基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的故障行波測(cè)距方法

穆杉

（華北水利水電大學(xué) 河南省鄭州市 450000）

近年來(lái)我國(guó)發(fā)展所取得的城市化成就越來(lái)越顯著，在此過(guò)程中社會(huì)生產(chǎn)生活對(duì)電力的需求也越來(lái)越強(qiáng)。為了滿足社會(huì)生產(chǎn)生活對(duì)電能的需求，針對(duì)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行保護(hù)工作受到了更高的關(guān)注，電力系統(tǒng)的覆蓋范圍在不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)的功能也隨之不斷增強(qiáng)。如果電力系統(tǒng)的線路突發(fā)故障，社會(huì)工作和居民的正常生活都會(huì)受到波及，不利于當(dāng)前我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與建設(shè)。為了將電力系統(tǒng)突發(fā)故障所帶來(lái)的不利影響與損失控制在最小范圍內(nèi)，加速修復(fù)故障問(wèn)題的工作效率，應(yīng)不斷提升對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行故障檢測(cè)的技術(shù)方法。總結(jié)過(guò)去電力系統(tǒng)故障的恢復(fù)經(jīng)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)開展的故障位置篩查，占用率過(guò)多的故障恢復(fù)時(shí)間，故障修復(fù)效率大打折扣。而加裝了故障測(cè)距裝置后，可以提升故障發(fā)生位置篩查的實(shí)際效率，避免故障持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，給社會(huì)生產(chǎn)造成較大的損失。此外，加裝了故障測(cè)距裝置后，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障原因的細(xì)致分析，對(duì)提升電力系統(tǒng)安全性提供了極大地幫助。收集電路故障中的行波，能夠發(fā)現(xiàn)其中包含的多種信息，如果能夠充分利用這些信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的靈活保護(hù)。

1 行波測(cè)距概述

如果輸電線路中的一段發(fā)生金屬性短路，短路處會(huì)有附加電壓源的出現(xiàn)。在附加電壓源影響下，故障位置的兩側(cè)母線會(huì)有行波出現(xiàn)，所謂的“故障電壓與電流”，其實(shí)就是正反向行波的累積，所以行波一般也有電壓行波或電流行波的稱呼。電橋測(cè)距原理圖如圖1 所示。

2 直流輸電線路安全性保障工作存在的問(wèn)題

2.1 運(yùn)行檢測(cè)管理制度不完善

我國(guó)的電力企業(yè)在發(fā)展的過(guò)程中，輸電線路運(yùn)檢管理工作中存在的問(wèn)題，出現(xiàn)的最重要的原因，是由于制度處于不完善的狀態(tài)。制度的規(guī)范性和統(tǒng)一性，對(duì)于工作的正常開展具有重要的意義。現(xiàn)階段電力企業(yè)繼續(xù)應(yīng)用傳統(tǒng)的輸電線路運(yùn)行檢測(cè)管理制度，在降低企業(yè)整體的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)質(zhì)量的同時(shí)，會(huì)造成運(yùn)檢管理工作中崗位職責(zé)的混亂，導(dǎo)致在實(shí)際的運(yùn)檢管理工作中出現(xiàn)員工積極性不高、員工的專業(yè)技術(shù)水平以及綜合素質(zhì)不高的問(wèn)題。

2.2 運(yùn)行檢測(cè)技術(shù)相對(duì)落后

我國(guó)的電力企業(yè)生產(chǎn)管理工作，對(duì)比發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)起步的時(shí)間較晚，在技術(shù)條件上有所欠缺，導(dǎo)致運(yùn)行監(jiān)測(cè)工作的質(zhì)量和效率相對(duì)較差。另外，一些電力企業(yè)在發(fā)展的過(guò)程中，對(duì)于先進(jìn)運(yùn)檢管理技術(shù)的認(rèn)識(shí)不足，依然采用傳統(tǒng)的、效率較低的運(yùn)檢管理模式。同時(shí)在對(duì)運(yùn)檢管理工作人員的培訓(xùn)以及先進(jìn)技術(shù)人才的儲(chǔ)備工作不足，也會(huì)導(dǎo)致輸電線路運(yùn)行檢測(cè)管理工作中，出現(xiàn)各種實(shí)際問(wèn)題。

