希尔伯特-黄变换高压直流输电线路行波保护

李小飞，　侯云海,　张铭宇，　张兴强

(长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林 长春　130012)



希尔伯特-黄变换高压直流输电线路行波保护

李小飞，侯云海,张铭宇，张兴强

(长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林 长春130012)

摘要：利用希尔伯特-黄变换法(HHT变换)对高压直流输电线路故障暂态电压信号进行了分析处理.根据线路暂态电压信号的Hilbert能量值的大小来判断是否发生故障。

关键词：希尔伯特-黄变换； 暂态电压；Hilbert能量值； 行波保护

0引言

高压直流输电由于其在技术和经济上的优良性能，在跨区域、远距离、大容量输电工程中变得越来越重要，并且我国为了解决“西电东送、南北互供、全国联网”的问题，从上个世纪80年代以来兴建了大量的直流输电工程，高压直流输电技术已成为我国电力研究的热点[1-2]。高压直流输电线路一般作为各大电网之间的联络线，其运行的稳定性直接关系到本系统和与其相连的交流电网的安全运行。但是由于直流输电线路长、所跨区域的环境多变，导致线路故障发生率较高，据统计资料表明，线路故障的发生率约占所在系统运行故障的50%[3]。直流线路发生故障后，其控制系统往往并不动作，易引起直流闭锁和不必要的停运，进而威胁到本系统和所在电网乃至整个电网的稳定运行[2]。因此，提高直流输电线路的继电保护水平对保障本直流系统及与其相连交流电网的安全可靠运行具有重大意义。文中利用希尔伯特-黄变换在处理非线性信号上的独特优点，提出一种基于希尔伯特-黄变换的高压直流输电线路行波保护方案，通过理论分析和仿真计算，验证了该保护判据的合理性和优越性。

1直流线路故障特性分析

物理边界元件的固有滤波特性是判别线路区内和区外故障主要依据[4]。其结构如图1所示。

图1　物理边界元件的结构图

图中，虚线框内为直流滤波器，L为方波电抗器，U1为交流侧故障附加电压，U2为直流侧直流电压。其传递函数为：

(1)

式中：Z1(jω)----直流滤波器阻抗；

Z2(jω)----平波电抗器阻抗。

物理边界元件的固有滤波特性如图2所示。

图2　物理边界元件的幅频特性

物理边界元件相当于一个高频阻波器。当线路故障发生在保护区外时，保护装置采集到的故障信号中的高频分量很少；而故障发生在保护区内时，则保护装置采集到故障信号中的高频分量所占比重就很大。

2基于HHT变换的保护方案

2.1瞬时频率

随机时间序列X(t)，对其进行Hilbert变换，可以得到Y(t)：

(2)

(3)

其中

(4)

则瞬时频率：

(5)

2.2经验模态分解

2.2.1固有模态函数

固有模态函数是将复杂信号经过EMD分解后得到，其必须满足以下两个条件[5]：

1)在一段数据范围内，函数的极值点和过零点的个数相差不得多于一个；

2)在任意点处，函数的上包络线和下包络线的平均值为零。

2.2.2经验模态分解过程

1)假设原始信号x(t)上包络线xmax(t)和下包络线xmin(t)的平均值m1(t)。

2)原始信号x(t)减去均值m1(t),得到的第一个组件c1(t)=x(t)-m1(t)；如果c1(t)满足IMF两个条件，c1(t)便是第一个IMF；否则就把c1(t)当成原始信号，重复步骤1)和2)，直到满足条件为止。

由此可得

(6)

2.3Hilbert-Huang谱和Hilbert能量

对式(6)进行Hilbert变换得[6]：

(7)

Hilbert-Huang谱H(ω,t)：

(8)

Hilbert能量：

(9)

2.4基于Hilbert能量的行波保护判据

在直流系统中,当线路区内发生故障时，电压行波信号的暂态高频分量没有经过物理边界元件的过滤，其高频信号的含量比较高；而当区外发生故障时，由于物理边界元件的高频阻隔作用，大大削减了电压行波信号中的暂态高频分量的含量[7]。所以，从信号Hilbert能量的角度来考虑，区内故障时保护装置采集到的故障信号的Hilbert能量会比区外故障时保护装置采集到的故障信号的Hilbert能量大很多，于是文中提出一种基于Hilbert能量的HVDC线路行波保护判据。

如果采集的暂态电压信号的Hilbert能量值大于阈值Kset，即：

(10)

判定线路故障位于保护装置的保护区内，保护动作；如果采集的暂态电压信号的Hilbert能量值小于阈值Kset，即：

(11)

