电力系统继电保护领域形态滤波技术的应用及问题分析

邵逸洲

摘 要：全面探讨了形态滤波技术在机电保护中的应用问题，并分析了形态滤波技术在电力系统继电保护领域的应用前景。

关键词：继电保护；形态滤波技术；电力系统；数学形态学

中图分类号：TM771 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.153

1 数学形态学的基本论述

数学形态学是建立在严格数学理论上的一门学科。当前，数学形态学的思想和方法主要运用在图像处理方面。基于形态滤波技术的形态学预算工作主要是结合二值膨胀因素和腐蚀因素对形态学中的各个子系统加以运算。运算内容包括二值结构元素集合和二值输入集合，计算得出结构元素与输入集合的关系以及两者相互作用的过程。在实际运算过程中，膨胀完全是在放大处理元集合之后依据运算规则所得出的结果；腐蚀则是针对膨胀形态所进行的一种元集合缩小处理。函数与本影的关系即函数、本影是描述函数的二值形态。形态滤波是一种几何模式，它可以用来探测信号的集合模式和部分目标图像，与线性无关。形态滤波是利用二值形态学的方法在集中信号方面处理滤波目标，具体结合结构元素和一维输入，将信号当作计算函数的标准。一维信号与二维信号不同，需要使用两个特定形式的字符表示定义域和集合等。总的来说，数学形态学具有一定形态的结构元素来量度和提取图像中的对应形状，以达到分析和识别图像的目的。

2 多分辨形态学梯度的应用

多分辨形态学梯度的运算原理就是运用扁平结构函数计算出腐蚀和膨胀的分数差。结构函数的位置影响着运算结构的变化，它的运算结构与部分极小值或极大值有一定的相关性。在使用这种多分辨形态学的梯度技术时，不仅需要重视对暂态信号的识别与处理，还需要有效控制信号中的稳态分量，且结构元素的宽度设计要科学，梯度级数的设计要合理。

暂态保护和电压信号频率研究都可以通过分辨形态学梯度来实现。在测量电力系统中电压分量波形的时候，通过设置与地面接触的输电系统故障，可更好地测试信号基波分量。测试结果显示，产生故障的主要原因是行波中出现的自行故障和电弧产生的故障分量。如图1所示，仿真设置一个与地面接触的400 kV EHV输电系统故障，线模电压分量波形在保护安装处的测量显示，一部分暂态信号分量产生于故障行波，另一部分来源于故障点电弧产生的高频分量。暂态信号分量在输电线上传播，在电气间断点处发生透射和反射。如图2所示，应用多分辨形态梯度技术进行2级分析，可将扁平结构元素的初始宽度设为8个采样点。通过分析可以确定暂态波头到达的时间，以波头极性的反映判断出入射波头的来源。如图3所示，使用100 μs数据窗和40 kHz中心频率的小波变换处理同样的输入信号（CW是小波变换的综合系数），也能达到分析效果。不过，8 μs的多分辨形态梯度数据窗分析比小波分析的时延短，而且形态梯度分析更规则，易于识别，且计算量较小，易于操作。根据上述对两种不同方式的比较分析可知，多分辨形态梯度技术更适合于暂态的超高速保护。因此，要想在电力系统内实现对暂态的有效保护，应先合理识别和提取暂态的波头。这不仅关系到对暂态的保护结果，还关系到对电力系统的故障测试。

3 形态学信号分解的应用

形态学信号分解主要是定性、定量分析当前社会发展中时空因素对信号复杂性的影响，然后对其进行合理、有效的控制。在当前的实际工作中，应用形态学的原理、规范管理、控制趋势和对空间的转化来完成信号的复杂处理，然后处理函数和其他数学概念。二值基本运算的运用以一系列简单的信号分量作为参考分析，得出多种不同的处理信号波形的技术，实现了滤波技术在继电保护中的科学应用。通过对形态学信号分解概念的初步认识，了解到形态学信号分解技术主要应用于变压器中励磁涌流的识别中。在变压器的励磁涌流中，由于输入的电流信号包括正波形和负波形，只有二次分解每一级的信号，才能提高信号分解的准确性，提高形态学信号分解在励磁涌流中的识别度。在应用结构函数的过程中，通过迭代次数推导和多次分解的滤波信号揭示励磁涌流的特征，以完成形态学信号分解的主要目标。

图1 单相接地故障线模电压分量波形

图2 多分辨形态梯度分析结果 图3 小波分析结果

4 结束语

形态滤波技术是一种很好的继电保护方法，在运算时间、信号结构处理和信号识别方面表现出了其他继电保护措施所无法替代的优势。通过分析多分辨形态梯度和小波变换的暂态故障信号，我们加深了对形态滤波技术的理解，认识到形态滤波技术在电力系统继电保护领域中的实用价值和发展潜力。

参考文献

[1]汤磊，汤洪志，韩雪平，等.数学形态滤波在音频大地电磁去噪中的应用[J].工程地球物理学报，2013（4）.

[2]徐丽彬.浅谈形态滤波技术在继电保护中的应用[J].机电信息，2011（36）.

〔编辑：王霞〕