小波降噪技术在微机变压器保护信号抗干扰中的应用

密德莉　闵守瑜　巩　延

[摘要]提出小波方法来消除错误数据的干扰，为实现微机变压器保护双重化的可靠性提供一定的依据。

[关键词]变压器保护 错误数据 小波

中图分类号：TM4文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0310027－01

大型电力变压器是电力系统中极其重要的元件，当变压器发生故障时，应尽快地跳开故障变压器，使损失降低到最小限度。同时，变压器保护在非故障情况下的误动也将给电力系统造成巨大损失。因此实践中对变压器保护提出了很高的要求，包括可依赖性（不拒动）、安全性（不误动）、速动性和足够的灵敏度。随着大容量变压器应用的日益增多以及电力系统其它因素的影响，传统的变压器保护算法已无法完全适应电力系统新的要求，因此有必要对变压器保护展开新的研究工作。电力变压器保护装置可能受到错误数据干扰的危害，保护中的错误数据直接影响保护装置的性能，因此错误数据的诊断和处理非常重要。

一、小波变换技术在变压器保护信号抗干扰中的应用

典设选用二次谐波制动的差动保护及波形对称原理的变压器差动保护作主保护，其原因是利用各自的优势，进行互补。现在较成熟的变压器差动保护都是利用一次谐波制动原理躲励磁涌流的方式，但使用一次谐波制动原理，众所周知，当变压器有涌流时发生单相或两相内部故障，差动保护因涌流制动而不动作。大型变压器时间常数都很长，一般涌流过程超过5s，在发生上述故障时，主保护等到涌流消失才能出口，延误动作时间。而波形对称原理的变压器差动保护是利用一种波形对称算法，将变压器在空载合闸时产生的励磁涌流和故障电流区分开，具体的方法是首先将流入继电器的差流进行微分，将微分后差流的前半波和后半波作对称比较。当变压器合闸时发生故障，利用波形对称原理计算，保护不受健全相的影响，都有明显的特征，能快速出口，即都能做到可靠动作。另外，在变压器空载合闸合于5%的匝间故障的试验时，一次谐波制动原理的差动保护，出口时间一般都在100ms，而波形对称原理的变压器差动保护出口时间在25ms左右。零差保护对变压器故障，尤其是自祸变压器的内部故障有很高的灵敏度，且不受励磁涌流的影响，但在现场，因其极性试验非常困难，以往零差保护误动情况很多，因此，对于零差保护的应用原则是：如果装置中有自动检验零差保护极性功能的可以使用，如不具备上述功能的，建议不使用。

小波变换（wavelet transform）是80年代后期发展起来的应用数学分支。它具有多分辨率的特点，可以由粗及细的逐步观察信号。小波的种类有很多，对于某个具体问题，应找到适合该问题的一种合适的小波，也就是采用该种小波以后，效果更明显。对于变压器电流的抗干扰问题，首先要搞清干扰种类，是单个的还是多个连续的干扰？是正干扰还是负干扰，还是两者都有？由于我们主要研究少量突跳点的情况，注意到db系列或bior系列小波的波形特点是具有幅度相当的波峰和波谷，因此可同时、同程度地反应正负干扰，因此选db系列或bior系列的小波。

效果好的硬件抗干扰措施能够有效降噪，而小波变换的特性可以被用来很好的降噪，这里就bior系列的小波详细的说明这一点。设原信号short5（original signal），干扰白噪声0.3randn（random signals），干扰后信号s（disturbed signal）。用小波变换来消噪，运用matlab中的工具仿真，取基本小波bior分三步：第一步，将s分解为al和dl，其中dl是第一级噪声，al是一次消噪后的信号；第二步，将al分解为a2和d2，其中d2是第二级噪声，a2是第二消噪后的信号；第三步，将a2分解为a3和d3，其中d3是第三级噪声，a3是第三次消噪后的信号，经比较发现a3是原信号（original signal）的较理想恢复。由此可得：小波变换消噪的效果是很好的。小噪声影响保护装置的性能，波变换的多采样率分析能有效去除噪声，同样，多采样率分析提取了各级噪声，噪声的提取对于分析噪声源及设法去除噪声都是极有价值的。

二、小波变换诊断算法的实现

短路发生前后均出现周期性的亮度改变，提示小波变换结果有周期性的改变。更进一步发现在电流波峰、波谷及其附近，亮度低，其余部分亮度高，说明该基本小波下的小波变换的结果可以反映原信号的变化率。

在短路发生后，除波峰、波谷外其余均出现了亮度升高的情况，提示小波变换结果有明显变大，这是因为短路后的波形较短路前有较大的改变，短路电流增大了，变化率也增加了。

发生短路点附近出现了亮度变化，提示该处的波形有改变，更进一步观察发现，当尺度s增大时，亮度升高，提高尺度下的小波波形与短路点处的波形更接近，因此理论上可由此确定短路时间；但S增大，亮度增大的同时高亮度部分在时间上变宽，这又使得确定短路时间变得困难。

发生干扰点附近出现了很强的亮度变化，提示该处的波形有改变，更进一步观察发现，当尺度：增大，高亮度部分在时间上变宽，这又使得确定干扰时间变得困难。

三、小波变换算法评价

对于可允许的时间较短且错误数据不多或数据受干扰幅度不大（易于拟合和重建），那么可选小波变换方法。小波变换的判定门槛值随输入信号和干扰信号的幅度不同而改变，具体来讲就是对于一定幅度的干扰，变压器在各个运行方式下的电流都需要有不同的门槛值。干扰点的检测门槛值应该满足下面的条件：（1）躲过正常电流下的小波变换峰值；（2）躲过短路电流下的小波变换峰值；（3）躲过短路点的小波变换值。对于不同幅度的干扰，这些值都要重新算过，其系数将是一个复杂的二维矩阵；在具体过程中，插值拟和的效果会直接影响到该万法的有效性；不仅如此，变压器在某些运行方式下的电流变化幅度较大（特别是短路电流较大），而干扰幅度却很小，这时候某些未受干扰点的电流信号变换后的结果比受干扰点的变换结果大，这时候就会导致误判，将正常点的信号当作受干扰点的信号进行计算，结果是死循环，小波变换此时失效。

四、结论

变压器保护在非故障（如励磁涌流、过励磁等）情况下的误动也将给电力系统造成巨大损失。为此文中针对变压器保护装置中受到的数据干扰提出了小波变换的方法来诊断错误数据。实践证明该方法具有有效的降噪性。