CN103529332A - 一种基于电压相关度和小波变换暂态能量分布特性的特高压直流输电线路雷击干扰识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电压相关度和小波变换暂态能量分布特性的特高压直流输电线路雷击干扰识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。当特高压直流输电线路电压发生波动时，监测初始5ms的正负极电压；计算各极电压与各自轴线电压的相关度，根据相关度大小识别雷击干扰；若为故障，转入故障分类的识别；计算线模电压的附加分量，利用db3小波对附加分量进行7尺度分解；求出高频与中低频能量的比值，区分故障类别，进行故障保护。本发明信号采集时间短，样本采集规模小，利用电压相关度理论来识别雷击干扰与故障，思路清晰，准确度高。经小波变换得到的暂态能量分布特征来识别雷击故障与短路故障，效果明显。本发明易于实现，不易受到系统参数和过渡电阻的影响。

Description

一种基于电压相关度和小波变换暂态能量分布特性的特高压直流输电线路雷击干扰识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于电压相关度和小波变换暂态能量分布特性的特高压直流输电线路雷击干扰识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

目前，运行中的高压直流输电线路行波保护方案主要有ABB和SIEMENS两种方案，前者的行波保护用极波来检测故障，用地模波来故障极，后者的行波保护用电压微分构成判据。两者的保护方案容易受过渡电阻的影响，灵敏度低，保护动作元件容易受到雷击的干扰。自2004年以来，学者又在信号时域波形图的差异、信号的高低频能量分布的特点的基础上做了大量研究，主要针对雷击干扰与故障情况的识别。高压直流输电线路出现接地故障和雷击故障时的电压行波中高低频分量存在显著差别，依此，本发明结合了相关度理论，利用接地故障和雷击故障时极电压产生的高频分量的多少来识别故障与非故障、接地故障与雷击故障。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于电压相关度和小波变换暂态能量分布特性的特高压直流输电线路雷击干扰识别方法，提高识别雷击干扰的准确度，避免因误判而导致开关跳闸。

本发明的技术方案是：一种基于电压相关度和小波变换暂态能量分布特性的特高压直流输电线路雷击干扰识别方法，其特征在于：当特高压直流输电线路电压发生雷击或故障时，检测初始5ms的正负极电压；计算各极电压与各自轴线电压的相关度，根据相关度大小识别雷击干扰；若为故障，转入故障分类的识别；计算线模电压的附加分量，通过小波变换，求出高频与中低频暂态能量的比值，区分故障类别，进行故障保护。

具体步骤进行：

（1）直流输电线路电压出现波动时，启动原件立即启动，保护安装处监测到两极输电线路5ms的正负极电压U _i （i=＋、—分别代表正负极），分别计算与各极轴电压的相关度：

                                                                                    

  （1）

式中：U _i 分别正负极电压轴线值，取值为±800kV特高压直流输电线路各极线的额定电压，即U _＋（k）=800kV，U _- （k）= -800kV；u _i为极电压采样值，k为采样点变量，N为采样点数。

若γ＞0.9时则为雷击干扰；

若γ＜0.9时则为故障，转入故障保护，进行普通接地故障与雷击故障的识别。

（2）经线模变换，得到线模电压 

,

                 

                         （2）

式中

为零模电压。取线模电压与正极轴线的差值部分，即暂态电压电压附加分量进行分析，即

                

                    （3）

式中，

、

为t时刻直流线路正负极瞬时电压，U _＋＝800kV为直流线路正极轴线电压。

（3）对

进行7尺度的小波分解,得到由高频到低频的d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、a7分量，计算各分量的能量E _i （i=1、2……7）：

               

                              （4）

其中k为采样点（k=1、2……N），

为尺度为j的第k个点的小波变换系数。

 （4）计算高频与中低频的能量之比：

             

                             （5）

若K＜0.1时则为普通接地故障，进入接地故障保护；

若K＞0.1时则为雷击故障，进入雷击故障保护。

本发明的原理是：

1.直流输电线路雷击识别

特高压直流输电线路受到雷电波冲击时，健全极电压行波围绕直流分量上下交替变化，最后衰减至零, 与轴线电压相关度趋近于1；故障极电压行波突然被截断，幅值短时间内远离直流分量，与轴线电压相关度较小。据此特征作为识别雷击干扰的判据。

接地故障时，短路电压行波由附加电源产生，高频分量少；故障性雷击时，雷电波中有大量高频分量，绝缘击穿后，迅速衰减，雷击故障最终呈现接地故障特征，经小波变换后，中低频分量与接地故障相近，故雷击故障高频能量与中低频能量比值较接地故障的大。据此特征用来识别雷击故障和接地短路故障。

