CN111537776A - 一种行波波头标定方法、装置、终端以及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种行波波头标定方法、装置、终端以及介质，该方法包括分析线路发生故障后的暂态过程，提取故障后合适时间窗内的MMC直流侧母线电压数据；对所提取到的电压数据进行相模变换，得到线模电压信号；对线模电压信号进行EMD分解，得到暂态行波信号中的IMF最高频分量；对所得到IMF最高频分量进行二阶差分，二阶差分的最大值点对应时刻即为行波波头到达时刻。由于零模信号衰减比较严重，所以本发明采用线模电压信号。之后对线模电压信号进行EMD分解得到暂态行波信号中的IMF高频分量，最后利用得到的IMF高频分量进行二阶差分，二阶差分的最大值点对应时刻即为行波波头到达时刻，从而能够准确地标定故障行波波头。
Description
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种行波波头标定方法、装置、终端以及介质。
背景技术
与交流输电相比，柔性直流输电线路具有输送容量大、送电距离远、功率调节方便、电网互联容易、占地面积少等优点，应用前景越来越广泛。由于直流输电线路距离长，所以经常采用架空线路。架空线路要经过不同的气候和地形环境，是直流输电系统中故障率最高的元件。线路发生故障后产生的暂态行波信号是一个突变的、奇异性的信号，包含了许多故障信息。利用故障行波进行定位，受系统运行方式，过渡电阻影响较小，定位精度较高，具有一定的优势。但是故障行波波头的准确标定是行波法测距的重点，也是难点，如果发生故障后，无法成功捕获波头或者波头根本不存在，故障定位就会失败，所以研究故障定位中行波波头准确标定方法意义重大。
目前，行波波头识别方法主要有，导数法，小波变换法，数学形态法等。导数法对噪声比较敏感，受噪声影响较大。小波变换具有良好的时频局部化性能，能在任一小的时间段内给出行波信号在该时刻的频率信息，数学形态法和小波变换法应用于行波波头识别时，关键点在于选取合适的“基”，相对而言，小波变换法比数学形态法更为成熟。MALLAT S,HWANG W L等人的论文“Singularity detection and processing with wavelets”证明了三次B样条函数作为小波变化的基函数时，可以在有噪声的情况下有效检验出信号奇异性，但是在高阻等弱故障情况下可能检测不到波头。覃剑等人的论文“基于小波变换技术的输电线路单端行波故障测距”提出利用小波变换技术来提取故障行波的故障特征，并消除行波色散对测距精度的影响，但是需要根据行波的特点选取合适的小波基以及合适的分解尺度；赵妍卉等人的论文“基于小波模极大值理论的HVDC输电线路行波故障定位方法的研究”根据故障行波信号的奇异点，结合小波变换，给出了基于小波模极大值的行波波头提取方法。但是，小波变换需考虑小波基的种类、信号的采样率、分解尺度、数据窗口较宽、在运算中会用到积分运算等问题，所以自身不具有自适应性，无法用一族小波基来分析所有类型的故障。如果不能选取合适的基函数和尺度，就很难得到正确的波头时刻。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种行波波头标定方法、装置、终端以及介质，以准确地标定故障行波波头。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
第一方面，本发明实施例提供了一种行波波头标定方法，包括：
分析线路发生故障后的暂态过程，提取故障后合适时间窗内的MMC直流侧母线电压数据；
对所提取到的电压数据进行相模变换，得到线模电压信号；
对线模电压信号进行EMD分解，得到暂态行波信号中的IMF最高频分量；
对所得到IMF最高频分量进行二阶差分，二阶差分的最大值点对应时刻即为行波波头到达时刻。
如上所述的行波波头标定方法，进一步地，所述二阶差分的公式为:
式中，h(n-1)代表前一个点的IMF分量，h(n)代表的计算点的IMF分量，h(n+1)代表后一个点的IMF分量。
如上所述的行波波头标定方法，进一步地，所述相模变换的公式为：
式中，u+和u-分别代表线路母线正负极电压，u1和u0分别代表线模电压和零模电压信号。
如上所述的行波波头标定方法，进一步地，所述合适时间窗为2ms。
第二方面，本发明实施例提供了一种行波波头标定装置，包括：
电压数据提取模块，用于分析线路发生故障后的暂态过程，提取故障后合适时间窗内的MMC直流侧母线电压数据；
相模变换模块，用于对所提取到的电压数据进行相模变换，得到线模电压信号；
EMD分解模块，用于对线模电压信号进行EMD分解，得到暂态行波信号中的IMF最高频分量；
二阶差分模块，用于对所得到IMF最高频分量进行二阶差分，二阶差分的最大值点对应时刻即为行波波头到达时刻。
第三方面，本发明实施例提供了一种行波波头标定终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的行波波头标定方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的行波波头标定方法的步骤。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明通过分析线路发生故障后的暂态过程，提取MMC直流侧母线电压数据，选择合适的时间窗，对原始信号进行数据截取，然后进行相模变换处理，由于零模信号衰减比较严重，所以本发明采用线模电压信号。之后对线模电压信号进行EMD分解得到暂态行波信号中的IMF高频分量，最后利用得到的IMF高频分量进行二阶差分，二阶差分的最大值点对应时刻即为行波波头到达时刻，从而能够准确地标定故障行波波头。
