专利名称：一种基于emd分解的特高压直流输电线路边界元件方法
技术领域：
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体地说是一种基于EMD分解的特高压 直流输电线路边界元件方法。
背景技术：
直流输电线路不仅传输功率大，而且线路发生故障后，要求线路保护装置必须尽 可能快的切除故障，否则将对整个系统造成很大的冲击，对系统的安全稳定运行构成威胁。 而一般的工频保护动作速度慢，耗时较长，难以满足直流输电线路保护的要求。目前，世界 上广泛采用行波保护作为高压直流线路保护的主保护，其单端量保护是依据电压行波的突 变量、电压行波变化率和电流变化梯度作为判据的，具有超高速动作特性，不受电流互感器 饱和、系统振荡和长线分布电容影响等优点。但相关资料显示，目前使用的直流线路行波保 护(主要由ABB和SIEMENS两家公司提供)都不同程度的存在着易受噪声干扰，容易误动 的问题。或由于方向行波变化率受过渡电阻影响等问题，有时会导致现有的直流保护装置 拒动。目前如何提高直流线路运行的安全性和可靠性已成为急需解决的问题，能否对直流 线路故障进行正确判断是直流线路保护的关键。直流输电系统包括直流输电线路、直流线路两端的平波电抗器和直流滤波器，其 中平波电抗器和直流滤波器构成了直流输电线路高频暂态量的“天然”物理边界。边界的 频率特性分析表明线路边界内外故障信号的高频分量存在显著的特征差异，据此可以提出 区内外故障识别的判据。
发明内容
本发明的目的是利用高频分量特征的直流输电线路单端超高速保护原理，提供一 种基于EMD分解的特高压直流输电线路边界元件方法。本发明的方法按以下步骤进行(1)直流线路发生故障后，根据保护安装处测得的两极直流电压、采用 Karenbauer变换矩阵，求出线模电压U1 U1 = (u+_u_)(1)式中，u+为正极直流电压，u_为负极直流电压；(2)对线模电压进行EMD分解，其采样频率为100kHz，有效采样序列长度为100 点，经EMD分解得到矩阵c [m, η]，m为分解得到的IMF分量IMFt⑴(如果存在剩余分量r， 也把分解得到的r看成是IMF分量)的个数，η = 100，IMF分量为时域空间的瞬时幅值；(3) 一方面，分别对m个IMF分量求绝对值，得到m个|lMFt(i) | ；另一方面，对分 解得到的IMF分量分别进行Hilbert变换，并求得瞬时频率ft，并用瞬时幅值IMFt (i)的绝 对值I IMFt (i) I乘以其对应的瞬时频率ft并除以一个常数，取这个常数为采样频率fs，得 到kt⑴，为了方便叙述，称kt⑴为瞬时幅频量，即⑵’
其中i = 1，2，. . .，m，fs 为采样频率，即 IO5Hz ；(4)对不同频率下的瞬时幅频量kt(i)进行求和，得到随时间变化的幅频量kt，并 取时域内的最大值为k，即得到幅频量k，⑶
/ = Ik = max (kt)(4)(5)区内外故障的甄别判据，当k彡10时为区外故障，当k> 10时为区内故障。以下是本发明的设计原理1.直流输电线路单端超高速保护原理现有的高压直流线路保护(主要由ABB和SIEMENS两家公司提供)是利用故障瞬 间所传递的电流、电压行波来构成的，是一种依据电压行波突变量、电压行波变化率和电流 变化梯度来实现其快速性的单端量保护。但实际运行经验表明当直流线路经高阻故障时， 行波保护的电压变化率减小，有时会导致行波保护拒动。直流线路两端的平波电抗器和直 流滤波器构成了直流输电线路高频暂态量的“天然”物理边界，边界的频率特性分析表明 线路边界内外故障信号的高频分量存在显著的特征差异。本专利基于此提出一种新的甄别 区内外故障的方法。2.边界元件特高压直流输电系统结构图如图1所示。图1中，送电容量为5000MW，整流侧和逆 变侧的无功补偿容量分别为3000Mvar和3040Mvar ；每极换流单元由2个12脉冲换流器串 联组成，直流输电线路为六分裂导线，全长取为1500km，采用J. R. Marti频率相关模型；线 路两侧装有400mH的平波电抗器；M点为保护安装处。本发明创造性地提出了以平波电抗器和直流滤波器构成其物理边界，并对其幅频 特性进行了分析。如图2所示，其中U1为区外暂态电压，U2为U1经边界传变至直流线路保 护安装处的电压；Bi、B2、B3、B4为直流滤波器避雷器,D1为平波电抗器避雷器、D2为直流母线 避雷器，本发明将避雷器I、B2、B3、B4、Dp D2统称为边界避雷器。Bp B2额定电压为150kV， B3、B4额定电压为75kV，D^ D2额定电压为824kV。图 3 中，L = 400mH、L1 = 39. 09mH、L2 = 26. 06mH、L3 = 19. 545mH、L4 = 34. 75mH、 C1 = 0. 9 μ F、C2 = 0. 9 μ F、C3 = 1. 8 μ F、C4 = 0. 675 μ F。现定义边界元件的传递函数H(j ω)为
