数学形态学在电力系统继电保护中的应用研究

论文摘要

电力系统在容量、规模、电压等级方面的飞速发展给继电保护带来了新的要求。从继电保护发展的历史来看,新理论、新技术、新材料的涌现为继电保护技术的不断完善提供了技术基础,推动了继电保护技术近百年的发展。今天,继电保护已进入信息技术领域,这是计算机技术、通信技术和数字信号处理技术发展的结果,而数字信号处理则是实现计算机继电保护的核心技术。计算机继电保护是利用数学计算方法实现故障量的测量、分析和判断的。而运算的基础是若干个离散的、量化的数字采样序列。从这一点来看,在众多可能给继电保护技术带来突破的潜在因素中,始终不应忽视信号处理技术的存在。数学形态学(MM)是继小波分析后又一个新型的数字信号处理工具。本文首先对MM的发展历史作了简要回顾,并对其理论基础作了简要介绍,在此基础上提出了两种新颖的适合于电力系统一维信号处理的MM算子,接下来探讨了利用MM技术对继电保护原理进行革新和改进的可能性,为促进基于现代处理技术的继电保护研究做了一些前瞻性的工作。MM是一门建立在集论基础之上的学科,它是几何形态分析和描述的有力工具。这门学科最早起源于对岩相学的定量描述工作,被广泛应用于信号、图像分析和处理等工程领域。不同于很多其它的信号处理技术,数学形态学面向的是信号的时域波形而不是从频域或时频域入手。作为一种非线性变换,形态学滤波器通过改变信号或图像的一些局部几何特征,便可以提取有用的信息做特征分析和描述。形态变换主要为比较运算及少量的加减运算,可以认为,与传统的数字滤波算法相比,形态学滤波单元仅占用很少的保护处理时间,它在继电保护乃至电力系统其它领域具有良好的应用前景。本文从电力系统中的实际应用出发,创造性地提出了两种MM算子——(1)级联多分辨形态学梯度变换(SMMG)作为一种新颖有效地奇异信号检测和特征提取工具; (2)多分辨形态开闭滤波器(MMOC)作为一种有力的继电保护信号处理去噪算法。详细介绍了这两种算法形成的过程和背景,给出了算法的定义,研究了算法机理,并以公式的形式给出了算法所需的数据窗长度,进行了必要的讨论。对于在本侧距离保护二段内、对侧距离保护一段内的发生故障的情况,本文中利用SMMG检测对侧保护跳闸引起的本侧序电流的二次突变量,从而构成输电线路无通道全线相继速动保护。在此基础上提出了一种自适应相继速动方案。该方案大大提高了传统的基于傅氏算法的方法的灵敏度,最大限度的消除了死区,且具有计算简单的优点。快速精确的选相是输电线路保护的正确快速动作的基础,并且选相元件还是实现单相自动重合闸的必要条件。然而传统的选相元件渐渐不能满足电力系统对继电保护越来越高的要求。本文提出了一种基于SMMG的快速选相元件。该元件利用SMMG提取模电流的工频故障分量,仿真试验证明了该方案的有效性。为了防止在系统振荡时误动,距离保护需要设置振荡闭锁元件。另一方面,在振荡中发生内部故障时,又要求保护能够有选择性的切除故障,这就需要选相元件在振荡时仍能精确测量。本文提出了一种基于SMMG的改进的振荡中不对称故障选相元件。仿真研究证明了该方法的有效性。当经历严重的外部故障时,电流差动保护可能因为电流互感器(CT)饱和而误动。在这种情况下,从相电流发生突变到差流出现之间的时间差可以用来识别内外部故障。本文提出了一种利用SMMG识别这种时间差来构成新型差动保护CT饱和闭锁方案。仿真试验证明这种方法可以实时地、精确地检测这一时间差,从而构成高速可靠的闭锁元件。本文还提出了一种多分辨形态变换技术的输电线路超高速方向保护方案。该方案首先利用一个MMOC滤波器滤除混于行波信号中的噪声干扰,然后用一个一阶多分辨形态梯度(MMG)提取电流和电压初始行波的极性,从而识别故障方向。仿真研究表明,这种MMOC滤波器能够有效滤除行波信号中的强噪声干扰,而且即使在像近区故障和发生在电压过零点的故障这样的不利条件下MMG仍能够可靠地识别波头极性。论文最后对本文的全部理论和应用研究成果进行了系统的总结,指出了数学形态学算法本身及其在电力系统继电保护的应用中有待进一步研究的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 数学形态学在电力系统中的应用现状与展望
