CN111413641A - 一种利用hht暂态特征量检测的微机继电保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用HHT暂态特征量检测的微机继电保护方法，包括：通过应用HHT暂态特征量突变值检测故障发生时间点，依据故障相和健全相在故障发生时刻零序暂态电流方向互异，采用混合非线性滤波器处理暂态故障零序，对故障前后0.25T周期内的暂态采集数据进行经验模态分解(EMD)，得出本征模函数(IMF)瞬时频率分量，并采用一阶后向差分运算，最后比较零序故障暂态电流故障时的互异极性。该利用HHT暂态特征量检测的微机继电保护方法，采用形态滤波对信号进行预处理，不会出现因干扰和测量误差而导致故障特征被湮没的情况，可以提高故障判断的灵敏性和可靠性，与采用传统的数字滤波器相比，使用廉价的微处理器芯片便可实现。

Description

一种利用HHT暂态特征量检测的微机继电保护方法

技术领域

本发明涉及电力保护技术领域，具体为一种利用HHT暂态特征量检测的微机继电保护方法。

背景技术

希尔伯特—黄变换(Hilbert-Huang Transform，简称HHT)主要内容包含两部分，第一部分为经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，简称EMD)，它是由Huang提出的；第二部分为Hilbert谱分析(Hilbert Spectrum Analysis，简称HSA)。简单说来，HHT处理非平稳信号的基本过程是：首先利用经验模态分解方法将给定的信号分解为若干固有模态函数(以Intrinsic Mode Function或IMF表示，也称作本征模态函数)，这些IMF是满足一定条件的分量，然后，对每一个IMF进行Hilbert变换，得到相应的Hilbert谱，即将每个IMF表示在联合的时频域中，最后，汇总所有IMF的Hilbert谱就会得到原始信号的Hilbert谱，IMF分量表征了了被分析信号瞬时频率特性，很适合电力故障暂态过程测量信号分析，本发明的目的在于克服现有稳态继电保护装置的不足，发明一种采用故障前后各0.25T信号进行希尔伯特—黄变换分析，避免零序互感器饱和及倒相影响，不依赖线路结构，在短线路故障时，不受容性电流影响，能准确识别馈线几母线故障，实现对不同的故障正确判断，也适用于电弧故障判别，对硬件要求较低，节约成本，具有一定的经济性，能够提高故障判断的精度和准确性。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用HHT暂态特征量检测的微机继电保护方法，具备使用效果好的优点，解决了上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用HHT暂态特征量检测的微机继电保护方法，包括：通过应用HHT暂态特征量突变值检测故障发生时间点，依据故障相和健全相在故障发生时刻零序暂态电流方向互异，采用混合非线性滤波器处理暂态故障零序，对故障前后0.25T周期内的暂态采集数据进行经验模态分解(EMD)，得出本征模函数(IMF)瞬时频率分量，并采用一阶后向差分运算，最后比较零序故障暂态电流故障时的互异极性，就此形成故障判据，完成对故障线路暂态保护判断结论。

本发明要解决的技术问题是提供一种利用HHT暂态特征量检测的微机继电保护方法，其理论算法特征包括以下步骤：

1)、当零序电压值Uo(t)>XoUo，微机暂态保护启动，测得故障前后各1个周波暂态零序电流，取值Xo等于0.13，Uo表示额定电压；

2)、采用混合非线性滤波器处理故障暂态零序电流；

3)、采用HHT对零序暂态电流突变值检测，判定突变时刻就是故障时刻；

4)、使用HHT对0.25T内的暂态故障信号进行经验模态分解，从而得到瞬时频率分量；

5)、比较暂态电流零序的差分运算结果，得到暂态信号的突变趋势；

6)、发生单相接障时，比较故障暂态零序电流变化方向，一阶差分方向相同或相反，相反为内部故障，相同为母线故障，就此形成故障判据，完成对故障线路暂态保护判断结论。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种利用HHT暂态特征量检测的微机继电保护方法，具备以下有益效果：

