專利名稱：一種基于emd分解的特高壓直流輸電線路邊界元件方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種基于EMD分解的特高壓 直流輸電線路邊界元件方法。
背景技術(shù)：
直流輸電線路不僅傳輸功率大，而且線路發(fā)生故障后，要求線路保護(hù)裝置必須盡 可能快的切除故障，否則將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成很大的沖擊，對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。 而一般的工頻保護(hù)動(dòng)作速度慢，耗時(shí)較長(zhǎng)，難以滿足直流輸電線路保護(hù)的要求。目前，世界 上廣泛采用行波保護(hù)作為高壓直流線路保護(hù)的主保護(hù)，其單端量保護(hù)是依據(jù)電壓行波的突 變量、電壓行波變化率和電流變化梯度作為判據(jù)的，具有超高速動(dòng)作特性，不受電流互感器 飽和、系統(tǒng)振蕩和長(zhǎng)線分布電容影響等優(yōu)點(diǎn)。但相關(guān)資料顯示，目前使用的直流線路行波保 護(hù)(主要由ABB和SIEMENS兩家公司提供)都不同程度的存在著易受噪聲干擾，容易誤動(dòng) 的問(wèn)題?；蛴捎诜较蛐胁ㄗ兓适苓^(guò)渡電阻影響等問(wèn)題，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有的直流保護(hù)裝置 拒動(dòng)。目前如何提高直流線路運(yùn)行的安全性和可靠性已成為急需解決的問(wèn)題，能否對(duì)直流 線路故障進(jìn)行正確判斷是直流線路保護(hù)的關(guān)鍵。直流輸電系統(tǒng)包括直流輸電線路、直流線路兩端的平波電抗器和直流濾波器，其 中平波電抗器和直流濾波器構(gòu)成了直流輸電線路高頻暫態(tài)量的“天然”物理邊界。邊界的 頻率特性分析表明線路邊界內(nèi)外故障信號(hào)的高頻分量存在顯著的特征差異，據(jù)此可以提出 區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別的判據(jù)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用高頻分量特征的直流輸電線路單端超高速保護(hù)原理，提供一 種基于EMD分解的特高壓直流輸電線路邊界元件方法。本發(fā)明的方法按以下步驟進(jìn)行(1)直流線路發(fā)生故障后，根據(jù)保護(hù)安裝處測(cè)得的兩極直流電壓、采用 Karenbauer變換矩陣，求出線模電壓U1 U1 = (u+_u_)(1)式中，u+為正極直流電壓，u_為負(fù)極直流電壓；(2)對(duì)線模電壓進(jìn)行EMD分解，其采樣頻率為100kHz，有效采樣序列長(zhǎng)度為100 點(diǎn)，經(jīng)EMD分解得到矩陣c [m, η]，m為分解得到的IMF分量IMFt⑴(如果存在剩余分量r， 也把分解得到的r看成是IMF分量)的個(gè)數(shù)，η = 100，IMF分量為時(shí)域空間的瞬時(shí)幅值；(3) 一方面，分別對(duì)m個(gè)IMF分量求絕對(duì)值，得到m個(gè)|lMFt(i) | ；另一方面，對(duì)分 解得到的IMF分量分別進(jìn)行Hilbert變換，并求得瞬時(shí)頻率ft，并用瞬時(shí)幅值IMFt (i)的絕 對(duì)值I IMFt (i) I乘以其對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率ft并除以一個(gè)常數(shù)，取這個(gè)常數(shù)為采樣頻率fs，得 到kt⑴，為了方便敘述，稱kt⑴為瞬時(shí)幅頻量，即⑵’
其中i = 1，2，. . .，m，fs 為采樣頻率，即 IO5Hz ；(4)對(duì)不同頻率下的瞬時(shí)幅頻量kt(i)進(jìn)行求和，得到隨時(shí)間變化的幅頻量kt，并 取時(shí)域內(nèi)的最大值為k，即得到幅頻量k，⑶
