CN109375052B - 一种高频暂态分量方向纵联保护方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频暂态分量方向纵联保护方法及系统。本发明通过提取保护安装处的电压电流高频暂态分量数据，根据Hilbert‑Huang变换计算电压电流高频暂态分量的相位关系，实现UHVDC输电系统线路的区内、外故障判断；在识别直流线路区内故障的基础上，对正、负极两侧故障方向进行简单的逻辑处理，即可实现故障极的选择，无需复杂的故障选极方案。本发明对各种故障类型均能准确识别线路区内、外故障，并可进行故障选极，保护方法受过渡电阻、故障距离等因素的影响较小。

Description

一种高频暂态分量方向纵联保护方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统故障识别技术领域，涉及一种基于Hilbert-Huang变换的高频暂态分量方向纵联保护方法及系统。

背景技术

随着交流电网的发展以及联网规模的快速增大，交流联网存在的稳定性问题以及交流线路远距离输电时存在的容量限制问题，使人们的目光再次转向了直流输电。直流输电系统结构简单，正常情况下正、负两极对称运行，不存在功角稳定性问题，可提高未来联网电力系统的可靠性。1954年，世界上第一条电网换相高压直流输电工程投入商业运行。高压直流输电(High Voltage Direct Current，HVDC)以其电能输送功率大、不存在稳定性问题、联网简便等显著优势，在跨区域、大容量输电、非同期电网互联、孤岛供电等场合逐渐得到了广泛应用。特高压直流(Ultra High Voltage Direct Current，UHVDC)输电较高压直流输电在电压等级和输送容量等方面有了很大的提高，并且在输送同样容量和同等导线电阻条件下，线路损耗低，单位输送容量综合造价低，输电走廊利用率高，运行方式灵活，已成为高压直流输电的重要发展方向和必然趋势。随着全国联网的完成，特高压直流输电工程将逐渐起着举足轻重的作用。

虽然我国UHVDC输电技术具有很大的发展需求，直流输电工程在未来的电网建设中也将占据相当大的比重。但是我国在直流输电技术方面的研究却相对薄弱，已投运的直流输电工程保护系统大多采用ABB和SIEMENS两家公司的技术。近年来，在中国电力科研人员的不断创新下，已基本实现了高压直流输电控制、保护单元的自主化，逐渐掌握了直流输电的核心技术，但是我国在UHVDC输电线路保护方面仍有很大的研究空间。提高特高压直流输电线路的保护性能，并对雷电等暂态信号进行可靠识别，对于保证电力系统的安全、稳定运行，提升特高压直流输电线路保护的技术水平具有重大意义。

对UHVDC输电线路区内外故障时的附加网络分析可知，发生线路区内、外故障时，两端保护安装处测量到的电压、电流高频暂态分量的相位特征表现不同，可进行线路区内、外故障的有效识别，具有绝对的选择性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于Hilbert-Huang变换的高频暂态分量方向纵联保护方法，以可靠识别直流线路的区内外故障，并准确选出故障极。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种高频暂态分量方向纵联保护方法，其包括：

步骤1：故障发生时，提取UHVDC输电系统两侧保护安装处的电压和电流高频暂态分量；

步骤2：EMD分解求取电压、电流高频暂态分量的最高频暂态分量；

步骤3：Hilbert-Huang变换求取电压、电流高频暂态分量的相位差；

步骤4：根据电压、电流高频暂态分量极性形成逻辑判据，综合逻辑判据判断区内、区外故障；

步骤5：在识别区内故障的基础上，进行故障极识别。

本发明通过提取保护安装处的电压、电流高频暂态分量数据，根据Hilbert-Huang变换计算电压、电流高频暂态分量的相位关系，可实现UHVDC输电系统线路的区内、外故障判断。在识别直流线路区内故障的基础上，对正、负极两侧故障方向进行简单的逻辑处理，即可实现故障极的选择，无需复杂的故障选极方案。

本发明提出一种基于Hilbert-Huang变换的高频暂态分量方向保护方案，在对UHVDC输电线路区内、外故障附加网络分析的基础上，发现直流线路的区内故障时，整流、逆变侧保护安装处检测到的电压和电流高频暂态分量的极性相反；而当发生直流线路区外故障时，离故障点较近的一侧电压和电流高频暂态分量的极性相同，离故障点较远的一侧电压和电流高频暂态分量的极性相反。由此，构成了识别直流线路区内外故障的判据，并可进一步地进行故障极的选择。

