DSP和小波變換在配電網接地選線中的應用

??? 摘要：本文應用小波包良好的頻域分頻特性，以適當頻率帶寬對配電網發生單相接地故障后暫態電氣量進行分解，得到其在不同頻段下的輸出。對于中性點接地方式不同的配電網,按照能量的觀點,選擇不同的頻段，利用波形識別技術來實現故障選線。根據小波算法對硬件系統的要求，充分利用數字信號處理器DSP芯片優越的數字信號處理功能和快速的運算速度，實現了故障選線算法。并通過高壓動模實驗故障數據驗證了文中方法的正確性和可行性。
關鍵詞：DSP；小波變換；故障選線

1 引言

? 中性點非有效接地系統單相接地故障選線問題一直以來是電力系統繼電保護工作的重要課題。現有的選線方法大都是基于穩態分量進行分析的，實際使用效果不夠理想。小波包(WP) 技術能夠把任何信號投影到一個由小波伸縮而成一組基函數上，可以對頻帶進行任意層次的進一步信息分解， 信息量完整無缺，在通道范圍內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信號某頻段的時域特征, 為暫態量故障選線進行深層信息處理提供條件[1]。但對多通道高采樣率所獲得的龐大暫態數據進行小波變換，需要對采樣信號進行大量的逐層提取與分離，因而乘法運算量十分巨大。暫態信號持續時間很短，前面的數據處理部分要在短時間內完成，這就對處理器工作速度提出了很高的要求。一般微處理器系統難以滿足要求。隨著硬件技術的不斷發展，快速數字采樣芯片（高速AD）和快速信號處理器芯片（DSP）的出現為復雜算法的實現提供了硬件支持。

?? 本文利用db6小波包分解故障暫態信號，根據不同接地方式，選擇能量集中的不同頻帶作為選線頻帶，利用波形識別技術，來判斷故障線路。在DSP芯片TMS320LF2407上進行實現，并應用高壓動模實驗的實驗數據驗證了該方法的準確性和可行性。

2.小波包選線方法

?? 小波分析可以對信號進行有效的時頻分解，但在高頻段其頻率分辨率較差，而在低頻段其時間分辨率較差。小波包分析能夠為信號提供一種更加精細的分析方法，將頻帶進行多層次劃分，因此能對多分辨分析沒有細分的高頻部分作進一步分解。并能夠根據被分析信號的特征，自適應地選擇相應頻帶，使之與信號頻譜相匹配，從而提高了時頻分辨率，具有更廣泛的應用價值[2]。

? 綜合應用小波包良好的頻域分頻特性和波形識別技術，以適當頻率帶寬對配電網發生單相接地故障后暫態電氣量進行分解，得到其在不同頻段下的輸出。按照公式(3)計算分解后各頻帶信號對應的能量。

????? 式（3）

?? 式中? 為小波包分解第(j,k)子頻段下的系數。對于中性點接地方式不同的配電網,按照能量的觀點, 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信號的基礎上，剔除其中不支持選線要求的分量。最后進行幅值和相位的比較。由于在諧波干擾嚴重時，所選頻帶中只有少數的小波分解系數的極性由于干擾而變得沒有規律[4]，因此采用少數服從多數的原則確定選線結果。文獻【5】論證，在已知的各種小波基函數中，db6小波的支集長度為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成分，因此選擇db6緊支集小波作為小波基函數。選線過程如下：

（1）以故障發生時刻對應的采樣點為基準，取故障前0.5周期、故障后4.5周期的采樣數據作為分析數據窗，用db6小波對各條線路的零序電流進行小波包分解。應先選擇適當的分解層數，層數過多則頻帶寬度過小，頻帶對應的采樣點數過少，使得判據靈敏度降低；層數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，降低判據的可靠性。本文每周期采樣64點，采樣周期為3200HZ，基于對以上原因，采用4層分解，每個頻帶寬度為100。

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

（3）設定一閾值 [6](一般可取 =0.01～0.02)。對于每一條線路在這該節點上的所有小波分解細節系數滿足|w(i)|> 的依次進行極性比較，如果哪一條線路上的一個小波分解系數的極性與其它線路上對應于同一時間位置的小波分解系數的極性都相反，則該線路的標志加1；如果所有線路上的小波分解系數的極性都相同，則母線的標志加1；不符合以上兩條原則的點，則應丟棄。

