畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于輸電線路的行波故障測距方法研究

1、<p>　　電能綠色環(huán)保，是當(dāng)代重要的二次能源。近年來我國電力行業(yè)的發(fā)展日新月異，裝機(jī)容量不斷增加，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也越發(fā)復(fù)雜多變，并且隨著特高壓超高壓輸電線路的問世，輸電線路往往發(fā)生故障后，工農(nóng)業(yè)以及城鄉(xiāng)居民生活會(huì)受到很大影響。因此，及時(shí)查找到故障點(diǎn)，對(duì)輸電線路的修復(fù)十分重要，及時(shí)確定故障點(diǎn)并排除故障能夠更好的保障國民生活有序開展。</p><p>　　此前阻抗法較多地被運(yùn)用于電力系統(tǒng)中用來故障測距。但其

2、精準(zhǔn)性有待提高，容易受到諸多因素影響，比如過渡電阻的存在、系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化、分布電容、CT飽和。早在二十世紀(jì)五六十年代，就有人提出通過提取分析故障行波信息進(jìn)行測距，即通過數(shù)學(xué)手段收集提取出有用的電壓電流行波信息，計(jì)算行波在線路和測量點(diǎn)的傳遞時(shí)刻來確定故障距離。但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)設(shè)備落后，先前研制的行波測距裝置容易出現(xiàn)故障，價(jià)格昂貴，沒有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　近些年，隨著對(duì)行波理論的不斷深入和補(bǔ)

3、充，加之小波變換和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)兩大工具也迅猛發(fā)展，行波測距技術(shù)有了許多新的突破與發(fā)展，出現(xiàn)了許多新穎的方法和原理，比如基于信號(hào)相位的測距，基于寬頻信號(hào)的測距等。國內(nèi)外在實(shí)際故障測距應(yīng)用中也采用發(fā)明了各種裝置。</p><p>　　因此，電力系統(tǒng)輸電線路行波故障測距正日益受到專家學(xué)者的追捧，成為工程學(xué)中的一個(gè)熱點(diǎn)。</p><p><b>　　1緒論</b></p&

4、gt;<p>　　1.1課題的研究背景和意義</p><p>　　目前，我國的電力行業(yè)充滿活力，蒸蒸日上。電力事業(yè)關(guān)乎國泰民安，良好穩(wěn)定的電力系統(tǒng)能為經(jīng)濟(jì)的騰飛保駕護(hù)航。然而隨著三峽工程的發(fā)電投產(chǎn)以及工業(yè)快速發(fā)展，輸配電量直線上升，且輸電線路的電壓等級(jí)不斷提高，傳輸距離也不斷加大，其安全運(yùn)行也就愈發(fā)重要。電力線路作為電力系統(tǒng)的重要傳輸紐帶，且大多處在野外環(huán)境，氣候條件多變，容易發(fā)生閃絡(luò)等暫時(shí)性故障，

5、不僅造成電力停止配送，輸用電設(shè)備損壞，還可能造成電力系統(tǒng)發(fā)輸配送整個(gè)結(jié)構(gòu)的癱瘓。因此，及時(shí)進(jìn)行精確的故障定位從而排除故障，一直是國內(nèi)外專家學(xué)者研究的重大課題，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的運(yùn)用前景。</p><p>　　當(dāng)前，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，線路容易發(fā)生單相、兩相接地短路，絕緣避雷設(shè)備老化，故障性跳閘等故障。一旦出現(xiàn)故障，國民生活和工農(nóng)業(yè)會(huì)受到巨大影響，而故障類型和故障點(diǎn)位置又較難判定，故障消除越慢，造成的損失也就

6、越大。</p><p>　　鑒于以上原因，如果有方法能夠快速定位，就能夠及時(shí)清除故障，實(shí)現(xiàn)新的重大突破。然而現(xiàn)在的故障點(diǎn)查找方法十分落后，通過人工巡檢，既耗時(shí)又耗力。特別是發(fā)生閃絡(luò)故障時(shí)，肉眼難以判斷出故障是否產(chǎn)生，而此種故障又常常發(fā)生，造成的絕緣損傷危害較大。而且采用人工巡檢的話，可能一次小小的故障檢測就要數(shù)個(gè)小時(shí)。所以如果能夠快速的確定故障位置，既減小了電力工作人員的工作量，又能快速的消除故障，保障系統(tǒng)安全運(yùn)

7、行，確保人民生活有序進(jìn)行，將中斷供電損失降到最小。</p><p>　　在出現(xiàn)嚴(yán)重線路故障的時(shí)候，整個(gè)電力系統(tǒng)可能就此崩潰在國內(nèi)外都有出現(xiàn)過這種情況，因此，輸電線路的故障測距是近年來電力部門和科研人員競相追逐的研究對(duì)象，故障測距能夠幫助人們快速的找到故障位置，判斷故障類型，防范于未然，將問題及時(shí)解決，避免事故出現(xiàn)。通過先進(jìn)的研究理論所制造的精密測距裝置能夠幫助電力部門以很小的人力物力快速精確的查找到故障所在，消除

8、隱患，電力系統(tǒng)才能安全可靠的運(yùn)行</p><p><b>　　并保證不斷電。</b></p><p>　　1.2故障測距方法的提出和發(fā)展</p><p>　　早在1969年SANT和 Paithankar第一次提出了單端測距的算法，即通過采集線路某一端的電壓和電流，通過計(jì)算公式得到故障距離。單側(cè)電源供電的線路使用此法是可行的，但對(duì)于兩側(cè)供電的電

9、源，由于側(cè)助增電流的存在以及故障點(diǎn)過渡電阻偏大，容易導(dǎo)致較大測距誤差。1982年和1983年，Takagi和A wisniewski先后向科學(xué)界提出要對(duì)故障網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，也就是正常網(wǎng)絡(luò)和故障網(wǎng)絡(luò)的區(qū)分。通過采集故障前后基波電流和故障后基波電壓的方式來研究其他因素的影響，主要是針對(duì)負(fù)荷電流和兩側(cè)系統(tǒng)阻抗的影響，這種方法確實(shí)使干擾因素變小了，同時(shí)測距理論也得到了進(jìn)一步完善。</p><p>　　事實(shí)上，一旦電力系統(tǒng)的

10、運(yùn)行方式發(fā)生變化，線路阻抗，導(dǎo)納值也會(huì)變化，故障電流沿線路分布的系數(shù)也隨之發(fā)生改變。在前人的研究基礎(chǔ)上，Schweitzer等人提出了通過編寫迭代程序，輸入原始數(shù)據(jù)的測距方法。</p><p>　　20世紀(jì)90年代初科研院所系統(tǒng)地深入地研究了常規(guī)制造的電流互感器，對(duì)其暫態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了多次實(shí)地試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明l0kHz以上的電流暫態(tài)分量能夠?yàn)槌Ｒ?guī)電流互感器所傳遞。由于這一研究發(fā)現(xiàn)，目前我國的行波故障測距研究大多

11、是針對(duì)電流行波，行波故障測距裝置的研制也以電流行波為模板。</p><p>　　近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者越來越關(guān)注故障測距問題的研究，各種測距方法脫穎而出，將物理學(xué)，高等數(shù)學(xué)等其他學(xué)科知識(shí)結(jié)合運(yùn)用到測距理論研究中，推動(dòng)了測距方法的發(fā)展。還有不少研究者引入了相關(guān)學(xué)科的研究成果，比如通過統(tǒng)計(jì)學(xué)提出的概率和統(tǒng)計(jì)決策，最優(yōu)法提出的優(yōu)化法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，小波變換等。這些比較新穎的算法在故障測距方面都有重要的研究意義，也是

12、各有千秋，但為了提高測距精度，減小誤差，都存在需要進(jìn)一步解決的問題。 </p><p>　　1.3 故障測距研究面臨的難題</p><p>　　1.3.1各類別測距方法的比較</p><p>　　許多學(xué)者在近幾十年提出了許多的測距方法，他們要么基于所測量的物理量不同，要么就是測量技術(shù)和故障類型的不同，比如利用高速、大容量光纖的傳播來測距和基于相