本发明提出基于Hilbert-Huang变换的高频暂态分量方向纵联保护方案，通过Hilbert-Huang变换分别计算整流逆变侧电压、电流高频暂态分量的相位信息，当两端保护均识别为线路正方向故障时，判定为线路区内故障，否则判定为线路区外故障。

作为上述高频暂态分量方向纵联保护方法的补充，步骤2和3中，提取的电压和电流高频暂态分量信息经EMD分解后，高频暂态分量按从高频到低频的顺序依次排列，最高频暂态分量IMF1包含所需的故障信息，取其进行Hilbert-Huang变换，用于电压、电流高频暂态分量相位差的计算。

作为上述高频暂态分量方向纵联保护方法的补充，步骤3中，当电压和电流高频暂态分量的极性相反时，其HHT变换相位差Δδ等于180°；当电压和电流高频暂态分量的极性相同时，其HHT变换相位差Δδ等于0°。

作为上述高频暂态分量方向纵联保护方法的补充，所述的故障极识别：发生区内故障时，故障极两侧的电压、电流高频暂态分量的极性总是相反；而对于非故障极，相当于发生该极的区外故障，两侧的电压、电流高频暂态分量的极性总是相同。

作为上述高频暂态分量方向纵联保护方法的补充，根据如下公式：

Δu_{P_R}＝-Δi_{P_R}·(Z_S//Z_F)，

Δu_{P_I}＝-Δi_{P_I}·(Z_S//Z_F)，

得到正极线路区外故障和负极线路区内外故障时，整流侧和逆变侧的电压高频暂态分量和电流高频暂态分量的关系；式中，Z_S表示平波电抗器，Z_F表示直流滤波器，Δu_{P_R}、Δi_{P_R}、Δu_{P_I}、Δi_{P_I}分别为故障时整流和逆变侧的电压与电流突变量。

作为上述高频暂态分量方向纵联保护方法的补充，步骤4中，发生直流线路发生区内故障时，故障极两侧电压电流高频暂态分量总是识别为正方向；而发生直流线路区外故障时，同一侧正负极上的保护装置识别为同一方向故障。

作为上述高频暂态分量方向纵联保护方法的补充，步骤4中，定义综合逻辑值D如下式所示：

D＝(D_{P_R}||D_{N_R})·(D_{P_I}||D_{N_I})

式中：D_{P_R},D_{N_R}分别为整流侧正极和负极故障方向的逻辑值；D_{P_I},D_{N_I}分别为逆变侧正极和负极故障方向的逻辑值；

构造综合逻辑值D之后，当D＝1时，识别为直流线路的区内故障；当D＝0时，识别为直流线路的区外故障。

作为上述高频暂态分量方向纵联保护方法的补充，步骤5中，进行故障极识别所用的故障选极判据如下：

定义正极逻辑值D_P和负极逻辑值D_N，如下两式所示：

D_P＝D_{P_R}·D_{P_I}，

D_N＝D_{N_R}·D_{N_I}，

式中：D_{P_R},D_{N_R}分别为整流侧正极和负极故障方向的逻辑值；D_{P_I},D_{N_I}分别为逆变侧正极和负极故障方向的逻辑值；

当正极逻辑值D_P＝1，负极逻辑值D_N＝0时，为正极故障；当正极逻辑值D_P＝0，负极逻辑值D_N＝1时，为负极故障；当正极逻辑值D_P＝1，负极逻辑值D_N＝1时，为极极故障。

本发明采用的另一技术方案为：一种高频暂态分量方向纵联保护系统，其包括：

高频暂态分量提取模块：提取UHVDC输电系统两侧保护安装处的电压和电流高频暂态分量；

最高频分量求取模块：EMD分解求取电压、电流高频暂态分量的最高频分量，最高频暂态分量包含所需的故障信息；

相位差求取模块：取最高频暂态分量进行Hilbert-Huang变换，用于电压、电流高频暂态分量相位差的计算；

利用Hilbert-Huang变换求取电压、电流高频暂态分量的相位差；

内、区外故障判断模块：根据电压、电流高频暂态分量极性形成逻辑判据，综合逻辑判据判断区内、区外故障；

故障极识别模块：在识别区内故障的基础上，进行故障极识别。

作为上述高频暂态分量方向纵联保护系统的补充，所述的内、区外故障判断模块中，如果是区内故障，进行后续的故障极识别；如果是区外故障，结束判断。

本发明具有的有益效果如下：本发明所提方案无需复杂的故障选极方案，可直接由两端高频暂态分量的方向进行故障选极。通过在PSCAD中进行仿真验证，结果表明该方案对各种故障类型均能准确识别线路区内、外故障，并可进行故障选极，保护方案受过渡电阻、故障距离等因素的影响较小。

