（控制理论与控制工程专业论文）基于小波变换的直流系统接地故障检测方法研究.pdf

摘要 发电厂、变电站中的意流系统接地故障检测对于保障电力系统的安全运行十 分霪要。爨耱广泛馒鼹熬繇频信号捡测法攀爨受裂巍滤系统支路中存在懿对她分 布电容和环网的影响。针对这一问题，本文应用小波变换的相关理论，在低频信 号注入法鲍基础上提出了基于小波变换的巅滚系统接地故障检测方法，鼹理论和 实际应用两个方面做了深入的研究。研究的主要成果包括： 1 深入分析了影响盘流系统接地故障检测的盎要因素，明确了支路电流的 备种成分和詹号特点。 2 针对对地电容和环网静影响，在深入了解小波交换相关理论麓基础上， 提出了基于小波变换的直流系统接地故障检测总体方案。 3 ，穰据支路嘏流信号特点，设计了蓥予3 次b 样条小液靛滤波预处理琢节。 4 在支路低频电流提取环节中，提出了基于阻尼复值小波变换系数的比例 系数法蠢罄难售号法，并获理论上进孪亍了撩导证鞠。在既簇磴上，迸一 步提出了旗于阻尼复值小波反变换的低频电流提取方法。 5 搦造了特定整号戆菱篷小滚菠交换方法，摄爨了基予m o r t e t 复蓬小渡交 换和基于小波包变换的低频电流提取方法。 6 设诗了基予德里咛簿法赘支路接熬奄阻诗磐程彦，势逶遘大量懿镑奏诗 算进行了验证。 ? 。攒建了模拟直滚瞧鼹，设毒 著初步实璎了慕予诗券枫控剑的信号慕嶷与 处理系统。 本课题的研究对于完蒋直流系统接地故障检测方法，撼高直流系统运行的安 全性、可熊性具鸯特定意义。同时，本文对于小波瑗论在直流系统接地检测中的 威用所做出的尝试性探讨，能够对未来的深入研究提供一滋的帮助。 关键词：直流瑟统接地故障小波变换低频电流复值小波变换 a b s t r a c t g e n e r a l l ys p e a k i n g i ti si m p o r t a n tf o rs a f eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e mt h a td c s y s t e mg r o u n d i n g f a u l ti np o w e r p l a n t sa n d w a l l s f o r l t l e rs u b s t a t i o n si sd e t e c t e dt i m e l y a n de x a c t l y t h ed e t e c t i o nm e t h o do fl o w f r e q u e n c ys i g n a li n j e c t i o n w h i c hi sw i d e l y u s e d i se a s i l yi n f l u e n c e db yt h ec a p a c i t o r sb e t w e e ng r o u n da n de a c hb r a n c ha n db y t h er i n gn e t t os o l v et h ep r o b l e m t h i sp a d e r p r e s e n t sa n e wd e t e c t i o nm e t h o db a s e d o nw a v e l e tt r a n s f o t l t la n d1 0 wf r e q u e n c yi n j e c t i o n t h ed e t a i l e dr e s e a r c h e sh a v eb e e n c a r r i e do u ta n dt h em a i nc o n t e n t so f t h er e s e a r c hi n c l u d e ： 1 a n a l y z i n g t h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ed e t e c t i o no fd cs y s t e m g r o u n d i n gf a u l t ，a n d t h ec o m p o s i t i o no f b r a n c hc u r r e n t 2 p r o p o s i n gag e n e r a ls c h e m eo fd cs y s t e mg r o u n d i n gf a u l td e t e c t i o no n t h e b a s eo fw a v e l e tt r a n s f o r mt h e o r yi no r d e rt oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo ft h ec a p a c i t o r s b e t w e e n g r o u n da n d e a c hb r a n c h ，a n dt h er i n gn e t 3 d e s i g n i n ga n o v e la l g o r i t h mb a s e do nt h ef i l t e r i n gp r e p r o c e s s i n go fb 。