一种基于改进SMMG的高压直流输电线路故障测距方法技术

本发明专利技术一种基于改进SMMG的高压直流输电线路故障测距方法，属于继电保护故障测距领域；本发明专利技术计及当输电线路发生高阻抗接地等特殊故障情况时，行波能量较为微弱难以检测；现有的测距方法大都不考虑故障行波到达整流侧和逆变侧两端波速度的差异性而造成测距误差较大，采用变分模态分解，将故障电流行波进行有效分解；以多分辨形态学梯度变换技术算法实现对微弱信号的逐次变换，累积放大行波信号突变特征，实现对故障初始行波波头到达时刻进行精确标定；同时通过对故障电流信号的高频分量进行Hilbert变换，确定最先到达整流、逆变侧两端测量点的故障电流信号高频分量的频率，进而确定故障电流行波波速度，最终完成对故障位置的检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进SMMG的高压直流输电线路故障测距方法
本专利技术属于继电保护高压直流输电系统故障测距
，尤其涉及一种累积放大微弱信号、计及波速影响的故障测距方法。
技术介绍
高压输电线路是电力系统中发生故障最多的设备之一，实际直流输电工程运行数据统计显示直流输电线路故障约占总故障的50％。直流输电线路一旦发生故障跳闸事故，不但影响国民经济的生产运作，还会给人民生活带来不便。因此线路故障后迅速准确地找到故障点不仅对及时修复线路，而且对电力系统安全稳定、经济运行都有重要意义。目前，对于故障测距，大量专家学者以刻画长距离直流输电线路电气量特征的分布参数方程为基础，提出了行波法及故障分析法两种主要的故障测距原理。故障分析法虽然具有较高稳定性，但针对直流输电线路模型误差进而导致的故障点定位精度不高的问题目前为止仍没有较好的解决办法，因此故障分析法故障测距尚未在实际直流输电工程中得到应用。高压直流线路的故障暂态行波是典型的振荡波形其波头相应平缓，当输电线路发生高阻抗接地等特殊故障情况时，行波能量较为微弱难以检测。现有的小波变换模极大值检测可能出现虚假的模极大值点、EMD-Hilbert等波头检测方法可能存在严重模态混叠和端点效应现象，造成较大误差或测距失败。同时，现有方法大都采用经验波速计算故障距离，但实际上不同频率分量的故障行波具有不同的波速度，故障行波到达整流侧和逆变侧两端波速度存在一定差异性，也会对测距精度产生影响。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这些问题。
技术实现思路
r>本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于改进SMMG的高压直流输电线路故障测距方法，解决特殊故障情况下行波信号能量微弱难以检测，故障行波到达整流侧和逆变侧两端波速度存在差异性对测距精度的影响。为实现上述目的，本专利技术的一种基于改进SMMG的高压直流输电线路故障测距方法的具体技术方案如下：一种基于改进SMMG的高压直流输电线路故障测距方法，其特征是：包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，步骤一、数学形态学开运算对故障电流信号进行平滑滤波处理，有效滤除孤立值点、噪声和变化剧烈的非平稳信号的干扰。步骤二、采用凯伦贝尔变换矩阵对故障电流行波进行解耦运算，得到1模、0模分量，以此消除高压直流输电系统两极之间存在电磁耦合。相比于零模分量1模分量受行波色散效应影响较小更为稳定，选取电流行波1模分量作为后续线路故障测距输入信号。步骤三、对故障电流行波1模分量进行变分模态分解(variationalmodedecomposition，VMD)，得到信号不同频率的固有模态函数(intrinsicmodalfunction，IMF)，它克服了EMD方法存在端点效应和模态分量混叠的问题，并且具有更坚实的数学理论基础，可以降低复杂度高和非线性强的时间序列非平稳性，分解获得包含多个不同频率尺度且相对平稳的子序列，适用于非平稳性的序列。为使各个模态分量的中心频率间隔清晰，各频带带宽适宜，变分模态分解算法可以将故障电流行波有效进行分解。后续研究中需要对其中某一固有模态函数进行Hilbert变换，本专利技术选择高频分量IMF4做后续研究。步骤四、对高频分量IMF4进行级联多分辨形态梯度变换技术(serialmulti-resolutionmorphologicalgradient，SMMG)变换标定行波波头。结构元素的长度组合与其级联顺序决定了SMMG的最终检测效果。短结构元素对微弱信号具有灵敏的检测能力，长结构元素可以进一步加强经由短结构元素处理后微弱信号在奇异点处的变化。因此采取短结构元素在前，长结构元素在后的级联顺序进行SMMG变换，标定行波波头；针对MMG方法的不足，采用级联多分辨形态梯度变换技术——SMMG，SMMG极大地提高了MMG的处理能力，赋予了原算法更大的灵活性和开放性，通过设计长度可变并具有不同原点位置的扁平结构元素对信号进行匹配或局部修正从而达到提取信号突变特征的目的可以解决微弱信号特征的提取问题。步骤五、故障行波传播速度v是与频率具有强相关的复杂函数，获取波速度就要知道到达行波波头整流侧和逆变侧的瞬时频率。对高频分量IMF4进行Hilbert变换，在Hilbert变换时频图中首个突变点所对应的频率即为最先到达整流、逆变侧故障行波高频分量的频率，进而确定此刻所对应的故障电流行波波速；故障行波中某一频率分量传播速度v是与频率具有强相关的复杂函数，其表达式如下式所示。式中：ω是该特定频率分量的角频率，ω＝2πf；γ(ω)是该特定频率分量的相位畸变系数。频率f求解具体流程如下：电流1模信号x(t)，其Hilbert变换y(t)定义为：通过Hilbert变换x(t)和y(t)形成共轭复数对，解析信号z(t)为：z(t)＝x(t)+jy(t)＝a(t)ejθt式中：通过Hilbert变换所得到的解析信号z(t)相位、幅值及频率关于时间的函数关系式分别如上式所示。