1、该利用HHT暂态特征量检测的微机继电保护方法，采用形态滤波对信号进行预处理，不会出现因干扰和测量误差而导致故障特征被湮没的情况，可以提高故障判断的灵敏性和可靠性，与采用传统的数字滤波器相比，使用廉价的微处理器芯片便可实现。

2、该利用HHT暂态特征量检测的微机继电保护方法，通过HHT暂态特征量检测的方法，对硬件的要求较低，节约成本，具有一定的经济效益，利用故障前后各0.25T周期的数据进行HHT分析，不受到故障线路零序电流倒相和CT饱和的影响，能够提高故障判断的精度。

3、该利用HHT暂态特征量检测的微机继电保护方法，对各种不同的故障类型进行了仿真验证，能够实现对不同的故障，包括小故障角时的准确判断，也适用于对电弧故障的识别，不依赖线路结构，在短线路故障时，不受到对地容性电流的影响，能准确识别故障。

附图说明：

图1为单相接地故障零序网络简化图；

图2为不同补偿度的零序电流波形图；

图3为不同过渡电阻的故障线路零序电流波形图；

图4为不同故障合闸角的故障线路零序电流波形图；

图5为滤波前、后的故障零序电流图；

图6为故障线路零序电流倒相图；

图7为CT二次电流典型曲线图；

图8为本发明故障判断方法流程图；

图9为辐射状谐振接地系统图；

图10为突变性检测结果图；

图11为故障线路零序电流最高频IMF分量在故障标定时刻附近的一阶差分结果图；

图12为健全线路零序电流最高频IMF分量在故障标定时刻附近的一阶差分结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为实现上述目的，本发明可用以下述技术方案的原理来实现：

一、先进行故障暂态分析：

1、暂态特性分析

谐振接地系统单相接地故障时，电流零序分布如图1所示，故障相容性放电及非故障相容性充电，产生幅值比稳态值数倍到几十倍的暂态电流，故障分路的零序暂态电流是由全部非故障分路的暂态电流(实际是稳态容性、高频容性衰减和直流容性衰减的总称)和消弧线圈的电感暂态电流(实际是稳态工频感性、直流感性衰减的总称)所组成，当相电压经过零附近发生接地故障，电感暂态电流达最大极值，由故障线和消弧线圈对地形成回路，并不流过健全线路，其中的直流感性衰减分量较清晰，故障相的暂态高频分量极小，在此情况下，易引起CT饱和，此外，谐振接地系统由于消弧线圈补偿，有可能出现倒相零序故障电流，仿真可知，倒相现象均出现故障发生0.25T周期后。

单相接地故障特征受补偿度、过渡电阻及故障合闸角等因素影响，过渡电阻，故障合闸角不变时，随着消弧线圈补偿度增大，故障线与健全线路的零序电流波形如图2所示，可以看出，小电流接地系统采用过补偿方式时，补偿度10％～20％之间变化影响小，而当消弧线圈补偿度为零即不补偿时，故障分路零序电流的大小及相位与消弧线圈过补偿时明显不同，健全线路不受到消弧线圈的补偿作用，故基本没有影响。

当补偿度和故障合闸角不变时，随着过渡电阻增大故障线路零序电流波形如图3所示，随着过渡电阻的增加，故障分路首0.5T零序电流冲击逐渐减小，过渡电阻很大时，电流零序暂态分量变化不明显。

当补偿度和过渡电阻不变时，随着合闸角增大的故障分路零序电流波形如图4所示，可以看到，相电压在过零附近接地故障发生时，暂态高频分量很小，而合闸角很大时，暂态高频分量变化明显。

2、形态滤波

用电现场环境复杂、故障电流很小，各种变频调速装置以及工业用电弧炉等波动负荷影响，采集到的信号不可避免的存在噪声，为提高故障选判断准确性，必须在判断前加以滤除。

基于数学形态学消噪滤波的方法，算法简单又易行、物理意义明确、实用有效，在图像识别处理领域应用广泛，可以用形态基本开闭运算来理解形态学滤波，其开运算可以用于过滤信号上方的峰值噪声，除去毛刺及小桥结构，而闭运算可用于平滑或抑制信号下方的波谷噪声，填平小沟结构，基于形态学开、闭运算可以构建三种滤波算法：交替滤波器、混合滤波器、交替混合滤波器。