13、位信號(hào)檢測的數(shù)字式測距方法。這些理論成果集聚了國內(nèi)外許多專家學(xué)者的大量心血，給故障測距研究帶來了很大推動(dòng)。電力系統(tǒng)在不斷完善和發(fā)展，故障測距也在不斷推陳出新，但無論如何變換，其原理可粗略分為兩類:一類是阻抗法，即通過計(jì)算線路上的故障阻抗來測距，故障分析法在理論上類同與阻抗法，因此不作細(xì)致區(qū)分，這就要用到故障后穩(wěn)態(tài)的工頻分量；;另一類是不直接進(jìn)行故障定位，而是利用快速變化的發(fā)生在故障前后的暫態(tài)電流、電壓信號(hào)來進(jìn)行定位，有時(shí)也用到當(dāng)代全球定

14、位系統(tǒng)，將故障后的脈沖加載到雷達(dá)系統(tǒng)上去。而單端測距和雙端測距顧名思義，單端即是僅需要測量一端信號(hào)，而雙端法需要采集兩端信號(hào)，測距所需要的被測量兩者是不相同的，阻抗法和行波法都可以適用這一原則。</p><p>　　(1)行波故障測距和工頻測距的好壞分析:繼電保護(hù)中的距離保護(hù)是阻抗法的鼻祖，從實(shí)質(zhì)來講，阻抗繼電器運(yùn)用的原理就是對(duì)阻抗法的應(yīng)用，故障發(fā)生時(shí)電壓、電流量可以測量到，從而通過計(jì)算可以得到故障阻抗。工頻測距

15、成本小容易實(shí)現(xiàn)，但是容易受到外界條件干擾，尤其是線路不對(duì)稱因素會(huì)產(chǎn)生較大誤差；行波法是對(duì)故障點(diǎn)產(chǎn)生的向線路兩端傳遞的暫態(tài)諧波信號(hào)進(jìn)行分析，在硬件設(shè)備上投資大，實(shí)現(xiàn)也有一定難度，但測量精度高，適用廣泛，且不易受過渡阻抗和線路耦合等因素影響，在一定程度上更滿足現(xiàn)在所需的測距精度。工頻測距需要解決的問題是其理論上可以滿足測距精度的要求，但由于系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化、TA與TV傳變特性的誤差、故障過渡電阻的變化等一些不確定因素的影響及裝置本身的缺陷

16、，所以難以被運(yùn)用到實(shí)際工程領(lǐng)域。行波測距存在的焦點(diǎn)問題:端點(diǎn)和故障點(diǎn)的反射波如何識(shí)別區(qū)分，幾十萬Hz這樣的高頻率信號(hào)如何采集，以及行波信號(hào)的不確定性如何解決，如何運(yùn)用現(xiàn)有行波理論制造高精度測距儀器等問題。</p><p>　　(2)單端工頻量測距和雙端工頻量方法的異同：二者屬于阻抗法故障測距的不同測距方式，都是通過計(jì)算輸電線路上的電氣分量來測距，其本質(zhì)為對(duì)短路電流進(jìn)行求逆，屬于電力系統(tǒng)學(xué)中的短路計(jì)算逆反問題;單端

17、工頻量測距是不需要通信信道的，所以簡單方便，曾經(jīng)被廣泛研究推廣使用。但是它的測距精度不太令人滿意，過渡阻抗的大小和系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變都會(huì)影響到它。雙端工頻測距則需要能夠交換電壓電流數(shù)據(jù)的通信通道，但測距精度較高，同時(shí)它必須要做到兩端數(shù)據(jù)收集的同步，否則容易產(chǎn)生較大誤差，雖然現(xiàn)代GPS技術(shù)可以保證數(shù)據(jù)同步，但還是會(huì)受到各種情況制約，而且雙端工頻量測距花費(fèi)較大。</p><p>　　(3)集中參數(shù)模型和分布參數(shù)電路模

18、型測距的適用范圍:在理想化條件下采用集中參數(shù)模型更加簡便，易于分析，但是實(shí)際三相電路的情況，特別是較長的輸電線路更接近基于分布參數(shù)電路模型。分布參數(shù)模型更加精確，但計(jì)算量大且復(fù)雜，需要通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行迭代計(jì)算。這兩種模型在求解過程中都會(huì)出現(xiàn)偽根，但分布參數(shù)模型的這一問題更易解決，運(yùn)用新型算法，可以避免偽根的判別問題。具體采用哪個(gè)模型得結(jié)合實(shí)際情況，取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各類參數(shù)。</p><p>　　1.3.2兩類故障

19、測距方法需要解決的問題</p><p>　　無論哪一種測距算法都是同數(shù)學(xué)中的運(yùn)算工具相聯(lián)系的，通過近似模擬，大致計(jì)算，但都達(dá)不到故障測距想要的效果，故障測距還是困難重重。故障測距方法由于理論上和實(shí)際上的差距，通常面臨以下幾個(gè)挑戰(zhàn):</p><p>　　(1)阻抗法測距的難題</p><p>　　阻抗法一直以來在理論和技術(shù)層面上獲得了不錯(cuò)的研究成果和長足發(fā)展，它是建立

20、在對(duì)輸電線路故障后穩(wěn)態(tài)分量的求解和分析的一種方法。以前由于技術(shù)水平有限，同時(shí)出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，在我國除了一些特高壓線路，220kV以下的輸電線路并沒有專門的故障測距裝備，僅僅安裝了能夠簡單地記錄采集波形的設(shè)備，一般都是比較簡單粗糙的對(duì)工頻基波分量進(jìn)行分析再結(jié)合故障圖形數(shù)據(jù)來進(jìn)行測距，所以難以做到及時(shí)準(zhǔn)確的定位。近些年來由于全球高精度定位技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各種數(shù)據(jù)不僅能夠快速獲取，而且可以做到數(shù)據(jù)同步傳輸，使得雙端故障測距方法運(yùn)

21、用解微積分方程法的應(yīng)用取得了較好的發(fā)展，只是，由于線路參數(shù)在很大程度上會(huì)影響阻抗值，對(duì)于一些電路，比如多重電源線路、非交流輸電線路以及附加有串聯(lián)補(bǔ)償功能的交直流電路等，這種方法的適用范圍不大。</p><p>　　(2)行波法測距的屏障</p><p>　　在1931年，有人第一次提出了利用行波進(jìn)行測距，我們知道阻抗法的精度容易受系統(tǒng)工作方式和故障阻抗大小等的影響，而行波法從理論上來講不存

22、在這些問題，它可以避免阻抗法遇到的干擾，而且比阻抗法更穩(wěn)定可靠，所以從提出以來一直備受關(guān)注。行波法的測距誤差通常較小，能夠保持在1千米以下，它是假定行波波速恒定，然后利用物理學(xué)中距離與時(shí)間成正比這一基本原理來實(shí)現(xiàn)測距的。</p><p>　　目前在國內(nèi)，電科院研制出的WFL2010測距系統(tǒng)代表了該領(lǐng)域國內(nèi)最高水平，其次山東科匯電氣公司發(fā)明的XC—2000故障測距系統(tǒng)也相當(dāng)不錯(cuò)。雖然在現(xiàn)場運(yùn)行中，行波法也面臨一定的

23、問題，但相對(duì)而言，行波法測距精度比阻抗法要更加理想，而且其原理簡單。所以本文不細(xì)致討論阻抗法測距，主要介紹行波故障測距方法和理論。</p><p>　　行波法存在的主要問題:</p><p>　?、傩胁ㄐ盘?hào)的捕捉采集：通常情況下，我們?yōu)楸ＷC行波信號(hào)不過分失真，在使用電壓或電流互感器時(shí)，要獲取一次側(cè)的電壓或電流行波信號(hào)的話，要求互感器的截止頻率一定要足夠高，一般不低于10kHz，但是由于受到

24、互感器本身鐵心飽和和剩磁的影響，互感器自身的動(dòng)態(tài)時(shí)間延遲會(huì)比較分散，行波信號(hào)會(huì)因此發(fā)生畸變，而造成測距誤差，暫時(shí)還沒有比較可靠的對(duì)象分析來解決這一問題。</p><p>　　②行波信號(hào)的記錄與處理：豐富的故障距離信息被隱藏在暫態(tài)行波信號(hào)中，獲得的故障信息越完整，行波信號(hào)越接近真實(shí)波形，測距的精度就越高。因此，為保證測距的精度，理論上采樣頻率越高越好，但綜合考慮，信號(hào)的采樣頻率至少應(yīng)達(dá)到幾十萬Hz 。</p&

