1、基于滑动窗口和小波分析的触电信号检测方法研究 李春兰1，杜松怀2，苏 娟2，石 砦1 （1. 新疆农业大学机械交通学院，新疆 乌鲁木齐，830052；2. 中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083） 摘 要： 随着农村用电的普及，农村用电安全是亟待解决的实际问题。 针对从农村低压电网总泄漏电流中准确检测和判断触电电流信号的难题， 本文提出了一种基于滑动窗口和小波多分辨分析的触电信号检测方法。 根据电网和用电设备的正常漏电电流随着时间的变化缓慢， 而大部分故障漏电电流则会在几个周波，甚至是更短时间内发生较大变化的特点，利用滑动窗口和小波多分辨分析方法从包含噪声的总泄漏电流信号中提取触电
2、电流信号， 并将其作为末级单相剩余电流保护装置的动作判断依据， 并提出利用识别信号与实际测试值间的均方差和相似系数作为提议方法的性能评价指标。仿真结果表明， 本文提出的方法能够有效地从噪声信号中检测出微弱的触电电流信号， 其检测精度优于单一的滑动窗口检测方法。 关键词： 小波多分辨分析；滑动窗口；触电信号；信号检测 0 引言 剩余电流保护装置在农村低压电网中得到了广泛应用，为防止人身触电起到了积极而有效的作用。目前，常用且性能比较先进的剩余电流保护装置有鉴幅式和鉴幅鉴相式两类，其动作判据通常是按照低压供电回路的总泄漏电流 (03I)的幅值大于某个整定值（如 30 mA） ，或者是总泄漏电流的微
3、增量大于规定的数值。大量运行经验表明，目前在农村电网中运行的这类保护装置，由于不能从原理上检测并区分出触电者所在支路的触电电流（如幅值、相位等） ，从而常常导致较大的用电负荷合不上闸，无法正常投运（主要原因是正常泄漏电流已经接近或超过整定值） ，或者在比较恶劣的天气条件下 （如大湿度或接近饱和） 出现误动作和误跳闸。这就是目前普遍存在的、仍然困扰供电公司的剩余电流保护装置误动作和投运率低的难题。 针对上述问题，多年来国内外学者对剩余电流保护装置做了大量的技术改进 1-10。在硬件结构方面，文献 1提出利用相位检测来消除容性泄漏电流引起的误动作，同时在测量控制电路中适当增加两段延时电路来提高剩余
4、电流保护装置的暂态抗干扰能力；文献 2-5分别提出利用不同的工艺及材料制造电流传感器，以解决电流互感器磁饱和以及暂态精度不高的难题，从而提高剩余电流保护装置的灵敏度和可靠性。 在漏电信号检测方面， 文献 6-7应用小波变换中信号奇异性检测原理来提取电力暂态信号特征，实现故障信号的检测；对中性点不接地系统，文献 8根据故障、非故障支路的零序有功功率方向与大小不同实现漏电选线，文献 9利用自然直流选择性漏电保护原理来消除电网分布电容对漏电保护动作电流的影响，提高漏电选择性保护的可靠性，文献 10利用故障后暂态波形的形状、大小等特征，提出了基于相关函数的漏电故障检测方法，提高了漏电检测精度。以上研究
5、在一定程度上提高了剩余电流保护装置的检测精度，增强了小电流接地系统漏电选线的可靠性，但并未从根本上解决从总泄漏电流中提取触电信号的问题，使得剩余电流保护装置仍然不能满足电力安全的要求。2007 年以来， 国家电网公司建设新农村电气化县的标准体系对触电保护和用电安全提出了更高的要求，明确指出要将各台区剩余电流动作保护装置投运率达到 100作为运行、验收合格的必备条件。 在此背景下，本文提出了一种基于滑动窗口和小波多分辨分析的微弱触电信号检测方法。这种方法能够实现从包含噪声的总泄漏电流信号中提取触电电流信号，并作为农村末级单相剩余电流保护装置的整定变量，从而解决末级剩余电流保护装置误动作及正确投运
6、率低的问题。 1 基于滑动窗口技术的触电信号检测方法 1.1 滑动窗口算法 考虑实际现场中，能够监测到的是电网总泄漏电流03I。为了满足剩余电流保护装置的动作时间小于等于 0.1 秒的要求，取03I中 8 个周期的数据作为当前运算窗口，依次移动窗口，每次移动间隔为 1 个周期。在当前窗口中，用后 4 个周期的数据与前 4 个周期的差值作为识别的信号，并与实际测试值进行误差分析和相似性分析。 1.2 滑动窗口算法的性能评价指标 检测误差的衡量指标有多种，在此取均方差 e作为描述识别信号与实际测试信号间的误差指标，如式（ 1） ： nyxeniii=12)(（ 1） 式中， n 为 4个周期的总采
7、样点数， xi 为识别信号中第 i 个点的值， yi为实际测试信号中第 i 个点的值。均方差 e 小，说明 4个周期中提取值与实际测试值接近，反之，则表明识别值与实际测试值相差较大。 识别信号与实际测试值的相似性用相似系数 来衡量，如式（ 2）所示： =niiniiiniiyyxxyyxx12121)()()()(（ 2） 式（ 2）中， x 、 y 分别是一个窗口中识别信号、相应实际测试信号的平均值。相似系数通常介于 0 和 1 之间，相似系数等于 1，说明识别信号、相应实际测试信号完全相同；相似系数等于 0，这两个信号完全不同。从动态来看，如果相似系数趋于上升则两种信号变化趋于相同，如果相
8、似系数趋于下降，则两种信号变化趋异。 1.3 实例分析 供试信号为利用动物触电实验所测试的结果，实验动物为兔子，任意提取出十次实验 91 组实验数据中的 20 组为实验样本，其中分别包括电源电压任意时刻触电时对应的触电信号、电源电压过零时刻触电时对应的触电信号、电源电压为最大值时刻触电时对应的触电信号，典型的数据样本如图 1所示。 20 组未加噪声干扰时识别的触电电流与实际触电电流的误差分析、相关性分析如图 2、图 3 所示。 (a) 电源电压任意时刻触电时对应的触电信号 (b) 电源电压过零时刻触电时对应的触电信号 (c) 电源电压为最大值时刻触电时对应的触电信号 图 1 测试的数据样本 0