交替滤波器：

混合滤波器：

交替混合滤波器：

[(f)altmix(g)](n)＝[(f)co(g)+(f)mix(g)](n)/2 (3)

形态滤波方法是基于结构元素填充探测的思想，结构元素的形状是影响滤波性能的关键因素，采用形态数字滤波器，通过选取合适的结构元素，可有效去除电力信号中的各种宽带或窄带干扰，最优结构元素的选取与干扰的类型和频率、待处理数据序列和采样率等因素密切相关，常用的结构元素有直线形、斜线形、三角形、圆形等，在信号消噪方面，结构元素形状越复杂，宽度越长，其提取信号的能力就越强，所耗费的时间也越长，圆形结构元素具有较强的平滑能力，去噪效果最明显，但对暂态信息部分进行了过度平滑，削弱了信号暂态特征，直线形结构元素在滤除脉冲的同时，能有效降低白噪声等其它噪声，且具有较好的自适应性，考虑到小电流接地系统故障信号特点以及简化程序资源的需要，选取直线形的结构元素对含噪故障零序电流进行滤波如图5所示。

3、HHT突变性检测方法

在信号分析中，信号的急剧变化之处常是分析特性的最关键处，在各种信号的分析处理中，由于在突变点处包含有丰富的有用信息，因此在信号分析中往往对信号的突变点处特别关注。

HHT信号突变性检测原理是：通过EMD方法从信号的局部特征时间尺度入手，将信号分解成不同特征尺度的有限个IMF分量，各IMF分量的局部特征时间尺度按分解出的顺序逐次增大，越是先分解出的IMF分量的局部特征时间尺度越小，即极值时间间隔越小，另外分解出的IMF分量具有实际的物理意义，是一种调幅调频信号，能从幅度和频率上敏感地反映信号的信息，而信号中突变点反映的局部特征尺度都很小，即突变点处的两相邻极值点间隔很小，且其相邻的两极大值点和极小值点的幅值差也相对正常信号点要大很多。

EMD法突变值检测步骤如下：

(1)对信号进行EMD分解，求取瞬态高频IMF分量，本发明使用的是IMF分量中最高频率分量，即IMF1分量；

(2)求最高频IMF1分量的极值点；

(3)计算相邻极大值点与极小值点的幅值差，取绝对值，并计算其间隔；

(4)使用幅值差的绝对值最大及极值间隔的最小处进行识别，通常突变性都是瞬间的，因而突变值点处的极值间隔一般情况都只有一个采样间隔，故取极值间隔最小处的极大值点的位置为突变值点的位置。

4、倒相的影响

发生单相接地故障后，故障线路对地电容放电，而健全线路对地电容充电，故障线路与健全线路之间的相位相差180°，在暂态过程中，消弧线圈的补偿作用，易导致故障零序电流发生倒相，导致利用稳态信号判断的某些方法失效，图6中所示即为发生单相接地故障后，故障线路电流零序倒相的仿真波形，由该波形可以看出，在故障发生后的0.25T周期后，出现倒相现象，由此，采用0.25T周期内的采样数据判断过程将不受到倒相的影响。

5、CT饱和对故障判断的影响

正常情况下，电流互感器(CT)铁芯的磁通密度较低，流入励磁回路电流小，能真实传变一次电流，故障情况下，CT铁芯磁密超过铁芯材料的饱和磁密，引起CT饱和，二次电流传变信号缺损，故障电流中存在周期性工频分量，CT铁芯的磁密呈现周期性变化，当一次电流反向过零时，CT铁芯磁密下降，退出饱和，故CT进退饱和也存在周期性规律，CT饱和与不饱和相间，二次电流也随之呈现饱和缺损和线性传变相间的特征。