2.相关分析理论

经过仿真分析可知故障与雷击干扰的电压波形存在较大差别，可以考虑根据电压波形的变化趋势这一特征来进行雷电干扰识别，基于此提出利用相关度检测的方法对该特征进行提取。相关度定义如下：

             

                          （1）

式中：U _i 分别正负极电压轴线值，取值为±800kV特高压直流输电线路各极线的额定电压，即U _＋（k）=800kV，U _- （k）= -800kV；u _i为极电压采样值，k为采样点变量，N为采样点数。γ越大表明两电压波形变化趋势越相近。

3.小波变换的基本理论

（1）连续小波变换

设

为一平方可积函数，若其傅里叶变换

满足可容许性条件，即：

                                               （6）

则称

为一个基本小波，或者小波母函数。

将小波母函数进行伸缩和平移，可以得到连续小波基函数

：

              

=

 

                    （7）

式中：a是伸缩因子，或称为尺度因子；b是平移因子。

对于任意的函数

的连续小波变换为：

       

                （8）

式中：

表示

的共轭。

（2）离散小波变换

由连续小波变换的概念知，连续小波变换的尺度因子a和平移因子b是连续变量。在实际应用中，通常将

中的连续变量a和b取做整数离散形式，将

表示为：

                

                           （9）

相应的函数的离散小波变换可表示为：

                                        （10）

由于该离散小波

是由小波函数

经

整数倍放、缩和经整数k平移所生成的函数族，

。因此，该离散后的小波序列一般称为离散二进小波序列。

4.结合相关度基于小波变换的雷击识别

高压直流输电线路受到雷电冲击时，健全极的电压围绕直流轴线电压上下波动，最后雷电流衰减至零,如图2和图3的反击和绕击未故障时的时域波形图，正极受到雷电冲击，由于电磁耦合，负极电压也有波动，各极电压与其轴线电压相关度很高；故障极电压在短时间内远离轴线电压趋近零轴，如图4和图5的反击故障和绕击故障，图6为接地故障时正负极的域波形图，极电压走势与雷击故障的相近，故障极电压与直流分量轴线电压相关度较小。由此，用以识别雷击干扰和故障的情况，当相关度γ＜0.9时时为雷击干扰；当γ＞0.9时为故障情况。

由采样定理知，对采样频率为f _s 的离散信号进行多尺度小波变换，则第j尺度对应的高频是频带在[f _s /2^j+1 , f _s /2^j]的信号，低频是[0，f _s /2^j+1]的信号。现定义某一尺度下的信号小波能量为该尺度小波变换系数平方沿时间轴的积分，表达式如下：

                

                            （6）

式中：

为第j层高频信号小波能量；N为时窗数据宽度；

为第j层高频信号小波变换系数。本文对暂态电压进行7尺度小波变换，则小波能量谱序列为

      

                    （7）

在本发明中，信号采集时窗为5ms，采样率为20kHz，最高采样频率为10kHz。，利用db3小波提取暂态电压高频小波能量第1尺度d1频带 （5kHz<f<10kHz）能量为E ₁,第2尺度d2频带 （2.5kHz<f<5kHz）能量为E ₂，第3尺度d3（1.25kHz<f<2.5kHz）能量为E ₃，第4尺度d4（0.625kHz<f<1.25kHz）能量为E ₄，第5尺度d5（312.5Hz<f<625Hz） 能量为 E ₅，第6尺度d6（156.25Hz<f<312.5Hz） 能量为E ₆，第7尺度d7（78.125Hz<f<156.25Hz） 能量为E ₇，低频小波能量频带a7（0Hz<f<778.125Hz）能量为

，各尺度小波分解如图7所示。根据不同频带上的小波能量分布特点，可对雷击和故障暂态特性进行全面分析，实现暂态信号有效识别。

计算高频与中低频的能量之比：

                

                          （5）

若K＜0.1时则为普通接地故障，进入接地故障保护；

若K＞0.1时则为雷击故障，进入雷击故障保护。

本发明的有益效果是：

（1）该方法思想清晰，易于实现；

（2）所需的测量信号均从高速暂态保护安装处监测到，不需附加装置；

（3）信号采集频率为20kHz，时窗为5ms，计算速度快，实现暂态保护。

（4） 本发明不易受系统参数变化和过渡电阻的影响。

附图说明

图1为±800kV特高压直流输电系统结构图，图中1为交流滤波器和无功补偿电容器组，2为换流变压器，3为换流阀，4为平波电抗器，5为直流滤波器组，6为接地极，7为直流线路。

