電力系統繼電保護領域形態濾波技術的應用及問題分析

邵逸洲

摘 要：全面探討了形態濾波技術在機電保護中的應用問題，并分析了形態濾波技術在電力系統繼電保護領域的應用前景。

關鍵詞：繼電保護；形態濾波技術；電力系統；數學形態學

中圖分類號：TM771 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.153

1 數學形態學的基本論述

數學形態學是建立在嚴格數學理論上的一門學科。當前，數學形態學的思想和方法主要運用在圖像處理方面。基于形態濾波技術的形態學預算工作主要是結合二值膨脹因素和腐蝕因素對形態學中的各個子系統加以運算。運算內容包括二值結構元素集合和二值輸入集合，計算得出結構元素與輸入集合的關系以及兩者相互作用的過程。在實際運算過程中，膨脹完全是在放大處理元集合之后依據運算規則所得出的結果；腐蝕則是針對膨脹形態所進行的一種元集合縮小處理。函數與本影的關系即函數、本影是描述函數的二值形態。形態濾波是一種幾何模式，它可以用來探測信號的集合模式和部分目標圖像，與線性無關。形態濾波是利用二值形態學的方法在集中信號方面處理濾波目標，具體結合結構元素和一維輸入，將信號當作計算函數的標準。一維信號與二維信號不同，需要使用兩個特定形式的字符表示定義域和集合等。總的來說，數學形態學具有一定形態的結構元素來量度和提取圖像中的對應形狀，以達到分析和識別圖像的目的。

2 多分辨形態學梯度的應用

多分辨形態學梯度的運算原理就是運用扁平結構函數計算出腐蝕和膨脹的分數差。結構函數的位置影響著運算結構的變化，它的運算結構與部分極小值或極大值有一定的相關性。在使用這種多分辨形態學的梯度技術時，不僅需要重視對暫態信號的識別與處理，還需要有效控制信號中的穩態分量，且結構元素的寬度設計要科學，梯度級數的設計要合理。

暫態保護和電壓信號頻率研究都可以通過分辨形態學梯度來實現。在測量電力系統中電壓分量波形的時候，通過設置與地面接觸的輸電系統故障，可更好地測試信號基波分量。測試結果顯示，產生故障的主要原因是行波中出現的自行故障和電弧產生的故障分量。如圖1所示，仿真設置一個與地面接觸的400 kV EHV輸電系統故障，線模電壓分量波形在保護安裝處的測量顯示，一部分暫態信號分量產生于故障行波，另一部分來源于故障點電弧產生的高頻分量。暫態信號分量在輸電線上傳播，在電氣間斷點處發生透射和反射。如圖2所示，應用多分辨形態梯度技術進行2級分析，可將扁平結構元素的初始寬度設為8個采樣點。通過分析可以確定暫態波頭到達的時間，以波頭極性的反映判斷出入射波頭的來源。如圖3所示，使用100 μs數據窗和40 kHz中心頻率的小波變換處理同樣的輸入信號（CW是小波變換的綜合系數），也能達到分析效果。不過，8 μs的多分辨形態梯度數據窗分析比小波分析的時延短，而且形態梯度分析更規則，易于識別，且計算量較小，易于操作。根據上述對兩種不同方式的比較分析可知，多分辨形態梯度技術更適合于暫態的超高速保護。因此，要想在電力系統內實現對暫態的有效保護，應先合理識別和提取暫態的波頭。這不僅關系到對暫態的保護結果，還關系到對電力系統的故障測試。

3 形態學信號分解的應用

形態學信號分解主要是定性、定量分析當前社會發展中時空因素對信號復雜性的影響，然后對其進行合理、有效的控制。在當前的實際工作中，應用形態學的原理、規范管理、控制趨勢和對空間的轉化來完成信號的復雜處理，然后處理函數和其他數學概念。二值基本運算的運用以一系列簡單的信號分量作為參考分析，得出多種不同的處理信號波形的技術，實現了濾波技術在繼電保護中的科學應用。通過對形態學信號分解概念的初步認識，了解到形態學信號分解技術主要應用于變壓器中勵磁涌流的識別中。在變壓器的勵磁涌流中，由于輸入的電流信號包括正波形和負波形，只有二次分解每一級的信號，才能提高信號分解的準確性，提高形態學信號分解在勵磁涌流中的識別度。在應用結構函數的過程中，通過迭代次數推導和多次分解的濾波信號揭示勵磁涌流的特征，以完成形態學信號分解的主要目標。

圖1 單相接地故障線模電壓分量波形

圖2 多分辨形態梯度分析結果 圖3 小波分析結果

4 結束語

形態濾波技術是一種很好的繼電保護方法，在運算時間、信號結構處理和信號識別方面表現出了其他繼電保護措施所無法替代的優勢。通過分析多分辨形態梯度和小波變換的暫態故障信號，我們加深了對形態濾波技術的理解，認識到形態濾波技術在電力系統繼電保護領域中的實用價值和發展潛力。

參考文獻

[1]湯磊，湯洪志，韓雪平，等.數學形態濾波在音頻大地電磁去噪中的應用[J].工程地球物理學報，2013（4）.

[2]徐麗彬.淺談形態濾波技術在繼電保護中的應用[J].機電信息，2011（36）.

〔編輯：王霞〕