专利名称：识别特高压直流输电线路故障的小波能量熵检测方法
技术领域：
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体地说是一种识别特高压直流输电线路区内外故障的小波能量熵检测方法。
背景技术：
直流输电线路传输功率大，线路发生故障后，要求线路保护装置必须尽可能快的切除故障，否则将对整个系统造成很大的冲击，对系统的安全稳定运行构成威胁。一般的工频保护动作速度慢，耗时较长，难以满足直流输电线路保护的要求。目前，世界上广泛采用行波保护作为高压直流线路保护的主保护，其单端量保护是依据电压行波的突变量和变化率与电流变化梯度作为判据的，具有超高速动作特性，不受电流互感器饱和、系统振荡和长线分布电容影响等优点。但相关资料显示，目前使用的直流线路行波保护都不同程度的存在着容易误动和受噪声干扰的问题。或由于方向行波变化率受过渡电阻影响等问题，有时会导致现有的直流保护装置拒动。目前如何提高直流线路运行的安全性和可靠性已成为急需解决的问题，能否对直流线路故障做出正确判断是直流线路保护的关键。直流输电系统包括直流输电线路、直流线路两端的平波电抗器和直流滤波器，其中平波电抗器和直流滤波器构成了直流输电线路高频暂态量的“天然”物理边界。边界的频率特性分析表明线路边界内外故障信号的高频分量存在显著的特征差异，据此可以提出区内外故障识别的判据。

发明内容
本发明的目的是提供一种识别特高压直流输电线路区内外故障的小波能量熵检测方法。本发明中进行8层小波变换，选取1-5层小波系数能量构成参数集合，计算小波能量熵，即对1562. 5Hz以上频率进行分析，本发明中认为其为高频部分。对于区内故障，此时 1-5层小波系数能量分布相对均勻，不规则性较小；对于区外故障，此时1-5层小波系数能量之间偏差较大，分布不均勻，由附图5可以明显看出区内、区外时小波系数能量的分布差异。基于小波能量熵能表征各层小波系数能量分布规律，熵越大，说明各层小波系数能量之间分布越均勻，反之则说明分布极不均勻。因此得出判据，当区内故障时，小波能量熵大于 1，而区外故障时，小波能量熵小于1。本发明采用小波能量熵识别特高压直流输电线路区内外故障的新方法按以下步骤进行
(1)直流线路发生故障后，启动元件立即启动，选取保护安装处测得的两极直流电压， 根据Karenbauer变换矩阵求出保护安装处的线模电压《(幻为
U k ) = { U + { k ) - U k ) ) /
S(1)
式中，仏(幻为直流输电线路正极直流电压，仏议)为直流输电线路负极直流电压，#1、
32、3···.#，#为采样序列长度；
(2)采样频率100kHz，时窗长度选取5ms，采用db4小波对线模电压进行小波变换分解， 得到尽，尽，'",E] (>8)8个尺度上的小波系数能量系数。
爾,Λ ^ = ZhwI υ = 1···8)
(3)选取前面1-5层小波系数能量构成参数集合，计算小波能量熵W冊为
wSS = -YiPj1^Pi
⑶
其中^ = Σ ^ ,A=I,则 Σ>/
/-1‘ E！
(4)区内外故障的甄别判据，当ι时为区外故障，当时为区内故障。本发明的设计原理如下 1.边界元件
特高压直流输电系统结构图如图1所示。图1中，送电容量为5000MW，整流侧和逆变侧的无功补偿容量分别为3000Mvar和3040Mvar ；每极换流单元由2个12脉冲换流器串联组成，直流输电线路为六分裂导线，全长为1500km，采用J. R. Marti频率相关模型；线路两侧装有400mH的平波电抗器；M点为保护安装处。本发明创造性地提出了以平波电抗器和直流滤波器构成其物理边界，并对其幅频特性进行了分析。如图2所示，其中U1为区外暂态电压，U2为U1经边界传变至直流线路保护安装处的电压；BpB2AyB4为直流滤波器避雷器,D1为平波电抗器避雷器、込为直流母线避雷器，本发明将避雷器I、B2、 、B4、Dp D2统称为边界避雷器。Bp化额定电压为150kV， B3、B4额定电压为75kV，D^ D2额定电压为8MkV。图 2 中，L=400mH、1^=39. 09mH、L2=26. 06mH、L3=19. 545mH、L4=34. 75mH、C1=O. 9 μ F、 C2=O. 9 μ F、C3=L 8 μ F、C4=O. 675 μ F。当区外发生故障时，产生的电压行波，通过折射到达保护安装处的暂态电压行波， 由于平波电抗器和直流滤波器组成的“边界”的滤波作用，频段越高，衰减越大，造成高频带之间小波系数能量分布极不均勻。当发生区内故障时，初始电压波没有经过“边界”的滤波作用，全频段能量没有发生衰减，高频段各层小波系数能量分布相对均勻。2.小波能量熵的基本理论 1)连续小波变换
设Φ ( )为一平方可积函数，若其傅里叶变换Ψ、ω)满足可容许性条件，即
Γ 1....￡.. —j■■■■■I—dm < oo( 1 )
则称 ( )为一个基本小波，或者小波母函数。将小波母函数 ( )进行伸缩和平移， 可以得到连续小波基函数Ut)
ι ,
φJS) = "^―) a>U3h €i (2)