图2为反击未故障时正负极电压时域波形图，（a）为正极，（b）为负极。

图3为绕击未故障时正负极电压时域波形图，（a）为正极，（b）为负极。

图4为反击故障时正负极电压时域波形图，（a）为正极，（b）为负极。

图5为绕击故障时正负极电压时域波形图，（a）为正极，（b）为负极。

图6为接地故障时正负极电压时域波形图，（a）为正极，（b）为负极。

图7为反击未故障、绕击未故障、反击故障、绕击故障和接地故障时，经过小波分解得到7个尺度下的个分量的波形。

具体实施方式

仿真模型如图1所示，本文采用±800kV特高压直流输电系统参数，双极线路输送容量为5000MW，整流侧和逆变侧的无功补偿容量分别为3000和4000Mvar，每极换流单元为2个12脉动的换流器组成。直流滤波器为12/24/36三调谐滤波器。线路采用J.Marti频率相关线路模型，避雷线不做消去处理，线路全长1500km，在整流侧M端有保护安装元件。

在线路长度上每隔200km递增，过渡电阻取20Ω和120Ω进行仿真，考虑了反击未故障、绕击未故障、反击故障、绕击故障和接地故障的不同故障情况。

（1）直流输电线路电压出现波动时，启动原件立即启动，保护安装处监测到两极输电线路5ms的正负极电压U _i （i=＋、—分别代表正负极），分别计算与各极轴电压的相关度

                                       （1）

式中：U _i 分别正负极电压轴线值，取值为±800kV特高压直流输电线路各极线的额定电压，即U _＋（k）=800kV，U _- （k）= -800kV；u _i为极电压采样值，k为采样点变量，N为采样点数。

若γ＞0.9时则为雷击干扰；

若γ＜0.9时则为故障，转入故障保护，进行普通接地故障与雷击故障的识别。

（2）经线模变换，得到线模电压

,

                 

                         （2）

式中

为零模电压。取线模电压与正极轴线的差值部分，即暂态电压电压附加分量进行分析，即

                

                    （3）

式中，

、

为t时刻直流线路正负极瞬时电压，U _＋＝800kV为直流线路正极轴线电压。

（3）对

进行7尺度的小波分解,得到由高频到低频的d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、a7分量，计算各分量的能量E _i （i=1、2……7）：

                                             （4）

其中k为采样点（k=1、2……N），

为尺度为j的第k个点的小波变换系数。

 （4）计算高频与中低频的能量之比：

             

                             （5）

若K＜0.1时则为普通接地故障，进入接地故障保护；若K＞0.1时则为雷击故障，进入雷击故障保护。

仿真结果如下表：

表1 雷击干扰识别结果

表2 雷击故障识别结果

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于电压相关度和小波变换暂态能量分布特性的特高压直流输电线路雷击干扰识别方法，其特征在于：特高压直流输电线路电压发生雷击或故障时，检测初始5ms的正负极电压；计算各极电压与各自轴线电压的相关度，根据相关度大小识别雷击干扰；若为故障，转入故障分类的识别；计算线模电压的附加分量，通过小波变换，求出高频与中低频暂态能量的比值，区分故障类别，进行故障保护。

2.根据权利要求书1所述的一种基于电压相关度和小波变换暂态能量分布的特高压直流输电线路雷击干扰识别方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）直流输电线路电压出现波动时，启动原件立即启动，保护安装处监测到两极输电线路5ms的正负极电压U _i ，分别计算与各极轴电压的相关度                                               

：

                                       

（1）

式中：U _i 分别正负极电压轴线值，取值为±800kV特高压直流输电线路各极线的额定电压，即U _＋（k）=800kV，U _- （k）= -800kV；u _i为极电压采样值，k为采样点变量，N为采样点数；

若γ＞0.9时则为雷击干扰；

若γ＜0.9时则为故障，转入故障保护，进行普通接地故障与雷击故障的识别；

（2）经线模变换，得到线模电压

,

                 

                         （2）

式中

为零模电压，取线模电压与正极轴线的差值部分，即暂态电压电压附加分量进行分析，即：

                

                    （3）

式中，

为t时刻特高压直流线路正负极瞬时电压，U _＋＝800kV为特高压直流线路正极轴线电压；

（3）对

进行7尺度的小波分解,得到由高频到低频的d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、a7分量，计算各分量的能量E _i （i=1、2……7）：

               

                              （4）

其中k为采样点（k=1、2……N），

为尺度为j的第k个点的小波变换系数；（4）计算高频与中低频的能量之比：

            

                             （5）

若K＜0.1时则为普通接地故障，进入接地故障保护；

若K＞0.1时则为雷击故障，进入雷击故障保护。

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