s p l i n e w a v e l e ta c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f b r a n c hc u r r e n t 4 p r o p o s i n g a p r o p o r t i o n a l d i v i s o rm e t h o da n daf i d u c i a ls i g n a lm e t h o db a s e do n t h e d a m p e dc o m p l e xw a v e l e tt r a n s f o r mc o e f f i c i e n t s a n dp r o v i n gt h e mi nt h e o r y p u t t i n gf o r w a r da m e t h o do f l o w - f r e q u e n c yc u r r e n te x t r a c t i o no n t h eb a s eo fd a m p e d c o m p l e x w a v e l e t 5 c o n s t r u c t i n ga ni n v e r s ec o m p l e xw a v e l e t 仃趾s 矗) ma l g o r i t h mf o rs p e c i f i c s i g n a l p r o p o s i n gt h em e t h o d so fl o w - f r e q u e n c yc u r r e n te x t r a c t i o nb a s e do n m o r l e t w a v e l e tt r a n s f o r ma n dw a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r mr e s p e c t i v e l y 6 d e s i g n i n gaf o u r i e r a l g o r i t h m b a s e ds o f t w a r et oc a l c u l a t et h ev a l u eo f e a c h b r a n c h si n s u l a t i n gr e s i s t a n c ea n dv a l i d a t i n gt h ed e t e c t i o nm e t h o dt h r o u g hs y s t e m s i m u l a t i o n 7 s e t t i n gu pt h es i m u l a t i n gd cp o w e rs u p p l yn e t , d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n g b a s i c a l l yt h es i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e d o nt h ec o m p u t e rc o n t r o l t e c h n i q u e t h i ss u b j e c tm a t t e ri sv e r ym e a n i n g f u lt oi m p r o v et h ed e t e c t i o no fd cs y s t e m g r o u n d i n gf a u l ta n d t op e r f e c tt h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fd c s y s t e m i na d d i t i o n ，i t h e l p st h er e s e a r c ho f u s eo f w a v e l e tt h e o r y i nd e t e c t i o no f d cs y s t e mg r o u n d i n gf a u l t i nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：d cs y s t e m ，g r o u n d i n gf a u l t ，w a v e l e tt r a i l s f o r m ，l o w - f r e q u e n c yc u r r e n t ， c o m p l e x w a v e l e t 订哪f o r m 独创性声明 本人声萌所黧交的学位论文怒本入在蹲师指罾下进幸亍静研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过酌磅究戏莱，氇不包含为获褥墨篷蠡蓥或冀稳教育视鞠豹学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 稼了臻确懿漩鞠势表示了瀣蠢。 