CN110632465A - 一种基于hht一化迭代的高压直流输电线路故障测距方法 - Google Patents

一种基于hht一化迭代的高压直流输电线路故障测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于HHT一化迭代的高压直流输电线路故障测距方法。针对行波测距法中频率过高易产生波头误判点的问题，提供一种基于HHT一化迭代的方法，消除波头误判点带来的影响；利用三端行波法进行输电线路故障测距，解决传统行波法中波速难以计算的问题，并提升了定位精度；同时将本发明所提方法与小波变换的定位方法相比，发现利用HHT一化迭代形成的一化时幅图进行波头标定，稳定性更高，误差更小，并且本发明提出的方法基本不受过渡电阻、故障距离等因素的影响，具有较高的定位精度。

Description

一种基于HHT一化迭代的高压直流输电线路故障测距方法
技术领域
本发明涉及一种基于HHT一化迭代的高压直流输电线路故障测距方法。具体地，本发明是将克拉克变换(clarke)，希尔伯特黄变换(HHT)与一化迭代相结合的方法应用于高压直流输电线路故障测距，属于输电线路故障测距技术领域。
背景技术
高压直流输电线路是电力系统不可或缺的部分，然而输电线路故障的发生将对电力系统的安全运行构成巨大威胁。因此快速检测出故障位置，对于缩短停电检修时间，维持电力系统稳定具有重要意义。现阶段，故障测距的方法包含有阻抗法，固有频率法，与行波法。阻抗法是一种常见的故障检测方法，已广泛应用于电力系统中，但是该方法求解过程复杂，无法消除伪根带来的影响；固有频率法由于存在频率混乱的问题，难以实现线路故障的精准定位；行波法是一种需要捕捉故障行波波头，并由波头到达的时间差与行波波速来实现故障测距的方法。该方法由于几乎不受外界因素和自身线路结构的影响，在高压输电线路中得到了普遍应用。
在行波法研究领域中，波速的确定是其研究的难点之一，尤其是色散效应所引起的波速特性致使波速的确定一直未能得到很好解决，如果单纯的选择某一经验波速，而忽略频率特性对波速的影响会造成较大的测距结果误差。此外，行波波头的标定也至关重要，常见的波头标定方法主要有：小波变换(Wavelet Transform，WT)、数学形态学、以及希尔伯特黄变换(Hilbert Huang Transform，HHT)。小波变换需要提前选择分解尺度与小波基，无法对波头进行较为精确的标定；数学形态学由于其结构的形状和大小难以作出选择，在分析故障信号时也很难得到较为理想的结果；希尔伯特黄变换存在过包络、负频率以及频率过高时，易产生波头误判点等问题，从而导致出现较大的测距误差。
发明内容
本发明的目的针对行波故障测距法中波速难以确定，频率过高易产生波头误判点等问题，提供一种基于HHT一化迭代的三端行波故障测距方法。在保证较高定位精度的情况下，消除波速对故障测距结果的影响，同时减小波头误判点的干扰。
为了实现上述发明，本发明提供了一种基于HHT一化迭代的高压直流输电线路故障测距方法。
步骤如下，流程图见图1：
1.利用Matlab/Simulink搭建的高压直流输电模型采集高频电流信号。
将输电线与电压源、接地故障模块等设备模块相连接。在通电条件下利用电压电流模块采集高频电流信号，同时在接地故障模块中设置输电线路故障类型为单极接地故障。并使用示波器不间断保存四个周期内的高频电流信号作为分析对象。
2.利用克拉克变换(clarke)对采集到的高频电流信号进行解耦处理，获得高频电流的两个线模分量与一个零模分量，选取其中一个高频电流线模分量进行分析。
3.将高频电流线模分量做经验模态分解(EMD)，得到一系列从高频至低频的IMF(固有模态函数)分量。
设高频电流线模分量为i1(t)，对于任意的一个时间序列i1(t)，EMD的分解步骤如下
(1)确定高频电流线模分量i1(t)的所有极值点
(2)利用样条函数求出i1(t)的上下包络线，y1(t)，y2(t)，记二者的均值为m1(t)
Figure BDA0002271737400000021
(3)将i1(t)与m1(t)作差，即
h1(t)＝i1(t)-m1(t) (2)
判断h1(t)是否满足固有模态函数的两个条件，若满足条件，将h1(t)视为第一个IMF，继续进行处理。若不满足，将h1(t)作为新的i1(t)，并重复以上的步骤(1)，步骤(2)，直至满足条件。
(4)令p1(t)＝h1(t),则p1(t)为第一个IMF分量，并让i1(t)与p1(t)作差，得
r1(t)＝i1(t)-p1(t) (3)
重复上述过程n次，得到第二个IMF分量p2(t)，第三个IMF分量p3(t).........第n个IMF分量pn(t)，rn(t)＝rn-1(t)-pn(t)。其中rn(t)为残余项
(5)重复上述步骤，直至pn(t)或rn(t)符合给定的终止条件时停止。分解后得到的信号表示如下
Figure BDA0002271737400000022
4.对IMF分量做希尔伯特变换(Hilbert)与一化迭代，求取一化时幅图，确定故障行波到达三个测量端的时间。
(1)选取其中的第一个IMF分量p1(t)，f1(t)是p1(t)的Hilbert变换，p1(t)，f1(t)表示如下
Figure BDA0002271737400000023
定义解析信号为Z1(t)：
Z1(t)＝p1(t)+jf1(t)＝a1(t)ejθ1(t) (7)
其中a1(t)为经Hilbert变换后得到的瞬时振幅。