• 1.3 论文拟探讨的主要问题
• 1.4 本文的主要工作和章节安排
• 2 数学形态学基础理论
• 2.1 引言
• 2.2 FOURIER 分析和小波分析
• 2.2.1 Fourier 分析在时频分析中的地位和作用
• 2.2.2 短时Fourier 分析的优缺点
• 2.2.3 小波变换与可调时频窗
• 2.3 数学形态学
• 2.3.1 数学形态学的产生和发展
• 2.3.2 二值形态
• 2.3.3 灰度形态
• 2.4 小结
• 3 新型数学形态学算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 级联多分辨形态学梯度变换（SMMG）
• 3.2.1 多分辨形态学梯度变换（MMG）
• 3.2.2 级联多分辨形态学梯度变换（SMMG）
• 3.3 多分辨形态开闭滤波器
• 3.3.1 多分辨形态分析
• 3.3.2 多分辨形态开闭滤波器
• 3.4 小结
• 4 基于数学形态学的微机全线相继速动原理研究
• 4.1 引言
• 4.2 全线相继速动原理
• 4.2.1 Ⅱ段内单相接地且CN 的同相跳闸
• 4.2.2 Ⅱ段区内两相接地且CN 三相跳闸
• 4.3 仿真研究
• 4.3.1 仿真模型
• 4.3.2 仿真结果分析
• 4.3.3 整定原则
• 4.4 小结
• 5 基于数学形态学的快速故障选相算法
• 5.1 引言
• 5.2 模故障分量选相元件
• 5.2.1 故障信息与继电保护
• 5.2.2 模故障分量选相元件
• 5.3 基于SMMG 和模故障分量的新型选相算法
• 5.3.1 算法描述
• 5.3.2 仿真研究
• 5.3.3 讨论和评价
• 5.4 小结
• 6 基于形态学的改进的系统振荡中不对称故障选相算法
• 6.1 引言
• 6.2 电力系统振荡及其对距离保护的影响
• 6.3 现有的振荡中发生故障的判别方法
• 6.3.1 现有的振荡中故障的检测方法
• 6.3.2 现有的振荡中故障选相方法
• 6.3.3 序分量选相元件
• 6.4 基于SMMG 的电力系统振荡中不对称故障的改进选相方案
• 6.4.1 改进的振荡中故障选相算法原理
• 6.4.2 方案描述
• 6.4.3 仿真研究及结果分析
• 6.5 小结
• 7 基于SMMG 的电流互感器饱和识别判据
• 7.1 引言
• 7.2 仿真研究及结果分析
• 7.2.1 算法描述和仿真模型建立
• 7.2.2 仿真结果分析
• 7.3 小结
• 8 多分辨形态分析在输电线路超高速保护中的应用
• 8.1 引言
• 8.2 行波方向比较式纵联保护
• 8.2.1 行波的基本概念
• 8.2.2 行波方向比较式纵联保护
• 8.3 基于多分辨形态分析的超高速方向纵联保护
• 8.3.1 基于行波的超高速保护中几个亟待解决的问题
• 8.3.2 基于MMA 的超高速方向保护的算法描述
• 8.4 仿真结果分析
• 8.4.1 仿真模型建立
• 8.4.2 利用MMOC 滤波器去噪
• 8.4.3 基本故障算例
• 8.4.4 近区故障以及故障电阻的影响
• 8.4.5 故障初始角接近于0°的情况
• 8.4.6 采样频率的影响
• 8.5 小结
• 9 全文总结
• 9.1 总结
• 9.2 有待进一步开展的工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 附录2:作为第五完成人获教育部国家自然科学奖二等奖