2.3 運(yùn)行檢測(cè)工作效率較低

圖1：電橋測(cè)距原理圖

傳統(tǒng)的輸電線路運(yùn)檢管理工作中，采用的是區(qū)別管理的管理模式。將電力系統(tǒng)中，輸電線路的運(yùn)行工作與檢修工作區(qū)分為兩大方面的工作內(nèi)容。這種區(qū)別化管理的管理工作方法，雖然可以保障運(yùn)檢工作的安全、順利進(jìn)行，但是，在一定程度上會(huì)降低輸電線路運(yùn)檢工作的效率。輸電線路運(yùn)行檢測(cè)工作的效率降低，會(huì)讓運(yùn)檢的工作程序增多，對(duì)于輸電線路運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，就無(wú)法進(jìn)行及時(shí)的解決和改進(jìn)。另一方面，運(yùn)檢工作中的工作程序過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致程序處理系統(tǒng)的工作產(chǎn)生延遲，無(wú)法在發(fā)生緊急的運(yùn)行問(wèn)題時(shí)，作出合理的應(yīng)急反應(yīng)。

3 直流輸電線路故障檢測(cè)分析

3.1 完善運(yùn)檢管理制度

電力企業(yè)需要對(duì)運(yùn)檢管理模式的研究提升重視的程度，繼續(xù)應(yīng)用傳統(tǒng)的運(yùn)檢管理模式并不現(xiàn)實(shí)，會(huì)在一定程度上提升企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，比不利于企業(yè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電力企業(yè)可以針對(duì)輸電線路的管理工作制定出具體的規(guī)范文件，對(duì)輸電線路運(yùn)行檢測(cè)中各個(gè)部門具體的工作職責(zé)進(jìn)行明確的規(guī)定。

3.2 落實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的移動(dòng)化作業(yè)

現(xiàn)代化的輸電線路精益化運(yùn)檢管理工作，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)作業(yè)的方式，應(yīng)用智能化管理技術(shù)，提升運(yùn)檢管理工作的效率。在輸電線路實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)化作業(yè)，需要依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)，將輸電線路運(yùn)行中的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化的分析處理，將包括輸電桿塔的高度、位置、技術(shù)參數(shù)等各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，上傳到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便管理人員對(duì)新加入的信息以及過(guò)往的信息進(jìn)行查詢和分析。

4 故障行波測(cè)距中的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的最初被研究出來(lái)的階段，被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理工作中。特別是在計(jì)算機(jī)文字識(shí)別、醫(yī)學(xué)圖像分析的工作中，使用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法取得了比較突出的應(yīng)用效果。近年來(lái)，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法憑借其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)開始在電力系統(tǒng)保護(hù)中發(fā)揮作用。由于在電力系統(tǒng)領(lǐng)域中，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)應(yīng)用時(shí)長(zhǎng)較短，所以在形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素選擇、奇異點(diǎn)確定、濾波計(jì)算等方面還存在著一定程度的不足。但經(jīng)過(guò)多年以來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員的不懈努力，使其應(yīng)用效果得到了提升。當(dāng)前階段，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在電力系統(tǒng)保護(hù)中的價(jià)值被越來(lái)越多人所肯定。

4.1 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波效果

在數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法下得到的濾波結(jié)果，與實(shí)際工作中的各項(xiàng)條件直接相關(guān)。這里所指的的條件具體包含干擾類型、頻率、數(shù)據(jù)序列的采樣率等。因此，在實(shí)際數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法開展的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)工作實(shí)際條件事先進(jìn)行明確，重點(diǎn)分析實(shí)際的結(jié)合信號(hào)、干擾的特征。對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行工作狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生的仿真電力信號(hào)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)次數(shù)最高的干擾有高頻連續(xù)干擾、隨機(jī)背景噪聲干擾等，會(huì)疊加到正弦信號(hào)中。若正弦信號(hào)幅值為1V、工頻采樣率為100kHz 的條件，為了合理評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的濾波能力，就要在其工作過(guò)程中帶入系數(shù)。將初始信號(hào)的系數(shù)記為0，可以發(fā)現(xiàn)隨著系數(shù)的不斷增高，噪聲信號(hào)、被形態(tài)學(xué)進(jìn)行濾波處理后的信號(hào)，這兩種信號(hào)同初始信號(hào)間的差異就越為顯著。對(duì)不同長(zhǎng)度的混合濾波器和交替混合濾波器進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在不同形態(tài)下濾波效果的直流偏差有著明顯的圖像變化特征。