25、gt;<p>　?、坌胁ㄐ盘?hào)的不確定性主要表現(xiàn)為母線接線方式不確定以及故障類型的不確定性，通常故障發(fā)生是隨意的，不可預(yù)測也無規(guī)律，故障類型也是隨機(jī)的，導(dǎo)致不能夠確定暫態(tài)行波信號(hào)的強(qiáng)弱;故障暫態(tài)電壓、電流行波波頭的極性，最大幅值和波的形狀與線路兩端的波阻抗以及故障發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)密切相關(guān)。 </p><p>　?、苄胁ǖ牟ㄋ俨⒉皇且粋€(gè)恒定量，它是跟隨氣候和環(huán)境的改變而有所變化，因此，如何減小行波波速

26、的不確定性造成的測距誤差是尚待進(jìn)一步解決的又一難題。</p><p>　　2行波法測距的基本原理</p><p>　　電力系統(tǒng)的行波故障測距理論是在輸電的線路發(fā)生故障后，在故障處產(chǎn)生擾動(dòng)并向線路的兩端傳播以暫態(tài)行波的方式，在阻抗發(fā)生斷續(xù)的地方，這里會(huì)像光遇到介質(zhì)交界面一樣發(fā)生波的反射和折射，利用波的折射和反射的特性來進(jìn)行故障距離的計(jì)算。介紹輸電線路發(fā)生故障后，其故障處發(fā)生的暫態(tài)行波過程以及

27、行波的一些特性，如它的反射、折射以及它的初始波。其次下面再介紹三相架空輸電線路行波過程的傳播特性和分析方法，以及基于行波法的故障測距原理，最后時(shí)刻在進(jìn)行研究單端，雙端測距方法的基礎(chǔ)上，我們可以推倒出在波速度恒定的條件下，也就波速不影響測速的進(jìn)行單雙端故障測距的創(chuàng)新算法。</p><p>　　2.1電力線路的暫態(tài)行波過程</p><p>　　2.1.1行波的基本概念</p>&

28、lt;p>　　當(dāng)電力線路任一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓不穩(wěn)定，在此點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)變化的電壓，線路上隨之就會(huì)產(chǎn)生短暫性狀態(tài)的電弧放電行波過程。在電力系統(tǒng)學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)用疊加原理來分析發(fā)生在故障處的暫態(tài)行波特性:在輸電線路短路處，等效為在故障點(diǎn)多加了一個(gè)虛擬電源，它的電壓大小不變，但是方向與先前的相反。如圖2.1所示。</p><p>　　在故障處發(fā)生的行波過程，故障處的等效電源發(fā)出初始行波，接著以小于光速的速度向

29、兩邊傳播能量浪涌，在行波的傳播的過程中，會(huì)因線路的固有特性而發(fā)生電流浪涌的折射與反射，當(dāng)行波自帶能量沒有了后，就會(huì)趨于逐漸穩(wěn)定，最后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，其具體的傳播速度受線路的具體特性參數(shù)所影響。</p><p>　　圖2.1故障發(fā)生后初始性行波傳播示意圖</p><p>　　在所學(xué)的的電力系統(tǒng)知識(shí)中，在進(jìn)行計(jì)算過程中，采用集中參數(shù)模型使得計(jì)算趨于簡單，不是那么復(fù)雜，常常用的是型等值電路進(jìn)行等效

30、線路的參數(shù)。為了接近實(shí)際情況，在現(xiàn)實(shí)生活中的輸電線路，其線路參數(shù)幾乎是沿線路平均分布的。因此，我們在計(jì)算線路上發(fā)生的短路故障時(shí)，會(huì)利用到線路的分布參數(shù)來進(jìn)行數(shù)學(xué)上的折合計(jì)算。</p><p>　　在實(shí)際生活中，遇到的輸電線路不是電纜就是架空線路，而這些線路的阻抗，導(dǎo)納都是沿線路平均分配的，在電壓等級(jí)比較高時(shí)，還得考慮它們在輸電過程中會(huì)形成與大地間的影響，也得將導(dǎo)線與大地間的等效電阻、電抗、導(dǎo)納考慮在內(nèi)，這樣會(huì)使的

31、研究更加精確，更利于準(zhǔn)確分析，下圖為線路的等效電路圖。</p><p>　　圖2.2輸電線路的等效分布電路</p><p>　　以單相線路為例，行波信號(hào)是由正反兩向分量疊加而成的，通過求解電報(bào)方程所得到沿線各點(diǎn)的電壓和電流均包含有正向和反向兩部分的行波分量，其頻域形式可以表示為：</p><p><b>　　(2-1)</b></p>

32、;<p><b>　　(2-2）</b></p><p>　　式中:、分別表示正反電壓行波，它向線路兩個(gè)側(cè)面正反兩個(gè)方向傳播，、分別表示正反方向電流行波，跟電壓行波一樣向兩側(cè)傳遞。</p><p>　　由此可見，站在頻域的角度來研究，輸電線路上的任一點(diǎn)的電流和電壓都可以認(rèn)為是經(jīng)過有效的疊加而得到的，該故障點(diǎn)的正向和反向行波分量就是其兩個(gè)疊加分量。無論是電

33、流還是電壓。其行波分量之間存在如下等量關(guān)系計(jì)算式： </p><p><b>　　(2-3)</b></p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　式中：Zc(w)為波阻抗。</p>

34、;<p>　　根據(jù)上面兩個(gè)等式，我們可以得到線路上任一故障點(diǎn)的電壓行波分量，在頻域的正向和反向兩個(gè)方向上的，用公式通常表示為：</p><p>　　(2-5) </p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　式(2-2)和(2-3)表明，在頻域中，可以利用線路上任一點(diǎn)的電壓，電流和阻抗值來求

35、解該點(diǎn)的行波分量（包括正反兩方向）。由電路知識(shí)可知，線路上任一方向的電壓、電流行波分量和波阻抗之間也符合電路中三者最基本的關(guān)系。</p><p>　　在式(2-2)和(2-3)兩式中。假定x等于零，故障點(diǎn)的行波分量可以通過如下的公式來計(jì)算：</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p><b>　　(2-8)<

36、/b></p><p>　　由于測量用的故障點(diǎn)通常都設(shè)在線路的末端，因此，線路首端的電壓和電流就可以看作是所有來自末端電壓、電流和波阻抗有效整合得到的的行波分量在首端母線的行波分量和線路正方向傳播的行波分量及其在本端母線的波形分量的反射波進(jìn)行疊加的結(jié)果。為了得到各種測距算法，利用測量點(diǎn)在時(shí)域的電流和電壓行波進(jìn)行演算，將式(2-4)逆變換到時(shí)域得</p><p><b>　　

37、(2-9) </b></p><p>　　式中:“”表示卷積;是從頻域波阻抗到時(shí)域的付里葉變換。進(jìn)行正向和反向行波分量疊加可得到式（2-5）的結(jié)果，這個(gè)結(jié)果是由具有不同延遲時(shí)間但向同一方向傳播的所有行波浪涌相互疊加計(jì)算而得到的，將其進(jìn)行分解，可得到穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的兩種行波分量。暫態(tài)行波分量一般是從直流到頻率范圍很廣的高頻分量，這些行波分量，是各種小的擾動(dòng)或系統(tǒng)電源中的暫態(tài)響應(yīng)對(duì)線路的而影響發(fā)出的，它會(huì)

38、慢慢的衰減，直到衰減到零，使得系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)；線路中的各類擾動(dòng)和系統(tǒng)電源的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)發(fā)出的行波分量疊加構(gòu)成穩(wěn)態(tài)行波分量，它是一定頻率的正弦波，存在于線路故障發(fā)生的全過程。故障處等效電源產(chǎn)生的行波分量為暫態(tài)行波分量，是故障測距必須采集檢測的，所以最關(guān)鍵的部分是行波故障測距，此部分能夠反映出線路故障處的暫態(tài)特征。</p><p>　　2.1.2線路的行波過程分析</p><p>　　在實(shí)際的

