路8末端B相經(jīng)過(guò)渡電阻6kΩ接地，，故障初相角為：-166.70。

小波包算法各線路的故障度為: 0, 0.062500, 0.062500, 0.062500, 0 , 0.125000, 0.062500, 0, 0.625000 。算法結(jié)果排序：f(8) f(5) f(1) f(2) f(3) f(6) f(0) f(4) f(7)。

算例3：對(duì)于架空線路與電纜線路中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)，此算例把架空線路和電纜線路全部投入，共8條。母線A相經(jīng)過(guò)渡電阻1kΩ接地，故障初相角為：-161.70。

小波包算法各線路的故障度為:0.833333, 0.083333, 0.083333, 0, 0 , 0, 0, 0, 0。算法結(jié)果排序：f(0) f(1) f(2) f(3) f(4) f(5) f(6) f(7) f(8)。

6 結(jié)論

     DSP作為專(zhuān)門(mén)的數(shù)字信號(hào)處理芯片，它的出發(fā)點(diǎn)就是專(zhuān)門(mén)用于各種數(shù)據(jù)處理，特別是各種濾波算法，為小波算法的實(shí)現(xiàn)提供了硬件平臺(tái)。本文利用小波包的時(shí)頻特性，對(duì)中性點(diǎn)非有效接地配電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障后的暫態(tài)零序電流進(jìn)行了分解，根據(jù)故障線路和非故障線路小波細(xì)節(jié)系數(shù)極性的比較結(jié)果來(lái)確定故障線路。提高了抗干擾能力和暫態(tài)檢測(cè)方法的可靠性，不受消弧線圈的影響，可適用于中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 提出一種利用db6小波包故障線路的方法，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)進(jìn)行了驗(yàn)證。