CN111985412B - 一种高压直流输电线路雷击干扰识别方法 - Google Patents

一种高压直流输电线路雷击干扰识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压直流输电线路雷击干扰识别方法，首先，对整流侧正负极电压、电流信号故障分量进行相模变换，得到1模分量；其次，对保护启动后3ms内的电压1模分量进行CEEMD‑HHT变换，计算低频能量和高频能量；然后计算电压低频能量与高频能量的比值，根据结果判断发生了雷击干扰还是线路故障；最后，若发生雷击干扰，保护复归，若发生故障，对保护启动后1ms的电流1模分量进行CEEMD‑HHT变换，计算电流低频能量与高频能量的比值，根据结果判断发生了雷击故障还是普通短路故障，保护出口。本发明可以准确识别雷击干扰，提高直流线路暂态量保护的可靠性，并进一步区分雷击故障和普通短路故障，对线路的防雷、运行和维护具有指导意义。

Description

一种高压直流输电线路雷击干扰识别方法
技术领域：
本发明属于电力系统领域，涉及高压直流输电线路的继电保护领域，具体涉及一种高压直流输电线路雷击干扰识别方法。
背景技术：
作为有效解决电能外送的方法，高压直流输电除了线路成本低、结构简单、输送容量大、损耗小、输送距离较长等优势，在电能的远距离传输、电力系统非同步联网、分布式资源并网、城市电缆供电等方面也有着广泛应用。基于暂态量的保护原理仅需单端故障信息，常作为线路的主保护，但雷击线路时注入的高频信号容易对基于暂态量的保护造成影响。针对上述问题，需要快速可靠的抗雷击干扰技术，以准确地将雷击干扰与普通短路故障或雷击引起的故障进行区分，使得在线路遭受雷击干扰时，保护不误动，在遭受雷击故障或普通短路故障时，保护不拒动，该技术对于高压直流输电线路超高速暂态量保护走向实用化具有决定性的作用。同时，对线路的雷击故障和普通短路故障作进一步区分，可以对线路防雷提供重要的数据支撑，对高压直流线路的运行和维护具有指导意义。
目前，针对雷击干扰识别问题的现有成果从时域上的数值和波形特征、频域上的能量分布特征以及人工智能方法等角度进行研究。其中，时域上提取数值特征运算简单，但其阈值易受雷电参数影响，且具有难以整定的缺陷，而波形特征的提取需要基于长时间窗，难以与超高速暂态量保护相配合。频域上通常采用小波变换、EMD-HHT等方法，能够有效提取干扰及故障频谱能量分布差异，但前者小波基的选取、参数的确定具有较强的经验性，后者具有难以避免的模态混叠现象。人工智能方法避免了复杂的数学运算，通过对训练集的离线学习就可以达到区分干扰和故障的目的，但可以用作训练集的实际算例较少，需要基于大量的仿真结果，其分类标准可能在实际的电力系统中并不适用。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种高压直流输电线路雷击干扰识别方法，能够快速可靠的雷击干扰识别，能够免疫于故障和干扰的类型、雷电流参数、折反射行波等因素的影响，实现在较短数据窗内快速识别雷击干扰，并在此基础上进一步区分雷击故障和普通短路故障。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高压直流输电线路雷击干扰识别方法，基于短数据窗，对不同类型的故障、干扰适应性较好，不受过渡电阻和雷电流参数影响，包括以下步骤：
步骤1：以一定采样频率采集整流侧正、负极电压信号和电流信号，分别对电压信号和电流信号进行相模变换，获取电压1模分量和电流1模分量；
步骤2：设保护启动的时刻为t，雷击干扰识别系统自动记录启动后[t ms，(t+3)ms]内的电压1模分量和电流1模分量；
步骤3：基于CEEMD-HHT计算电压1模分量时频矩阵EU1，具体实现方法如下：
a.通过CEEMD算法将3ms时窗内的电压1模分量u1(n)分解为多个固有模态函数IMF：
Figure BDA0002645222560000021
其中，ck(n)表示分解得到的第k个IMF，n为时间序列，其中k＝1,2,3…K，K为IMF总数，R(n)表示残余函数；
b.定义IMF分量ck(n)的希尔伯特变换HT为：
Figure BDA0002645222560000022
其中，
Figure BDA0002645222560000023
为第k个IMF ck(n)的希尔伯特变换，m为新引入的积分变量，m∈Z；
得到各个IMF的瞬时幅值ak(n)、瞬时相位φk(n)和瞬时频率fk(n)，计算方法如下：
Figure BDA0002645222560000031
c.根据各IMF的瞬时幅值和瞬时频率，求得电压1模分量u1(n)的时频矩阵EU1，矩阵中的元素计算方法如下：
Figure BDA0002645222560000032