39、電力系統(tǒng)中，同一座架空桿塔上一般同時(shí)有若干根相線和地線共存，由于這些地線和相線彼此之間的電磁耦合，一起組成了一個(gè)含有分布參數(shù)的多導(dǎo)線系統(tǒng)。理想狀態(tài)下，假設(shè)線路無損耗，那么三相線路的波分析過程就可以利用跟單根導(dǎo)線方法來分析。</p><p>　　在三相輸電系統(tǒng)中，當(dāng)用向量表示導(dǎo)線的電壓、電流等物理量時(shí)。而且電壓、電流頻率恒定不變時(shí)，就能忽略電阻給線路帶來的影響，假設(shè)“u、i分別為輸電線路上的電壓、電流向量瞬時(shí)值，那

40、么就可以得到下面的微分方程:</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　其中，R, L, C分別為電阻，電感，電容。由式（2-6）可以看出，電壓與電流相互間的影響，也就是說各導(dǎo)線方程是互相耦合的。若將三相線路的順序相互對(duì)調(diào)一下的話，那么電容C和電

41、感L的系數(shù)矩陣都是平衡矩陣，也就是非對(duì)角線上的元素對(duì)稱，對(duì)角線上的元素相等，將上式變形可成：</p><p>　　； (2-12)</p><p>　　這樣就可以不用考慮電磁耦合的影響，直接采用單根導(dǎo)線分析方法來分析。</p><p>　　假設(shè)u和i的相變換矩陣分別為S.Q；由相模變換可得；S和Q滿足條件：</p

42、><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　令 (2-14)</p><p>　　當(dāng)三相線路的導(dǎo)線相互交換順序時(shí)，可以認(rèn)為輸電線路電感矩陣L上的各對(duì)角元素Ls相等，非對(duì)角元素Lm相同，同樣也可以認(rèn)為電容矩陣C上的各對(duì)角元素Cs相等，非對(duì)角元素Cm相同，也就是說

43、L和C為平衡矩陣，可以假設(shè):</p><p>　　P=LC=CL (2-15)</p><p>　　而對(duì)于模變換矩陣S中的各個(gè)列相量為矩陣P對(duì)應(yīng)于的右特征相量，滿足，令其對(duì)應(yīng)于，就能得到</p><p><b>　　(2-16)</b></p><p

44、>　　也就是說如果矩陣中的每個(gè)元素能夠滿足式(2-11)的要求，其所組成的矩陣就可以作為相模變換矩陣。</p><p>　　常見的四種相模變換矩陣：對(duì)稱分量變換矩陣；克拉克變換矩陣；凱倫布爾變換矩陣；正交變換矩陣。公式（2-12）、（2-13）分別為是在暫態(tài)分析時(shí)；最常用的克拉克變換矩陣和凱倫布爾變換矩陣兩者矩陣。</p><p><b>　　(2-17)</b>

45、;</p><p><b>　　(2-18)</b></p><p>　　2.2 行波傳輸特性分析</p><p>　　2.2.1行波的反射系數(shù)與折射系數(shù)</p><p>　　發(fā)生故障后，線路上在故障點(diǎn)將產(chǎn)生向線路沿著向兩側(cè)母線傳播方向的行波信號(hào)，行波信號(hào)在線路上傳播的過程中 ，如果波阻抗是不連續(xù)的，那么在該點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生波

46、的折射和反射現(xiàn)象。如圖2-3所示。</p><p>　　在圖2.3中，假設(shè)F點(diǎn)為波阻抗不連續(xù)的點(diǎn)，那么輸電線路1和輸電線路2的波阻抗就分別為Z1和Z2。如果發(fā)生故障后，入射波到達(dá)F點(diǎn)時(shí)，那么行波就會(huì)在F點(diǎn)產(chǎn)生波的折射和反射現(xiàn)象。假設(shè)此時(shí)入射行波的方向?yàn)檎较颍敲磳a(chǎn)生也入射行波方向相同的折射波和與之方向相反的反射波。</p><p>　　圖2.3行波反射與折射圖</p>&

47、lt;p>　　如果是電壓行波；那么折射系數(shù)；反射系數(shù)分別為:</p><p>　　; (2-19)</p><p>　　如果是電流行波；其折射系數(shù)；反射系數(shù)分別為:</p><p>　　; (2-20) </p><p>

48、;　　上式中: 為折射系數(shù)；稱為反射系數(shù)；且滿足1+=</p><p>　　根據(jù)式(2-14), (2-15)可以得出:</p><p>　　(1)當(dāng)時(shí)； 當(dāng)；此時(shí)入射波與折射波相等，因此電壓行波在不連續(xù)點(diǎn)不發(fā)生任何反射;</p><p>　　(2)當(dāng)>時(shí)；當(dāng)；此時(shí)入射波比折射波大，電壓行波的負(fù)反射將會(huì)在不連續(xù)點(diǎn)F點(diǎn)處發(fā)生，而當(dāng) ；則電流行波發(fā)生正反射。<

49、;/p><p>　　(3)Z1<Z2時(shí)；，此時(shí)入射波比折射波小，電壓行波在不連續(xù)點(diǎn)F點(diǎn)處發(fā)生正反射; ，則電流行波發(fā)生負(fù)反射。</p><p>　　基于以上三種情況下的分析，考慮到電力線路的實(shí)際運(yùn)行中，對(duì)行波可能到達(dá)線路開路終端、線路短路點(diǎn)等特殊情況，下面一一分析。</p><p>　　(1)在行波到線路開路終端時(shí)；則；這時(shí)該點(diǎn)的電壓兩倍于入射電壓，但此點(diǎn)的電流值

50、為零。</p><p>　　(2) 在波傳播到線路短路點(diǎn)時(shí)；則；這時(shí)系統(tǒng)電流值是加倍，而該點(diǎn)的電壓值為零。</p><p>　　在短路點(diǎn)存在過渡電阻Rf時(shí)；則；式中，z0為線路的波阻抗。通過計(jì)算可以得到, 。通過分析可知，過渡電阻與行波反射的幅值成反比關(guān)系，隨著過渡電阻的增大，行波反射的幅值而越小。</p><p>　　(3)在線路終端接電容時(shí)；可以得到；；式中，。

51、可以通過分析終端接電容時(shí)；在t=0時(shí)；反射系數(shù)為1；此時(shí)電路等效于短路。經(jīng)過一段時(shí)間后，電容充電完畢，反射系數(shù)會(huì)變?yōu)?1，此時(shí)電路等效于開路。</p><p>　　2.2.2行波在母線處的反射</p><p>　　在測量行波時(shí)，如果在母線處存在反射和透射，將會(huì)對(duì)行測量結(jié)果的影響非常大，所以有必要對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行認(rèn)真的分析；其實(shí)在考慮為何不連續(xù)點(diǎn)產(chǎn)生行波的反射和透射具體情況，歸根結(jié)底還是取決于

52、母線上的運(yùn)行方式。如果此時(shí)產(chǎn)生的行波是高頻率信號(hào)，那么與波阻抗相比，存在電磁的作用，系統(tǒng)中的變壓器的交流阻抗將會(huì)變得很大，所以在分析行波的反射時(shí)，可以視變壓器為開路的狀態(tài)，只要考慮其他的影響，因此可以認(rèn)真發(fā)生這種情況的主要在母線上的出線數(shù)。為了便于下文中分析，只從行波這方面考慮，將母線進(jìn)行分類且分為兩類。如圖2.4所示。</p><p>　　第一類母線:如圖2.4(a), (b)可以看出，母線上除了故障線路外還有

53、其它出線;</p><p>　　第二類母線:如圖2.4(c)，母線端接有變壓器，母線上只有一條故障線路。</p><p>　　圖2.4（a）第一類接有變壓器的母線示意圖</p><p>　　圖2.4 (b) 第一類不接變壓器的母線示意圖 </p><p>　　圖2.4 (c) 第二類無正常出線的母線示意圖</p><p&g