(2)对瞬时振幅a1(t)做一化迭代处理，确定迭代阶数k，求取一化时幅图，确定行波到达三个测量端的时间。
将a1(t)做归一化处理得到幅值范围在(0,1]之间的首个一化分量，记为u1(t)，经多次k阶迭代后的一化分量记为S1(k)，迭代阶数记为k：
Figure BDA0002271737400000032
幅值为(0,1)之间的分量经k次迭代后趋近于0，而幅值为1的分量经k次迭代后，保持原有幅值不变为1，由多次迭代后的S1(k)，绘制出对应的一化时幅图，由图中的唯一突变点确定行波波头到达三个测量端的时间。
5.利用上述已确定的波头抵达测量端的时间，结合三端行波测距公式，进行输电线路的故障测距。
高压直流输电系统如图2所示
当故障发生在MP之间，记故障发生时刻为TF,设故障行波到达三个测量端的时刻分别为TM、TP、TN。DMF，DFN分别为整流侧M到故障点F的距离与故障点F到逆变侧N的距离。d为整流侧M与测量点P之间的距离(d可任意设置)，L为线路总长，v为波速。
建立等式如下：
DMF-DFN＝v×[(TM-TF)-(TN-TF)] (9)
L-d＝v×[(TN-TM)-(Tp-TM)] (10)
同时由MN之间的总长为L，有：
DMF+DFN＝L (11)
由上述三个式子,推出故障行波测距计算式为：
Figure BDA0002271737400000033
当故障发生在PN之间，同理可求得故障行波测距计算式为：
Figure BDA0002271737400000041
与现有的发明相比，本发明的优势
本发明通过利用HHT一化迭代的方法，解决行波频率过高易产生波头误判点的问题；利用三端行波法进行故障测距，解决传统行波法中波速难以计算的问题，并提升了定位精度；同时将本发明所提方法与小波变换的定位方法相比，发现利用HHT一化迭代形成的一化时幅图进行波头标定，稳定性更高，误差更小，并且本发明提出的方法基本不受过渡电阻、故障距离等因素的影响，具有较高的定位精度。
附图说明
图1故障定位流程图
图2高压直流输电系统
图3高压直流输电模型
图4三个测量端的一化时幅图
具体实施方式
下面通过实例对本发明进行具体的阐述，有必要在此指出的是本实例只用于对本发明进行进一步解释，不能理解为对本发明包括范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
结合实例,本发明方法具体步骤如下：
1.利用Matlab/Simulink搭建的高压直流输电模型采集高频电流信号。
本实例搭建如图3所示的高压直流输电模型，利用该模型模拟高频条件下的单极接地故障。
仿真参数：电源电压等级为230kV，仿真时间为0-0.2s，MP之间的定长为d＝400km,线路全长1200km。输电线路具体参数如下表1所示
表1
参数类型 R/(Ω/km) L/(H/km) C/(F/km)
正序参数 0.07899 0.4098×10<sup>-3</sup> 0.1791×10<sup>-6</sup>
零序参数 0.2234 0.1237×10<sup>-2</sup> 0.186×10<sup>-6</sup>
故障点设置在距离整流侧100km、200km、300km、600km、800km、1000km处，过渡电阻分别为5Ω、60Ω、100Ω、160Ω、200Ω。并在0.08s时刻发生接地故障。(采样周期10-5s)
2.提取高频电流线模分量
选取其中距离整流侧M端300km处，过渡电阻为200Ω、故障类型为单极接地故障的三个测量端的高频电流分量进行克拉克变换(clarke)，提取出三个测量端的高频电流线模分量。
3.对高频电流线模分量进行EMD分解，得到对应的IMF分量
利用公式(1)-公式(4)对三个测量端的高频电流线模分量进行EMD分解，得到一系列从高频至低频的IMF分量，并提取高频电流线模分量的首个IMF分量进行分析。
4.对首个IMF分量做希尔伯特变换(Hilbert)与一化迭代，确定波头到达整流侧M、测量点P、逆变侧N的时间如图4所示。
利用公式(5)-公式(8)对提取的首个IMF分量做希尔伯特变换(Hilbert)与一化迭代处理，确定迭代阶数k，绘制一化时幅图，由图中的唯一突变点确定行波波头抵达三个测量端的时间。
5.故障测距的实现
利用上述确定的波头到达三个测量端的时间，由公式(12)进行故障测距计算，如下所示
Figure BDA0002271737400000051
相对误差为0.10％，绝对误差0.287km。
6.对比本发明与小波变换(WT)的定位精度
在不同故障距离条件下，对比本发明提出的HHT一化迭代的方法与小波变换(WT)的定位精度。前者使用首个IMF分量一化时幅图的唯一突变点进行确定，小波变换则使用第一个尺度的首个小波系数模极大值点进行判断。定位结果如表2所示，其中小波变换选用haar小波基，分解尺度为4。
表2
Figure BDA0002271737400000061
对比以上两种不同故障测距方法的定位精度，本发明提出的HHT一化迭代的方法优于小波变换。
7.本发明所提方法的准确性与稳定性分析对比
为验证本发明所提方法的适应性与准确性，在不同的过渡电阻、故障距离条件下进行测试，结果如表3-表4所示。
表3
Figure BDA0002271737400000062
表4
Figure BDA0002271737400000071
由表3-表4可以看出，本发明所提出的方法适应性强，定位精度高，几乎不受过渡电阻、故障距离的影响。