其中，f为频率变量，f∈[0,fs]，fs为信号的采样频率，单位kHz；
步骤4：对各个频率的电压平方值在3ms时窗内进行求和，计算得到频率边际谱EU1(f):
Figure BDA0002645222560000033
步骤5：以1kHz作为高频、低频的阈值，计算电压1模分量的低频能量ELF_U1和高频能量EHF_U1，并计算其比值ρU1:
Figure BDA0002645222560000034
步骤6：判断比值ρU1是否超过阈值ρset1，若超过，则判定为故障，进入步骤7；若未超过，则判定为雷击干扰，保护复归；
步骤7：基于CEEMD-HHT计算电流1模分量时频矩阵EI1，具体实现方法如下：
a.通过CEEMD算法将1ms时窗内的电流1模分量i1(n)分解为多个固有模态函数(IMF)：
Figure BDA0002645222560000041
其中，ck(n)表示分解得到的第k个IMF，其中k＝1,2,3…K，K为IMF总数，R(n)表示残余函数；
b.根据式(2)得到IMF分量ck(n)的希尔伯特变换，根据式(3)得到各个IMF的瞬时幅值ak(n)、瞬时相位φk(n)和瞬时频率fk(n)；
c.根据各IMF的瞬时幅值和瞬时频率，求得电流1模分量i1(n)的时频矩阵EI1，矩阵中的元素计算方法如下：
Figure BDA0002645222560000042
其中，f为频率变量，f∈[0,fs]，fs为信号的采样频率，单位kHz；
步骤8：对各个频率的电流平方值在1ms时窗内进行求和，计算得到频率边际谱EI1(f):
Figure BDA0002645222560000043
步骤9：以1kHz作为高频、低频的阈值，计算电流1模分量的低频能量ELF_I1和高频能量EHF_I1，并计算其比值ρI1:
Figure BDA0002645222560000044
步骤10：判断比值ρI1是否超过阈值ρset2，若超过，则判定为普通短路故障，若未超过，则判定为雷击故障，算法结束，保护正常出口。
本发明和现有技术相比较，具备如下优点：
本发明以相模变换后的电压、电流模量的低频、高频能量之比为判据的识别方案具有明显优势，避免了电气量绝对幅值大小的影响，因此比起提取以往提取数值特征的研究，该方案在雷电流参数和过渡电阻方面具有良好的适应性。此外对于干扰与各类故障，该比值有着数量级的差距，对门槛值的要求更加宽容，避免了整定困难的问题。该方案仅需要3ms时窗的数据，满足了保护的速动性，且对计算速度和存储容量的要求较低。
此外，本发明采用CEEMD代替EMD，与希尔伯特变换相结合，避免了常用的小波变换方法小波基选取困难和高频分辨率低等缺陷，在时域和频域上都可以获得较高的分辨率，并解决了EMD存在的模态混叠问题，使得判断结果具有较好的抗噪声能力。
附图说明
图1是适用于本发明方法的一种高压直流输电一次系统模型图。
图2是实现本发明方法的流程图。
图3(a)、图3(b)分别是发生雷击故障时的电压1模分量波形、电流1模分量波形。
图4是发生雷击故障时的电压1模分量频率边际谱。
图5是发生雷击故障时该方法对是否发生故障的判别结果。。
图6是发生雷击故障时的电流1模分量频率边际谱。
图7是发生雷击故障时该方法对故障是否由雷击导致的判别结果。
图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)分别是发生雷击干扰时的电压1模分量波形、电流1模分量波形、是否发生故障判别结果、故障是否由雷击导致判别结果。
图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)分别是发生普通短路故障时的电压1模分量波形、电流1模分量波形、是否发生故障判别结果、故障是否由雷击导致判别结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，直流输电的一次系统包括直流输电线路、换流变压器、换流阀、交流滤波器组及无功补偿、直流滤波器组及平波电抗器等模型。本模型采用±500kV某直流输电工程的各项参数，该工程是外送煤电基地电力和黄河上游水电的重要通道，通常将其送端换流站作为整流站，受端换流站作为逆变站运行，线路全长1043公里。
当直流输电线路距离整流侧保护安装处450km发生雷击塔顶时，利用本发明提供的方法可以排除雷击干扰，并对雷击故障和普通短路故障作出进一步区别。设雷电流波形为2.6/50μs，幅值为-120kA，绝缘子闪络，线路故障。识别方案包括以下步骤，如图2所示：
步骤1：以一定采样频率采集整流侧正、负极电压信号和电流信号，分别对电压信号和电流信号进行相模变换，获取电压1模分量和电流1模分量；
步骤2：设保护启动的时刻为t，雷击干扰识别系统自动记录启动后[t ms，(t+3)ms]内的电压1模分量和电流1模分量；
