邵逸洲

摘 要：全面探討了形態(tài)濾波技術(shù)在機(jī)電保護(hù)中的應(yīng)用問(wèn)題，并分析了形態(tài)濾波技術(shù)在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù)；形態(tài)濾波技術(shù)；電力系統(tǒng)；數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM771 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.153

1 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本論述

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是建立在嚴(yán)格數(shù)學(xué)理論上的一門(mén)學(xué)科。當(dāng)前，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的思想和方法主要運(yùn)用在圖像處理方面?；谛螒B(tài)濾波技術(shù)的形態(tài)學(xué)預(yù)算工作主要是結(jié)合二值膨脹因素和腐蝕因素對(duì)形態(tài)學(xué)中的各個(gè)子系統(tǒng)加以運(yùn)算。運(yùn)算內(nèi)容包括二值結(jié)構(gòu)元素集合和二值輸入集合，計(jì)算得出結(jié)構(gòu)元素與輸入集合的關(guān)系以及兩者相互作用的過(guò)程。在實(shí)際運(yùn)算過(guò)程中，膨脹完全是在放大處理元集合之后依據(jù)運(yùn)算規(guī)則所得出的結(jié)果；腐蝕則是針對(duì)膨脹形態(tài)所進(jìn)行的一種元集合縮小處理。函數(shù)與本影的關(guān)系即函數(shù)、本影是描述函數(shù)的二值形態(tài)。形態(tài)濾波是一種幾何模式，它可以用來(lái)探測(cè)信號(hào)的集合模式和部分目標(biāo)圖像，與線(xiàn)性無(wú)關(guān)。形態(tài)濾波是利用二值形態(tài)學(xué)的方法在集中信號(hào)方面處理濾波目標(biāo)，具體結(jié)合結(jié)構(gòu)元素和一維輸入，將信號(hào)當(dāng)作計(jì)算函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。一維信號(hào)與二維信號(hào)不同，需要使用兩個(gè)特定形式的字符表示定義域和集合等。總的來(lái)說(shuō)，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素來(lái)量度和提取圖像中的對(duì)應(yīng)形狀，以達(dá)到分析和識(shí)別圖像的目的。

2 多分辨形態(tài)學(xué)梯度的應(yīng)用

多分辨形態(tài)學(xué)梯度的運(yùn)算原理就是運(yùn)用扁平結(jié)構(gòu)函數(shù)計(jì)算出腐蝕和膨脹的分?jǐn)?shù)差。結(jié)構(gòu)函數(shù)的位置影響著運(yùn)算結(jié)構(gòu)的變化，它的運(yùn)算結(jié)構(gòu)與部分極小值或極大值有一定的相關(guān)性。在使用這種多分辨形態(tài)學(xué)的梯度技術(shù)時(shí)，不僅需要重視對(duì)暫態(tài)信號(hào)的識(shí)別與處理，還需要有效控制信號(hào)中的穩(wěn)態(tài)分量，且結(jié)構(gòu)元素的寬度設(shè)計(jì)要科學(xué)，梯度級(jí)數(shù)的設(shè)計(jì)要合理。