式中a是伸缩因子，或称为尺度因子；力是平移因子。对于任意的函数/(i) ez20 )的连续小波变换(Continuous Wavelet Transform，CWT)为
Wf {h,a)^(f(tl9Jfj) = hPf^/WK—(3)
式中#( 表示？^= 的共轭。2)离散小波变换
由连续小波变换的概念可知，连续小波变换中的尺度因子a和平移因子力是连续的变量。在实际应用中，通常将中的连续变量a和力取做整数离散形式，将Ut)表示为
(f) = 2-JX2H-k、(4)
相应的函数/( )的离散小波变换(Discrete Wavelet Transform，DWT)可表示为
W八 j^=(f(f)而Jf))(5)
由于该离散小波Φj’拟是由小波函数0⑴经2"整数倍放、缩和经整数左平移所生成的函数族WjjMW，j,k e Ζ。因此，该离散后的小波序列一般称为离散二进小波序列。(3)设尽，尽，…，&为信号^作)在《个尺度上的小波系数能量，则在尺度域上可以形成对信号能量的一种划分。由正交小波变换的特性可知，在某一时间窗内(窗宽《 ΛΟ
信号能量万等于小波变换后各层能量尽之和，其中晃=Zl1MMi，￡= ￡,.。设- 则
J*i-ιr> E
Σλ· = 1 ,计算线模电压的小波能量熵/。(Wavelet Energy Entropy)为
= (6)
3.基于小波能量熵的区内、区外故障的甄别图1所示系统在距离保护安装处200km处，0. 20 发生正极接地故障，线模电压波形如图4 (a)所示；故障过渡电阻为10 Ω，时间窗长度选取故障后5ms，采样频率为100kHz。本发明中，对线模电压信号进行8层小波变换，选取前面1-5层高频小波系数能量计算小波能量熵
^M=-ZPj1oSPJ⑵
因此，提出区内、区外故障判据
/。<1，为区外故障(8a)
/^>1，为区内故障(8b)
本发明与现有技术相比具有如下优点
1.本方法耐受过渡电阻的性能很强，对噪声不敏感，有较强的实用性。2.小波能量熵计算简单，实时性较好，能准确表征高频带之间的能量分布情况。3、大量仿真结果表明，本发明方法正确。


图1为云广士SOOkV直流输电系统结构图，图中F2、F3为区外故障，Fp F4为区内故障，M为保护安装处；
图2为平波电抗器和直流滤波器构成的边界元件，仏为区外的暂态电压，V2为U1经边界传变至直流线路保护安装处的电压；Bp B2, B3、B4为直流滤波器避雷器山工为平波电抗器避雷器、D2为直流母线避雷器；Li、L2、L3、L4为电感元件Α、ε2、(:3、(；为电容元件； 图3为边界元件传递函数的幅频特性图4为线模电压波形图，(a)为区内正极接地故障时的线模电压；(b)为区外正极接地故障(整流侧)时的线模电压；
图5为线模电压小波变换后1-5层小波系数能量分布直方图，其中(a)为区内正极接地故障时；(b)为区外正极接地故障(整流侧)时；
图6区内故障不同接地电阻时对线路全长进行遍历(为本发明)，其中(a) (b) (c) (d)分别为正极接地故障，负极接地故障，两极短路故障，两极接地短路故障。
具体实施例方式仿真模型如图1所示，距离保护安装处200km处发生正极接地故障，故障过渡电阻为10 Ω，时间窗长度取5ms，采样频率为IOOkHz。(1)直流线路发生故障后，启动元件立即启动，根据公式
U^k) = {U + {k)~ USk))/ ,/2(1)
求出线模电压，其波形如图(3)所示；
(2)采样频率100kHz，时窗长度选取5ms，对线模电压进行小波变换
Wf [ka) = (m η., ) = Nl^ C,⑴⑵
式中，φ⑴为一个基本小波，或者小波母函数，a是伸缩因子，或称为尺度因子φ是平移因子，表示的共轭。
aa(3)设尽，尽，…，&为信号ζ㈦在 个尺度上的小波系数能量，其中
= Sl^Wf, ^ = Z^。设凡,= ■,则Σ>/ = 1，计算线模电压的小波能量熵4 kE J
(Wavelet Energy Entropy)为
wMM =PJ lo^Pj(3)
本发明中进行8层小波变换，选取前面1-5层小波系数能量构成参数集合，计算小波能量熵。根据所求取的小波能量熵/^>1，判断为区内故障。本发明中对不同的区外故障类型、不同的接地电阻进行了仿真验证，得到小波能
量熵#1，结果如下表所示。
权利要求
1. 一种识别特高压直流输电线路区内外故障的小波能量熵检测方法，其特征在于按以下步骤进行(1)直流线路发生故障后，启动元件立即启动，读取保护安装处采集的两极直流电压 UM和仏议)，根据Karenbauer变换矩阵解耦线路之间的电磁联系求出保护安装处的线模电压Ux⑷为
全文摘要
本发明是一种识别特高压直流输电线路区内外故障的小波能量熵检测方法。直流线路发生故障后，启动元件启动，应用Karenbauer变换对整流侧保护安装处测得的两极直流电压暂态信号进行电磁解耦，求出线模电压。对故障发生后5ms内的离散线模电压信号进行8层小波变换。以变换后1-5层小波系数能量构成参数集合，计算小波能量熵，根据小波能量熵的大小，区分区内、区外故障。本方法耐受过渡电阻的性能很强，对噪声不敏感，有较强的实用性。小波能量熵计算简单，实时性较好，能准确表征高频带之间的能量分布情况。大量仿真结果表明，本发明方法正确。
文档编号G01R31/08GK102156246SQ20111007149
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者束洪春, 王雄彪, 田鑫萃 申请人:昆明理工大学