本例中，采样频率为1MHz，采用如下矩阵进行相模变换：
Figure BDA0002645222560000061
经推导可得：
Figure BDA0002645222560000062
相模变换后的1模电压、电流波形故障分量分别如图3(a)、(b)所示。
步骤3：基于CEEMD-HHT计算电压1模分量时频矩阵EU1，具体实现方法如下：
a.通过CEEMD算法将3ms时窗内的电压1模分量u1(n)分解为多个固有模态函数IMF：
Figure BDA0002645222560000071
其中，ck(n)表示分解得到的第k个IMF，n为时间序列，其中k＝1,2,3…K，K为IMF总数，R(n)表示残余函数；
b.定义IMF分量ck(n)的希尔伯特变换HT为：
Figure BDA0002645222560000072
其中，
Figure BDA0002645222560000073
为第k个IMF ck(n)的希尔伯特变换，m为新引入的积分变量，m∈Z。
得到各个IMF的瞬时幅值ak(n)、瞬时相位φk(n)和瞬时频率fk(n)，计算方法如下：
Figure BDA0002645222560000074
c.根据各IMF的瞬时幅值和瞬时频率，求得电压1模分量u1(n)的时频矩阵EU1，矩阵中的元素计算方法如下：
Figure BDA0002645222560000075
其中，f为频率变量，f∈[0,fs]，fs为信号的采样频率，单位kHz。
步骤4：对各个频率的电压平方值在3ms时窗内进行求和，计算得到频率边际谱EU1(f):
Figure BDA0002645222560000076
本例中经过CEEMD-HHT变换得到了时频矩阵，通过该时频矩阵得到的电压1模分量频率边际谱如图4所示。
步骤5：以1kHz作为高频、低频的阈值，计算电压1模分量的低频能量ELF_U1和高频能量EHF_U1，并计算其比值ρU1:
Figure BDA0002645222560000081
本例中对频率边际谱积分后，可得电压1模分量低频能量ELF_U1＝0.594，高频能量EHF_U1＝0.0429，比值ρU1＝13.8569。
步骤6：判断比值ρU1是否超过阈值ρset1，若超过，则判定为故障，进入步骤7；若未超过，则判定为雷击干扰，保护复归；
本例中设置的判断雷击干扰和故障的阈值ρset1＝3.4133，比值ρU1超过阈值，判定为发生故障，判断结果信号如图5所示，其中0表示发生了雷击干扰，1表示发生了故障，并进入下一步辨别发生了雷击故障还是普通短路故障的判断。
步骤7：基于CEEMD-HHT计算电流1模分量时频矩阵EI1，具体实现方法如下：
a.通过CEEMD算法将1ms时窗内的电流1模分量i1(n)分解为多个固有模态函数(IMF)：
Figure BDA0002645222560000082
其中，ck(n)表示分解得到的第k个IMF，其中k＝1,2,3…K，K为IMF总数，R(n)表示残余函数；
b.根据式(2)得到IMF分量ck(n)的希尔伯特变换，根据式(3)得到各个IMF的瞬时幅值ak(n)、瞬时相位φk(n)和瞬时频率fk(n)；
c.根据各IMF的瞬时幅值和瞬时频率，求得电流1模分量i1(n)的时频矩阵EI1，矩阵中的元素计算方法如下：
Figure BDA0002645222560000091
其中，f为频率变量，f∈[0,fs]，fs为信号的采样频率，单位kHz；
步骤8：对各个频率的电流平方值在1ms时窗内进行求和，计算得到频率边际谱EI1(f):
Figure BDA0002645222560000092
本例中经过CEEMD-HHT变换得到了时频矩阵，通过该时频矩阵得到的电压1模分量频率边际谱如图6所示。
步骤9：以1kHz作为高频、低频的阈值，计算电流1模分量的低频能量ELF_I1和高频能量EHF_I1，并计算其比值ρI1:
Figure BDA0002645222560000093
本例中对频率边际谱积分后，可得电压1模分量低频能量ELF_U1＝0.1875，高频能量EHF_U1＝0.1369，比值ρU1＝1.3692。
步骤10：判断比值ρI1是否超过阈值ρset2，若超过，则判定为普通短路故障，若未超过，则判定为雷击故障，算法结束，保护正常出口。
本例中设置的判断雷击干扰和故障的阈值ρset1＝10.6361，比值ρI1不超过阈值，判定为发生雷击故障，判断结果信号如图7所示，其中0表示发生了普通短路故障，1表示发生了雷击故障，算法结束，保护正常出口。