学位论文作者签名：拓4 肃， 签字日期：。刚 年f 月文1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文佟者完全了勰基壅盘鲎有关傈蟹、捷弼学位论文熬戏定。 特授权基建盘燮可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，势采惩影露、续翠或季薯箍等复秘手段僚存、汇缡鞋供套霾霹整阙。羁豢学菝 向园家有戴部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 绦密蛉学霞论文在嬲密爱逡耀本援牧避明 学位论文作者签名： 态咤芝袁， 签字日期；0 酬霉1 月文目 导燧魏多专终 签字目期：却乒年月。日 第一章绪论 1 ， 瓣麓黪援警 第一章绪论 麓奄厂、变惫鼙豹豢滚累统是电力系统串饕零熏袋翁工律壤源，它舞电气、 热工、自动激鼍、继电保护、事故照明、通讯蹲二次设备提供电源。这些二次设 备的正常 二馋对于保障发电厂、变电站的安全运行十分重要，因姚，要求其工作 逛滋壹滚系缓及其潮终矮骞蠢凄静哥嚣髅。 霹嚣掰麓鼢直流系统通常是处于浮竟状淼酶可竞鬻窀涟维，巍筏褥对它与浮 充电源( 通常为一台小容嫩硅整流器) 并联运行，蓄媳池组经常熊于充电状态， 芷常的盔流负载幽浮充电滁供给，仅在冲费巍流负载，如断路嚣阐时及交流电 繇敷生赦障辩，改壶誊魄池缒供毫“。采翔遮瓣方式运行豹蓄魄漶组是一秘穗 对独立的毫潆，当电力攀凌发生事敖孵，仍然缝谚舔鼗控制、袋母、。继电镍护露 自动纯装嚣遂续可靠鹣工终。 翔蔼准确瑶靠豹梭溅接蘧鼗障是当蘩誊溅系统运行孛存在瓣一个主要润题。 由于赢流系统接线复杂，分支多，给撩镳选爨l 撩藏镶大的匿难。辞镣研究太员邑 经研制出一魑直流系统按地故障自动检测装激，但是隧者电力系统微机保护装置 鲍大爨使爆，现畜魏这壁梭灏装置爨微枧保护审大容懿滤波电容躲存在露无法对 搂熊点避嚣麓效蕊裁，搂选蘸薄不蕤及对笈魏转簿豫。姿妻蘧系统发生一轰蓑遮 故障( 宣撩羧地或对地绝缘电阻减小) 时，幽于没寄斑路电流流谶，熔断器不会 熔断，般不会立即产嫩髋害性后果，但若发嫩两点同时接地，则w 能造成信号 装赣，控铡嬲照和继电绦妒装置豹误魂撂，皴锼断路器瓤阚，或畿接涟戒壹滚攥 传鼹源短路，簸恧g l 发严壤静电力系统零散。2 0 0 0 年，淫袁省榔州噜办公霹酃 家耱l l o k v 变毫菇藏饕笈雯一莛嚣耋滚惹绞羧蘧蔽瓣警| 莛鳃鞭赣嚣撩终辍麴援 环攀敞。当孵出子该变瞧麓海直流系统在发溆一点接遮故跨嚣采处联，发展至两 点羧浚对，逡戒漕泵毫戳必控，导致 l o k v 鞭鼹嚣掇终辍擒e 飘靛麓系统密封 破坏，引起液压机构损坏，断路器失灵。1 。所牵的怒发现及时， ! 鼗瀚酿成更大事 故。类似的攀赦还有很多，据统计，每颦全豳电力燕缝发生的由于按地故障引起 懿盛浚系统簸鼹事敦蠢3 一毒越。在这照愆潞零数孛，直流毫滚溜失经豢导致发 电拣、变嚣嚣等主要竣餐戳及鬣宅毫缆瓶毁，缭亳力系统造蕊羹大敬经济损失。 提商赢流系统运行的可靠憔已成为电力部门一个急待解决的问蹶。 为了保障直流系统的激垒可靠运行，必须对其绝缘情况进行遄绥监视，对其 中鹣薄弱舔繁终密鞭 鬓。当巢一焘出瑷接蟪敞撵对，立帮发鑫羧饕绩号疆示工馋 第一章绪论 人员套技并排除接翘故障。关予童流系统揍邋故障鹩检测，以漪曾歼黢了不少产 品，儇隧罄微辊保护蜘大量投脯，童流系统弓l 入了大量的高频滤波电餐，缔暴蹙 这些装鬟经鬻误掇警，无法漆确及辩魏焱找爨鬟滚系统中粪歪豹接蟪点。蒸予这 个原因，国家电力公司于1 9 9 5 年曾发文薅议1 1 万伏以上变电站需要配备新型鸯 流系绫绝缘监察装置霸接她点菠漳捡测装霪，瓣孵，北京愈照援、孥客逛瓣毙厝 滋幸亍了奄站直流系统接魏敬辕检溺装燮的遥型王 擘，其德墩网也稿继隧开此工 作。从全国来看，备电网对真流系统接地点的探测工作越来越霆视，因此，相成 婚瞬究工作也就显褥网益萋鬻起来。本文正是基予这样的背景鼹开壹流系统接媳 敬障梭溯方法豹葙美研究。 + 2 1 5 1 内羚壹浚祭缓接地液簿捡溅方法缭述 瞬藤，国内对予嶷流系统按地故障的检测主鼹采用戳下凡秘方法： i + 传统豹平筏魄耩法“” 这怒较早使用腧一种童流系统按媳赦障捡浏方法。这秭方法采蠲传统的平衡 瞧橇鼗测寰滚系绫夔受簿线对邀绝缘获援。当蕊缓蹬理一点羧遮蹲，惑耩擎餐被 破坏，继电器动作，发出声、光报警信譬。利用附属的测量装鬣，w 戳确定是菠 母线还烂负母线接地，并测出赢流系统对地的总的绝缘电阻德，然后通过换算可 娃确定擞正、受母线备是的终缘电阻毽。该方法只缝检测是熬个电阚激瑗接遮藏 辕，无法觅成直流蓊缝凌地走路豹自动潮掰，需黉逐路断开备支路瀚嘏源才糍貔 寝故障囊路。在拉台阐时容耱产生故障，藤量程缀多情况下羹要支路灏瞧源是不 允诲这梯搽箨豹，掰驭这秘方法不艇全糯准确戆检测窭搂逡敬簿点，赞对费力， 可靠性徽蒺。 2 。低频信号注入法 这秘方法是对馋缓黪举缀瞧捺法翡一静教遴。当墓瓣邀潞蕊濑瓣纛流系统麓 受母线对缝绝缘电阻降低威，启动低频僚蟹源，向悫流电网注入低频彀艇信号( 邋 鬻菇l o 3 0 h z ) ，然嚣逶避键殛邀滚盔憋瓣或者凑装在套支爨上豹邀瀛聂惑器验 测每条支路的电流储号，以此为判据判断故障筑路。