/ = Ik = max (kt)(4)(5)區(qū)內(nèi)外故障的甄別判據(jù)，當(dāng)k彡10時(shí)為區(qū)外故障，當(dāng)k> 10時(shí)為區(qū)內(nèi)故障。以下是本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理1.直流輸電線路單端超高速保護(hù)原理現(xiàn)有的高壓直流線路保護(hù)(主要由ABB和SIEMENS兩家公司提供)是利用故障瞬 間所傳遞的電流、電壓行波來(lái)構(gòu)成的，是一種依據(jù)電壓行波突變量、電壓行波變化率和電流 變化梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)其快速性的單端量保護(hù)。但實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明當(dāng)直流線路經(jīng)高阻故障時(shí)， 行波保護(hù)的電壓變化率減小，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致行波保護(hù)拒動(dòng)。直流線路兩端的平波電抗器和直 流濾波器構(gòu)成了直流輸電線路高頻暫態(tài)量的“天然”物理邊界，邊界的頻率特性分析表明 線路邊界內(nèi)外故障信號(hào)的高頻分量存在顯著的特征差異。本專利基于此提出一種新的甄別 區(qū)內(nèi)外故障的方法。2.邊界元件特高壓直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1中，送電容量為5000MW，整流側(cè)和逆 變側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償容量分別為3000Mvar和3040Mvar ；每極換流單元由2個(gè)12脈沖換流器串 聯(lián)組成，直流輸電線路為六分裂導(dǎo)線，全長(zhǎng)取為1500km，采用J. R. Marti頻率相關(guān)模型；線 路兩側(cè)裝有400mH的平波電抗器；M點(diǎn)為保護(hù)安裝處。本發(fā)明創(chuàng)造性地提出了以平波電抗器和直流濾波器構(gòu)成其物理邊界，并對(duì)其幅頻 特性進(jìn)行了分析。如圖2所示，其中U1為區(qū)外暫態(tài)電壓，U2為U1經(jīng)邊界傳變至直流線路保 護(hù)安裝處的電壓；Bi、B2、B3、B4為直流濾波器避雷器,D1為平波電抗器避雷器、D2為直流母線 避雷器，本發(fā)明將避雷器I、B2、B3、B4、Dp D2統(tǒng)稱為邊界避雷器。Bp B2額定電壓為150kV， B3、B4額定電壓為75kV，D^ D2額定電壓為824kV。圖 3 中，L = 400mH、L1 = 39. 09mH、L2 = 26. 06mH、L3 = 19. 545mH、L4 = 34. 75mH、 C1 = 0. 9 μ F、C2 = 0. 9 μ F、C3 = 1. 8 μ F、C4 = 0. 675 μ F?，F(xiàn)定義邊界元件的傳遞函數(shù)H(j ω)為
「00251 H^=^~(5)
LUU 乙 3」JZ1Cjffl) + Z2(Jffl)Z1(Jw)為直流濾波器阻抗，Z2(j )為平波電抗器阻抗。邊界元件傳遞函數(shù) II (j ω)的幅頻特性如圖3。從圖3可知當(dāng)f < IOOOHz時(shí)，|H(j ω) | 0 ；當(dāng)IOOOHz < f < 2000Hz 時(shí)，H(j ω)頻譜曲線有振蕩，當(dāng) f > 2000Hz 時(shí)，|H(jco)| >-30dB，可見區(qū) 內(nèi)故障檢測(cè)到的高頻分量比區(qū)外故障時(shí)高30d因此本發(fā)明選擇f > 2000Hz為高頻分量， f ( 2000Hz為低頻分量。3. EMD分解的基本理論EMD分解是把復(fù)雜信號(hào)分解成一組稱為固有模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode function, IMF)的單分量信號(hào)的算法——經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition, EMD)算法。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的思想用振幅和頻率都隨時(shí)間變化的一種模態(tài)函數(shù)來(lái)表示信號(hào)的非平穩(wěn)性，
χ(Ι) = γα!(ι)^φχι)(6)
I = I式(6)可簡(jiǎn)寫成^M = Σ(7)用^⑴同時(shí)表征振幅和頻率的變化。其中，x(t)為非平穩(wěn)信號(hào)，at(t)為瞬時(shí) 幅值，《 (t)為瞬時(shí)相位。4.基于EMD分解的區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障的甄別圖1所示系統(tǒng)在距離保護(hù)安裝處150km處，0. 5s發(fā)生正極接地故障，線模電壓波形 如圖4(a)所示；時(shí)間窗長(zhǎng)度選取故障后1ms，采樣頻率為100kHz。