此外，在直流线路距离整流侧保护安装处450km发生雷击塔顶未导致故障时，电压1模分量波形、电流1模分量波形、是否发生故障判别结果、故障是否由雷击导致判别结果如图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)所示，判断为雷击干扰，保护复归。在直流线路距离整流侧保护安装处450km发生正极金属性接地短路故障时，电压1模分量波形、电流1模分量波形、是否发生故障判别结果、故障是否由雷击导致判别结果如图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)所示，判断为发生普通短路故障，保护正常出口。

Claims (4)

1.一种高压直流输电线路雷击干扰识别方法，其特征在于：基于短数据窗，对不同类型的故障、干扰适应性较好，不受过渡电阻和雷电流参数影响，包括以下步骤：
步骤1：以一定采样频率采集整流侧正、负极电压信号和电流信号，分别对电压信号和电流信号进行相模变换，获取电压1模分量和电流1模分量；
步骤2：设保护启动的时刻为t，雷击干扰识别系统自动记录启动后[t ms，(t+3)ms]内的电压1模分量和电流1模分量；
步骤3：基于CEEMD-HHT计算电压1模分量时频矩阵EU1，具体实现方法如下：
a.通过CEEMD算法将3ms时窗内的电压1模分量u1(n)分解为多个固有模态函数IMF：
Figure FDA0003582504640000011
其中，ck(n)表示分解得到的第k个IMF，n为时间序列，其中k＝1,2,3…K，K为IMF总数，R(n)表示残余函数；
b.定义IMF分量ck(n)的希尔伯特变换HT为：
Figure FDA0003582504640000012
其中，
Figure FDA0003582504640000013
为第k个IMF ck(n)的希尔伯特变换，m为新引入的积分变量，m∈Z；
得到各个IMF的瞬时幅值ak(n)、瞬时相位φk(n)和瞬时频率fk(n)，计算方法如下：
Figure FDA0003582504640000021
c.根据各IMF的瞬时幅值和瞬时频率，求得电压1模分量u1(n)的时频矩阵EU1，矩阵中的元素计算方法如下：
Figure FDA0003582504640000022
其中，f为频率变量，f∈[0,fs]，fs为信号的采样频率，单位kHz；
步骤4：对各个频率的电压平方值在3ms时窗内进行求和，计算得到频率边际谱EU1(f):
Figure FDA0003582504640000023
步骤5：以1kHz作为高频、低频的阈值，计算电压1模分量的低频能量ELF_U1和高频能量EHF_U1，并计算其比值ρU1:
Figure FDA0003582504640000024
步骤6：判断比值ρU1是否超过阈值ρset1，若超过，则判定为故障，进入步骤7；若未超过，则判定为雷击干扰，保护复归；
步骤7：基于CEEMD-HHT计算电流1模分量时频矩阵EI1，具体实现方法如下：
a.通过CEEMD算法将1ms时窗内的电流1模分量i1(n)分解为多个固有模态函数(IMF)：
Figure FDA0003582504640000025
其中，ck(n)表示分解得到的第k个IMF，其中k＝1,2,3…K，K为IMF总数，R(n)表示残余函数；
b.根据式(2)得到IMF分量ck(n)的希尔伯特变换，根据式(3)得到各个IMF的瞬时幅值ak(n)、瞬时相位φk(n)和瞬时频率fk(n)；
c.根据各IMF的瞬时幅值和瞬时频率，求得电流1模分量i1(n)的时频矩阵EI1，矩阵中的元素计算方法如下：
Figure FDA0003582504640000031
其中，f为频率变量，f∈[0,fs]，fs为信号的采样频率，单位kHz；
步骤8：对各个频率的电流平方值在1ms时窗内进行求和，计算得到频率边际谱EI1(f):
Figure FDA0003582504640000032
步骤9：以1kHz作为高频、低频的阈值，计算电流1模分量的低频能量ELF_I1和高频能量EHF_I1，并计算其比值ρI1:
Figure FDA0003582504640000033
步骤10：判断比值ρI1是否超过阈值ρset2，若超过，则判定为普通短路故障，若未超过，则判定为雷击故障，算法结束，保护正常出口。
2.根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路雷击干扰识别方法，步骤1所述的采样频率设定为1MHz。
3.根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路雷击干扰识别方法，步骤6所述的阈值ρset1设定为3.4133。
4.根据权利要求1所述的一种高压直流输电线路雷击干扰识别方法，步骤10所述的阈值ρset2设定为10.6361。
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