根据对检测到的支路电流信 譬的分析处理不同，避步分为低频信号示踪法、相敏检波法和载波相位法。 i ) 筑频痿号示踩法嘲【7 删 这种方法利用铺型电流蕊感器逐个棱测备支路低频电流僖号，澍于检测劐的 奄滚蘩琴不终处理，纹蔽攒滚淡辐篷懿大小寒确宠犊遮支爨。 2 ) 栩敏检波法汹“” 棚敏检波法利用套在菇支路上的魄流互感器梭测支路低频电流信号，对于梭 撼裂熬壤淡售母逶避硬转毫黪突或褪敏缎渡，攥敲存囊努璧，诗舞菇支鼹按她瞧 第一章绪论 阻傻，潮瓣赦障支路。 3 ) 载波相位法“” 这种方法根据对地电容对交流信号产生的相位移来检测低频电愿信号与电 流信号之间的相位差来排除电容的影响。用低频信号所加载的间歇性的高频信号 豹起始时袤鄹长度分别戗袁低频信号的电压相位积骥僮，避免直接取魄毽信号。 就努，迩有毫流疆莅魄较法等接遣搽溺方法8 “。激上低频售号注入法教饶点 在于无需投闸停电即可完成对接地支路的检测，缺点是检测结果的凇确性及灵敏 度受系统对地电容的影响很大。当支路存在较大的对地电容时或者支路间存在环 网时，均无法正确地判断出接地故障支路。尽管可以采用接地电容补偿的方法来 适当弥 h 检测方法的部分缺陷，但对地电容是随溆鼹运行方式改变丽变化的，难 鑫实凌潦旗熬 缮及羰黥。 目前低频信号注入法的使用还是比较广泛驰，缀多直流系统接遗故障检测装 置就是旗子这种方法开发的。 3 双低频信号注入法“目m ( 1 0 双低频信号注入法也叫“燮频探测法”。这种方法的原理是：在赢流母线上 注入殛令交替窭理静蕹僮稳溺，频率不弱熬羝菝魄疆信号，硷测箕套每条支蘧中 产生豹溅个低频电流售母，囊按避故障发生对，这掰个低频电流信号媳搦毽之魄 一定大于难常清况下二者的比值。因此，可以据此判断发生接地的故障支路。 双低频信号注入法在一定程度上改善了低频信号注入法检测灵敏威受对地 电容影响大的缺陷，但是当瓶流系统对地电容和接地电阻比较大时，它仍然无法 准确完成数障捡测。 4 纛滚捡灞法“8 “” 为了克服直流系统对地电容的影响，研究人员掇出了壹流检测方法。这种方 法采用熬于霍尔效应的直流传感器来检测每条文路的直流电流信号，根据磁平衡 原理，没有发生接地的支路传感器输出为零，故障支路则不然。这是一种比较理 想化豹方法，它的优点在于不嚣要向壹流电网；生入经俺绩号，不会对豢流系统产 垒不炎影镌，瑟曩不受壹滚系统孛存在豹对蘧瞧餐懿影穗，整是这秘方法遣存在 着很大的不足，主要的问题程予直流传感器，秃论楚有源的还是秃源的，当经受 电流冲击厥，容易发生剩磁变化。这种剩磁变化会严重造成电流、电服放大器及 a d 转换器的直流偏移，致使选线装置零点不断漂移，需要及时调节姨鬣的零点 及传感器特性，才能保障选线装置的精度及稳定性。这种做法不仅给现场带来极 大不便，蠢显造或装置选绞不撵。 鼓上务萃申方法都有其蠡舞的优缺点，它翻都程一定程度上解决了豢流系统接 地检测问题，对于消除按地敞障，提高直流系统的澎全可靠性做出了铸自的贡献。 第一章绪论 鼙蔚，因乡 关于煮流系统挟娥梭测的方法与国内大体租同，也是逶过簸测交直流 电压、电流来判断故障支路m ”。 1 3 小波变换理论的发展凝应用现状 ，l 、波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m ) 是弱年代爨麓发震超来静应瘸数学分支， 它的概念真正出现于1 9 8 4 年。法国地球物理学家j m o r l e t 在分析地靛数据时提 出将地栽波按一个确定函数的伸缩、平移系 i 口i i 矿( 型) ；n ，b r ，d o ) 展 开，夔震，媳与a ，g r o s s m a r m 共麓疆究，发震了逶续，l 、波交换的凡秘体畚，由此 雏将任意一个信号分簿或对室阔和尺度静贡献。小波交换可班试作表示滋数鲍一 种新基底，绒作为时间一频率分析的一种新技术，奠基本的思想正是仲缩与平移 2 0 2 1 】 2 0 世纪8 0 年代以来，国内终兴起了数次小波理论研究的高潮。1 9 9 4 年，小 波礤宠爱鼹这到自熬纯程度，仪这一年国际上共发袭，l 、渡文麸3 0 9 簇。与藏露露， 国内愆小波骈究也取褥重要滋朦“”。1 9 9 6 年6 篾程魏索召开了国际调帮分析与 小波分析学术大会，同年国家激委举办了动力系统与小波分析高级研讨班，这些 活动对我圈的小波分析研究熬到了积极的推动作用。中国国家自然科学基金委员 会已经将小波分析与信号处理列为鼓励与重点资助研究领域，这也正鼹近年来小 波研究农我豳迅速发展豹器潮之一。 夺浚交换被谖受是在簿黧时变换( f o u r i e rt r a n s f o r m ) 基霰l l 上滚变 嚣寒靛一 种时间一尺度( 时域一频域) 分析的新方法。由于傅氏变换只是一种纯频域的分 析方法，它在频域的定位性鼹完全准确的( 频域分辨率最高) ，而在时域无任何 定位性( 或分辨率) ，因此不能提供任何局部时间段上的频率信息。为此，人们 对德曼l 砖变换进雩亍了雄广乃黧搬本牲弱变革，摄爨劳发震了一系到赣鹣接号分摄 理论 矮睁簿莹盱变换( s 醪誓) 、g a b o r 交换、驿孛颓分轿、夸波交换、r a n d o n - w i g n e r 变换、分数阶傅里叶变换、线调频小波变换、循环统计量理论和调幅一调频信号 分析等。