54、t;　　2.5(a)第一類母線的等值線路圖 2.5(b)第二類母線的等值線路圖</p><p>　　由彼得遜定則可得：第一母線的等效為電路圖如圖2.5(a)，第二類 母線的等效電路在如圖2.5 (b)中，若兩類母線線路參數(shù)相同:C為變壓器及母線對(duì)地電容；所有線路的波阻抗(Zc)相等；母線上連接的出線條數(shù)為n。</p><p>　　對(duì)圖2.5(a)進(jìn)行分析可知：行波

55、傳播到母線時(shí)的函數(shù)方程為:</p><p><b>　　(2-21)</b></p><p>　　令，由上面的式子可知?jiǎng)t行波在母線上會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象，其模擬電壓為:</p><p><b>　　(2-22)</b></p><p>　　式中:當(dāng)C=0時(shí)，折射系數(shù):</p><p&g

56、t;<b>　　(2-23)</b></p><p><b>　　(2-24)</b></p><p>　　式(2-19)表明，為了測距精準(zhǔn)，在不考慮電容的影響下，通過計(jì)算可以知道當(dāng)出線數(shù)目n大于等于2時(shí)，那么得到的反射系數(shù)絕對(duì)不會(huì)小于1/3;當(dāng)n=1時(shí)，反射系數(shù)=0。實(shí)際上，由于母線對(duì)地電容的存在，以及其他輸電設(shè)備的影響，暫態(tài)行波由于含有大量高

57、頻分量將產(chǎn)生明顯的反射，并且信號(hào)頻率一增大，反射也愈發(fā)強(qiáng)烈。 </p><p>　　根據(jù)圖2.5(a)的電路描繪圖，故障行波的反射系數(shù)在頻域內(nèi)的函數(shù)可以表示為:</p><p><b>　　(2-25)</b></p><p>　　根據(jù)圖2.5(b)的電路描繪圖，我們可以知道第二類母線的行波反射系數(shù)是：</p><p&g

58、t;<b>　　(2-26) </b></p><p>　　2.2.3行波在故障點(diǎn)處的反射</p><p>　　從2.2.1中分析能夠得到，故障點(diǎn)反射系數(shù)可以求得:</p><p>　　， (2-27)</p><p>　　從上面的式子能夠得到電

59、流行波與電壓行波反射系數(shù)是基本相反的，電流行波反射系數(shù)為一個(gè)大于0的數(shù)，而電壓行波反射系數(shù)是一個(gè)小于0的數(shù)。除此之外，由于故障點(diǎn)的入射波是從測量母線的反射波，故而，母線中接線對(duì)反射波極性有決定性的意義。</p><p>　　如果母線為第一類母線，那么，母線的反射波與初始的行波極性是基本相同的，故障點(diǎn)的反射波與行波極性是相似的。</p><p>　　如果母線為第二類母線，那么，反射波與初始行

60、波最初的時(shí)候極性是一樣的，再后來便會(huì)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的情況。</p><p>　　2.2.4對(duì)端母線處的反射</p><p>　　在現(xiàn)實(shí)中，短路的故障點(diǎn)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電阻過渡，這會(huì)使故障處初始的行波會(huì)對(duì)反射波能夠出現(xiàn)穿透故障點(diǎn)的情況，這樣一來我們就能折射到測量端，假如出現(xiàn)對(duì)端母線距離故障點(diǎn)比較接近的時(shí)候，故障點(diǎn)反射波反射波比先測量結(jié)束。反思結(jié)束總線狀態(tài)類似于行波反射的總線,將在結(jié)束總線反射行波分析結(jié)論

61、:</p><p>　　如果對(duì)端母線作為第一類母線的情況，故障點(diǎn)將會(huì)出現(xiàn)行波，并且這個(gè)行波將有可能在對(duì)端母線處出現(xiàn)非常強(qiáng)大的反射，反射系數(shù)作為一個(gè)小于0實(shí)數(shù);電流反射波和初始行波極性是完全相同的，我們可以從故障點(diǎn)前后極性維持初始情況，然而因?yàn)榍靶械碾妷翰ê头葱械碾妷翰O性也是相似的，電流波的前行波與后行波極性狀態(tài)正和電壓波相反的原理，行波會(huì)與檢測母線初始行波的極性相反。我們能夠由極性不一樣從而可以用來劃分對(duì)端母線

62、反射波。</p><p>　　如果對(duì)端母線是第二類母線的情況，那么這種情況下線路會(huì)在對(duì)端母線處相當(dāng)于開路的時(shí)候的狀態(tài)，電流的反射行波和初始行波是相同的，他們的方向是相反的，從而能夠互相抵消。故而，線路的出口不會(huì)有電流行波產(chǎn)生。</p><p>　　2.3行波法故障測距的基本原理</p><p>　　2.3.1行波信號(hào)中的故障距離信息</p><p

63、>　　如圖2-1，為了簡化計(jì)算，在此我們假定故障點(diǎn)F處沒有發(fā)生行波折射，即行波的折射系數(shù)為0，那么故障點(diǎn)處就只發(fā)生了暫態(tài)行波的反射現(xiàn)象。令和分別為母線M和N處行波的反射系數(shù)。由前面分析的故障行波的反射和折射原理可知，在母線M和N處可以測量得到的故障電壓和故障電流為:</p><p><b>　　(2-28)</b></p><p><b>　　(2-2

64、9)</b></p><p><b>　　(2-30) </b></p><p><b>　　(2-31)</b></p><p>　　其中:Z為線路的波阻抗，與二者為流過的從故障點(diǎn)電壓或電磁波M和N端總線時(shí)間線所經(jīng)過的時(shí)間。</p><p>　　對(duì)于上式，前面的兩個(gè)式子代表故障點(diǎn)F出現(xiàn)

65、的第一個(gè)暫態(tài)行波波組件，后兩個(gè)表示的初始行波兩端母線和F點(diǎn)分別后又返回兩個(gè)反射總線兩端的第二波組件，而后依次類推。因此,通過研究故障的發(fā)生,母線M與N在測量電壓或電流可以確定故障點(diǎn)位置，從而可以知道相關(guān)時(shí)間信息與，由此種測距算法則可以求得。</p><p>　　2.3.2行波法故障測距的主要技術(shù)問題</p><p>　　從上節(jié)分析得知，故障測距的關(guān)鍵問題是對(duì)故障初始行波信號(hào)的判斷和提取，以

66、及分析行波波頭對(duì)應(yīng)時(shí)刻的信息。因此，行波測距的主要內(nèi)容和關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)表現(xiàn)在以下三點(diǎn):</p><p>　　(1)故障行波信號(hào)的獲取以及如何抑制噪聲;</p><p>　　(2)對(duì)故障行波模擬量的采集和傳輸;</p><p>　　(3)對(duì)行波信號(hào)的分析及數(shù)據(jù)處理。</p><p>　　測距系統(tǒng)的硬件模擬通道能夠?qū)崿F(xiàn)行波信號(hào)的獲取和對(duì)噪聲的抑制

67、，能否正確記錄暫態(tài)信號(hào)模擬量是準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的定位的重要前提;由上位機(jī)的處理單元能夠完成行波信號(hào)的分析和數(shù)據(jù)處理，但是其核心問題是要找到一種合適的數(shù)學(xué)工具在故障電流行波信號(hào)的波形中找到突變點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)時(shí)間，才能實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)準(zhǔn)確定位。 </p><p>　　2.3.3新型單端行波故障測距原理</p><p>　　圖2.6消除波速影響的單端故障測距方法示意圖

68、 </p><p>　　通過分析上圖，我們可以得到大量信息，當(dāng)F點(diǎn)出現(xiàn)故障的時(shí)候，該點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生故障電壓電流行波并且該行波會(huì)向線路兩端傳遞。在第二章已經(jīng)做過闡釋，當(dāng)行波傳遞到故障點(diǎn)時(shí)，由于故障點(diǎn)的阻抗是不連續(xù)的，就像光線遇到兩種介質(zhì)分界面時(shí)一樣，這時(shí)折射和反射現(xiàn)象就發(fā)生了。故障測距依據(jù)的是距離與時(shí)間成正比的原理，這里也就是利用故障起始波與反射波所走過的時(shí)間長短不同來進(jìn)行測距。從上一章的

