DSP和小波變換在配電網接地選線中的應用

摘要：本文應用小波包良好的頻域分頻特性，以適當頻率帶寬對配電網發生單相接地故障后暫態電氣量進行分解，得到其在不同頻段下的輸出。對于中性點接地方式不同的配電網,按照能量的觀點,選擇不同的頻段，利用波形識別技術來實現故障選線。根據小波算法對硬件系統的要求，充分利用數字信號處理器DSP芯片優越的數字信號處理功能和快速的運算速度，實現了故障選線算法。并通過高壓動模實驗故障數據驗證了文中方法的正確性和可行性。
關鍵詞：DSP；小波變換；故障選線

1 引言

中性點非有效接地系統單相接地故障選線問題一直以來是電力系統繼電保護工作的重要課題?，F有的選線方法大都是基于穩態分量進行分析的，實際使用效果不夠理想。小波包(WP) 技術能夠把任何信號投影到一個由小波伸縮而成一組基函數上，可以對頻帶進行任意層次的進一步信息分解， 信息量完整無缺，在通道范圍內得到分布在不同頻帶的分解序列，能更清晰的表示故障暫態信號某頻段的時域特征, 為暫態量故障選線進行深層信息處理提供條件[1]。但對多通道高采樣率所獲得的龐大暫態數據進行小波變換，需要對采樣信號進行大量的逐層提取與分離，因而乘法運算量十分巨大。暫態信號持續時間很短，前面的數據處理部分要在短時間內完成，這就對處理器工作速度提出了很高的要求。一般微處理器系統難以滿足要求。隨著硬件技術的不斷發展，快速數字采樣芯片（高速AD）和快速信號處理器芯片（DSP）的出現為復雜算法的實現提供了硬件支持。

本文利用db6小波包分解故障暫態信號，根據不同接地方式，選擇能量集中的不同頻帶作為選線頻帶，利用波形識別技術，來判斷故障線路。在DSP芯片TMS320LF2407上進行實現，并應用高壓動模實驗的實驗數據驗證了該方法的準確性和可行性。

2.小波包選線方法

小波分析可以對信號進行有效的時頻分解，但在高頻段其頻率分辨率較差，而在低頻段其時間分辨率較差。小波包分析能夠為信號提供一種更加精細的分析方法，將頻帶進行多層次劃分，因此能對多分辨分析沒有細分的高頻部分作進一步分解。并能夠根據被分析信號的特征，自適應地選擇相應頻帶，使之與信號頻譜相匹配，從而提高了時頻分辨率，具有更廣泛的應用價值[2]。

綜合應用小波包良好的頻域分頻特性和波形識別技術，以適當頻率帶寬對配電網發生單相接地故障后暫態電氣量進行分解，得到其在不同頻段下的輸出。按照公式(3)計算分解后各頻帶信號對應的能量。

式（3）

式中 為小波包分解第(j,k)子頻段下的系數。對于中性點接地方式不同的配電網,按照能量的觀點, 選擇不同的頻帶(NUS:能量集中的高頻頻帶；NES：能量次最大的高頻頻帶)[3]。然后在所選頻帶上，最大限度保留了暫態信號的基礎上，剔除其中不支持選線要求的分量。最后進行幅值和相位的比較。由于在諧波干擾嚴重時，所選頻帶中只有少數的小波分解系數的極性由于干擾而變得沒有規律[4]，因此采用少數服從多數的原則確定選線結果。文獻【5】論證，在已知的各種小波基函數中，db6小波的支集長度為12，能量集中度高，具有最佳的局部特性，能夠在各種故障波形中較好的提取有用信號成分，因此選擇db6緊支集小波作為小波基函數。選線過程如下：

（1）以故障發生時刻對應的采樣點為基準，取故障前0.5周期、故障后4.5周期的采樣數據作為分析數據窗，用db6小波對各條線路的零序電流進行小波包分解。應先選擇適當的分解層數，層數過多則頻帶寬度過小，頻帶對應的采樣點數過少，使得判據靈敏度降低；層數過少則頻帶寬度過大，信息量增加，可能引入更多的干擾成分，降低判據的可靠性。本文每周期采樣64點，采樣周期為3200HZ，基于對以上原因，采用4層分解，每個頻帶寬度為100。