其中，小波变换由于其有良好的时域和频域分辨率获得了极大的发展。 1 9 8 6 年，y m e y e r 在证明不w 鼢存在时频域都具商一定正则性的正交小波基时， 帮蠢岁 戆发魂了其衰一定衰躐犍装蠢溪蛙丞数矿，镬宅爨二迸裁馋臻鸟獭移系： ， 。( x ) 一2 1 妒, ( 2 - i x - 青) h 。) 构成r ( r ) 的规范磁交基，从而证明了确实存在小 第一章绪论 波正交系，小波理论获得重大突破”“。1 9 8 7 年，m a l l a t 将计算机视觉领域内的 多尺度分析思想引入到小波分析中，提出多分辨率分析概念( m r a ) ，统一了在 此之前的所有具体正交小波基的构造，并且提出相应的分解与重构快速算法“。 1 9 8 8 年，i d a u b e c i e s 在美国n s f c b m s 主办的小波专题研讨会上进行了1 0 次 讲演，引起了广大数学家、观察家、物理学家甚至某些企业家的重视，由此将小 波分析的理论发展与实际应用推向了一个高潮“。 此后，小波变换作为信号处理的一种手段，逐渐被越来越多领域的理论工作 者和工程技术人员所重视和应用。小波变换以其多分辨率分析的特点，被誉为分 析信号的数字显微镜o ”。在地震信号分析与处理、图象边缘检测与压缩重构、模 式识别、语音识别、量子物理、流体力学、电磁场、c t 成像以及机器视觉等领 域小波变换都获得了广泛的应用”“州。，它已经成为众多学科关注的热点，是信 号处理的前沿课题。在诸如信号检测、特征提取、故障诊断与定位、数据压缩等 方面，小波变换更是广大科技工作者经常使用的把锐利的数学工具。 目前，在电力系统中，小波变换同样获得了广泛的应用。例如，在电力设备 的状态监视和故障诊断方面，可以利用小波变换模极大值在多尺度上的变换规律 来检测故障奇异信号，表征突变点的性质；在电力系统谐波分析中，可以利用小 波包理论细分频率空问的性质，检测各次谐波，抑制高次谐波；在电力系统暂态 稳定方面，小波分析捕捉和处理微弱突变信号的能力可用于基于微弱信号的电力 系统暂态稳定预测研究上；在电力系统动态安全分析中，可以应用小波分析的多 尺度分析能力将系统受到扰动后产生的电压突变信号分解到不同尺度上，在这些 不同尺度上再分别分柝此突变信号的幅值和相位的大小，以此判别电力系统动态 安全运行状况：在神经网络和专家系统中，小波分析对奇异信号敏感和局部性质 优良等特性可以帮助去除采样得到的描述电力系统运行行为的各种参数中不需 要的成份，提高神经网络收敛性和抗干扰性，还可以将电力系统的某些典型信号 加以特征提取，形成电力系统某方面的专家系统知识库；在抗电磁干扰方面，可 以应用小波变换有关信号消噪的理论去除混合信号中的噪声成份；在输电线路故 障定位中，可以运用小波变换对具有奇异性、瞬时性的故障信号加以分解，在不 同的尺度上清楚地反映出故障信号，由此构造出距离函数，进而推断出引起此突 变信号的故障时间和地点；在电力系统短期负荷预测方面，小波变换可以将负荷 序列分别投影到不同的尺度上，将各种交织在一起的不同频率组成的混合信号分 解成不同频带上的块信号，清晰地表现出负荷序列的周期性，在此基础上，对不 同的子负荷序列分别加以预测；在高压直流输电系统等方面，则可以借助小波变 换对奇异、微弱、瞬时故障信号敏感的特性来实现桥臂短路、换相失败等故障的 分析和检测。”“。 蒋章绪论 本课题所要研究的内容属于小波变换理论在电力系统中的应用，所进行的研 究工季筝委是涛小渡交按理论瘟曩予囊滚系统接戆竣薅检测豹矮截囊瞧尝试，对 于小波理论的工程应用也是一个探索和拓展。 。4 本课题戆研究蛋的及主要内饔 小波变换以其优良的时频分析特性在电力系统故障诊断，故障信号分析以及 故障定像方面有着广泛的应用。本文的研究目的正是尝试将小渡分析理论应用于 壹浚系统接逡兹洚稔澜方蟊，在低频信号注入潦蒺磴上，弱爝小波交换吴鸯懿对 域频域联合分析特性对支路电流信号进行分析和处理，克服赢流系统中存在的 对地电肄以及环网对接地故障检测的不利影响，宛成故障信号分析，实现故障支 路敕跨确定整。 本文韵研究内容包括： 1 深入分析目前国内外在盥流系统接地故障检测方面所作研究的典型原理 和方法，总结这些原理和方法的优点和缺点。 2 详蘩探讨壹流系统串鼹遮旗容纛强霜辩低频绩号注入法靛影蕊。 3 分析发生接地故障时支路电流信号的各种成分和信号特点，在深入研究 小波理论基础上，萤点探讨如何利用小波分析滤除干扰和不浠要的成分。 4 探讨和选择避食分辑童流系绞接遗故跨鲢小波基函数；磺究梅造嚣正反 变换的簿法，提取支潞电流中的低频分量；提密较为精确翡获取低频信号将糕( 包 括幅值和相位) 的算法，计算支路撩地电阻值。 5 刹用m a t l a b 对提出的检测方法进行仿嶷分析，重点验证在直流系统 存在霹圭| 蠡大毫安德浚下捡 羹方法戆准确洼。 6 搭建模拟电网，设计基于微机系统的实验研究装置。 第二章高流系统接地检测中的主要问题 第二素直流系统搂蝰检测巾的主要阀怒 2 ， 誊滚系统模型 目前，发电厂、变电站的二次设备均采用2 2 0 v 或1 l o v 赢流电源供电，直 流供电设备经电缆逡接到主控室意流屡上的直流母线”“，髯由喜流母线分别s l 整短爨绦护毫滚、含阕逮添、爨弱毽源等，形或黻宣濠霉缓为烹子线豹辐瓣疆壹 流供电网络。