附图说明
图1为本发明实施例提供的行波波头标定方法的流程图；
图2为EMD分解过程图；
图3为三端直流输电线路模型图；
图4为换流站1的线模电压时间变化图；
图5为换流站1线模电压的高频分量IMF1时间变化图；
图6为高频分量IMF1的二阶差分时间变化图；
图7为本发明实施例提供的行波波头标定装置的组成示意图；
图8为本发明实施例提供的行波波头标定终端的组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例1：
参阅图1所示，本实施例提供的行波波头标定方法，包括如下步骤：
101、分析线路发生故障后的暂态过程，提取故障后合适时间窗内的MMC直流侧母线的正负极电压数据。
102、对所提取到的电压数据进行相模变换，得到线模电压信号。
103、对线模电压信号进行EMD分解，得到暂态行波信号中的IMF最高频分量。
EMD是暂态信号的自适应分解，即其分解过程与信号本身包含的突变点有关，在高频分量上有着很高的时间分辨率，所以可以用来检测信号的奇异点。
EMD将复杂信号自适应地从高频分量到低频分量依次分解得到多个IMF分量和1个残余分量r。其中第一个IMF分量代表信号中的最高频率分量，可以用来检测信号的突变点。对于一个时间信号x(t)，其EMD的分解结果如下：
式中，IMF是固有模态函数；r(t)是残余函数；
EMD分解过程与小波分解相似，如图2所示。
104、对所得到IMF最高频分量进行二阶差分，二阶差分的最大值点对应时刻即为行波波头到达时刻。
由此可见，本方法通过分析线路发生故障后的暂态过程，提取MMC直流侧母线电压数据，选择合适的时间窗，对原始信号进行数据截取，然后进行相模变换处理，由于零模信号衰减比较严重，所以本方法采用线模电压信号。之后对线模电压信号进行EMD分解得到暂态行波信号中的IMF高频分量，最后利用得到的IMF高频分量进行二阶差分，二阶差分的最大值点对应时刻即为行波波头到达时刻，从而能够准确地标定故障行波波头。
具体地，上述的二阶差分的公式为:
式中，h(n-1)代表前一个点的IMF分量，h(n)代表的计算点的IMF分量，h(n+1)代表后一个点的IMF分量。
通过上式，可以快速准确地找到行波的突变点，进而得到行波波头时刻。
直流输电线路的正负极线路之间存在耦合作用，通过凯伦贝尔相模变换矩阵，可以将其解耦为相互独立的模量信号。正负极暂态行波数据相加乘以一个系数成为零模分量，正负极暂态行波数据相减乘以一个系数变为线模分量。
上述的相模变换的公式为：
式中，u+和u-分别代表线路母线正负极电压，u1和u0分别代表线模电压和零模电压信号。
由于本系统的各个换流站之间的最远距离为500km，因此数据窗宽度为500km/(30000km/s)＝0.0017≈0.002s＝2ms，所以上述的合适时间为2ms。
下面结合一个仿真模型实例来对本方法进行进一步地详细说明：
在PSCAD/EMTDC中搭建±200kV三端直流输电线路模型，如图3所示，仿真条件如下：过渡电阻10Ω，故障发生时刻为1.2s，该系统采样频率设置为400kHz。
如图3所示，假设故障F1发生在距换流站1处10km，距离2站290km，距离3站490km。以换流站1为例，换流站1的线模电压如图4所示，线模电压的高频分量IMF1如图5所示，IMF1的二阶差分如图6所示。由图6可以看出，二阶差分的最大值点对应行波波头到达时刻，记为t1。
表1列出了故障发生时间为t0＝1.2s时，利用本实施例所提供行波波头标定方法的和小波变换法得到的3个换流站的行波波头到达时刻t1，t2，t3。
表1 不同方法下3个换流站行波波头到达时刻
本实施例所提供行波波头标定方法是基于希尔伯特变换法，可以自适应的随信号特征进行处理，适合处理突变点和奇异性信号。小波变换法和本实施例所提的基于HHT方法进行对比。小波变换法是时频分析，比较成熟，但是需要选择合适的小波基函数和分解层数，适合处理非平稳信号。而HHT方法是瞬时时频分析，可以根据故障信号特征对信号进行自适应分解，无需选取基函数和小波尺度，适合处理平稳和非平稳信号。不同方法波头到达时刻与利用光速计算的到达时刻差值对比如表2所示。
表2 不同方法波头到达时刻与利用光速计算的到达时刻差值对比
由表2可以看出本实施例所提方法标定的波头到达时刻与利用光速计算的到达时刻差值较小，因此波头标定更加准确。
实施例2：
参阅图7所示，本实施例提供的行波波头标定装置包括：
电压数据提取模块701，用于分析线路发生故障后的暂态过程，提取故障后合适时间窗内的MMC直流侧母线电压数据。
相模变换模块702，用于对所提取到的电压数据进行相模变换，得到线模电压信号。
EMD分解模块703，用于对线模电压信号进行EMD分解，得到暂态行波信号中的IMF最高频分量；
二阶差分模块704，用于对所得到IMF最高频分量进行二阶差分，二阶差分的最大值点对应时刻即为行波波头到达时刻。
由此可见，本系统通过分析线路发生故障后的暂态过程，提取MMC直流侧母线电压数据，选择合适的时间窗，对原始信号进行数据截取，然后进行相模变换处理，由于零模信号衰减比较严重，本系统采用线模电压信号。之后对线模电压信号进行EMD分解得到暂态行波信号中的IMF高频分量，最后利用得到的IMF高频分量进行二阶差分，二阶差分的最大值点对应时刻即为行波波头到达时刻，从而能够准确地标定故障行波波头。
