小波降噪技術在微機變壓器保護信號抗干擾中的應用

密德莉　閔守瑜　鞏　延

[摘要]提出小波方法來消除錯誤數據的干擾，為實現微機變壓器保護雙重化的可靠性提供一定的依據。

[關鍵詞]變壓器保護 錯誤數據 小波

中圖分類號：TM4文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0310027－01

大型電力變壓器是電力系統中極其重要的元件，當變壓器發生故障時，應盡快地跳開故障變壓器，使損失降低到最小限度。同時，變壓器保護在非故障情況下的誤動也將給電力系統造成巨大損失。因此實踐中對變壓器保護提出了很高的要求，包括可依賴性（不拒動）、安全性（不誤動）、速動性和足夠的靈敏度。隨著大容量變壓器應用的日益增多以及電力系統其它因素的影響，傳統的變壓器保護算法已無法完全適應電力系統新的要求，因此有必要對變壓器保護展開新的研究工作。電力變壓器保護裝置可能受到錯誤數據干擾的危害，保護中的錯誤數據直接影響保護裝置的性能，因此錯誤數據的診斷和處理非常重要。

一、小波變換技術在變壓器保護信號抗干擾中的應用

典設選用二次諧波制動的差動保護及波形對稱原理的變壓器差動保護作主保護，其原因是利用各自的優勢，進行互補。現在較成熟的變壓器差動保護都是利用一次諧波制動原理躲勵磁涌流的方式，但使用一次諧波制動原理，眾所周知，當變壓器有涌流時發生單相或兩相內部故障，差動保護因涌流制動而不動作。大型變壓器時間常數都很長，一般涌流過程超過5s，在發生上述故障時，主保護等到涌流消失才能出口，延誤動作時間。而波形對稱原理的變壓器差動保護是利用一種波形對稱算法，將變壓器在空載合閘時產生的勵磁涌流和故障電流區分開，具體的方法是首先將流入繼電器的差流進行微分，將微分后差流的前半波和后半波作對稱比較。當變壓器合閘時發生故障，利用波形對稱原理計算，保護不受健全相的影響，都有明顯的特征，能快速出口，即都能做到可靠動作。另外，在變壓器空載合閘合于5%的匝間故障的試驗時，一次諧波制動原理的差動保護，出口時間一般都在100ms，而波形對稱原理的變壓器差動保護出口時間在25ms左右。零差保護對變壓器故障，尤其是自禍變壓器的內部故障有很高的靈敏度，且不受勵磁涌流的影響，但在現場，因其極性試驗非常困難，以往零差保護誤動情況很多，因此，對于零差保護的應用原則是：如果裝置中有自動檢驗零差保護極性功能的可以使用，如不具備上述功能的，建議不使用。

小波變換（wavelet transform）是80年代后期發展起來的應用數學分支。它具有多分辨率的特點，可以由粗及細的逐步觀察信號。小波的種類有很多，對于某個具體問題，應找到適合該問題的一種合適的小波，也就是采用該種小波以后，效果更明顯。對于變壓器電流的抗干擾問題，首先要搞清干擾種類，是單個的還是多個連續的干擾？是正干擾還是負干擾，還是兩者都有？由于我們主要研究少量突跳點的情況，注意到db系列或bior系列小波的波形特點是具有幅度相當的波峰和波谷，因此可同時、同程度地反應正負干擾，因此選db系列或bior系列的小波。

效果好的硬件抗干擾措施能夠有效降噪，而小波變換的特性可以被用來很好的降噪，這里就bior系列的小波詳細的說明這一點。設原信號short5（original signal），干擾白噪聲0.3randn（random signals），干擾后信號s（disturbed signal）。用小波變換來消噪，運用matlab中的工具仿真，取基本小波bior分三步：第一步，將s分解為al和dl，其中dl是第一級噪聲，al是一次消噪后的信號；第二步，將al分解為a2和d2，其中d2是第二級噪聲，a2是第二消噪后的信號；第三步，將a2分解為a3和d3，其中d3是第三級噪聲，a3是第三次消噪后的信號，經比較發現a3是原信號（original signal）的較理想恢復。由此可得：小波變換消噪的效果是很好的。小噪聲影響保護裝置的性能，波變換的多采樣率分析能有效去除噪聲，同樣，多采樣率分析提取了各級噪聲，噪聲的提取對于分析噪聲源及設法去除噪聲都是極有價值的。

二、小波變換診斷算法的實現

短路發生前后均出現周期性的亮度改變，提示小波變換結果有周期性的改變。更進一步發現在電流波峰、波谷及其附近，亮度低，其余部分亮度高，說明該基本小波下的小波變換的結果可以反映原信號的變化率。

在短路發生后，除波峰、波谷外其余均出現了亮度升高的情況，提示小波變換結果有明顯變大，這是因為短路后的波形較短路前有較大的改變，短路電流增大了，變化率也增加了。

發生短路點附近出現了亮度變化，提示該處的波形有改變，更進一步觀察發現，當尺度s增大時，亮度升高，提高尺度下的小波波形與短路點處的波形更接近，因此理論上可由此確定短路時間；但S增大，亮度增大的同時高亮度部分在時間上變寬，這又使得確定短路時間變得困難。

發生干擾點附近出現了很強的亮度變化，提示該處的波形有改變，更進一步觀察發現，當尺度：增大，高亮度部分在時間上變寬，這又使得確定干擾時間變得困難。

三、小波變換算法評價

對于可允許的時間較短且錯誤數據不多或數據受干擾幅度不大（易于擬合和重建），那么可選小波變換方法。小波變換的判定門檻值隨輸入信號和干擾信號的幅度不同而改變，具體來講就是對于一定幅度的干擾，變壓器在各個運行方式下的電流都需要有不同的門檻值。干擾點的檢測門檻值應該滿足下面的條件：（1）躲過正常電流下的小波變換峰值；（2）躲過短路電流下的小波變換峰值；（3）躲過短路點的小波變換值。對于不同幅度的干擾，這些值都要重新算過，其系數將是一個復雜的二維矩陣；在具體過程中，插值擬和的效果會直接影響到該萬法的有效性；不僅如此，變壓器在某些運行方式下的電流變化幅度較大（特別是短路電流較大），而干擾幅度卻很小，這時候某些未受干擾點的電流信號變換后的結果比受干擾點的變換結果大，這時候就會導致誤判，將正常點的信號當作受干擾點的信號進行計算，結果是死循環，小波變換此時失效。

四、結論

變壓器保護在非故障（如勵磁涌流、過勵磁等）情況下的誤動也將給電力系統造成巨大損失。為此文中針對變壓器保護裝置中受到的數據干擾提出了小波變換的方法來診斷錯誤數據。實踐證明該方法具有有效的降噪性。