希爾伯特-黃變換高壓直流輸電線路行波保護

李小飛，　侯云海,　張銘宇，　張興強

(長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春　130012)

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希爾伯特-黃變換高壓直流輸電線路行波保護

李小飛，侯云海,張銘宇，張興強

(長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春130012)

摘要：利用希爾伯特-黃變換法(HHT變換)對高壓直流輸電線路故障暫態電壓信號進行了分析處理.根據線路暫態電壓信號的Hilbert能量值的大小來判斷是否發生故障。

關鍵詞：希爾伯特-黃變換； 暫態電壓；Hilbert能量值； 行波保護

0引言

高壓直流輸電由于其在技術和經濟上的優良性能，在跨區域、遠距離、大容量輸電工程中變得越來越重要，并且我國為了解決“西電東送、南北互供、全國聯網”的問題，從上個世紀80年代以來興建了大量的直流輸電工程，高壓直流輸電技術已成為我國電力研究的熱點[1-2]。高壓直流輸電線路一般作為各大電網之間的聯絡線，其運行的穩定性直接關系到本系統和與其相連的交流電網的安全運行。但是由于直流輸電線路長、所跨區域的環境多變，導致線路故障發生率較高，據統計資料表明，線路故障的發生率約占所在系統運行故障的50%[3]。直流線路發生故障后，其控制系統往往并不動作，易引起直流閉鎖和不必要的停運，進而威脅到本系統和所在電網乃至整個電網的穩定運行[2]。因此，提高直流輸電線路的繼電保護水平對保障本直流系統及與其相連交流電網的安全可靠運行具有重大意義。文中利用希爾伯特-黃變換在處理非線性信號上的獨特優點，提出一種基于希爾伯特-黃變換的高壓直流輸電線路行波保護方案，通過理論分析和仿真計算，驗證了該保護判據的合理性和優越性。

1直流線路故障特性分析

物理邊界元件的固有濾波特性是判別線路區內和區外故障主要依據[4]。其結構如圖1所示。

圖1　物理邊界元件的結構圖

圖中，虛線框內為直流濾波器，L為方波電抗器，U1為交流側故障附加電壓，U2為直流側直流電壓。其傳遞函數為：

(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

物理邊界元件相當于一個高頻阻波器。當線路故障發生在保護區外時，保護裝置采集到的故障信號中的高頻分量很少；而故障發生在保護區內時，則保護裝置采集到故障信號中的高頻分量所占比重就很大。

2基于HHT變換的保護方案

2.1瞬時頻率

隨機時間序列X(t)，對其進行Hilbert變換，可以得到Y(t)：

(2)

(3)

其中

(4)

則瞬時頻率：

(5)

2.2經驗模態分解

2.2.1固有模態函數

固有模態函數是將復雜信號經過EMD分解后得到，其必須滿足以下兩個條件[5]：

1)在一段數據范圍內，函數的極值點和過零點的個數相差不得多于一個；

2)在任意點處，函數的上包絡線和下包絡線的平均值為零。

2.2.2經驗模態分解過程

1)假設原始信號x(t)上包絡線xmax(t)和下包絡線xmin(t)的平均值m1(t)。

2)原始信號x(t)減去均值m1(t),得到的第一個組件c1(t)=x(t)-m1(t)；如果c1(t)滿足IMF兩個條件，c1(t)便是第一個IMF；否則就把c1(t)當成原始信號，重復步驟1)和2)，直到滿足條件為止。

由此可得

(6)

2.3Hilbert-Huang譜和Hilbert能量

對式(6)進行Hilbert變換得[6]：

(7)

Hilbert-Huang譜H(ω,t)：

(8)

Hilbert能量：

(9)

2.4基于Hilbert能量的行波保護判據

在直流系統中,當線路區內發生故障時，電壓行波信號的暫態高頻分量沒有經過物理邊界元件的過濾，其高頻信號的含量比較高；而當區外發生故障時，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中的暫態高頻分量的含量[7]。所以，從信號Hilbert能量的角度來考慮，區內故障時保護裝置采集到的故障信號的Hilbert能量會比區外故障時保護裝置采集到的故障信號的Hilbert能量大很多，于是文中提出一種基于Hilbert能量的HVDC線路行波保護判據。