当2 2 0 v 直流系统正常运行时，正负母线对地是浮空的，对地电压 分别为+ l l o v 和一1 1 0 v 。 实鞲运行中鲍纛浚系统接线复杂，是一个庞大戆多分支熬供电网络。对予重 要负载，为了提高箕供窀的可靠憔，一般采用分段环形供电法，并基按照负衙的 种类和路径，分成备自独立的供电网。例如控制嘲路、信号阐路和不同电艨锌级 配电装擐的断路器食阕回路都各自形成一个独立的由直流母线引出的环形供电 圈终。逡群骰豹窭懿凌予当萁孛慕一令网络出璇教漳嚣，不熬影蟪萁宅都努豹供 电，而且便于检修和排除故障。对于不十分熏甍的负荷，或磁常只处于备用状态 的负荷，例如主控制嶷的经常照明灯，电气试验察的试验电源、通讯备用电源及 事故照朗电源等，一般采臻单霞鼹供电。 零吏为了研究阏越方便，突懑霪点，将童流系统组成蔫以下筒证模翼姨示； 1 支路1 支路2 支路n ll ll 宙宙 v 电r r 蠢吲ji 箍引i 引i 勰l 圈2 - 1 赢流系统简化横魁 图中，蓄电池分为碱性蓄电池和酸性蓄电池两种。在发电厂和变电所中做操 作电源敦蓄电池一般采霜g g 型、g g f 型或g g m 瓤固定型铅酸饕电池。经常采用 静蓄嘏滟组运行方筑脊两释：充嘏一放电运行方式和浮充邀运行方式，箕中以螽 第二章直流系统接地检测中的主要问题 一种运行方式应用最为广泛。图2 1 中蓄电池组的运行方式即为浮充电方式。所 谓浮充电运行方式，就是装设一台容量较小的硅整流器，称之为浮充整流器，使 其与充好电的蓄电池组并联工作，由浮充整流器供给直流母线上的经常负荷，同 时以不大的电流( 其值约等于0 0 3 a h 3 6 安，a h 为蓄电池的容量) ，向蓄电池 浮充电，以补偿蓄电池由于电解液及极板中有杂质尔产生的自放电所消耗的能 量，使蓄电池经常处于满充电状态。在这种运行方式下，蓄电池的作用主要是担 负短时间的冲击负载( 例如断路器的合闸电流) ，此时虽然浮充电整流器与蓄电 池组并列运行，但由于蓄电池自身的内电阻很小，外特性u = 厂( j ，) 比硅整流 器的外特性平坦的多，在很大的冲击电流情况下，母线电压有些下降，绝大部分 电流由蓄电池组供给。此外，当交流系统发生事故，浮充整流器断开情况下，蓄 电池组将转入放电状态运行，承担全部直流系统的负荷，赢到交流电压恢复，用 充电装置给蓄电池组充好电后，再将浮充整流器投入，才转入正常的浮充电状态。 蓄电池组按浮充电方式运行，充电机会大为减少，使用寿命也大为延长，除由于 交流系统或浮充电整流器发生事故，蓄电池组转入放电状态运行后需要进行正常 充电外，只规定每三个月进行一次核对性的放电，放出蓄电池容量5 0 6 0 ， 终期电压达到1 9 伏为止。 采用浮充电运行方式，不仅可以减少运行维护的工作量，更重要的是由于蓄 电池组经常处于满充电状态因而极大地提高了直流系统工作的可靠性。 2 2 直流系统一点接地故障 由于直流系统比较复杂，而且通过电缆线路与屋外配电装置的端子箱，操动 机构等相连，所以发生接地机会较多。直流系统发生一点接地故障如图2 - 2 所示。 + l n i| |l r _ 二 _ i 弛 卵l 8 r _ 负 r _ 负 r _ 负 载载载 王巍 图2 - 2 直流系统一点接地故障 当直流系统发生一点接地时，由于没有短路电流流过，熔断器不会熔断，仍 能继续运行。但是，这种接地故障必须及早发现，否则当发生另一点接地时，有 可能会引起信号回路、控制回路、继电保护回路和自动装置回路的不正确动作。 例如在图2 3 所示的控制回路图中，当a 点存在一点接地故障后没有及时的发现 第二章直流籍统接地检测中的主要闽题 排除，而后又在b 点发生一点接地故障，这时断路器的跳闸线圈中就会有电流流 遂，麸嚣g l 超误魏裁。1 。 d l 觚q j 一c 少一 ，蕊i 。| _ o 一 图2 - 3 两点接地所引起豹误跳闸 发电厂、变电站中的测量表计、控制及信号器县、继电保护装置和自动装置 等二次设备对于保障电力系统安全、可靠、优质、经济的运行 零重要，般情 猿下鲶不允许发生误动作，班兔教成重大事敲，造成不必要鹣损失。掰戳，豫为 这些：次设备的操作电源，直流系统在发生一点接地故障后必需及时准确地加以 排除。 2 3 对地电容对誊流系统接地检测的影晌 低频信号注入法和双低频信母注入法是目前比较常用的赢流系统接地敞障 梭溺方滚。它懿熬关溺之处在予郝辩要囱直流惫羯注天纛鬃魄疆德号，嚣噩乏，这 两种方法合起来可以称作交流检测法。 基于交流检测法开发的直流系统按地故障榱测装置有很多种，它们在一定程 度上鬃决了裹流系绫一点接遗捡测阏题。但是这糕装置在使用中营这存在一个翊 题，就照当直流系统存在较大的辩撼电容对往疆不熊准确靛稔灏出发生接魏赦障 的支路。这说明在利用交流检测法检测直流系统点接地故障时，对地电容的影 响不容忽视。 2 3 1 对地电容瀚产生 鸯流系统中对蟪啜骞盼产生w 以从跌下鼹个方嚣分韦斥； i 。瞧缆线路本身的分毒电容 我们知道，电容器是被绝缘体分开的任意两导体构成的总体，其电容爨大小 c = ，式中，e 为分电常数，s 为两导体的糨对面积，d 为两导体的蝴距。 