專利名稱：識別特高壓直流輸電線路區(qū)內(nèi)外故障的形態(tài)峰谷檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)繼電保護技術領域，具體地說是一種識別特高壓直流輸電線 路區(qū)內(nèi)外故障的形態(tài)峰谷檢測方法。
背景技術：
目前，世界上廣泛采用行波保護作為高壓直流輸電線路保護的主保護，它是利用 故障瞬間所傳遞的電流、電壓行波來構成超高速的線路保護。而且大多數(shù)的工程中都采用 ABB和SIEMENS兩家公司提供的直流線路保護。其保護是以電流梯度、電壓行波變換率和電 壓行波突變量作為判據(jù)，但是其保護容易受過渡電阻的影響，特別是當區(qū)外故障，故障行波 通過直流線路末端的平波電抗器和直流濾波器，其電壓變換率減小，容易引起保護誤動或 拒動，對直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有很大的影響。因此以變化率為判據(jù)的直流系統(tǒng)的主保護容 易受過渡電阻、噪聲干擾、故障距離等影響。直流輸電系統(tǒng)主要包括兩部分，一部分是直流輸電線路，另一部分由安裝于直流 線路兩端的平波電抗器與直流濾波器組成。平波電抗器與直流濾波器構成了直流輸電線路 高頻暫態(tài)量的“天然”邊界，該邊界能夠濾除邊界外產(chǎn)生的高頻信號，邊界內(nèi)的串聯(lián)電感和 并聯(lián)電容能夠降低行波陡度。因為邊界的存在，當區(qū)外發(fā)生故障時，在故障后短時窗內(nèi)，故 障點的時域行波波形是直角波，通過折射到達保護安裝處的暫態(tài)電壓行波，波頭陡度已經(jīng) 大幅減小，保護安裝處檢測到的線模電壓波形變化平緩，在短時窗內(nèi)沒有顯著的波峰波谷 特征。當發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，在故障后短時窗內(nèi)觀察到的波形是線路等值LC回路在電路結構發(fā) 生改變后的暫態(tài)響應和行波在線路內(nèi)的折反射所疊加而成的，由于沒有經(jīng)過“邊界”的濾波 作用，在短時窗內(nèi)的波形，表現(xiàn)出顯著的波峰波谷的特征。基于這種時域波形的特征，本發(fā) 明提出一種利用數(shù)學形態(tài)學檢測線模電壓波峰波谷來識別特高壓直流輸電線路區(qū)內(nèi)外故 障的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目是提供一種采用數(shù)學形態(tài)學識別特高壓直流輸電線路區(qū)內(nèi)外故障的 形態(tài)峰谷檢測方法。本發(fā)明采用數(shù)學形態(tài)學識別特高壓直流輸電線路區(qū)內(nèi)外故障的形態(tài)峰谷檢測方 法按以下步驟進行(1)直流線路發(fā)生故障后，啟動元件立即啟動，選取保護安裝處測得的兩極直流電 壓，根據(jù)Karenbauer變換矩陣求出保護安裝處的線模電壓U1GO為Ux (k)=(U+ (k) _ U.(k))/ V2(1)式中，U+(k)為直流輸電線路正極直流電壓，U_(k)為直流輸電線路負極直流電壓， k = 1、2、3. ... N，N為采樣序列長度；(2)采樣頻率10kHz，保護安裝處的線模電壓采樣序列長度為50，利用數(shù)學形態(tài)學 中的Top-Hat算子和Bottom-Hat算子檢測線模電壓的波峰和波谷
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Th (U1 (k)) = U1 (k) - (U1 (k) O g)(2) Bh (U1 (k)) = U1 (k) - (U1 (k) · g)(3)式中=Th(U1GO)為線模電壓的波峰數(shù)據(jù)，Bh(U1GO)為為線模電壓的波谷數(shù)據(jù)，g 為數(shù)學形態(tài)學中的結構元素，本發(fā)明中采用的是半徑為4的圓結構元素，O表示數(shù)學形態(tài) 學中的開運算， 表示數(shù)學形態(tài)學中的閉運算；(3)求取Th(U1)和Bh(U1)的絕對值，并求出兩者的絕對值中的最大值Mbt (U1 (k)，g) = max (| Th (U1 (k)) |，| Bh (U1 (k)) |)(4)式中=Mbt(U1 (k)，g)為 Th (U1 (k))和 Bh (U1 (k))的絕對值的最大值，Th (U1 (k))求絕 對值后得到Th(U1GO) I ,Bh(U1GO)求絕對值后得到IBh(U1GO) I ；(4)區(qū)內(nèi)外故障的甄別判據(jù)，當Mbt(U1Gc), g)彡1時為區(qū)外故障，當Mbt(U1Gc), g) > 1時為區(qū)內(nèi)故障。