附图说明

图1为本发明仿真例中所采用的±800kV特高压直流输电系统仿真模型图(图中ACF为交流滤波器，DCF为直流滤波器)；

图2为本发明实施例1中正极线路区内故障时的附加网络图；

图3为本发明实施例1中负极线路区内故障时的附加网络图；

图4为本发明实施例1中正极整流站电抗器外侧故障时的附加网络图；

图5为本发明实施例1中正极逆变站电抗器外侧故障时的附加网络图；

图6为本发明实施例1中负极整流站电抗器外侧故障时的附加网络图；

图7为本发明实施例1中负极逆变站电抗器外侧故障时的附加网络图；

图8为本发明实施例1中高频暂态分量方向保护方法的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例进一步说明本发明。

实施例1

本发明提出一种基于Hilbert-Huang变换的高频暂态分量方向保护方法。

基于Hilbert-Huang变换的高频暂态分量方向保护方案，该方案首先提取故障发生时UHVDC输电系统两侧保护安装处的电压、电流高频暂态分量信息，然后利用EMD分解求取电压、电流高频暂态分量的IMF1分量，在此基础上，利用Hilbert-Huang求取电压、电流的突变相位差，根据相位差的关系，形成逻辑判据，综合逻辑判断区内、区外故障；同时还可以进行故障极识别。

本发明提供的基于Hilbert-Huang变换的高频暂态分量方向保护方案的基本原理为：

1、测量故障时电压、电流高频暂态分量Δu_{P_R}、Δi_{P_R}、Δu_{P_I}、Δi_{P_I}。

以如图2所示正极线路区内故障时的附加网络为例，当发生UHVDC正极线路区内故障时，有：

Δu_{P_R}＝-Δi_{P_R}·(Z_S//Z_F)，

Δu_{P_I}＝-Δi_{P_I}·(Z_S//Z_F)，

由上两式可知，故障极上Δu_{P_R}和Δi_{P_R}的极性相反，Δu_{P_I}和Δi_{P_I}的极性也相反。同理可由图3-7测得正极线路区外故障和负极线路区内外故障识时整流侧和逆变侧的电压高频暂态分量和电流高频暂态分量的关系。

2、根据电压、电流高频暂态分量极性形成逻辑判据

由上述分析可知，区内外故障电压电流高频暂态分量极性具有明显的差异性，考虑电压和电流高频暂态分量的极性差异，可构成保护判据，理论上，当电压和电流高频暂态分量的极性相反时，其HHT变换相位差Δδ应该等于180°；当电压和电流高频暂态分量的极性相同时，其HHT变换相位差Δδ应该等于0°。为使保护更具灵敏性与可靠性，构造判据如下式所示：

式中：i＝P,N分别是直流输电线路的正极和负极；j＝R,I分别是直流输电系统的整流侧和逆变侧；D_{i_j}是直流输电线路正、负极整流侧和逆变侧故障方向的逻辑值。

对前述的高频暂态分量方向特征总结，可知发生各种类型故障时，理论情况下各个保护安装位置的动作逻辑值，如表1。

表1

由表1可看出，发生直流线路发生区内故障时，故障极两侧电压电流高频暂态分量总是识别为正方向；而发生直流线路区外故障时，同一侧正负极上的保护装置识别为同一方向故障。由此定义综合逻辑值D如下式所示：

D＝(D_{P_R}||D_{N_R})·(D_{P_I}||D_{N_I})，

式中：D_{P_R},D_{N_R}分别为整流侧正极和负极故障方向的逻辑值；

D_{P_I},D_{N_I}分别为逆变侧正极和负极故障方向的逻辑值。

根据上式构造的判据，对于直流系统发生的各种类型的故障，综合逻辑值D如表2示。

表2

故障类型	综合逻辑值D
		正极线路区内故障	1
负极线路区内故障	1
		线路极极故障	1
正极整流站电抗器外侧故障	0
		正极逆变站电抗器外侧故障	0
负极整流站电抗器外侧故障	0
		负极逆变站电抗器外侧故障	0

显然，由表2可知，构造综合逻辑值D之后，当D＝1时，本发明识别为直流线路的区内故障；当D＝0时，识别为直流线路的区外故障。

3、故障极判别

根据上述分析可知，发生区内故障时，故障极两侧的电压、电流高频暂态分量量的极性总是相反；而对于非故障极，相当于发生了该极的区外故障，两侧的电压、电流高频暂态分量量的极性总是相同。由此，在确定直流线路区内故障的基础上，可构成故障选极判据。