4.2 AC行波辨識(shí)以及距離測(cè)算

使用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法，辨別并分析電路系統(tǒng)故障發(fā)出的信號(hào)，這樣能夠快速準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)位置。對(duì)電力系統(tǒng)故障的選線與選相研究中，同歸對(duì)單相短路、兩相短路、三相短路三種存在故障的線路，與處于正常工作狀態(tài)的線路的不同電流波形圖、形態(tài)學(xué)進(jìn)行對(duì)比，可以研究發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)特征。

（1）行波達(dá)到兩側(cè)母線。這一情況就表示電力系統(tǒng)在線路區(qū)間處有了故障問(wèn)題。正常情況下初始行波具有高度的相關(guān)性，而通過(guò)明確這個(gè)原理就可以比較行波保護(hù)。

（2）如果將出現(xiàn)了故障的線路的電流行波分量，同正常運(yùn)行的線路電流行波分量進(jìn)行對(duì)比，會(huì)發(fā)現(xiàn)故障線路的電流行波分量更高，這是因?yàn)樘幱谡９ぷ鳡顟B(tài)的線路信號(hào)分量，是在故障線路透射的作用下生成的。也就是說(shuō)處于正常工作狀態(tài)的線路信號(hào)分量，是故障的線路的信號(hào)分量中的一小部分。借由這一現(xiàn)象能夠開展高質(zhì)量的故障選線工作。

（3）故障行波信號(hào)的分量效果突出，沒有發(fā)生故障的相行波分量不大，是因?yàn)闆]有發(fā)生故障的相電壓電流信號(hào)分量是由電磁耦合引起的，借由這一現(xiàn)象能夠開展故障選相工作。

（4）初始行波抵達(dá)母線的信號(hào)分量也是故障位置確切距離的重要體現(xiàn)，借由這一現(xiàn)象能夠開展行波距離保護(hù)、故障距離檢測(cè)工作。

通過(guò)對(duì)上述四點(diǎn)特征內(nèi)容的分析，可以明確的是借助數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)來(lái)分析初始行波的效果是較為顯著的。對(duì)電力系統(tǒng)故障的行波故障測(cè)距研究中，主要用到的研究方法是電流的線模分量，根據(jù)母線位置檢測(cè)到的電流波形和形態(tài)學(xué)多梯度處理分析后的結(jié)果，可以計(jì)算得出初始行波和故障位置行波抵達(dá)時(shí)刻的時(shí)間差，帶入公式后就可以大致估算出故障點(diǎn)的位置。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在電力系統(tǒng)運(yùn)行故障的檢測(cè)中，發(fā)揮了快速、簡(jiǎn)潔的功能優(yōu)勢(shì)，作為濾波算法中的一種，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法同樣也是奇異點(diǎn)檢測(cè)方法中的一種。如果在具體的工作過(guò)程中充分發(fā)揮出數(shù)學(xué)形態(tài)法的優(yōu)勢(shì)，就需要在目前乃至未來(lái)階段不斷加深對(duì)相關(guān)方法的研究力度和投入，保障數(shù)學(xué)形態(tài)方法的有效性，在暫態(tài)信號(hào)的監(jiān)測(cè)工作內(nèi)容中充分發(fā)揮數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的功能。從上文對(duì)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在電力系統(tǒng)運(yùn)行故障檢測(cè)中的應(yīng)用分析，可以明確的是這種方法可以有效地去除干擾信號(hào)對(duì)電力系統(tǒng)信號(hào)的不利影響。同時(shí)，這一方法可以起到比較顯著的降噪效果。形態(tài)學(xué)方法具有更顯著的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同信號(hào)、不同頻率下電力系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)定，能夠改進(jìn)既往應(yīng)用的電力系統(tǒng)故障檢測(cè)方法存在的不足之處。因此，在未來(lái)的電力系統(tǒng)運(yùn)行故障檢測(cè)工作中，應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的相關(guān)研究，使電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行質(zhì)量和效率得到提升。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合以上的分析內(nèi)容，可知在對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行故障進(jìn)行檢測(cè)的工作中，運(yùn)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法，能夠起到較為突出的應(yīng)用效果。特別是在技術(shù)應(yīng)用的原理與計(jì)算量層面，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法具有更顯著的優(yōu)勢(shì)。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同信號(hào)、不同頻率下電力系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)定，能夠改進(jìn)既往應(yīng)用的電力系統(tǒng)故障檢測(cè)方法存在的不足之處。因此，在未來(lái)的電力系統(tǒng)運(yùn)行故障檢測(cè)工作中，應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的相關(guān)研究，使電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行質(zhì)量和效率得到提升。