判定线路故障位于保护装置的保护区外或者线路没有发生故障，保护不动作。

3仿真分析

脉波单极型高压直流输电系统仿真模型如图3所示。

图3脉波单极型高压直流输电系统仿真模型

主要参数如下：直流额定电压等级Ud=500 kV，输电容量PN=1 000 MW，换流变压器：整流侧变比345 kV/211.42 kV,逆变侧变比211.42 kV/230 kV，容量S=1 196 MVA。直流输电线路采用依频线路模型,长度l=1 000 km[8]。仿真时间1 s，仿真步长5 μs，各种仿真故障类型如下：

1)f0线路无故障；

2)f1线路距整流侧15%处接地故障；

3)f2线路中间50%处接地故障；

4)f3线路距整流侧85%处接地故障；

5)f4整流侧直流出口处接地故障；

6)f5整流侧交流母线A相接地故障；

7)f6逆变侧交流母线AB两相相间短路故障。

仿真时，故障发生时刻设置在0.43 s，暂态电压信号的能量差异主要集中在故障发生后的一段时间内，所以为了提高计算效率和精度，这里截取0.4～0.6 s内的采样信号进行分析处理。利用式(7)～式(9)来求取不同故障位置的暂态电压信号对应的Hilbert能量HE，可得到不同故障状态下各电压信号总的Hilbert能量值HE,见表1。

表1　不同故障类型的Hilbert能量值HE

由表1中数据表明，线路在无故障f0和区外故障f4、f5、f6时,暂态电压信号的Hilbert能量要明显小于区内故障f1、f2、f3时暂态电压信号的Hilbert能量。通过线路末端故障时的Hilbert能量HE与逆变器直流侧出口处接地故障时的Hilbert能量HE的比较，并考虑一定的裕度，确定保护判据中的阈值Kset取18。大量仿真实验表明，阈值Kset取18在保证保护装置可靠性和灵敏性的前提下，对线路上所有区内和区外故障均能正确识别。

3.1过渡电阻对保护的影响

设置过渡电阻从0～300Ω依次增大100Ω，针对上文设置的各种不同故障进行了大量的仿真实验。所测数据见表2。

表2　不同过渡电阻情况下的Hilbert能量值HE

对比分析表2中的数据可以看出，同一个故障类型在不同过渡电阻的影响下，过渡电阻的阻值越大,其对应的Hilbert能量HE就越小。从表2中还可以看出，在不同过渡电阻的影响下，区内故障f1、f2、f3时对应的Hilbert能量HE的最小值仍然大于保护判据中的阈值Kset，而区外故障f4、f5、f6时对应的Hilbert能量HE的最大值依然小于保护判据中的阈值Kset。大量的仿真实验表明,无论对于区内故障还是区外故障，基于Hilbert能量的直流线路行波保护判据均能准确识别，其选择性和可靠性不会受到过渡电阻影响。

4结语

由于直流线路发生区内和区外故障时，高频信号的能量有较大的差别，因此,提出了一种基于希尔伯特-黄变换的直流线路暂态保护方案。通过仿真分析表明，该保护方案可以准确区分区内和区外的直流线路故障，不受过渡电阻的影响。

参考文献：

[1]虞菊英.我国特高压交流输电研究现状[J].高电压技术,2011,31(12):23-25.

[2]赵碗君.高压直流输变电工程技术[M].北京:中国电力出版社,2010.

[3]李成哲,张博,王秀明,等.基于Hilbert-Huang变换的HVDC线路保护[J].电测与仪表,2015,52(2):117-121.

[4]段建东，张保会，任晋峰，等.超高压输电线路单端暂态量保护元件的频率特性分析[J].中国电机工程学报,2007,27(1)：37-43.

[5]刘兴茂，何正友.基于希尔伯特-黄变换的输电线路距离保护方案[J].电力系统自动化，2012，36(3)：1-5.

[6]董小刚,秦喜文.信号消噪的小波处理方法及Matlab实现[J].长春工业大学学报:自然科学版,2003,24(2)：31-46.

[7]HMokhlis,HYLi.Faultlocationestimationfordistributionsystemusingsimulatedvoltagesagedata[J].UPEC,2014：242-245.

[8]张力.基于行波分析的HVDC输电线路保护的研究[D].济南:山东大学，2014:40-43.

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

基金项目：吉林省教育厅科研基金资助项目(吉教科合字[2015]第98号)

作者简介：李小飞 (1988-)，男，汉族，河南郸城人，长春工业大学硕士研究生，主要从事电力变换及节能技术方向研究,E-mail:1004417236@qq.com. *通讯作者：侯云海(1970-)，男，汉族，吉林永吉人，长春工业大学副教授，博士，主要从事电力变换及节能技术方向研究,E-mail:houyunhai@ccut.edu.cn.

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

中图分类号：TM773

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2016)03-0283-04