由于电压数据提取模块701、相模变换模块702、EMD分解模块703以及二阶差分模块704和实施例1中的步骤101-104相对应，为此，在本实施例中就不再赘述各个模块的具体工作原理。
实施例3：
参阅图8所示，本实施例提供的行波波头标定终端包括处理器801、存储器802以及存储在该存储器802中并可在所述处理器801上运行的计算机程序803，例如行波波头标定程序。该处理器801执行所述计算机程序803时实现上述实施例1步骤。或者，所述处理器801执行该计算机程序803时实现上述实施例2中各模块的功能。
示例性的，所述计算机程序803可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多个模块被存储在所述存储器802中，并由所述处理器801执行，以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序803在所述行波波头标定终端中的执行过程。
所述行波波头标定终端可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述行波波头标定终端可包括，但不仅限于，处理器801、存储器802。本领域技术人员可以理解，图8仅仅是行波波头标定终端的示例，并不构成行波波头标定终端的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述行波波头标定终端还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器801可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器802可以是所述行波波头标定终端的内部存储元，例如行波波头标定终端的硬盘或内存。所述存储器802也可以是所述行波波头标定终端的外部存储设备，例如所述行波波头标定终端上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器802还可以既包括所述行波波头标定终端的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器802用于存储所述计算机程序以及所述行波波头标定终端所需的其他程序和数据。所述存储器802还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
实施例4：
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述方法的步骤。
所示计算机可读介质可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理再以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种行波波头标定方法，其特征在于，包括：
分析线路发生故障后的暂态过程，提取故障后合适时间窗内的MMC直流侧母线电压数据；
对所提取到的电压数据进行相模变换，得到线模电压信号；
对线模电压信号进行EMD分解，得到暂态行波信号中的IMF最高频分量；
对所得到IMF最高频分量进行二阶差分，二阶差分的最大值点对应时刻即为行波波头到达时刻。
2.如权利要求1所述的行波波头标定方法，其特征在于，所述二阶差分的公式为:
式中，h(n-1)代表前一个点的IMF分量，h(n)代表的计算点的IMF分量，h(n+1)代表后一个点的IMF分量。
3.如权利要求1所述的行波波头标定方法，其特征在于，所述相模变换的公式为：
式中，u+和u-分别代表线路母线正负极电压，u1和u0分别代表线模电压和零模电压信号。
4.如权利要求1所述的行波波头标定方法，其特征在于，所述合适时间窗为2ms。
5.一种行波波头标定装置，其特征在于，包括：
电压数据提取模块，用于分析线路发生故障后的暂态过程，提取故障后合适时间窗内的MMC直流侧母线电压数据；
相模变换模块，用于对所提取到的电压数据进行相模变换，得到线模电压信号；
EMD分解模块，用于对线模电压信号进行EMD分解，得到暂态行波信号中的IMF最高频分量；
二阶差分模块，用于对所得到IMF最高频分量进行二阶差分，二阶差分的最大值点对应时刻即为行波波头到达时刻。
6.如权利要求5所述的行波波头标定装置，其特征在于，所述二阶差分的公式为:
式中，h(n-1)代表前一个点的IMF分量，h(n)代表的计算点的IMF分量，h(n+1)代表后一个点的IMF分量。
7.如权利要求5或6所述的行波波头标定装置，其特征在于，所述相模变换的公式为：
式中，u+和u-分别代表线路母线正负极电压，u1和u0分别代表线模电压和零模电压信号。
8.如权利要求5所述的行波波头标定方法，其特征在于，所述合适时间窗为2ms。
9.一种行波波头标定终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一所述方法的步骤。
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2020
- 2020-04-10 CN CN202010278910.1A patent/CN111537776A/zh active Pending
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