暫態(tài)保護(hù)和電壓信號(hào)頻率研究都可以通過(guò)分辨形態(tài)學(xué)梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在測(cè)量電力系統(tǒng)中電壓分量波形的時(shí)候，通過(guò)設(shè)置與地面接觸的輸電系統(tǒng)故障，可更好地測(cè)試信號(hào)基波分量。測(cè)試結(jié)果顯示，產(chǎn)生故障的主要原因是行波中出現(xiàn)的自行故障和電弧產(chǎn)生的故障分量。如圖1所示，仿真設(shè)置一個(gè)與地面接觸的400 kV EHV輸電系統(tǒng)故障，線(xiàn)模電壓分量波形在保護(hù)安裝處的測(cè)量顯示，一部分暫態(tài)信號(hào)分量產(chǎn)生于故障行波，另一部分來(lái)源于故障點(diǎn)電弧產(chǎn)生的高頻分量。暫態(tài)信號(hào)分量在輸電線(xiàn)上傳播，在電氣間斷點(diǎn)處發(fā)生透射和反射。如圖2所示，應(yīng)用多分辨形態(tài)梯度技術(shù)進(jìn)行2級(jí)分析，可將扁平結(jié)構(gòu)元素的初始寬度設(shè)為8個(gè)采樣點(diǎn)。通過(guò)分析可以確定暫態(tài)波頭到達(dá)的時(shí)間，以波頭極性的反映判斷出入射波頭的來(lái)源。如圖3所示，使用100 μs數(shù)據(jù)窗和40 kHz中心頻率的小波變換處理同樣的輸入信號(hào)（CW是小波變換的綜合系數(shù)），也能達(dá)到分析效果。不過(guò)，8 μs的多分辨形態(tài)梯度數(shù)據(jù)窗分析比小波分析的時(shí)延短，而且形態(tài)梯度分析更規(guī)則，易于識(shí)別，且計(jì)算量較小，易于操作。根據(jù)上述對(duì)兩種不同方式的比較分析可知，多分辨形態(tài)梯度技術(shù)更適合于暫態(tài)的超高速保護(hù)。因此，要想在電力系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)暫態(tài)的有效保護(hù)，應(yīng)先合理識(shí)別和提取暫態(tài)的波頭。這不僅關(guān)系到對(duì)暫態(tài)的保護(hù)結(jié)果，還關(guān)系到對(duì)電力系統(tǒng)的故障測(cè)試。

3 形態(tài)學(xué)信號(hào)分解的應(yīng)用

形態(tài)學(xué)信號(hào)分解主要是定性、定量分析當(dāng)前社會(huì)發(fā)展中時(shí)空因素對(duì)信號(hào)復(fù)雜性的影響，然后對(duì)其進(jìn)行合理、有效的控制。在當(dāng)前的實(shí)際工作中，應(yīng)用形態(tài)學(xué)的原理、規(guī)范管理、控制趨勢(shì)和對(duì)空間的轉(zhuǎn)化來(lái)完成信號(hào)的復(fù)雜處理，然后處理函數(shù)和其他數(shù)學(xué)概念。二值基本運(yùn)算的運(yùn)用以一系列簡(jiǎn)單的信號(hào)分量作為參考分析，得出多種不同的處理信號(hào)波形的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了濾波技術(shù)在繼電保護(hù)中的科學(xué)應(yīng)用。通過(guò)對(duì)形態(tài)學(xué)信號(hào)分解概念的初步認(rèn)識(shí)，了解到形態(tài)學(xué)信號(hào)分解技術(shù)主要應(yīng)用于變壓器中勵(lì)磁涌流的識(shí)別中。在變壓器的勵(lì)磁涌流中，由于輸入的電流信號(hào)包括正波形和負(fù)波形，只有二次分解每一級(jí)的信號(hào)，才能提高信號(hào)分解的準(zhǔn)確性，提高形態(tài)學(xué)信號(hào)分解在勵(lì)磁涌流中的識(shí)別度。在應(yīng)用結(jié)構(gòu)函數(shù)的過(guò)程中，通過(guò)迭代次數(shù)推導(dǎo)和多次分解的濾波信號(hào)揭示勵(lì)磁涌流的特征，以完成形態(tài)學(xué)信號(hào)分解的主要目標(biāo)。

圖1 單相接地故障線(xiàn)模電壓分量波形

圖2 多分辨形態(tài)梯度分析結(jié)果 圖3 小波分析結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

形態(tài)濾波技術(shù)是一種很好的繼電保護(hù)方法，在運(yùn)算時(shí)間、信號(hào)結(jié)構(gòu)處理和信號(hào)識(shí)別方面表現(xiàn)出了其他繼電保護(hù)措施所無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)分析多分辨形態(tài)梯度和小波變換的暫態(tài)故障信號(hào)，我們加深了對(duì)形態(tài)濾波技術(shù)的理解，認(rèn)識(shí)到形態(tài)濾波技術(shù)在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域中的實(shí)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：王霞〕