以下是本發(fā)明的設計原理1.邊界元件特高壓直流輸電系統(tǒng)結構圖如圖1所示。圖1中，送電容量為5000MW，整流側和逆 變側的無功補償容量分別為3000Mvar和3040Mvar ；每極換流單元由2個12脈沖換流器串 聯(lián)組成，直流輸電線路為六分裂導線，全長為1500km，采用J. R. Marti頻率相關模型；線路 兩側裝有400mH的平波電抗器；M點為保護安裝處。本發(fā)明創(chuàng)造性地提出了以平波電抗器和直流濾波器構成其物理邊界，并對其幅頻 特性進行了分析。如圖2所示，其中U1為區(qū)外暫態(tài)電壓，U2為U1經(jīng)邊界傳變至直流線路保 護安裝處的電壓；Bi、B2、B3、B4為直流濾波器避雷器,D1為平波電抗器避雷器、D2為直流母線 避雷器，本發(fā)明將避雷器I、B2、B3、B4、Dp D2統(tǒng)稱為邊界避雷器。Bp B2額定電壓為150kV， B3、B4額定電壓為75kV，D^ D2額定電壓為824kV。圖 2 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。當區(qū)外發(fā)生故障時，產(chǎn)生的電壓行波，通過折射到達保護安裝處的暫態(tài)電壓行波， 由于平波電抗器和直流濾波器組成的“邊界”的濾波作用，波頭陡度都已經(jīng)大幅減小，保護 安裝處檢測到的線模電壓波形變化平緩，在短窗內(nèi)的時域波形沒有顯著的波峰波谷特征。 當發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，初始電壓波沒有經(jīng)過“邊界”的濾波作用，在短窗內(nèi)的時域波形表現(xiàn)出顯 著的波峰波谷的特征。2.數(shù)學形態(tài)學的基本理論數(shù)學形態(tài)學是一種由集合論和積分幾何學發(fā)展而來的非線性信號處理和分析工 具，其主要內(nèi)容是通過一整套變換和算法，用以描述信號的基本特征或基本結構。數(shù)學形態(tài) 學的兩種基本的形態(tài)函數(shù)是灰值膨脹和灰值腐蝕，灰值膨脹和灰值腐蝕的定義如下(f g) (n) = max (f (n-x)+g (χ)) (n_x) e Df 且 χ e Dg (1)(f Θ g) (η) = min (f (η+χ) -g (χ)) (η+χ) G Df 且 χ e Dg (2)式(1)和式(3)中， 表示灰值膨脹，Θ表示灰值腐蝕，f (η)是需要處理的一維信 號，其定義域為η= {0,1,2,…，N}，Ν為信號序列長度，g(x)是一維結構元素序列，其定義 域χ = {0,1,2,…，P}，P為結構元素的長度，且P彡N。定義將序列先腐蝕后膨脹的運算為灰值開運算，先膨脹后腐蝕的運算為灰值閉運算，則開運算和閉運算的數(shù)學表達式如下fog = f@g g(3)f . g = f g@g(4)式(3)和式(4)中，f ο g為待處理的一維信號序列f(n)與結構元素g做灰值開 運算，f g為序列f(n)與結構元素g做灰值閉運算?；抑甸_運算與閉運算具有濾波的效 果，開運算可以看作是由結構元素g(x)構成的小球沿著f (η)波形的下沿從一端滾動到另 一端，在此過程中結構元素g(x)構成的小球將削弱所有比其直徑小的波峰的尖銳度和高 度，經(jīng)過開運算后的f(n)波形下沿的任意一點均能接觸到結構元素g(x)構成的小球。與 開運算的效果相反，閉運算是由小球沿著f (η)波形的上沿滾動，所有比小球直徑小的波谷 將被填充，尖銳度將被削弱，經(jīng)過閉運算后的f(n)波形上沿的任意一點均能接觸到結構元 素g(x)構成的小球。