在频率与波速的对应关系曲线中找出与Hilbert变换后所得到的解析信号频率对应的波速。本专利技术，没有单一地选取某一经验波速用于直流输电线路的故障测距，考虑了故障行波到达整流侧和逆变侧两端波速度的差异性，进一步提高的测距的准确性。步骤六、将整流侧和逆变侧两端检测到行波波头的时间和波速代入测距公式，完成故障距离的计算；故障点处至整流侧和逆变侧的距离分别为：LR＝VR(ωR)(TR-T)LI＝VI(ωI)(TI-T)由上式可知，直流输电线路行波故障测距结果与故障行波初始波头到达两侧时刻TR、TI及此刻所对应的故障行波波速VR(ωR)、VI(ωI)相关，而VR(ωR)、VI(ωI)均与瞬时频率有关。进一步，步骤二中的凯伦贝尔变换矩阵如下所示：其中，u0、u1为0模和1模电压量；up、un为正、负极电压量。进一步，步骤三中VMD算法的实现以及分解模态数的选择：算法的实现步骤如下：VMD是一类完全非递归的模态变分方法，通过将输入信号f分解为多个具有特定稀疏属性的离散模态信号uk从而实现信号的频域剖分和各分量的有效分离。各模态信号uk带宽的计算式如下式所示：式中：{uk}为分解所得到的k个模态分量，{ωk}为各模态分量的频率中心。为解决式(1)的约束问题，通过引入二次惩罚因子α和拉格朗日乘子λ相结合的办法得到如式(2)的增广表达式。利用交替方向乘子法(ADMM)，便可得到各模态分量及其中心频率计算式。式中：各模态分量的维纳滤波，可以通过傅里叶逆变换得到其实部uk(t)；为之对应模态分量的频率中心。④始化将n设置为零，n＝n+1，K为需要分解的正整数；⑤Fork＝1:K，通过式(3)更新模态⑥Fork＝1:K，通过式(4)更新模态当分解模态数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进SMMG的高压直流输电线路故障测距方法，其特征在于，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行：/n步骤一、数学形态学开运算对故障电流信号进行平滑滤波处理，有效滤除孤立值点、噪声和变化剧烈的非平稳信号的干扰；/n步骤二、采用凯伦贝尔变换矩阵对故障电流行波进行解耦运算，得到1模、0模分量，以此消除高压直流输电系统两极之间存在电磁耦合；/n步骤三、对故障电流行波1模分量进行Variational mode decomposition，VMD分解，得到信号不同频率的固有模态函数intrinsic modal function，IMF；/n步骤四、选择适宜的固有模态函数进行级联多分辨形态梯度变换技术变换，并采取短结构元素在前，长结构元素在后的级联顺序进行级联多分辨形态梯度变换技术变换，标定行波波头；/n步骤五、选择同一个固有模态函数进行Hilbert变换，在Hilbert变换时频图中首个突变点所对应的频率即为最先到达整流、逆变侧故障行波高频分量的频率，进而确定此刻所对应的故障电流行波波速；/n故障行波中某一频率分量传播速度v是与频率具有强相关的复杂函数，其表达式如下式所示：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于改进SMMG的高压直流输电线路故障测距方法，其特征在于，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行：
步骤一、数学形态学开运算对故障电流信号进行平滑滤波处理，有效滤除孤立值点、噪声和变化剧烈的非平稳信号的干扰；
步骤二、采用凯伦贝尔变换矩阵对故障电流行波进行解耦运算，得到1模、0模分量，以此消除高压直流输电系统两极之间存在电磁耦合；
步骤三、对故障电流行波1模分量进行Variationalmodedecomposition，VMD分解，得到信号不同频率的固有模态函数intrinsicmodalfunction，IMF；
步骤四、选择适宜的固有模态函数进行级联多分辨形态梯度变换技术变换，并采取短结构元素在前，长结构元素在后的级联顺序进行级联多分辨形态梯度变换技术变换，标定行波波头；
步骤五、选择同一个固有模态函数进行Hilbert变换，在Hilbert变换时频图中首个突变点所对应的频率即为最先到达整流、逆变侧故障行波高频分量的频率，进而确定此刻所对应的故障电流行波波速；
故障行波中某一频率分量传播速度v是与频率具有强相关的复杂函数，其表达式如下式所示：



式中：ω是该特定频率分量的角频率，ω＝2πf；γ(ω)是该特定频率分量的相位畸变系数；
通过Hilbert变换所得到的解析信号相位、幅值及频率关于时间的函数关系式；在频率与波速的对应关系中找出与Hilbert变换所得到的解析信号频率对应的波速；
步骤六、将整流侧和逆变侧两端检测到行波波头的时间和波速代入测距公式，完成故障距离的计算；
故障点处至整流侧和逆变侧的距离分别为：
LR＝VR(ωR)(TR-T)
LI＝VI(ωI)(TI-T)
其中，TR、TI为故障行波初始波头到达两侧时刻；ωR、ωI为瞬时频率；VR(ωR)、VI(ωI)为故障行波波速。


2.根据权利要求1所述的基于改进SMMG的高压直流输电线路故障测距方法，其特征在于，步骤二中凯伦贝尔变换矩阵如下：



其中，u0、u1为0模和1模电压量；up、un为正、负极电压量。


3.根据权利要求1所述的基于改进SMMG的高压直流输电线路故障测距方法，其特征在于，步骤三中VMD算法的实现步骤如下：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓军，岳爽，郝英童，杨冬锋，姜超，王鹤，冉子旭，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22