「00251 H^=^~(5)
LUU 乙 3」JZ1Cjffl) + Z2(Jffl)Z1(Jw)为直流滤波器阻抗，Z2(j )为平波电抗器阻抗。边界元件传递函数 II (j ω)的幅频特性如图3。从图3可知当f < IOOOHz时，|H(j ω) | 0 ；当IOOOHz < f < 2000Hz 时，H(j ω)频谱曲线有振荡，当 f > 2000Hz 时，|H(jco)| >-30dB，可见区 内故障检测到的高频分量比区外故障时高30d因此本发明选择f > 2000Hz为高频分量， f ( 2000Hz为低频分量。3. EMD分解的基本理论EMD分解是把复杂信号分解成一组称为固有模态函数(intrinsic mode function, IMF)的单分量信号的算法——经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)算法。经验模态分解的思想用振幅和频率都随时间变化的一种模态函数来表示信号的非平稳性，
χ(Ι) = γα!(ι)^φχι)(6)
I = I式(6)可简写成^M = Σ(7)用^⑴同时表征振幅和频率的变化。其中，x(t)为非平稳信号，at(t)为瞬时 幅值，《 (t)为瞬时相位。4.基于EMD分解的区内、区外故障的甄别图1所示系统在距离保护安装处150km处，0. 5s发生正极接地故障，线模电压波形 如图4(a)所示；时间窗长度选取故障后1ms，采样频率为100kHz。本发明中，对线模电压进行EMD分解，有效采样数据长度100点，经EMD分解得到 c[m,n]的矩阵，m为分解得到的IMF分量(如果存在剩余分量r，也把分解得到的r看成是 IMF)的个数，η = 100，IMF分量为时域空间的瞬时幅值。一方面，分别对m个IMF分量求绝对值，得到m个| IMFt (i) | ；另一方面，对分解得 到的IMF分量分别进行Hilbert变换，并求得瞬时频率ft。并用瞬时幅值的绝对值乘以其 对应的瞬时频率ft并除以一个常数，得到kt⑴，对kt⑴进行求和，得到kt，并取时域内的 最大值为k，即得到幅频量k，K =⑶
J二ιk = max (kt)(4)从图5可以看出区外故障时，由于边界元件对高频的衰减作用，保护安装处测得 的线模电压波中的高频分量相对较少，并且高频分量的幅值相对很小，所以求得的k值很 小。区内故障时，高频分量没有经过边界元件，因此高频含量较多，其幅值也远大于区外故 障的高频分量幅值，所以k值较大。因此，提出区内、区外故障判据k彡10，为区外故障(8a)k> 10，为区内故障(8b)本发明与现有技术相比具有如下优点1、本方法采样频率为100kHz，时间窗为1ms，所需数据长度较短，避开了控制系统 的影响。2、该方法对线路全长范围内的各种故障类型均能正确的识别。3、本方法耐受过渡电阻的性能较强，不受干扰的影响，有较强的实用性。
图1为云广士SOOkV直流输电系统结构图，图中F2、F3为区外故障，FpF4为区内 故障，M为保护安装处。图2为平波电抗器和直流滤波器构成的边界元件图，U1为区外的暂态电压，U2为 U1经边界传变至直流线路保护安装处的电压；Bp B2, B3、B4为直流滤波器避雷器讽为平波 电抗器避雷器、D2为直流母线避雷器；Lp L2, L3> L4为电感元件；Cp C2、C3> C4为电容元件。图3为边界元件的频谱特性图，f为频率，Hz为频率的单位，H(jco)为频谱的幅
图4为线模电压波形图，图中t/s为时间/秒，u/kV为电压/千伏。(a)为区内故 障时线模电压波形图；(b)为区外故障时的线模电压波形图。图5为本发明的幅频量k随时间变化图；(a)为区内故障时，幅频量k随时间变化 图；(b)为区外故障时，幅频量k随时间变化图。图6为本发明的区内发生正极单极接地故障、接地电阻分别为0. 1 Ω、1 Ω、10 Ω、 100 Ω时，时域内最大幅频量的分布图，k> 10时满足判距要求，图中k为时域内最大幅频 量，1/km为故障发生位置距离保护安装处的距离，单位为千米。
