李小飛，　侯云海,　張銘宇，　張興強(qiáng)

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春　130012)

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希爾伯特-黃變換高壓直流輸電線(xiàn)路行波保護(hù)

李小飛，侯云海,張銘宇，張興強(qiáng)

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春130012)

摘要：利用希爾伯特-黃變換法(HHT變換)對(duì)高壓直流輸電線(xiàn)路故障暫態(tài)電壓信號(hào)進(jìn)行了分析處理.根據(jù)線(xiàn)路暫態(tài)電壓信號(hào)的Hilbert能量值的大小來(lái)判斷是否發(fā)生故障。

關(guān)鍵詞：希爾伯特-黃變換； 暫態(tài)電壓；Hilbert能量值； 行波保護(hù)

0引言

高壓直流輸電由于其在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)良性能，在跨區(qū)域、遠(yuǎn)距離、大容量輸電工程中變得越來(lái)越重要，并且我國(guó)為了解決“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的問(wèn)題，從上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái)興建了大量的直流輸電工程，高壓直流輸電技術(shù)已成為我國(guó)電力研究的熱點(diǎn)[1-2]。高壓直流輸電線(xiàn)路一般作為各大電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)，其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接關(guān)系到本系統(tǒng)和與其相連的交流電網(wǎng)的安全運(yùn)行。但是由于直流輸電線(xiàn)路長(zhǎng)、所跨區(qū)域的環(huán)境多變，導(dǎo)致線(xiàn)路故障發(fā)生率較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，線(xiàn)路故障的發(fā)生率約占所在系統(tǒng)運(yùn)行故障的50%[3]。直流線(xiàn)路發(fā)生故障后，其控制系統(tǒng)往往并不動(dòng)作，易引起直流閉鎖和不必要的停運(yùn)，進(jìn)而威脅到本系統(tǒng)和所在電網(wǎng)乃至整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。因此，提高直流輸電線(xiàn)路的繼電保護(hù)水平對(duì)保障本直流系統(tǒng)及與其相連交流電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行具有重大意義。文中利用希爾伯特-黃變換在處理非線(xiàn)性信號(hào)上的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，提出一種基于希爾伯特-黃變換的高壓直流輸電線(xiàn)路行波保護(hù)方案，通過(guò)理論分析和仿真計(jì)算，驗(yàn)證了該保護(hù)判據(jù)的合理性和優(yōu)越性。

1直流線(xiàn)路故障特性分析

物理邊界元件的固有濾波特性是判別線(xiàn)路區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障主要依據(jù)[4]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　物理邊界元件的結(jié)構(gòu)圖

圖中，虛線(xiàn)框內(nèi)為直流濾波器，L為方波電抗器，U1為交流側(cè)故障附加電壓，U2為直流側(cè)直流電壓。其傳遞函數(shù)為：

(1)

式中：Z1(jω)----直流濾波器阻抗；

Z2(jω)----平波電抗器阻抗。

物理邊界元件的固有濾波特性如圖2所示。

圖2　物理邊界元件的幅頻特性

物理邊界元件相當(dāng)于一個(gè)高頻阻波器。當(dāng)線(xiàn)路故障發(fā)生在保護(hù)區(qū)外時(shí)，保護(hù)裝置采集到的故障信號(hào)中的高頻分量很少；而故障發(fā)生在保護(hù)區(qū)內(nèi)時(shí)，則保護(hù)裝置采集到故障信號(hào)中的高頻分量所占比重就很大。

2基于HHT變換的保護(hù)方案

2.1瞬時(shí)頻率

隨機(jī)時(shí)間序列X(t)，對(duì)其進(jìn)行Hilbert變換，可以得到Y(jié)(t)：

(2)

(3)

其中

(4)

則瞬時(shí)頻率：

(5)

2.2經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

2.2.1固有模態(tài)函數(shù)

固有模態(tài)函數(shù)是將復(fù)雜信號(hào)經(jīng)過(guò)EMD分解后得到，其必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件[5]：

1)在一段數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，函數(shù)的極值點(diǎn)和過(guò)零點(diǎn)的個(gè)數(shù)相差不得多于一個(gè)；