9、0.0050.010.0150.020.0251 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920数据样本均方误差 e图 2 未加噪声干扰时识别的触电电流与 实际触电电流的误差分析 0.9880.990.9920.9940.9960.99811.0021 2 3 4 5 6 7 8 91011121314151617181920数据样本相似系数 图 3 未加噪声干扰时识别的触电电流与 实际触电电流的相关性分析 图 1 中 u 为电源电压， ir为触电电流， 3i0为总泄漏电流。 2 基于滑动窗口和小波多分辨分析的触电信号检测方法 2.1 实现方法 低压电网中，存在各
10、种复杂噪声的影响，现场设备以及硬件监测装置也不可避免地存在对待检信号的噪声干扰。为了保证待检信号的检测精度，需要对待检信号进行消噪和滤波。小波变换具有良好的时频局部化特性，信号经小波多尺度变换可分解为不同尺度频率的成分，通过信号重构获取所需的有用信号。由于触电物理实验平台中使用的故障录波器采样频率为 10000Hz，为了使重构的信号满足 50 Hz的要求，对原始的总泄漏电流03I进行至多6层分解。通过大量的实验验证，母小波选择Daubechies系中的 db11母波。由于触电前后总泄漏电流和触电电流的频率为 50Hz的基频，与电网电压的频率相同，因此可由低频段分量重构基波分量，实现触电前后总泄
11、漏电流信号的降噪和滤波。某一样本信号及其在弱噪声（信噪比为 20dB） 、强噪声（信噪比为 -1dB）情况下的波形如图 4所示，相应的小波多分辨分析重构的信号如图 5所示。 (a) 原始总泄漏电流和触电电流 (b) 信噪比为 20dB 原始总泄漏电流和触电电流 (c) 信噪比为 -1dB 原始总泄漏电流和触电电流 图 4 不同情况下某样本信号波形 (a) 信噪比为 20dB 的数据样本分析 (b) 信噪比为 -1dB 的数据样本分析 图 5 不同情况下小波多分辨分析结果 图 5中的 err为检测结果和实际测试信号的绝对误差。 对 1.3节的 20组样本信号分别在弱噪声、 强噪声情况下利用小波多
12、分辨分析重构信号，再利用前述的滑动窗口算法进行触电信号提取，提取结果与仅用滑动窗口算法在同样噪声情况下提取的结果比较，如图 6、图 7、图 8、图 9所示。 00.511.522.533.544.51 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20数据样本均方误差 e直接提取信号误差分析 小波分解与重构后提取信号误差分 析图 6 20dB 信噪比水平下识别的触电电流与 实际触电电流的误差分析 00.20.40.60.811.21 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20数据样本相似系数 直
13、接提取信号相关性分析 小波分解与重构后提取信号相关性分析图 7 20dB 信噪比水平下识别的触电电流 与实际触电电流的相关性分析 01002003004005006001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20数据样本均方误差 e直接提取信号误差分析 小波分解与重构后提取信号误差分 析图 8 -1dB 信噪比水平下识别的触电电流 与实际触电电流的误差分析 00.10.20.30.40.50.60.70.80.911 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20数据样本相似系数 直接提取
14、信号相关性分析 小波分解与重构后提取信号相关性分析图 9 -1dB 信噪比水平下识别的触电电流与 实际触电电流的相关性分析 2.2 结果分析 由图 2、图 3、图 6至图 9可知： （ 1）在无噪声干扰情况下，直接根据分析窗口的信号， 利用 1.1节算法识别的触电电流的均方误差都比较小，识别的触电电流与原始测试信号的相似系数较大。 （ 2）在有噪声干扰的情况下，直接根据分析窗口的信号， 利用 1.1节算法识别的触电电流的均方误差较利用 2.1节算法在同样信噪比情况下识别的触电电流的均方误差要大，而相似系数要减小，体现了滑动窗口和小波多分辨分析结合算法的优越性。 3 结论 在噪声情况下，使用单纯
15、的滑动窗口技术识别的触电信号与实际测试信号间的均方误差较大，相似系数变小。本文提出一种基于滑动窗口和小波多分辨分析相结合的触电信号检测方法，充分发挥了小波多分辨分析的噪声抑制优势，提高了识别信号的精度。仿真结果表明，在噪声情况下，数据处理的结果可靠、有效，且检测精度较单独使用滑动窗口方法更高，更有效。 参考文献 1 Brennan P. V Residual current device with high immunity to nuisance trippingJ. IEE Proceedings on Circuits Devices and Systems, 1993, 140(2):
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