69、測距理論可知：當(dāng)線路MN段整個(gè)長度的二分之一小于等于母線M與故障點(diǎn)F之間的長度時(shí)，對(duì)立端的母線反射波不會(huì)第一個(gè)到達(dá)母線M，而是第二個(gè)到達(dá)的。由公式可知如果這時(shí)候?qū)υ摬^進(jìn)行分析計(jì)算，最終得到的距離結(jié)果將是F、N兩點(diǎn)之間的距離。這時(shí)強(qiáng)大的暫態(tài)信號(hào)檢測分析工具小波變換派上用場了，可以通過它來采集檢測第二個(gè)到達(dá)的波頭，由此進(jìn)行測距推算。在檢測得到的結(jié)果是對(duì)端母線反射波時(shí)，我們要剔除掉該波頭，而這時(shí)采集到的第三個(gè)到達(dá)的波頭才是我們分析計(jì)算的對(duì)象

70、?？偟恼f來，運(yùn)用單端行波進(jìn)行測距，我們必須要抓住第二個(gè)波頭，并且對(duì)它進(jìn)行討論分析，因?yàn)樗菃味藴y距的關(guān)鍵因素。</p><p>　　在工程實(shí)際當(dāng)中，對(duì)端母線發(fā)出的反射波也包含了大量有用的信息，同樣可以用來進(jìn)行故障測距:</p><p><b>　?。?-32）</b></p><p>　　單端行波法測距中很多不同性質(zhì)的行波都包含有許多有用信息，

71、出于增加測距精度的考慮，我們可以將對(duì)端母線反射波加進(jìn)到測距算法中去。</p><p>　　設(shè)定輸電線路總的長度為L，測量端M距離故障發(fā)生點(diǎn)F的長度為x。我們假定在故障最先的一段短暫性時(shí)間內(nèi)行波波速固定，以v傳播(這里波速v是一個(gè)未知數(shù))。由于懸垂系數(shù)會(huì)對(duì)測距造成一定影響，所以假定整條線路上的懸垂系數(shù)是一樣的。各種行波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)十分重要，所以事先要設(shè)定好：在此設(shè)故障產(chǎn)生的最初始行波到達(dá)線路M點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)為t1，而故

72、障點(diǎn)和對(duì)端的反射行波到達(dá)線路上M點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)分別為t2，t3這兩個(gè)，線路上一定發(fā)生這種故障的時(shí)間點(diǎn)為t0，就可以結(jié)合這些參數(shù)聯(lián)立成方程: </p><p><b>　　(2-33)</b></p><p>　　在方程組(2-28)中，t1,、t2 , t3這三個(gè)時(shí)間參數(shù)可以通過現(xiàn)有的檢測裝置測量得到，而長度L是已知知道不需再求的量，則方程組中只有L,to

73、和x三個(gè)未知量。線路因此可以得出唯一解。</p><p>　　(2-34) </p><p><b>　　(2-35) </b></p><p>　　將(2-28)二式和三式比較分析可得:</p><p><b>　　(2-36)</b></p&

74、gt;<p>　　將式(2-30)代入式(2-31)</p><p><b>　　(2-37)</b></p><p>　　由式(2-32)可以求出故障發(fā)生點(diǎn)離測量端的距離長度:</p><p><b>　　(2-38) </b></p><p>　　上面這個(gè)式子中，消除了波速V這個(gè)不

75、確定參數(shù)，所以實(shí)現(xiàn)了新型的完全不受波速影響的行波故障測距。</p><p>　　2.3.2新型雙端行波故障測距原理</p><p>　　雙端法測距，固然存在著許多缺陷，比如它需要的裝置設(shè)備多而復(fù)雜，需要的金錢代價(jià)相對(duì)巨大。但反過來講，正因?yàn)樵黾恿烁呔鹊脑O(shè)備，能夠不斷及時(shí)準(zhǔn)確地采集故障信息，使我們獲得的行波信息相對(duì)也更加的豐富準(zhǔn)確可靠。這樣的話，行波故障定位的可靠性大大增強(qiáng)。同時(shí)隨著現(xiàn)代全

76、球高精度定位技術(shù)的發(fā)展，美國開放了定位系統(tǒng)在商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，我們已經(jīng)可以做到精確地實(shí)現(xiàn)信息的同步傳送，雙端法解決了這一問題后，不受波速影響的雙端行波故障測距方法應(yīng)運(yùn)而生，具有遠(yuǎn)大的研究價(jià)值。</p><p>　　為了全面消除波速這一不確定因素的影響，而行波信息又無時(shí)不刻總在變動(dòng)，測距結(jié)果的分析過程必須緊緊圍繞著故障實(shí)時(shí)采集的行波數(shù)據(jù)進(jìn)行。又因?yàn)楣收戏N類多種多樣，為了能在各種情況下準(zhǔn)確測距，我們只能夠采用線性模量來

77、進(jìn)行計(jì)算。</p><p><b>　?。?-39）</b></p><p>　　雙端法同單端法類似，也必須多引入一個(gè)已知的參考量，才可以求解出這個(gè)3元方程組。</p><p>　　圖2.7不受波速影響的雙端測距方法行波示意圖</p><p>　　設(shè)定輸電線路總的長度為L，測量端M距離故障發(fā)生點(diǎn)F的長度為x。我們假定在故

78、障最先的一段短暫性時(shí)間內(nèi)行波波速固定，以v傳播(這里波速v是一個(gè)未知數(shù))。由于懸垂系數(shù)會(huì)對(duì)測距造成一定影響，所以假定整條線路上的懸垂系數(shù)是一樣的。各種行波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)十分重要，所以事先要設(shè)定好：在此設(shè)故障產(chǎn)生的最初始行波到達(dá)線路M點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)為t1，而故障點(diǎn)和對(duì)端的反射行波到達(dá)線路上M點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)分別為t2，t3這兩個(gè)，線路上一定發(fā)生這種故障的時(shí)間點(diǎn)為t0，就可以結(jié)合這些參數(shù)聯(lián)立成方程:</p><p><b&

79、gt;　　(2-40)</b></p><p>　　和單端法同樣的計(jì)算方法，將式(2-35)一式和二式分析比較可以得到下式:</p><p><b>　　(2-41)</b></p><p>　　將式子（2-35)中的二式和三式分析比較可以得到下式: </p><p><b>　　(2-42)<

80、;/b></p><p>　　將(2-41)代入式(2-42)</p><p><b>　　(2-43)</b></p><p>　　分析比對(duì)式(2-38)，我們可以求出故障離測量端的距離信息:</p><p><b>　　(2-44)</b></p><p>　　上面

81、這個(gè)式子中，消除了波速V這個(gè)不確定參數(shù)的影響，所以實(shí)現(xiàn)了新型的完全不受波速影響的行波故障測距。</p><p>　　3小波變換工具與數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)用原理</p><p>　　工程界不斷加深對(duì)行波故障的探討研究，在暫態(tài)檢測中，小波變換工具由于其獨(dú)特優(yōu)勢大展身手，而數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)也獨(dú)樹一幟。這兩大理論的發(fā)展推動(dòng)了行波測距的前進(jìn)，提高了測距精度以及測距中面臨的諸多問題。本章詳細(xì)介紹了小波變換的原理及具

82、體應(yīng)用以及數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)理論，并且將這兩個(gè)檢測工具進(jìn)行了優(yōu)劣對(duì)比。</p><p>　　3.1小波變換基礎(chǔ)理論</p><p>　　在實(shí)際工程領(lǐng)域，確定性的時(shí)間域內(nèi)的信號(hào)往往是需要人為分析求解的，一般可分為兩大類：平穩(wěn)信號(hào)和非平穩(wěn)信號(hào)。平穩(wěn)信號(hào)顧名思義，變化不大，只有小的波動(dòng);非平穩(wěn)信號(hào)則上升下降很快，甚至有時(shí)候會(huì)突然發(fā)生急劇變化。對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)，由于其突變性，常常需要知道一些局部的時(shí)域