本發(fā)明中，對(duì)線模電壓進(jìn)行EMD分解，有效采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度100點(diǎn)，經(jīng)EMD分解得到 c[m,n]的矩陣，m為分解得到的IMF分量(如果存在剩余分量r，也把分解得到的r看成是 IMF)的個(gè)數(shù)，η = 100，IMF分量為時(shí)域空間的瞬時(shí)幅值。一方面，分別對(duì)m個(gè)IMF分量求絕對(duì)值，得到m個(gè)| IMFt (i) | ；另一方面，對(duì)分解得 到的IMF分量分別進(jìn)行Hilbert變換，并求得瞬時(shí)頻率ft。并用瞬時(shí)幅值的絕對(duì)值乘以其 對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率ft并除以一個(gè)常數(shù)，得到kt⑴，對(duì)kt⑴進(jìn)行求和，得到kt，并取時(shí)域內(nèi)的 最大值為k，即得到幅頻量k，K =⑶
J二ιk = max (kt)(4)從圖5可以看出區(qū)外故障時(shí)，由于邊界元件對(duì)高頻的衰減作用，保護(hù)安裝處測(cè)得 的線模電壓波中的高頻分量相對(duì)較少，并且高頻分量的幅值相對(duì)很小，所以求得的k值很 小。區(qū)內(nèi)故障時(shí)，高頻分量沒有經(jīng)過(guò)邊界元件，因此高頻含量較多，其幅值也遠(yuǎn)大于區(qū)外故 障的高頻分量幅值，所以k值較大。因此，提出區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障判據(jù)k彡10，為區(qū)外故障(8a)k> 10，為區(qū)內(nèi)故障(8b)本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本方法采樣頻率為100kHz，時(shí)間窗為1ms，所需數(shù)據(jù)長(zhǎng)度較短，避開了控制系統(tǒng) 的影響。2、該方法對(duì)線路全長(zhǎng)范圍內(nèi)的各種故障類型均能正確的識(shí)別。3、本方法耐受過(guò)渡電阻的性能較強(qiáng)，不受干擾的影響，有較強(qiáng)的實(shí)用性。
圖1為云廣士SOOkV直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中F2、F3為區(qū)外故障，F(xiàn)pF4為區(qū)內(nèi) 故障，M為保護(hù)安裝處。圖2為平波電抗器和直流濾波器構(gòu)成的邊界元件圖，U1為區(qū)外的暫態(tài)電壓，U2為 U1經(jīng)邊界傳變至直流線路保護(hù)安裝處的電壓；Bp B2, B3、B4為直流濾波器避雷器諷為平波 電抗器避雷器、D2為直流母線避雷器；Lp L2, L3> L4為電感元件；Cp C2、C3> C4為電容元件。圖3為邊界元件的頻譜特性圖，f為頻率，Hz為頻率的單位，H(jco)為頻譜的幅
圖4為線模電壓波形圖，圖中t/s為時(shí)間/秒，u/kV為電壓/千伏。(a)為區(qū)內(nèi)故 障時(shí)線模電壓波形圖；(b)為區(qū)外故障時(shí)的線模電壓波形圖。圖5為本發(fā)明的幅頻量k隨時(shí)間變化圖；(a)為區(qū)內(nèi)故障時(shí)，幅頻量k隨時(shí)間變化 圖；(b)為區(qū)外故障時(shí)，幅頻量k隨時(shí)間變化圖。圖6為本發(fā)明的區(qū)內(nèi)發(fā)生正極單極接地故障、接地電阻分別為0. 1 Ω、1 Ω、10 Ω、 100 Ω時(shí)，時(shí)域內(nèi)最大幅頻量的分布圖，k> 10時(shí)滿足判距要求，圖中k為時(shí)域內(nèi)最大幅頻 量，1/km為故障發(fā)生位置距離保護(hù)安裝處的距離，單位為千米。
具體實(shí)施例方式仿真模型如圖1所示，距離保護(hù)安裝處150km處發(fā)生正極接地故障，時(shí)間窗長(zhǎng)度取 lms，采樣頻率為IOOkHz。(1)直流線路發(fā)生故障后，啟動(dòng)元件立即啟動(dòng)，根據(jù)公式U1 = (u+_u_)(1)求出線模電壓U1，線模電壓波形如圖4(a)所示；(2)對(duì)線模電壓進(jìn)行EMD分解，得到c[m，n]的矩陣，m為分解得到的IMF分量(如 果存在剩余分量r，也把分解得到的r看成是IMF)的個(gè)數(shù)，η = 100，IMF分量為時(shí)域空間的 瞬時(shí)幅值。(3) 一方面，分別對(duì)m個(gè)IMF分量求絕對(duì)值，得到m個(gè)|lMFt(i) | ；另一方面，對(duì)分 解得到的IMF分量分別進(jìn)行Hilbert變換，并求得瞬時(shí)頻率ft，根據(jù)公式Kia^fm⑵K=tk,(i)⑶