Claims (5)

1.一种基于HHT一化迭代的高压直流输电线路故障测距方法，具体步骤如下：
利用Matlab/Simulink搭建的高压直流输电模型采集高频电流信号；
将输电线与电压源、接地故障模块等设备模块相连接；在通电条件下利用电压电流模块采集高频电流信号，同时在接地故障模块中设置输电线路故障类型为单极接地故障；并使用示波器不间断保存四个周期内的高频电流信号作为分析对象。
2.利用克拉克变换(clarke)对采集到的高频电流信号进行解耦处理，获得高频电流的两个线模分量与一个零模分量，选取其中一个高频电流线模分量进行分析。
3.将高频电流线模分量做经验模态分解(EMD)，得到一系列从高频至低频的IMF(固有模态函数)分量：
设高频电流线模分量为i1(t)，对于任意的一个时间序列i1(t)，EMD的分解步骤如下
(1)确定高频电流线模分量i1(t)的所有极值点；
(2)利用样条函数求出i1(t)的上下包络线，y1(t)，y2(t)，记二者的均值为m1(t)；
(3)将i1(t)与m1(t)作差，即；
h1(t)＝i1(t)-m1(t) (2)
判断h1(t)是否满足固有模态函数的两个条件，若满足条件，将h1(t)视为第一个IMF，继续进行处理；若不满足，将h1(t)作为新的i1(t)，并重复以上的步骤(1)，步骤(2)，直至满足条件；
(4)令p1(t)＝h1(t),则p1(t)为第一个IMF分量，并让i1(t)与p1(t)作差，得；
r1(t)＝i1(t)-p1(t) (3)
重复上述过程n次，得到第二个IMF分量p2(t)，第三个IMF分量p3(t).........第n个IMF分量pn(t)，rn(t)＝rn-1(t)-pn(t)，其中rn(t)为残余项；
(5)重复上述步骤，直至pn(t)或rn(t)符合给定的终止条件时停止，分解后得到的信号表示如下。
Figure FDA0002271737390000012
4.对IMF分量做希尔伯特变换(Hilbert)与一化迭代，求取一化时幅图，确定故障行波到达三个测量端的时间：
(1)选取其中的第一个IMF分量p1(t)，f1(t)是p1(t)的Hilbert变换，p1(t)，f1(t)表示如下；
Figure FDA0002271737390000021
定义解析信号为Z1(t)：
Figure FDA0002271737390000023
其中a1(t)为经Hilbert变换后得到的瞬时振幅
(2)对瞬时振幅a1(t)做一化迭代处理，确定迭代阶数k，求取一化时幅图，确定行波到达三个测量端的时间；
将a1(t)做归一化处理得到幅值范围在(0,1]之间的首个一化分量，记为u1(t)，经多次k阶迭代后的一化分量记为S1(k)，迭代阶数记为k；
Figure FDA0002271737390000024
幅值为(0,1)之间的分量经k次迭代后趋近于0，而幅值为1的分量经k次迭代后，保持原有幅值不变为1，由多次迭代后的S1(k)，绘制出对应的一化时幅图，由图中的唯一突变点确定行波波头到达三个测量端的时间。
5.利用上述已确定的波头抵达测量端的时间，结合三端行波测距公式，进行输电线路的故障测距：
高压直流输电系统(如图2)所示
当故障发生在MP之间，记故障发生时刻为TF,设故障行波到达三个测量端的时刻分别为TM、TP、TN，DMF，DFN分别为整流侧M到故障点F的距离与故障点F到逆变侧N的距离，d为整流侧M与测量点P之间的距离(d可任意设置)，L为线路总长，v为波速
建立等式如下：
DMF-DFN＝v×[(TM-TF)-(TN-TF)] (9)
L-d＝v×[(TN-TM)-(Tp-TM)] (10)
同时由MN之间的总长为L，有；
DMF+DFN＝L (11)
由上述三个式子,推出故障行波测距计算式为：
Figure FDA0002271737390000031
当故障发生在PN之间，同理可求得故障行波测距计算式为。
Figure FDA0002271737390000032
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