基于小波变换的输电线路故障类型识别方法研究

郭嘉睿，张滔，郭以重，高淑萍，何正浩

（1.广东电网有限责任公司广州供电局，广东广州 510000；2.华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430074）

输电线路故障跳闸的原因主要分为雷击与非雷击2 大类。雷击故障包括雷电反击与雷电绕击导致的故障，非雷击故障包括树障、山火、飘挂物、覆冰、风偏、施工机具碰线等，具体如图1 所示。

图1 输电线路故障类型

各种故障类型之间的典型故障行波电流波形之间有着明显的区别，包括：①树障的行波幅值较小，主波前有间歇性闪络，上升沿比其他高阻接地故障更陡；②山火所造成的故障主波前一般存在微弱预放电，上升沿较平缓，持续时间长，无明显预放电特征，下降沿较平缓，持续时间长，整体波形较平滑；③施工机具碰线故障行波幅值一般为数百千安到数千千安，上升沿较陡峭，波尾下降沿比其他非雷击故障更陡峭等。但在实际工作中，由于故障情况的复杂多变，这些分类彼此之间的区别并不明显。比如，同样是风偏，绝大多数情况都是风偏导致导线对杆塔放电，但是如果是风偏导致导线对附近树或者其他物体放电，在管理上也可以归到风偏当中。甚至比如树线放电、山火、异物短路、车辆碰线等都可以统一归到外破这一类当中。所以要直接从行波按照这样的分类识别出故障可能难度比较大。

1 现有数据频谱的定量分析

采用的是小波变换的分析方法来分析各个故障类型在频域上的能量分布特点。因为小波变换可以将正频率轴划分为邻接的若干频带，实现信号的无重叠全频带分解，得到信号在各个频带上的信息[1]。

对信号进行N尺度小波分解，可以得到N+1 个频段，每一频段的能量为该尺度下信号的平方和，信号的总能量可以看成各频段信号能量之和。N=8 和N=10的频带范围划分分别如表1 和表2 所示。

表1 频带范围划分（N=8）

表2 频带范围划分（N=10）

分析每一频段能量占信号总能量的比值，来作为定量分析行波信号频率分布的手段[2]。

2 分析结果

2.1 尺度N=8

N=8 时故障电流频谱分析如图2 所示。从图2 的结果中可以看到，不同原因的故障其电流行波的频谱有着很大的差异。

图2 N=8 时故障电流频谱分析

首先对于绕击故障，最明显特点是高频分量的能量在信号总能量中的占比是几种故障原因当中最大的。信号的主要能量分布在第3 频带和第4 频带，并且能量在各频带的分布相对均匀，每一个频带的能量占比基本都在50%以下。这也与之前分析的结论相符。

其次差异最明显的就是飘挂物故障。这种类型的故障，其电流行波的能量集中分布在第1 频带，这一频带的能量占比达到了91.33%，而前3 个频带的能量占比达到了98.26%。所以该故障是能量分布最集中（f＜15.625 kHz）、高频分量最少的一类故障。

在几种非雷击故障当中，风偏故障高频分量的能量占比要明显高于外破、鸟害、舞动引流断线、山火这几类非雷击故障，是高频分量最多的非雷击故障。

在这一分解尺度（N=8）下，鸟害、外破、舞动引流断线、山火等4 种原因的故障在频带的能量分布上十分接近，难以直接分辨。对于鸟害、外破、舞动引流断线这3 种故障，60%～70%的能量分布在第1 频带；绝大多数能量集中在前4 个频带（f＜31.25 kHz）；外破故障在第4 频带之后的能量占比略高于鸟害故障；舞动引流断线引起的故障能量分布相对集中，第2 频带和第3 频带的能量占比分别约为20%和15%；山火故障也与舞动引流断线的频带能量分布十分相似，只是山火故障在第2 频带和第3 频带的能量占比略高于舞动引流断线故障。

说明N=8 的分解尺度将0～3.906 25 kHz 划分为一整个频带，还过于粗糙，无法有效地分辨出鸟害、山火、外破、舞动引流断线这4 类故障，还需要更细化的分解尺度。

2.2 尺度N=10

N=10 时频带能量分布情况如图3 所示。

图3 N=10 时故障电流频谱分析

可以明显看出来绕击故障的高频分量的能量占比是所有故障当中最大的，同样的对于飘挂物故障也可以明显地看出其低频分量的占比仍然是所有故障类型中最小的。

对于风偏故障，其高频分量的能量占比是所有非雷击故障当中最大的，主要集中在第4频带（3.906 25～7.812 5 kHz）和第5 频带（7.812 5～15.625 kHz）；各个频带的能量分布相对平均，均不超过35%。

对于山火故障，其信号的能量在第1 频带到第5频带分布相对均匀，并且能量也主要分布于这5 个频带当中。对于外破、鸟害和舞动引流断线这3 类故障，其频带能量分布在第4 频带及其之后在占比和减小趋势上均十分相似，其中舞动引流断线在第4 频带及其之后能量占比略高；这3 类故障在前3 个频带有着显著的差异。对于外破故障，其第1 频带的能量占比是三类故障当中最低的，第3 频带的能量占比是3 类故障当中最高的；可以认为舞动引流断线故障的第1 频带的能量占比略低于鸟害故障，这2 类故障用此方法还不能很显著地从频域区分开来。

这2 类故障在国标当中没有提及其典型波形，但是从已有的数据中来看，舞动引流断线的行波幅值普遍在1 kA 以上，甚至可达十几千安，但鸟害的行波幅值普遍在数百安。舞动引流断线行波幅值如图4 所示，鸟害的行波幅值如图5 所示。

图4 舞动引流断线行波幅值

图5 鸟害的行波幅值

3 结论

从以上的结果中可以看到，不同原因引起的故障电流行波的频带能量分布往往具有较大差异，可以通过进一步分析差异量来实现输电线路故障识别。但是即使是同一种原因引起的故障，其电流行波的频带能量分布也是有很大差异的。比如在绕击故障当中，列出了9 个绕击故障的频带能量分布，互相之间也存在着很大的差异；在鸟害故障当中，第1 起故障就明显和其他鸟害故障不同，因此在故障判别的过程中，还需要将其他因素作为分析的判据。