定义正极逻辑值D_P和负极逻辑值D_N如下两式所示：

D_P＝D_{P_R}·D_{P_I}，

D_N＝D_{N_R}·D_{N_I}，

因此，理论情况下发生区内故障时，D_P和D_N的取值如表3示。

表3

故障类型	正极逻辑值D<sub>P</sub>	负极逻辑值D<sub>N</sub>
			正极线路区内故障	1	0
负极线路区内故障	0	1
			线路极极故障	1	1

由表3可知，当正极逻辑值D_P＝1，负极逻辑值D_N＝0时，为正极故障；当正极逻辑值D_P＝0，负极逻辑值D_N＝1时，为负极故障；当正极逻辑值D_P＝1，负极逻辑值D_N＝1时，为极极故障。

通过在PSCAD/EMTDC中的仿真验证，结果表明，对发生的各种类型的直流线路金属性和非金属性故障，按本发明所提高频暂态分量方向纵联保护方法，均能可靠识别直流线路的区内外故障，并能准确选出故障极。

实施例2

本实施例提供一种高频暂态分量方向纵联保护系统，其包括：

高频暂态分量提取模块：提取UHVDC输电系统两侧保护安装处的电压和电流高频暂态分量；

最高频分量求取模块：EMD分解求取电压、电流高频暂态分量的最高频分量，最高频暂态分量包含所需的故障信息；

相位差求取模块：取最高频暂态分量进行Hilbert-Huang变换，用于电压、电流高频暂态分量相位差的计算；

利用Hilbert-Huang变换求取电压、电流高频暂态分量的相位差；

内、区外故障判断模块：根据电压、电流高频暂态分量极性形成逻辑判据，综合逻辑判据判断区内、区外故障；

故障极识别模块：在识别区内故障的基础上，用于故障极识别。

所述的内、区外故障判断模块中，如果是区内故障，进行后续的故障极识别；如果是区外故障，结束判断。

仿真例

为验证本发明所提基于高频暂态分量方向的纵联保护方法的有效性和适用性，以图1所建立的仿真模型为基础，在PSCAD/EMTDC中对输电线路区内、外发生的多种故障情况进行了仿真分析，仿真设置采样频率为20kHz。为了对所提高频暂态分量方向保护方案进行全面性的验证，下面对直流线路区内不同过渡电阻下发生的多种类型故障进行了仿真分析，仿真结果见下表4和表5。

表4区内故障时整流侧和逆变侧的仿真结果

表5区内故障时整流侧和逆变侧的逻辑值

验证结果表明根据上表4和表5的仿真结果，可知在发生各种类型的金属性和非金属性区内故障时，本发明所提保护方案均能进行可靠的线路区内外故障识别，并能准确选出故障极。

为了比较全面性地验证所提高频暂态分量方向保护方案对区外故障识别的准确性，下面对直流线路区外不同过渡电阻下发生的多种类型故障进行了仿真分析，仿真结果见下表6。

表6区外故障时整流侧和逆变侧的仿真结果

对上表6所列的各种故障情况下的电压、电流高频暂态分量的相角差，分别对应到其逻辑值上，可以得到如下表7所示的故障识别结果。

表7区外故障时整流侧和逆变侧的逻辑值

由上表6和表7的仿真结果，可知在发生各种类型的金属性和非金属性直流输电线路区外故障时，本发明所提保护方案均能进行可靠的故障识别。

显然，本发明的上述实例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高频暂态分量方向纵联保护方法，其特征在于，包括：

步骤1：故障发生时，提取UHVDC输电系统两侧保护装置安装处的电压和电流高频暂态分量；

步骤2：EMD分解求取电压、电流高频暂态分量的最高频暂态分量；

步骤3：Hilbert-Huang变换求取电压、电流高频暂态分量的相位差；

步骤4：根据电压、电流高频暂态分量极性形成逻辑判据，综合逻辑判据判断区内、区外故障；

步骤5：在识别区内故障的基础上，进行故障极识别；

步骤4中，发生直流线路区内故障时，故障极两侧保护装置总是识别为正方向；而发生直流线路区外故障时，同一侧正负极上的保护装置识别为同一方向故障；

步骤4中，定义综合逻辑值D如下式所示：

D＝(D_{P_R}||D_{N_R})·(D_{P_I}||D_{N_I})