具体实施例方式仿真模型如图1所示，距离保护安装处150km处发生正极接地故障，时间窗长度取 lms，采样频率为IOOkHz。(1)直流线路发生故障后，启动元件立即启动，根据公式U1 = (u+_u_)(1)求出线模电压U1，线模电压波形如图4(a)所示；(2)对线模电压进行EMD分解，得到c[m，n]的矩阵，m为分解得到的IMF分量(如 果存在剩余分量r，也把分解得到的r看成是IMF)的个数，η = 100，IMF分量为时域空间的 瞬时幅值。(3) 一方面，分别对m个IMF分量求绝对值，得到m个|lMFt(i) | ；另一方面，对分 解得到的IMF分量分别进行Hilbert变换，并求得瞬时频率ft，根据公式Kia^fm⑵K=tk,(i)⑶
1-1k = max (kt)(4)求出幅频量k = 122. 5024，满足判距k > 10 (公式(8b))，判定此故障为区内故障。本发明中对不同的故障距离、不同的接地电阻进行了仿真验证，得到幅频量值k， 结果如下表所示。
权利要求
一种基于EMD分解的特高压直流输电线路边界元件方法，其特征在于按以下步骤进行(1)直流线路发生故障后，根据保护安装处测得的两极直流电压、采用Karenbauer变换矩阵，求出线模电压u1u1＝(u+ u )(1)式中，u+为正极直流电压，u 为负极直流电压；(2)对线模电压进行EMD分解，其采样频率为100kHz，采样序列长度为100点，经EMD分解得到矩阵c[m，n]，m为分解得到的IMF分量IMFt(i)n＝100，IMF分量为时域空间的瞬时幅值，其中i＝1，2，...，m；(3)分别对m个IMF分量求绝对值，得到m个|IMFt(i)|，并对分解得到的IMF分量分别进行Hilbert变换，并求得瞬时频率ft，并用瞬时幅值IMFt(i)的绝对值|IMFt(i)|乘以其对应的瞬时频率ft并除以一个常数，取这个常数为采样频率fs，得到kt(i)，称kt(i)为瞬时幅频量，即 <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mo>|</mo><msub> <mi>IMF</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>|</mo><mo>×</mo><msub> <mi>f</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mi>fs</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中i＝1，2，...，m，fs为采样频率，即105Hz；(4)对不同频率下的瞬时幅频量kt(i)进行求和，得到随时间变化的幅频量kt，并取时域内的最大值为k，即得到幅频量k， <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>t</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi></munderover><msub> <mi>k</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>k＝max(kt)(4)(5)区内外故障的甄别判据，当k≤10时为区外故障，当k＞10时为区内故障。
全文摘要
本发明为一种基于EMD分解的特高压直流输电线路边界元件方法。当直流线路发生故障，保护元件启动后，根据保护安装处测得的两极直流电压，利用相模变换理论求出线模电压。选取采样序列长度为100点的离散线模电压信号，进行EMD分解，得到m个IMF分量。一方面，分别对m个IMF分量求绝对值另一方面，对分解得到的IMF分量分别进行Hilbert变换，求出瞬时频率。并用瞬时幅值的绝对值乘以其对应的瞬时频率并除以采样频率，得到瞬时kt值。然后对m个瞬时kt值进行叠加，并取时域空间的最大值为最终判据k，区分区内外故障。大量仿真结果表明，本发明效果良好。
文档编号H02H7/26GK101976826SQ20101050974
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月18日 优先权日2010年10月18日
发明者刘可真, 孙士云, 安娜, 张广斌, 戴月涛, 方毅, 束洪春, 王旭, 田鑫萃, 白挺玮, 贺婷, 邬乾晋 申请人:昆明理工大学