基于小波變換的輸電線路故障類型識別方法研究

郭嘉睿，張滔，郭以重，高淑萍，何正浩

（1.廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣東廣州 510000；2.華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北武漢 430074）

輸電線路故障跳閘的原因主要分為雷擊與非雷擊2 大類。雷擊故障包括雷電反擊與雷電繞擊導致的故障，非雷擊故障包括樹障、山火、飄掛物、覆冰、風偏、施工機具碰線等，具體如圖1 所示。

圖1 輸電線路故障類型

各種故障類型之間的典型故障行波電流波形之間有著明顯的區別，包括：①樹障的行波幅值較小，主波前有間歇性閃絡，上升沿比其他高阻接地故障更陡；②山火所造成的故障主波前一般存在微弱預放電，上升沿較平緩，持續時間長，無明顯預放電特征，下降沿較平緩，持續時間長，整體波形較平滑；③施工機具碰線故障行波幅值一般為數百千安到數千千安，上升沿較陡峭，波尾下降沿比其他非雷擊故障更陡峭等。但在實際工作中，由于故障情況的復雜多變，這些分類彼此之間的區別并不明顯。比如，同樣是風偏，絕大多數情況都是風偏導致導線對桿塔放電，但是如果是風偏導致導線對附近樹或者其他物體放電，在管理上也可以歸到風偏當中。甚至比如樹線放電、山火、異物短路、車輛碰線等都可以統一歸到外破這一類當中。所以要直接從行波按照這樣的分類識別出故障可能難度比較大。

1 現有數據頻譜的定量分析

采用的是小波變換的分析方法來分析各個故障類型在頻域上的能量分布特點。因為小波變換可以將正頻率軸劃分為鄰接的若干頻帶，實現信號的無重疊全頻帶分解，得到信號在各個頻帶上的信息[1]。

對信號進行N尺度小波分解，可以得到N+1 個頻段，每一頻段的能量為該尺度下信號的平方和，信號的總能量可以看成各頻段信號能量之和。N=8 和N=10的頻帶范圍劃分分別如表1 和表2 所示。

表1 頻帶范圍劃分（N=8）

表2 頻帶范圍劃分（N=10）

分析每一頻段能量占信號總能量的比值，來作為定量分析行波信號頻率分布的手段[2]。

2 分析結果

2.1 尺度N=8

N=8 時故障電流頻譜分析如圖2 所示。從圖2 的結果中可以看到，不同原因的故障其電流行波的頻譜有著很大的差異。

圖2 N=8 時故障電流頻譜分析

首先對于繞擊故障，最明顯特點是高頻分量的能量在信號總能量中的占比是幾種故障原因當中最大的。信號的主要能量分布在第3 頻帶和第4 頻帶，并且能量在各頻帶的分布相對均勻，每一個頻帶的能量占比基本都在50%以下。這也與之前分析的結論相符。

其次差異最明顯的就是飄掛物故障。這種類型的故障，其電流行波的能量集中分布在第1 頻帶，這一頻帶的能量占比達到了91.33%，而前3 個頻帶的能量占比達到了98.26%。所以該故障是能量分布最集中（f＜15.625 kHz）、高頻分量最少的一類故障。

在幾種非雷擊故障當中，風偏故障高頻分量的能量占比要明顯高于外破、鳥害、舞動引流斷線、山火這幾類非雷擊故障，是高頻分量最多的非雷擊故障。

在這一分解尺度（N=8）下，鳥害、外破、舞動引流斷線、山火等4 種原因的故障在頻帶的能量分布上十分接近，難以直接分辨。對于鳥害、外破、舞動引流斷線這3 種故障，60%～70%的能量分布在第1 頻帶；絕大多數能量集中在前4 個頻帶（f＜31.25 kHz）；外破故障在第4 頻帶之后的能量占比略高于鳥害故障；舞動引流斷線引起的故障能量分布相對集中，第2 頻帶和第3 頻帶的能量占比分別約為20%和15%；山火故障也與舞動引流斷線的頻帶能量分布十分相似，只是山火故障在第2 頻帶和第3 頻帶的能量占比略高于舞動引流斷線故障。

說明N=8 的分解尺度將0～3.906 25 kHz 劃分為一整個頻帶，還過于粗糙，無法有效地分辨出鳥害、山火、外破、舞動引流斷線這4 類故障，還需要更細化的分解尺度。

2.2 尺度N=10

N=10 時頻帶能量分布情況如圖3 所示。

圖3 N=10 時故障電流頻譜分析

可以明顯看出來繞擊故障的高頻分量的能量占比是所有故障當中最大的，同樣的對于飄掛物故障也可以明顯地看出其低頻分量的占比仍然是所有故障類型中最小的。

對于風偏故障，其高頻分量的能量占比是所有非雷擊故障當中最大的，主要集中在第4頻帶（3.906 25～7.812 5 kHz）和第5 頻帶（7.812 5～15.625 kHz）；各個頻帶的能量分布相對平均，均不超過35%。

對于山火故障，其信號的能量在第1 頻帶到第5頻帶分布相對均勻，并且能量也主要分布于這5 個頻帶當中。對于外破、鳥害和舞動引流斷線這3 類故障，其頻帶能量分布在第4 頻帶及其之后在占比和減小趨勢上均十分相似，其中舞動引流斷線在第4 頻帶及其之后能量占比略高；這3 類故障在前3 個頻帶有著顯著的差異。對于外破故障，其第1 頻帶的能量占比是三類故障當中最低的，第3 頻帶的能量占比是3 類故障當中最高的；可以認為舞動引流斷線故障的第1 頻帶的能量占比略低于鳥害故障，這2 類故障用此方法還不能很顯著地從頻域區分開來。

這2 類故障在國標當中沒有提及其典型波形，但是從已有的數據中來看，舞動引流斷線的行波幅值普遍在1 kA 以上，甚至可達十幾千安，但鳥害的行波幅值普遍在數百安。舞動引流斷線行波幅值如圖4 所示，鳥害的行波幅值如圖5 所示。

圖4 舞動引流斷線行波幅值

圖5 鳥害的行波幅值

3 結論

從以上的結果中可以看到，不同原因引起的故障電流行波的頻帶能量分布往往具有較大差異，可以通過進一步分析差異量來實現輸電線路故障識別。但是即使是同一種原因引起的故障，其電流行波的頻帶能量分布也是有很大差異的。比如在繞擊故障當中，列出了9 個繞擊故障的頻帶能量分布，互相之間也存在著很大的差異；在鳥害故障當中，第1 起故障就明顯和其他鳥害故障不同，因此在故障判別的過程中，還需要將其他因素作為分析的判據。