一根电缆中的两根导线紧密排列在一起，这两搬母线之问就不珂避免地存猩电容 第二章直流系统接地检测中翻主要问题 效应；大地是电的良露体，长距离的配电电缆与大地之间也不w 避免的存程麓一 定翟发熬电容效应；积气设备熬要惫绕缝与接邋瓣金羁羚麦乏阂，龟缆肉鹣裙线 与接地保护线之间，钢管内穿线与按地的钢管之间都存在着不同程度的电容效 应，遮然电容效应可以等效为配电线缆和大地之间存在一个集中参数的电容c ， 随着电气设备结构的复杂，数量敬增多，输电线缆长度的增大，对遗电容啦魄容 量也凌不断增大。 2 引入的抗干扰滤波电容 随潜电力系统自动化程度的不断提高，发电厂、变电站中使用的继电保护装 置窝囊磁装墨莛寒越多。这些装饕孛使震了大豢鹣滚于撬滤浚魄窑，攥文熬 4 1 】 介绍，在静态继电保护装置中，每褰晶体管保护装置就接有o 4 7 “f 的对地电容， 众多的继电保护装置给直流系统引入了大容量的对地电容。 隧饕微极技术驰不断发展，大爨毅型的微枫继邀傈护装嚣投入使用，窕在确 绦发魄厂、交电菇安全稳定运行豹阐对，为壹流系统弓| 入匏藏予撬滤波电容藏更 大了。掘了解，有些2 2 0 k v 变电站，赫直流系统的对地电容可达7 0 b f ；有的5 0 0 k v 变电站，其直流系统对地电容更可高达2 0 0 3 0 0 f 。 囊瞧霹冕，发黥厂、交邀羹纛浚系绞孛太骞爨慰建电容瓣存在已经是遴器接 地故障检测时不可怨视的问题。 2 3 2 对地电容对低频信号浚入法的影响 低频信号注入法蹙在直流系统发生一点接地敞障后，向崴流电网母线；空入一 个低频率的电压信号( 通常为正弦或余弦函数) ，利用电流互感器检测每一支路 中产生鹣低频电流售弩，如图2 - 4 灏示。在不移程支爨对遮曦褰的理想1 凌凝下， 只有发生接遣故障懿支路1 中才可敬检测鳓低频电流信号，其露支路上的墩流互 感器中穷越原边线潮的正反方向电流相等，总效应为零，互感器输出为零。通过 检测各支路低频电流的幅值即可判峨发生接地的支路。 + ll2 n 上j _ c t 。f 一 ； 一 f 乇t 一 j ：u c 室蜮 负 l 氨 1f 一 负 载蹴裁 。 图2 - 4 理想情况下的低频储号注入法 第二章直流系统接地检测中的主要问题 但是，由前述分析可知，在实际的直流系统中存在很大的支路对地电容。这 时候，采用低频信号注入法检测接地故障时，由于对地电容的分流作用，没有发 生接地的支路也可以检测到低频电流信号，如图2 5 所示。 + c 穗嚣三：= = 二= 三一，一一。 图2 - 5 对地电容的影响 对地电容呈现的容抗如表2 - 1 所示。若接地电阻值足为2 0 k o 时，与之相比 表2 - 1 中的容抗值就小了一个数量级以上，即屯、比大约1 0 倍甚至更大， 这就必然出现误判断。 表2 - 1 对地电容里现的容抗 容抗频率 淤n j 1 02 03 0 uf 、心 5 3 1 81 5 91 0 6 1 01 5 90 8 00 5 3 1 5 1 0 60 5 30 3 5 2 0 o 8 00 3 9 0 2 7 图2 - 6 接地支路电流相量 表2 - 2 电流超前于电压的角度 r = 2 0 k o 蕊 1 02 0 8 1 。8 5 4 5 。 5 1 0 8 5 4 5 。8 7 7 0 。 1 5 8 6 9 6 。 8 8 4 8 。 2 0 8 7 7 0 o 8 8 8 8 。 在原始的低频信号注入法的基础上，还有一些 利用测量支路低频电流相位来判断接地支路的改 进方法。这些方法的基本思路是认为接地支路的电 流超前于基准电压的角度不大，而不接地的正常支 路，仅有电容电流，超前于电压的角度约9 0 。因 此可以用测量支路低频电流相位的方法来判断故 障支路。但是，当对地电容量大的支路，发生过渡 电阻大的接地时，由于电阻性电小，电容性电流大，实际综合电流超前于电压的 角度仍然很大，如图2 6 和表2 2 所示。这种情况下，依靠硬件电路相敏检波的 煞= 章蠢流系统接建捻甏中瓣主要 蠡莲 方法很难准确识别接地支路。 2 3 。3 对地电容对双慨频信号注入法的彩响 赞对 蕤频售号注入法黪不是，畜人提壅穗囊浚系统霉线交替淀入两个鬣毽穗 鲻、频率不两弱甄频电溅傣号的梭铡方法。遐秘方法麴原爨舞下； 设低频电压倍号为u ，频率分别为石和再，麒石 五 设巢支路对媳电容为c ，正誊馕醒下，滚邋文鼹的电容魄滚为厶。2 x f c u ， = 2 r c f 2 c u ，二毒 l 镶烫奴，缸= l f , 假设这条支路的末端靛生接魂故障，按她电阻为毛，其等效电路如图2 - 7 翔2 - 7 等效电路 所示n 发潞的簿值菱黼抗为。再蠡。 攘率麓蔗豹蘸颖毫匿蒜号霉| 起瓣麦鼙低频 电流稳蕊魏： ，= 妾= 妾+ ，：鼓，；c ，模傣：毛+ = i 霹丽 e ：一t ， 额率毙磊魏逛基荣号甏憩赫支籍糕叛赵流摸德屯0 争2 瓢五圆箩 尊固 二粼幽每礤争每谢茁= 镢鬻筹p s ， 可戳嚣密，? 轰 五。k t ，辩么瓮等 双低颓落号浚入法辫魏箨蠢粼辑蔹攒，程一定范溷肉群潋剿舅接蘧敬漳支 路。假是，当支路按地电容c 徽大时，从上述公炼可以看出 ( 2 ，z c u ) 2 器，五2 ，( 2 a r c u ) 2 器，点) 2 ，t 。蓉m 1 ，瓮a 等，藏露樊忿爨璇诿爨薮。 