由于小电流接地系统零序故障电流含有丰富的高次谐波分量和非周期暂态分量，这些分量易得电流互感器铁芯饱和，导致二次电流失真，如何去实现避开CT饱和引起的间断角对故障判断准确性的影响，是实现完善判据的的关键问题，电流互感器饱和状态下二次电流的典型曲线如图7所示，图7中，T为二次电流的工频周期，由图7可见，CT铁芯饱和，其饱和传变特性对故障后一个周期内前0.25T的波形影响不大，0.25T/到0.75T的波形发生畸变，采用对故障后0.25T周期内的信号进行故障判断，可有效的降低CT铁芯饱和造成的一次电流传变至二次电流发生失真对判断结果的影响。

基于上述分析，小电流接地系统发生单相接地故障时，在故障后0.25T周期内，故障线路与健全线路电流零序的最高频IMF1分量，故障时刻前后的一阶差分结果具有不同的突变极性，利用这一特征可实现完善的故障判断算法，实现步骤(如图8所示)为：

1、当零序电压值Uo(t)>XoUo，高速暂态微机保护装置启动，测得故障发生时刻前后各1个周波各路的零序电流，取值Xo等于0.13，Uo表示母线额定电压；

2、采用混合非线性滤波器对故障分路电流零序进行滤波处理；

3、采用HHT对零序电压电压信号进行突变值检测，判定信号突变时刻就是故障时刻；

4、使用HHT对处理后的各线路故障前后0.25T周期内的暂态信号进行经验模态分解，从而得出瞬态高频的IMF分量；

5、比较各线路零序电流的最终的差分计算结论，得到信号突变的的变化趋势；

6、发生单相接地故障时，比较故障零序电流故障时的突变极性，一阶差分极性相同或相反，相反为内网故障，相同为母线故障，就此形成故障判据，完成对故障线路的判断，输出故障判断结论。

实施例一：图9为一辐射状的谐振接地电网系统，G为电源，T为主变压器，变比为110kV/35kV，联结组别为YN/d11，Tz是Z型变压器，其中性点通过消弧线圈串联电阻接地，采用LSJC—35Ⅱ型电流互感器，L为消弧线圈，采用过补偿15％，R为消弧线圈阻尼电阻，R_f为接地电阻，消弧线圈通过隔离开关K投切，线路为缆线混合线路。

单相接地故障时，采样速度为500kHz的采样装置记录下线路零序电流和母线零序电压，对母线零序电压进行突变性检测的波形如图10所示。

对故障线路和健全线路零序电流进行EMD分解，并对IMF₁分量做一阶向后差分的结果如图11和图12所示。

对图9中各馈出线路零序电流，在故障时刻对其最瞬态高频IMF分量进行一阶向后差分处理，可得具体数值如下：

dif(IMF)＝[40.32-14.38-1.39-14.29-1.35-12.94]

显然可判定为线路L₁故障。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种利用HHT暂态特征量检测的微机继电保护方法，其特征在于，包括：通过应用HHT暂态特征量突变值检测故障发生时间点，依据故障相和健全相在故障发生时刻零序暂态电流方向互异，采用混合非线性滤波器处理暂态故障零序，对故障前后0.25T周期内的暂态采集数据进行经验模态分解(EMD)，得出本征模函数(IMF)瞬时频率分量，并采用一阶后向差分运算，最后比较零序故障暂态电流故障时的互异极性，就此形成故障判据，完成对故障线路暂态保护判断结论。

一种利用HHT暂态特征量检测的微机继电保护方法，其理论算法特征包括以下步骤：

1)、当零序电压值Uo(t)>XoUo，微机暂态保护启动，测得故障前后各1个周波暂态零序电流，取值Xo等于0.13，Uo表示额定电压；

2)、采用混合非线性滤波器处理故障暂态零序电流；

3)、采用HHT对零序暂态电流突变值检测，判定突变时刻就是故障时刻；

4)、使用HHT对0.25T内的暂态故障信号进行经验模态分解，从而得到瞬时频率分量；

5)、比较暂态电流零序的差分运算结果，得到暂态信号的突变趋势；

6)、发生单相接障时，比较故障暂态零序电流变化方向，一阶差分方向相同或相反，相反为内部故障，相同为母线故障，就此形成故障判据，完成对故障线路暂态保护判断结论。

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