由于開運算消除了原始波形中的波峰，所以利用原始波形和經(jīng)過開運算得到的波 形就可以提取出原始波形中的波峰數(shù)據(jù)，定義Top-Hat算子為Th (f) = f- (f ο g)(5)同理，利用原始波形和經(jīng)過閉運算得到的波形就可以提取出原始波形中的波谷數(shù) 據(jù)，定義Bottom-Hat算子為Bh (f) = f- (f · g)(6)在Top-Hat算子和Bottom-Hat算子的基礎上，定義波峰谷最大算子函數(shù)為Mbt (f, g) = max (| Th (f) |，| Bh (f) |)(7)式(7)中，MBT(f，g)為Th(f)和Bh(f)的絕對值的最大值，Th (U1)求絕對值后得到 Th(U1) I，Bh(U1)求絕對值后得到 IBh(U1) I。3.基于數(shù)學形態(tài)學的區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障的甄別圖1所示系統(tǒng)在距離保護安裝處IOOkm處，0. 505s發(fā)生正極接地故障，線模電壓波 形如圖4(a)所示；故障過渡電阻為0. 1 Ω，時間窗長度選取故障后5ms，采樣頻率為10kHz。
本發(fā)明中，運用數(shù)學形態(tài)學中的Top-Hat算子和Bottom-Hat算子函數(shù)對線模電壓 進行處理，采樣數(shù)據(jù)長度50，經(jīng)過運算后得到兩個長度為50的信號序列Th(f)和Bh(f)， Th(f)和Bh(f)分別為原始信號中所包含的波峰和波谷信號。 使用波峰谷最大算子函數(shù)計算Th (f)和Bh (f)Mbt (f, g) = max (| Th (f) |，| Bh (f) |)(8)因此，提出區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障判據(jù)Mbt (f，g)彡 1，為區(qū)外故障(9a)MBT(f，g) > 1，為區(qū)內(nèi)故障(9b)本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點1.本方法采樣頻率為10kHz，時間窗為5ms，避開了直流控制系統(tǒng)的暫態(tài)響應過 程，結論更為精確。2.本方法不受噪聲干擾和故障距離的影響，且耐受過渡電阻的性能很強，有較強 的實用性。3.本方法所使用的數(shù)學形態(tài)學完全在時域中進行計算，計算方法簡單，避免了一 般的計算方法需要在時_頻域相互轉換的缺點。


圖1為云廣士SOOkV直流輸電系統(tǒng)結構圖，圖中F2、F3為區(qū)外故障，F(xiàn)。F4為區(qū)內(nèi) 故障，M為保護安裝處；圖2為平波電抗器和直流濾波器構成的邊界元件，U1為區(qū)外的暫態(tài)電壓，U2為U1 經(jīng)邊界傳變至直流線路保護安裝處的電壓；Bp B2, B3、B4為直流濾波器避雷器山工為平波電 抗器避雷器、D2為直流母線避雷器；Lp L2, L3、L4為電感元件；Cp C2、C3、C4為電容元件；圖3為線模電壓波形圖，圖中t/s為時間/秒，u/kV為電壓/千伏。(a)為區(qū)內(nèi)正 極故障時的線模電壓；(b)為區(qū)外正極故障時的線模電壓；圖4為本發(fā)明的線模電壓波峰與波谷的分布圖，圖中u/kV為電壓/千伏，t/s為 時間/秒。(a)為區(qū)內(nèi)故障時，波峰的分布圖；(b)為區(qū)外故障時，波峰的分布圖；(c)區(qū)內(nèi) 故障時，波谷的分布圖；(d)區(qū)外故障時，波谷的分布圖。
具體實施例方式仿真模型如圖1所示，距離保護安裝處IOOkm處分別發(fā)生正極接地故障，故障過渡 電阻為0. 1Ω，時間窗長度取5ms，采樣頻率為10kHz。(1)直流線路發(fā)生故障后，啟動元件立即啟動，根據(jù)公式Ui(k)=(U+(k)-U.(k))/^2(1)求出線模電壓，其波形如圖(3)所示；(2)根據(jù)公式Th (f) = f- (f ο g)(5)Bh (f) = f- (f · g)(6)對線模電壓進行Top-Hat算子和Bottom-Hat算子函數(shù)處理，經(jīng)過運算后得到兩個 長度為50的信號序列Th(f)和Bh(f)，Th(f)和Bh(f)分別為原始信號中所包含的波峰和