袭2 - 3 也绘出了按地电戳r = 2 0 k 1 ) 时，鬣岛c ，z 和五的关系。从表中也可以 精磁，当e 2 a f 时，掰蒸本上等于1 ，敌簿前詹两种频率的低獭电流之眈相差 第二章赢流系统接地检测中的主要目题 不大。 表2 - 3 不同对地电容下的k 值 卜、! 芋 l2468 l 频率h o 。、 |矮； ，1 7 0 0 i 。0 4 6 8 1 0 1 2 9i 0 0 5 4i 0 0 3 0 篇： l ，1 8 7 4l 。0 5 5 6l 。0 1 4 6 1 0 0 6 5 i 0 0 3 7 练上所述，直流系统支路对地电容的存在对于接地故障的检测影响巨大，无 论采用什么样的原理开发的直流聚统接地故障检测装置都成证明能够排除对地 毫容黪不裂黪昀，蠢嚣能够准确硷测出接遮支鼹。 2 4 环网对直流系统接地检测的影响 教魄厂、变遣滚褒滚系统孛瓣繇隧热强2 - 8 掰示。瑟孛支臻l ，2 ，3 之溺存 在着环网。 图2 * 8 毫流系统中的环隧 麓丽环阏方式供奄，一般是为了傈诞重要酌控稍、菇号潮鼹供电可靠。这些 回路中的控制装置担负着保障整个电厂、电站蜜企稳定运行的藿任，一般情况下 绝不允许发生断电等故障。采用如图2 _ 8 所示的环网方式供电，假设当支路1 与 壹滚毫网受母线稳逡戆受援毫凌窭蠛教薄霹，避_ 遘支鼹2 ，3 均霹激保送支赣1 的回路宛整，不出现开环断路。因此，支路l 的供电可靠性大大增加。 但是，采用环网方式供电，却给直流系统接地故障检测带来了一定的困难。 环网使褥矗流电网绥梅复杂，两爨滚电网结构越复杂，进行接璇检测的匿鼹就越 丈。采爝环丽方式运行豹支路不怒独立靛，它w 能随着运毒亍方式的改交不断发生 第二章蛮滚系统矮壤稳灏孛黪主簧瓣惩 变化。此时就会造成支路巾存在出掰= 嘲两产生的谐波环流，如图2 - 9 所示。豳中， l ，2 支鼹之黼存程繇溺。出于整滤电渡纹波照匿熬影螭，滚经霹黩导缓翰邀流 中饿含谐波分量，且谐波分量的幡值和稿使备不相阔。四段鼹线中的复阻抗瞧各 不樱弱，疆诧蒸上黟成瀚舔降不稻等。在涟羧裁环翻运费瓣，哥戳等效惫嚣令镪 聪源和四个笈阻抗串联在网一回路中，因此被会形成由谐波分量缀戚的环流。邋 誉繇滚毙注入熬 莛频镕警懿流太诲多鼹，这耪德猿下，噬滚互感嚣簸盘弱谐波藏 势喾常大。当环瀛缀大辩，邀滚至藤器茬楚会达銎l 镪霸。一觳戆狻溺装嚣不雅分 辨燧支鼹环滚粒接墙电瓣壤溅，棱镄程发擞接缝对会熟巧喇支鼹诞选出寒，i l 冀 磁的接地被障支路勰无法选出。因此，在避行直流系统接地检测髓不能忽略环测 造成浆影骥。 鳗2 - 9 环流熬产生 繁三章小波变换基本理论 第三章夺波变换基本瑾论 小波分析是在现代调和分析的基础上发展起来的，其熬础知识涉及到泛函分 板、傅堡叶分极、信号与系统、数字信号处理等诸多方藤，本章将简要分绥一些 相关的小波变换綦本理论“。 3 连续小装变换 小波，疆名愚义，怒据小嚣域豹渡，獒礁甓定义熟下： 定义3 1 设妒( ，) 为一平方v 町积函数，即v ( t ) 毯r ( r ) ，若其傅尾叶变换妒 ) 漩是条 拳 1 1 2 e ，：f 脞叱。 ( 3 - 1 ) ； 掰 则称妒( f ) 为一个基本小波或小波母函数，并称式( 3 - 1 ) 为小波函数的可容许性 条臀”1 。 小波函数具有以下两个特点： 1 ) 瓣蠛具凑紧支集戏近 蛙紧支集； 2 ) 具有波动性，因为y ( 奶fm ：。= 0 ，即直流分量为零，所以小波必有正负交 磐的波动性。 由小波母函数按以下方式生成的函数族 虬6 0 ) ) 称为连续小波，式中口称为 馋缩因予，b 称为平移鼹子“。 。( f ) = i d 一矿仁曼) ( 3 - 2 ) 定义3 。2 鲶定一个蹲夺波扩( f ) ，对 壬意莲数，箨) g l 2 ( r ) ，刘f ( t ) 豢连续零 波变换( c o n t i n u e w a v e l e t t r a n s f o r m ) 为 哆妇国五致= 嗣专e ，窜# ，毋0 - 3 ) 式中a 、b 为连续变量，孵( 盯，6 ) 称为小波变换系数。 对予满跫w 容许链条俘豹鸯小渡，若一个髓纛有限信鸯露鼗f ( t ) 静连续小波 变换系数为孵( d ，b ) ，那么，其谶续小波遒变换定义为 舶) 2 1 ：寺( f 辑( a , b ) d a d b ( 3 - 4 ) 由倦量叶变换性质掰知 ( 3 - 5 ) 第三章枣渡变按蒸奉理论 由此可得小波变捩( 3 3 ) 的等效频域表达式为： 1。n 二 w s ( a , b ) 2 i ：意 厂( 国) ( ) 。x p ( j 舶) 如( 3 - 6 ) 扶上式爵良看鹜，鲡采y 掰) 是繁遵遁数，赠，j 、渡变换具鸯裘蔹镶号，( 毋) 菝 域上局部性质的能力。从信号处理的角度器，小波变换就是对倍号用不同的滤波 器进行滤波，这些滤波器的脉冲响应就魑_ ；f ，( r ) 关于伸缩和平移形成一系列小波 繁。 惫了说明小波变换戆时频局部化特瞧，定义妒及矿细) 的鬻蕊数如下“； 鲥对窗中心 f 一f | 甄1 2 痢擒织，。罐2 ( 3 - 7 ) 妒( f ) 时窗半径a t = ( o d k ，以) 1 2 旃) 2 1 l “r ) 1 1 2 ( 3