83、信號(hào)所對(duì)應(yīng)的頻譜特性，反之也往往需要了解某頻段的頻譜表現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)的時(shí)域表現(xiàn)。我們在進(jìn)行故障信號(hào)分析時(shí)，對(duì)處理信號(hào)一般有兩種方式：一是部分化時(shí)域處理，二是部分化頻域處理。這樣才能確定時(shí)域信號(hào)。有時(shí)希望在這兩個(gè)領(lǐng)域都能同時(shí)進(jìn)行較好的部分化處理，特別是針對(duì)實(shí)際需要中要滿足局部頻域的特點(diǎn)規(guī)定。傅立葉變換在時(shí)域里無用武之地，因?yàn)樗淖儞Q是針對(duì)純頻域的，它能很好的進(jìn)行頻域內(nèi)的變換，但僅僅是在頻域內(nèi)。要想對(duì)時(shí)域內(nèi)的行波信號(hào)作出局部化的分析，就必須引進(jìn)

84、新函數(shù)來彌補(bǔ)傅里葉在這方面的不足，其后就出現(xiàn)有學(xué)者在十九世紀(jì)的四十年代作出了一項(xiàng)新的變換（它的基礎(chǔ)是傅里葉變換）加窗傅立葉變換，規(guī)定為:</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式(3-1)中的g(t)為帶有緊支集的一項(xiàng)時(shí)限函數(shù)。由高等數(shù)學(xué)知識(shí)可知，加窗傅立葉變換是傅立葉變換的改良和優(yōu)化，它增加了一個(gè)時(shí)限函數(shù)后就具備了時(shí)域分析能力。因此加窗

85、傅立葉變換可以描述為:多增加了一個(gè)時(shí)限函數(shù)，然后分兩步走，在作傅立葉變換的前面增加了一個(gè)步驟：對(duì)分解后的信號(hào)先開窗。像這樣移動(dòng)的窗口，信號(hào)f (r)也被一一地分解。由于存在這樣的一個(gè)過程，這個(gè)公式中的時(shí)限函數(shù)g(t)被給予了其開窗功能，所以被叫做窗函數(shù)。由式(3-1)可見，同時(shí)屬于頻率和時(shí)間的函數(shù)，它反映出信號(hào)f (r)在時(shí)間的頻率，因而可以說加窗傅立葉變換從根本定義來講是一種針對(duì)時(shí)頻的分析法。實(shí)際信號(hào)的分量頻率是各種樣子的，并且分量也

86、合成了被我們采集到的那些信號(hào)。當(dāng)有劇烈變化的新號(hào)發(fā)生時(shí)，我們想獲得關(guān)于測距的信息，那么需要有一個(gè)短暫的時(shí)間窗，這個(gè)時(shí)間段既要短又要保證豐富的頻率信息；當(dāng)信號(hào)變化相對(duì)比較平和的話，我們所需要的信號(hào)更加注重整體的完整性，那么就希望有一個(gè)長點(diǎn)的時(shí)間窗，這樣更能看到信號(hào)的整體行為。也可以說，時(shí)間窗要變短就得增加頻率；反之頻率減小，時(shí)間窗要相應(yīng)的變長。而加窗傅立葉變換的窗函數(shù)g(t)又不能滿足上述條件，</p><p>　

87、　3.1.2小波變換的定義</p><p>　　假設(shè) 符合“容許性”條件，則把叫做一個(gè)基小波，有時(shí)也常被稱為小波基，此刻的信號(hào)f (t)要進(jìn)行小波變換，將它定義為:</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　式(3-2)中:a,b R, a>0，a與頻率相對(duì)應(yīng)，是一種衡量用的參數(shù)，b則與時(shí)間相對(duì)應(yīng)，是一種衡量距

88、離的尺度。是一系列函數(shù)族，由基小波放大縮小平移的結(jié)果，“一”這一符號(hào)表示存在共扼關(guān)系的函數(shù)。如果小信號(hào)波達(dá)到了能完全重新構(gòu)造的要求。則由其小波變換重構(gòu)得到 </p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　依據(jù)小波變換的定義可知，衡量尺度用的參數(shù)a是供小波變換使用的，可以用來對(duì)基小波進(jìn)行在平面的放大縮小，而平移參數(shù)b顧名思義可以對(duì)基小波進(jìn)行平面上

89、的左右平移。因此小波變換是具有時(shí)頻局部化性能的，但與加窗傅立葉變換相比，小波變換在暫態(tài)分析上更有優(yōu)勢，兩者又有很大差別。</p><p>　　3.1.3模極大值原理檢測信號(hào)的奇異性</p><p>　　在檢測信號(hào)是否具有奇導(dǎo)性時(shí)，信號(hào)中存在的諧波噪聲會(huì)影響檢測的效果，為了減小這些干擾因素的影響，就得先把混雜的并伴有噪音的信號(hào)全面的進(jìn)行光滑去噪。隨后進(jìn)行第二步就容易求解分析計(jì)算對(duì)相平滑了的信

90、號(hào)，求出它的一階或者二階的導(dǎo)數(shù)，最終再利用數(shù)學(xué)規(guī)定判斷一階導(dǎo)的極大值點(diǎn)或二階導(dǎo)的過零點(diǎn)，這些點(diǎn)就是可能存在的奇異點(diǎn)。多種尺度衡量的邊緣檢測是另外一種檢測方法，但它跟小波變換檢測在大致思路上保持了一致性，邊緣檢測比后者出現(xiàn)時(shí)間更早。多尺度邊緣檢測運(yùn)用了另外的手法，它可以使信號(hào)在多種不同的尺度下進(jìn)行平移潤滑，使用的是平滑函數(shù)這一工具，隨后如小波變換一樣求解一階導(dǎo)或二階導(dǎo)，再尋找檢測其可能出現(xiàn)的奇異點(diǎn)。下面可以從小波變換這一想法出發(fā)，從多方位

91、討論檢測信號(hào)奇異性所擁有的特點(diǎn)。</p><p>　　定義3.3若實(shí)函數(shù)符合下列方程:</p><p>　　(1) (3-4)</p><p>　　(2) (3-5)</p><p>

92、　　則稱該函數(shù)為平滑函數(shù)(Smoothing function)。</p><p>　　向低通濾波器（通低頻，阻高頻）輸入脈沖，得到的響應(yīng)可以看做是平滑函數(shù)。通常情況下，平滑函數(shù)是可以兩次求其微分的，其一階導(dǎo)</p><p>　　數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)分別定義為和。</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>

93、<b>　　(3-7)</b></p><p>　　因?yàn)樯厦娴暮蜐M足“容許性”的測量條件，所以它們可以當(dāng)做小波處理，它們的積分值為零。</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　(3-9) </p><

94、p>　　根據(jù)定義3.可知，函數(shù)f (t)在尺度S、變量t處的小波變換為 </p><p><b>　　(3-10)</b></p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　其中和分別為，對(duì)于尺度S的伸縮，“*”表示卷積。</p><p><b>　　據(jù)此可以導(dǎo)

95、出:</b></p><p>　　(3-12) </p><p>　　(3-13) </p><p>　　定義3.4 設(shè)是函數(shù)f (t)的小波變換，則 </p><p>　　(1)在尺度S的衡量下，若在

96、T0有一過零點(diǎn)，從小波變換的定義出發(fā)，稱T0為小波變換的局部極值點(diǎn)，相應(yīng)的稱為局部極值點(diǎn)的模大小;</p><p>　　(2)在尺度S下，若在T0的某一鄰域內(nèi)，對(duì)一切，有:</p><p>　　(3-14) </p><p>　　稱T0為小波變換的模極大值點(diǎn)，稱為模極大值。</p><p>　　3.2數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)理論&

97、lt;/p><p>　　3.2.1數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理與算法</p><p>　　上述綜合講述了小波變換的一些理論性知識(shí)和幾點(diǎn)作用，這章節(jié)講解了數(shù)學(xué)和形態(tài)學(xué)的詳盡算式方法和基礎(chǔ)的理論性知識(shí)。集合的概念在形態(tài)學(xué)和數(shù)學(xué)中有著某種相關(guān)的聯(lián)系，是結(jié)合集合的方式來描摹和敘述目標(biāo)信號(hào)。在信號(hào)的采集和取樣分析時(shí)，想要設(shè)計(jì)某種方式的“探索針”來采集信號(hào)的相關(guān)資料，這種方式通常被叫做結(jié)構(gòu)元素。設(shè)計(jì)一個(gè)簡潔明了的循環(huán)，