波谷信號。(3)使用波峰谷最大算子函數(shù)計算Th (f)和Bh (f)Mbt (f, g) = max (| Th (f) |，| Bh (f) |)(8)求出波形中波峰和波谷的最大值。根據(jù)MBT(f，g) > 1(公式(％))，判斷為區(qū)內(nèi)故障。本發(fā)明中對不同的故障距離、不同的接地電阻進行了仿真驗證，得到電壓波峰谷 最大值Mbt (f，g)，結果如下表所示
權利要求
一種識別特高壓直流輸電線路區(qū)內(nèi)外故障的形態(tài)峰谷檢測方法，其特征在于按以下步驟進行(1)直流線路發(fā)生故障后，啟動元件立即啟動，讀取保護安裝處采集的兩極直流電壓U+(k)和U (k)，根據(jù)Karenbauer變換矩陣解耦線路之間的電磁聯(lián)系求出保護安裝處的線模電壓U1(k)為 <mrow><msub> <mi>U</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>U</mi><mo>+</mo> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub><mi>U</mi><mo>-</mo> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msqrt> <mn>2</mn></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中，U+(k)為直流輸電線路正極直流電壓，U (k)為直流輸電線路負極直流電壓，k＝1、2、3....N，N為采樣序列長度；(2)采樣頻率10kHz，采樣序列長度為50，利用數(shù)學形態(tài)學中的Top Hat算子和Bottom Hat算子檢測線模電壓的波峰和波谷Th(U1(k))＝U1(k) (U1(k)оg)(2)Bh(U1(k))＝U1(k) (U1(k)·g)(3)式中Th(U1(k))為線模電壓的波峰數(shù)據(jù)，Bh(U1(k))為線模電壓的波谷數(shù)據(jù)，g為數(shù)學形態(tài)學中的結構元素，本發(fā)明中采用的是半徑為4的圓結構元素，о表示數(shù)學形態(tài)學中的開運算，·表示數(shù)學形態(tài)學中的閉運算；(3)求取Th(U1)和Bh(U1)的絕對值，并求出兩者的絕對值中的最大值MBT(U1(k)，g)＝max(|Th(U1(k))|，|Bh(U1(k))|) (4)式中MBT(U1(k)，g)為Th(U1(k))和Bh(U1(k))的絕對值的最大值，Th(U1(k))求絕對值后得到|Th(U1(k))|，Bh(U1(k))求絕對值后得到|Bh(U1(k))|；(4)區(qū)內(nèi)外故障的甄別判據(jù)，當MBT(U1(k)，g)≤1時為區(qū)外故障，當MBT(U1(k)，g)＞1時為區(qū)內(nèi)故障。
全文摘要
本發(fā)明為一種識別特高壓直流輸電線路區(qū)內(nèi)外故障的形態(tài)峰谷檢測方法。直流線路發(fā)生故障后，啟動元件啟動，應用Karenbauer變換對整流側保護安裝處測得的兩極直流電壓暫態(tài)信號進行電磁解耦，求出線模電壓。采用Top-Hat和Bottom-Hat算子計算故障發(fā)生后5ms，采樣間隔0.1ms，采樣序列長度為50的離散線模電壓信號，提取線模電壓信號中所包含的波峰、波谷數(shù)據(jù)，計算結果為兩組序列長度為50的數(shù)據(jù)，對這兩組數(shù)據(jù)求絕對值，求取兩組數(shù)據(jù)絕對值的最大值即為線模電壓的波峰谷最大值。根據(jù)波峰谷最大值的大小，區(qū)分區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。大量仿真結果表明，本發(fā)明效果良好。
文檔編號G01R31/08GK101949994SQ20101025803
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權日2010年8月20日
發(fā)明者孫士云, 張廣斌, 曹璞璘, 束洪春, 田鑫萃 申請人:昆明理工大學