（4）比較完畢后，將各個標志排序，標志最大的那條線路為故障線路。

3.硬件結構

圖1是整個硬件平臺的硬件結構框圖。A/D轉換器將模擬信號轉換成DSP可處理的數字量。系統中設計了40路模擬輸入，通過模擬開關分兩級將模擬信號分時送到A/D轉換器進行處理。A/D轉換器采用了AD公司的AD7864。TI公司TMS320LF2407作為整個數據采集系統的核心[7]。整個平臺的邏輯控制全部由一片可編程邏輯器件CPLD來實現，采樣率為3200Hz。

硬件平臺具有以下特點：

①具有40路的模擬輸入通道，8路開關量輸入和開關量輸出，同時采用了16bit的DSP和12bit的AD轉換器作為整個平臺的核心。保證了足夠的輸入輸出通道，以及對模擬量和開關量處理的快速性、可靠性、高精度性。

②由于電力行業設備應用環境惡劣，平臺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電源技術。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，以提高系統的抗干擾能力。

③具有串口和PWM電流環電路接口以及CAN網絡接口，以適應繼電保護的網絡化。

④提供了鍵盤輸入和液晶漢字顯示功能，方便了人機交互。

⑤利用CPLD的在系統可編程功能可修改系統的邏輯，保證了系統的可擴充和可升級功能。

圖1 硬件結構圖

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圖2 軟件流程圖

? 在軟件實現上采用了易讀的結構化程序設計語言 C語言進行整體設計編程。系統軟件由四大部分組成：初始化、采樣、故障判斷和通信顯示。軟件設計采用模塊化、結構化的編程思想,使整個裝置可以根據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.高壓動模實驗室仿真結果

5.1 6kV高壓動模實驗系統結構

圖3? 6kV的動模實驗系統結構圖

??? 高壓動模實驗系統結構圖如圖3所示。系統電源電壓為6kV，裝有接地變壓器（50kVA/6Kv）提供中性點，消弧線圈為隨調式消弧線圈(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條線路的設計，充分考慮了實際系統的條件和應用情況，架空線路的長度分別為L1=51km; L2=21km；L3=11km；L4=1km；電纜線路的長度分別為L1=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論，同時加大了選線難度，對算法的考驗更加嚴格。有效的克服了故障類型單一、過于簡單化和理想化的不足，與現場實際非常相似。

5.2仿真結果

?? 為了驗證本文所提出的算法的有效性，本文作者進行了大量的動模實驗。下面為三種不同的典型條件下的接地故障實驗。

算例1：中性點不接地，架空線路與電纜線路混合系統中，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依次類推，以下同）: 0.230769, 0.615385, 0, 0, 0.153846 , 0, 0, 0。算法結果排序：（按降序，若相等按線路符號升序排列，以下同）：f(1) f(0) f(4) f(2) f(3) f(5) f(6) f(7)。

算例2：對于架空線路與電纜線路中性點經消弧線圈系統，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相經過渡電阻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：對于架空線路與電纜線路中性點經消弧線圈系統，此算例把架空線路和電纜線路全部投入，共8條。母線A相經過渡電阻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。算法結果排序：f(0) f(1) f(2) f(3) f(4) f(5) f(6) f(7) f(8)。

6 結論

???? DSP作為專門的數字信號處理芯片，它的出發點就是專門用于各種數據處理，特別是各種濾波算法，為小波算法的實現提供了硬件平臺。本文利用小波包的時頻特性，對中性點非有效接地配電網中發生單相接地故障后的暫態零序電流進行了分解，根據故障線路和非故障線路小波細節系數極性的比較結果來確定故障線路。提高了抗干擾能力和暫態檢測方法的可靠性，不受消弧線圈的影響，可適用于中性點不接地和經消弧線圈接地系統。

本文作者創新點: 提出一種利用db6小波包故障線路的方法，在DSP芯片TMS320LF2407上進行實現，并應用高壓動模實驗進行了驗證。