1-1k = max (kt)(4)求出幅頻量k = 122. 5024，滿足判距k > 10 (公式(8b))，判定此故障為區(qū)內(nèi)故障。本發(fā)明中對(duì)不同的故障距離、不同的接地電阻進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，得到幅頻量值k， 結(jié)果如下表所示。
權(quán)利要求
一種基于EMD分解的特高壓直流輸電線路邊界元件方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行(1)直流線路發(fā)生故障后，根據(jù)保護(hù)安裝處測(cè)得的兩極直流電壓、采用Karenbauer變換矩陣，求出線模電壓u1u1＝(u+ u )(1)式中，u+為正極直流電壓，u 為負(fù)極直流電壓；(2)對(duì)線模電壓進(jìn)行EMD分解，其采樣頻率為100kHz，采樣序列長(zhǎng)度為100點(diǎn)，經(jīng)EMD分解得到矩陣c[m，n]，m為分解得到的IMF分量IMFt(i)n＝100，IMF分量為時(shí)域空間的瞬時(shí)幅值，其中i＝1，2，...，m；(3)分別對(duì)m個(gè)IMF分量求絕對(duì)值，得到m個(gè)|IMFt(i)|，并對(duì)分解得到的IMF分量分別進(jìn)行Hilbert變換，并求得瞬時(shí)頻率ft，并用瞬時(shí)幅值IMFt(i)的絕對(duì)值|IMFt(i)|乘以其對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率ft并除以一個(gè)常數(shù)，取這個(gè)常數(shù)為采樣頻率fs，得到kt(i)，稱kt(i)為瞬時(shí)幅頻量，即 <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mo>|</mo><msub> <mi>IMF</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>|</mo><mo>×</mo><msub> <mi>f</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mi>fs</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中i＝1，2，...，m，fs為采樣頻率，即105Hz；(4)對(duì)不同頻率下的瞬時(shí)幅頻量kt(i)進(jìn)行求和，得到隨時(shí)間變化的幅頻量kt，并取時(shí)域內(nèi)的最大值為k，即得到幅頻量k， <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>t</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi></munderover><msub> <mi>k</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>k＝max(kt)(4)(5)區(qū)內(nèi)外故障的甄別判據(jù)，當(dāng)k≤10時(shí)為區(qū)外故障，當(dāng)k＞10時(shí)為區(qū)內(nèi)故障。
全文摘要
本發(fā)明為一種基于EMD分解的特高壓直流輸電線路邊界元件方法。當(dāng)直流線路發(fā)生故障，保護(hù)元件啟動(dòng)后，根據(jù)保護(hù)安裝處測(cè)得的兩極直流電壓，利用相模變換理論求出線模電壓。選取采樣序列長(zhǎng)度為100點(diǎn)的離散線模電壓信號(hào)，進(jìn)行EMD分解，得到m個(gè)IMF分量。一方面，分別對(duì)m個(gè)IMF分量求絕對(duì)值另一方面，對(duì)分解得到的IMF分量分別進(jìn)行Hilbert變換，求出瞬時(shí)頻率。并用瞬時(shí)幅值的絕對(duì)值乘以其對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率并除以采樣頻率，得到瞬時(shí)kt值。然后對(duì)m個(gè)瞬時(shí)kt值進(jìn)行疊加，并取時(shí)域空間的最大值為最終判據(jù)k，區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障。大量仿真結(jié)果表明，本發(fā)明效果良好。
文檔編號(hào)H02H7/26GK101976826SQ20101050974
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月18日
發(fā)明者劉可真, 孫士云, 安娜, 張廣斌, 戴月濤, 方毅, 束洪春, 王旭, 田鑫萃, 白挺瑋, 賀婷, 鄔乾晉 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)