2)在任意點(diǎn)處，函數(shù)的上包絡(luò)線(xiàn)和下包絡(luò)線(xiàn)的平均值為零。

2.2.2經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解過(guò)程

1)假設(shè)原始信號(hào)x(t)上包絡(luò)線(xiàn)xmax(t)和下包絡(luò)線(xiàn)xmin(t)的平均值m1(t)。

2)原始信號(hào)x(t)減去均值m1(t),得到的第一個(gè)組件c1(t)=x(t)-m1(t)；如果c1(t)滿(mǎn)足IMF兩個(gè)條件，c1(t)便是第一個(gè)IMF；否則就把c1(t)當(dāng)成原始信號(hào)，重復(fù)步驟1)和2)，直到滿(mǎn)足條件為止。

由此可得

(6)

2.3Hilbert-Huang譜和Hilbert能量

對(duì)式(6)進(jìn)行Hilbert變換得[6]：

(7)

Hilbert-Huang譜H(ω,t)：

(8)

Hilbert能量：

(9)

2.4基于Hilbert能量的行波保護(hù)判據(jù)

在直流系統(tǒng)中,當(dāng)線(xiàn)路區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，電壓行波信號(hào)的暫態(tài)高頻分量沒(méi)有經(jīng)過(guò)物理邊界元件的過(guò)濾，其高頻信號(hào)的含量比較高；而當(dāng)區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，由于物理邊界元件的高頻阻隔作用，大大削減了電壓行波信號(hào)中的暫態(tài)高頻分量的含量[7]。所以，從信號(hào)Hilbert能量的角度來(lái)考慮，區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)裝置采集到的故障信號(hào)的Hilbert能量會(huì)比區(qū)外故障時(shí)保護(hù)裝置采集到的故障信號(hào)的Hilbert能量大很多，于是文中提出一種基于Hilbert能量的HVDC線(xiàn)路行波保護(hù)判據(jù)。

如果采集的暫態(tài)電壓信號(hào)的Hilbert能量值大于閾值Kset，即：

(10)

判定線(xiàn)路故障位于保護(hù)裝置的保護(hù)區(qū)內(nèi)，保護(hù)動(dòng)作；如果采集的暫態(tài)電壓信號(hào)的Hilbert能量值小于閾值Kset，即：

(11)

判定線(xiàn)路故障位于保護(hù)裝置的保護(hù)區(qū)外或者線(xiàn)路沒(méi)有發(fā)生故障，保護(hù)不動(dòng)作。

3仿真分析

脈波單極型高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3脈波單極型高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型

主要參數(shù)如下：直流額定電壓等級(jí)Ud=500 kV，輸電容量PN=1 000 MW，換流變壓器：整流側(cè)變比345 kV/211.42 kV,逆變側(cè)變比211.42 kV/230 kV，容量S=1 196 MVA。直流輸電線(xiàn)路采用依頻線(xiàn)路模型,長(zhǎng)度l=1 000 km[8]。仿真時(shí)間1 s，仿真步長(zhǎng)5 μs，各種仿真故障類(lèi)型如下：

1)f0線(xiàn)路無(wú)故障；

2)f1線(xiàn)路距整流側(cè)15%處接地故障；

3)f2線(xiàn)路中間50%處接地故障；

4)f3線(xiàn)路距整流側(cè)85%處接地故障；

5)f4整流側(cè)直流出口處接地故障；

6)f5整流側(cè)交流母線(xiàn)A相接地故障；

7)f6逆變側(cè)交流母線(xiàn)AB兩相相間短路故障。

仿真時(shí)，故障發(fā)生時(shí)刻設(shè)置在0.43 s，暫態(tài)電壓信號(hào)的能量差異主要集中在故障發(fā)生后的一段時(shí)間內(nèi)，所以為了提高計(jì)算效率和精度，這里截取0.4～0.6 s內(nèi)的采樣信號(hào)進(jìn)行分析處理。利用式(7)～式(9)來(lái)求取不同故障位置的暫態(tài)電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的Hilbert能量HE，可得到不同故障狀態(tài)下各電壓信號(hào)總的Hilbert能量值HE,見(jiàn)表1。