98、把信號(hào)里的結(jié)構(gòu)元素一個(gè)一個(gè)移動(dòng)，既能夠做比較特征描繪和分析這有用的信息。所謂的兩種說法膨脹和腐蝕其實(shí)就是這兩種最基礎(chǔ)的形態(tài)函數(shù)。假如可以認(rèn)為一維多值信號(hào)是通過待處理的信號(hào)f (n)采集得到的，其定義范圍是Df={0,1,2,3,4.......} ; g(n)為一維結(jié)構(gòu)元素序列，其定義域?yàn)镈g={0, 1, 2.........P};</p><p>　　其中P和N都是整數(shù)，N>P。則膨脹和腐蝕分別定義為

99、:</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　膨脹運(yùn)算是通過方程式中來說明，腐蝕運(yùn)算是通過方程式中表示。上述兩種方程式一個(gè)一個(gè)點(diǎn)計(jì)算可以認(rèn)為平面移動(dòng):結(jié)構(gòu)元素的最初點(diǎn)，直到這個(gè)原點(diǎn)和信號(hào)圖像上的任意點(diǎn)A重合，領(lǐng)域可以認(rèn)為是結(jié)構(gòu)元素的定義域，然后，

100、圖像上的各點(diǎn)再和結(jié)構(gòu)元素對(duì)應(yīng)的個(gè)點(diǎn)疊加(疊加是膨脹)、相減(相減是腐蝕)，得到的結(jié)果需要提取最大值和最小值，最大值就稱為線性膨脹，最小模值稱為線性腐蝕。在A點(diǎn)得到的最大值（膨脹）或者最小值（腐蝕）。</p><p>　　膨脹、腐蝕在很多場合有著許多其他不同的定義和解釋，比如另外一種:膨脹是當(dāng)信號(hào)元素f (n)結(jié)構(gòu)單元與g (n)結(jié)構(gòu)單元存在不是零的交點(diǎn)時(shí)g (n)的原點(diǎn)的一個(gè)點(diǎn)集合;腐蝕定義為是結(jié)構(gòu)元素g (n)

101、在信號(hào)f (n)的范圍內(nèi)本身的陰影區(qū)域，該區(qū)域就是能夠得到的最大的一個(gè)原點(diǎn)集合。此定義的概念可以通過上圖來加深理解。所以，膨脹也可以說是可以擴(kuò)大范圍，放大效果，還會(huì)削弱波形頂端;腐蝕就是縮小的一種變換，它會(huì)把波谷填滿。我們也可以這樣認(rèn)為，膨脹就是我們在代數(shù)里的特性關(guān)系---交換律；那么顧名思義腐蝕就是代數(shù)特性關(guān)系里的結(jié)合律，它們之間也存在著對(duì)偶性，它們之間的對(duì)偶關(guān)系如下:</p><p><b>　　(

102、3-17)</b></p><p><b>　　(3-18)</b></p><p>　　上式中定義補(bǔ)充為，上式對(duì)映射的定義是。</p><p>　　圖3.1分別通過半園結(jié)構(gòu)元素的膨脹與腐蝕示意圖</p><p>　　3.2.2運(yùn)用形態(tài)學(xué)來反映信號(hào)的奇異性</p><p>　　圖像在處

103、理的時(shí)候，在處理時(shí)運(yùn)用的邊緣檢測中會(huì)產(chǎn)生很多種梯度，這種邊緣檢測都要按照以下的原則原理:</p><p>　　信號(hào)圖的亮度變化是可以通過梯度值來體現(xiàn)的，比如在A點(diǎn)處的梯度數(shù)值比較大，那么這就表示在A點(diǎn)的信號(hào)圖就會(huì)迅速的發(fā)生明暗亮度變化，因此可能有圖像的邊緣在這個(gè)地方通過。同時(shí)還可以借用來，當(dāng)處理一維空間的電力系統(tǒng)的電壓電流圖像信號(hào)時(shí)，換句話說如果在一點(diǎn)梯度值比較大，那么這點(diǎn)或這點(diǎn)附近信號(hào)又出現(xiàn)比較明顯的變化，就是

104、有突然的變量通過這里。其最基本的物理梯度為：</p><p><b>　　(3-19)</b></p><p>　　圖3.2示出的直觀效果圖---形態(tài)學(xué)梯度圖</p><p>　　通過運(yùn)用圖象和信號(hào)處理，邊沿檢查與測量常常通過形態(tài)梯度體現(xiàn)。</p><p>　　3.3數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和小波變換在實(shí)際工程應(yīng)用中的差異</p

105、><p>　　時(shí)域和頻域的結(jié)合處理需要一種強(qiáng)有力的工具，這種表現(xiàn)出色的時(shí)域和頻率分析的方法---小波變換，就已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。自從1994年國外專家Ribro發(fā)表第一篇關(guān)于小波應(yīng)用的論文后，介紹了小波在電力系統(tǒng)的重要作用以來，國內(nèi)外對(duì)小波變換的研究如雨后春筍般涌起。但當(dāng)時(shí)由于技術(shù)原因，小波變換不具有實(shí)用化。小波變換是比較實(shí)用的數(shù)學(xué)分析方法，它的實(shí)用性是作為一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)分析工具，小波變換能夠?qū)嵱没请S著高

106、速A / D和DSP技術(shù)的發(fā)展非常迅速被廣泛使用。為什么它能受電氣工程師的關(guān)注,因?yàn)樗窃陔娏ο到y(tǒng)暫態(tài)信號(hào)分析和處理兩個(gè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢和特點(diǎn)。小波理論在以下幾個(gè)方面具有很大的優(yōu)勢與用途:暫態(tài)信號(hào)分析、壓縮和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的故障診斷和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量評(píng)估 、奇異點(diǎn)去噪和測試、壓縮與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、繼電保護(hù)和故障位置、電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析、負(fù)荷預(yù)測等國內(nèi)使用小波變換分析來解決故障定位問題。</p><p>　　應(yīng)而

107、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的作用就是構(gòu)成一種新型的圖象的處理理論和方法，在計(jì)算機(jī)數(shù)字圖象處理中形態(tài)學(xué)的圖象處理是其中一個(gè)非常重要研究領(lǐng)域。它的功能相當(dāng)強(qiáng)大，應(yīng)用范圍廣，包括圖象增強(qiáng)、修復(fù)殘缺、條理辨析、檢測邊緣、壓縮文件、生成特定征像、骨架結(jié)構(gòu)化、形狀分析、成分的分析及細(xì)化等諸多領(lǐng)域可以運(yùn)用到醫(yī)學(xué)類圖象處理、顯微圖象分析、機(jī)器人視覺、工業(yè)檢測(如印刷電路板自動(dòng)檢測)等方面，而且都受到很高的青睞。。</p><p>　　目前小波變

108、換與數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的研究主要在電力系統(tǒng)工程界中主要還是集中在兩個(gè)方面:一是利用小波變換檢測信號(hào)奇異性，二是利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)可以構(gòu)造濾波器，可以對(duì)暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行前置處理，。除此之外文章還研究了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在消噪方面和奇異性檢測方面的應(yīng)用，并指出應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)進(jìn)行波形分析可并行且快速的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)與小波變換這兩種工具都還有巨大的潛能待發(fā)掘，也需要不斷完善和創(chuàng)新。小波分析面對(duì)著一個(gè)挑戰(zhàn)是：設(shè)計(jì)和選擇小波

109、母函數(shù)，即很難設(shè)計(jì)出對(duì)于不同信號(hào)都一定具有強(qiáng)魯棒性的小波母函數(shù)。一般的做法是:選擇具有一定消失矩的各種小波母函數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，再根據(jù)算法的實(shí)時(shí)性的要求，逐步摔選，對(duì)已經(jīng)有的信號(hào)樣本，然后確定識(shí)別效果最好的一種，就用來作為實(shí)用中的小波母函數(shù)。</p><p>　　小波變換也存在很多不足之處，即計(jì)算量過大，要想獲得比較好的濾波效果，分解的層數(shù)和低通濾波器的階數(shù)必須足夠高，因其需要完整地計(jì)算出各個(gè)尺度上的低頻分量和高頻