如果采集的暫態電壓信號的Hilbert能量值大于閾值Kset，即：

(10)

判定線路故障位于保護裝置的保護區內，保護動作；如果采集的暫態電壓信號的Hilbert能量值小于閾值Kset，即：

(11)

判定線路故障位于保護裝置的保護區外或者線路沒有發生故障，保護不動作。

3仿真分析

脈波單極型高壓直流輸電系統仿真模型如圖3所示。

圖3脈波單極型高壓直流輸電系統仿真模型

主要參數如下：直流額定電壓等級Ud=500 kV，輸電容量PN=1 000 MW，換流變壓器：整流側變比345 kV/211.42 kV,逆變側變比211.42 kV/230 kV，容量S=1 196 MVA。直流輸電線路采用依頻線路模型,長度l=1 000 km[8]。仿真時間1 s，仿真步長5 μs，各種仿真故障類型如下：

1)f0線路無故障；

2)f1線路距整流側15%處接地故障；

3)f2線路中間50%處接地故障；

4)f3線路距整流側85%處接地故障；

5)f4整流側直流出口處接地故障；

6)f5整流側交流母線A相接地故障；

7)f6逆變側交流母線AB兩相相間短路故障。

仿真時，故障發生時刻設置在0.43 s，暫態電壓信號的能量差異主要集中在故障發生后的一段時間內，所以為了提高計算效率和精度，這里截取0.4～0.6 s內的采樣信號進行分析處理。利用式(7)～式(9)來求取不同故障位置的暫態電壓信號對應的Hilbert能量HE，可得到不同故障狀態下各電壓信號總的Hilbert能量值HE,見表1。

表1　不同故障類型的Hilbert能量值HE

由表1中數據表明，線路在無故障f0和區外故障f4、f5、f6時,暫態電壓信號的Hilbert能量要明顯小于區內故障f1、f2、f3時暫態電壓信號的Hilbert能量。通過線路末端故障時的Hilbert能量HE與逆變器直流側出口處接地故障時的Hilbert能量HE的比較，并考慮一定的裕度，確定保護判據中的閾值Kset取18。大量仿真實驗表明，閾值Kset取18在保證保護裝置可靠性和靈敏性的前提下，對線路上所有區內和區外故障均能正確識別。

3.1過渡電阻對保護的影響

設置過渡電阻從0～300Ω依次增大100Ω，針對上文設置的各種不同故障進行了大量的仿真實驗。所測數據見表2。

表2　不同過渡電阻情況下的Hilbert能量值HE

對比分析表2中的數據可以看出，同一個故障類型在不同過渡電阻的影響下，過渡電阻的阻值越大,其對應的Hilbert能量HE就越小。從表2中還可以看出，在不同過渡電阻的影響下，區內故障f1、f2、f3時對應的Hilbert能量HE的最小值仍然大于保護判據中的閾值Kset，而區外故障f4、f5、f6時對應的Hilbert能量HE的最大值依然小于保護判據中的閾值Kset。大量的仿真實驗表明,無論對于區內故障還是區外故障，基于Hilbert能量的直流線路行波保護判據均能準確識別，其選擇性和可靠性不會受到過渡電阻影響。

4結語

由于直流線路發生區內和區外故障時，高頻信號的能量有較大的差別，因此,提出了一種基于希爾伯特-黃變換的直流線路暫態保護方案。通過仿真分析表明，該保護方案可以準確區分區內和區外的直流線路故障，不受過渡電阻的影響。

參考文獻：

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[3]李成哲,張博,王秀明,等.基于Hilbert-Huang變換的HVDC線路保護[J].電測與儀表,2015,52(2):117-121.

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[6]董小剛,秦喜文.信號消噪的小波處理方法及Matlab實現[J].長春工業大學學報:自然科學版,2003,24(2)：31-46.

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[8]張力.基于行波分析的HVDC輸電線路保護的研究[D].濟南:山東大學，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

基金項目：吉林省教育廳科研基金資助項目(吉教科合字[2015]第98號)

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

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

中圖分類號：TM773

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2016)03-0283-04