表1　不同故障類(lèi)型的Hilbert能量值HE

由表1中數(shù)據(jù)表明，線(xiàn)路在無(wú)故障f0和區(qū)外故障f4、f5、f6時(shí),暫態(tài)電壓信號(hào)的Hilbert能量要明顯小于區(qū)內(nèi)故障f1、f2、f3時(shí)暫態(tài)電壓信號(hào)的Hilbert能量。通過(guò)線(xiàn)路末端故障時(shí)的Hilbert能量HE與逆變器直流側(cè)出口處接地故障時(shí)的Hilbert能量HE的比較，并考慮一定的裕度，確定保護(hù)判據(jù)中的閾值Kset取18。大量仿真實(shí)驗(yàn)表明，閾值Kset取18在保證保護(hù)裝置可靠性和靈敏性的前提下，對(duì)線(xiàn)路上所有區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障均能正確識(shí)別。

3.1過(guò)渡電阻對(duì)保護(hù)的影響

設(shè)置過(guò)渡電阻從0～300Ω依次增大100Ω，針對(duì)上文設(shè)置的各種不同故障進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn)。所測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2　不同過(guò)渡電阻情況下的Hilbert能量值HE

對(duì)比分析表2中的數(shù)據(jù)可以看出，同一個(gè)故障類(lèi)型在不同過(guò)渡電阻的影響下，過(guò)渡電阻的阻值越大,其對(duì)應(yīng)的Hilbert能量HE就越小。從表2中還可以看出，在不同過(guò)渡電阻的影響下，區(qū)內(nèi)故障f1、f2、f3時(shí)對(duì)應(yīng)的Hilbert能量HE的最小值仍然大于保護(hù)判據(jù)中的閾值Kset，而區(qū)外故障f4、f5、f6時(shí)對(duì)應(yīng)的Hilbert能量HE的最大值依然小于保護(hù)判據(jù)中的閾值Kset。大量的仿真實(shí)驗(yàn)表明,無(wú)論對(duì)于區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障，基于Hilbert能量的直流線(xiàn)路行波保護(hù)判據(jù)均能準(zhǔn)確識(shí)別，其選擇性和可靠性不會(huì)受到過(guò)渡電阻影響。

4結(jié)語(yǔ)

由于直流線(xiàn)路發(fā)生區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時(shí)，高頻信號(hào)的能量有較大的差別，因此,提出了一種基于希爾伯特-黃變換的直流線(xiàn)路暫態(tài)保護(hù)方案。通過(guò)仿真分析表明，該保護(hù)方案可以準(zhǔn)確區(qū)分區(qū)內(nèi)和區(qū)外的直流線(xiàn)路故障，不受過(guò)渡電阻的影響。

參考文獻(xiàn)：

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HVDCtransmissionlinetravelingwaveprotectionbasedonHilbert-HuangTransform

LIXiaofei,HOUYunhai,ZHANGMingyu,ZHANGXingqiang

(SchoolofElectrical&ElectronicEngineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012，China)

Abstract：WithHilbert-HuangTransform(HHT),thefaulttransientvoltagesignalsofHVDCtransmissionlineisanalyzed.AccordingtoHilbertenergyvalueofthetransientvoltagesignals,thefailurecanbedetected.

Keywords：Hilbert-HuangTransform(HHT)；transientvoltage；Hilbertenergyvalue;travelingwaveprotection.

收稿日期：2016-02-24

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳科研基金資助項(xiàng)目(吉教科合字[2015]第98號(hào))

作者簡(jiǎn)介：李小飛 (1988-)，男，漢族，河南鄲城人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事電力變換及節(jié)能技術(shù)方向研究,E-mail:1004417236@qq.com. *通訊作者：侯云海(1970-)，男，漢族，吉林永吉人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)副教授，博士，主要從事電力變換及節(jié)能技術(shù)方向研究,E-mail:houyunhai@ccut.edu.cn.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.3.15

中圖分類(lèi)號(hào)：TM773

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2016)03-0283-04