式中：D_{P_R},D_{N_R}分别为整流侧正极和负极故障方向的逻辑值；D_{P_I},D_{N_I}分别为逆变侧正极和负极故障方向的逻辑值；

构造综合逻辑值D之后，当D＝1时，识别为直流线路的区内故障；当D＝0时，识别为直流线路的区外故障；

步骤5中，进行故障极识别所用的故障选极判据如下：

定义正极逻辑值D_P和负极逻辑值D_N，如下两式所示：

D_P＝D_{P_R}·D_{P_I}，

D_N＝D_{N_R}·D_{N_I}，

当正极逻辑值D_P＝1，负极逻辑值D_N＝0时，为正极故障；当正极逻辑值D_P＝0，负极逻辑值D_N＝1时，为负极故障；当正极逻辑值D_P＝1，负极逻辑值D_N＝1时，为极极故障。

2.根据权利要求1所述的高频暂态分量方向纵联保护方法，其特征在于：步骤2和3中，提取的电压和电流高频暂态分量信息经EMD分解后，高频暂态分量按从高频到低频的顺序依次排列，最高频暂态分量IMF1包含所需的故障信息，取其进行Hilbert-Huang变换，用于电压、电流高频暂态分量相位差的计算。

3.根据权利要求1或2所述的高频暂态分量方向纵联保护方法，其特征在于：步骤3中，当电压和电流高频暂态分量的极性相反时，其HHT变换相位差Δδ等于180°；当电压和电流高频暂态分量的极性相同时，其HHT变换相位差Δδ等于0°。

4.根据权利要求1或2所述的高频暂态分量方向纵联保护方法，其特征在于：所述的故障极识别：发生区内故障时，故障极两侧的电压、电流高频暂态分量的极性总是相反；而对于非故障极，相当于发生该极的区外故障，两侧的电压、电流高频暂态分量的极性总是相同。

5.根据权利要求1或2所述的高频暂态分量方向纵联保护方法，其特征在于，当发生UHVDC正极线路区内故障时，有：

Δu_{P_R}＝-Δi_{P_R}·(Z_S//Z_F)，

Δu_{P_I}＝-Δi_{P_I}·(Z_S//Z_F)，

由上两式可知，故障极上Δu_{P_R}和Δi_{P_R}的极性相反，Δu_{P_I}和Δi_{P_I}的极性也相反；式中，Z_S表示平波电抗器，Z_F表示直流滤波器，Δu_{P_R}、Δi_{P_R}、Δu_{P_I}、Δi_{P_I}分别为故障时整流和逆变侧的电压与电流突变量。

6.一种高频暂态分量方向纵联保护系统，其特征在于，包括：

高频暂态分量提取模块：提取UHVDC输电系统两侧保护装置安装处的电压和电流高频暂态分量；

最高频分量求取模块：EMD分解求取电压、电流高频暂态分量的最高频暂态分量，最高频暂态分量包含所需的故障信息；

相位差求取模块：取最高频暂态分量进行Hilbert-Huang变换，用于电压、电流高频暂态分量相位差的计算；

利用Hilbert-Huang变换求取电压、电流高频暂态分量的相位差；

内、区外故障判断模块：根据电压、电流高频暂态分量极性形成逻辑判据，综合逻辑判据判断区内、区外故障；

故障极识别模块：在识别区内故障的基础上，用于故障极识别；

内、区外故障判断模块中，发生直流线路区内故障时，故障极两侧保护装置总是识别为正方向；而发生直流线路区外故障时，同一侧正负极上的保护装置识别为同一方向故障；

内、区外故障判断模块中，定义综合逻辑值D如下式所示：

D＝(D_{P_R}||D_{N_R})·(D_{P_I}||D_{N_I})

式中：D_{P_R},D_{N_R}分别为整流侧正极和负极故障方向的逻辑值；D_{P_I},D_{N_I}分别为逆变侧正极和负极故障方向的逻辑值；

构造综合逻辑值D之后，当D＝1时，识别为直流线路的区内故障；当D＝0时，识别为直流线路的区外故障；

故障极识别模块中，进行故障极识别所用的故障选极判据如下：

定义正极逻辑值D_P和负极逻辑值D_N，如下两式所示：

D_P＝D_{P_R}·D_{P_I}，

D_N＝D_{N_R}·D_{N_I}，

当正极逻辑值D_P＝1，负极逻辑值D_N＝0时，为正极故障；当正极逻辑值D_P＝0，负极逻辑值D_N＝1时，为负极故障；当正极逻辑值D_P＝1，负极逻辑值D_N＝1时，为极极故障。

7.根据权利要求6所述的高频暂态分量方向纵联保护系统，其特征在于，所述的内、区外故障判断模块中，如果是区内故障，进行后续的故障极识别；如果是区外故障，结束判断。

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