基于EEMD和Bartlett检验的混合直流输电线路保护方法.pdf

第 46 卷 第 1 期 2023 年 02 月Vol.46 No.1Feb.2023广 西 电 力GUANGXI ELECTRIC POWER基于EEMD和Bartlett检验的混合直流输电线路保护方法林奕涵（广西电网有限责任公司桂林供电局，广西 桂林 541002）摘要：混合直流输电系统克服了单一类型的传统直流输电系统和柔性直流输电系统各自存在的缺点，将两种输电系统通过不同的拓扑和连线结合在一起，在高压直流输电领域具有广阔的应用背景。因此，对于混合直流输电系统，如何快速可靠地识别线路故障成为电力系统安全稳定运行地重要研究内容之一。为了可靠且快速地识别线路故障，本文提出了一种基于集合经验模态分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD）和Bartlett检验的混合直流输电线路纵联保护新方法。本方法利用线路发生故障后首末两端电流变化趋势的差异性，首先采用EEMD算法提取故障电流的低频分量，随后对其变化趋势进行了Bartlett检验，识别区内外故障。在PSCAD/EMTDC仿真软件上搭建LCC-MMC混合双端直流输电系统模型，实验结果证明了本文保护方法的正确性，并验证了该保护方法具有较强的抗过渡电阻和抗噪声能力。关键词：混合直流输电线路；故障识别；纵联保护；集合经验模态分解（EEMD）；Bartlett检验 中图分类号：TM773 文献标志码：A 文章编号：1671-8380（2023）01-0013-07Protection Method of Hybrid DC Transmission Lines Based on EEMD and Bartlett s TestLIN Yihan（Guilin Power Supply Bureau,Guangxi Power Grid Co.,Ltd.,Guangxi Guilin 541002,China）Abstract:Hybrid DC transmission system overcomes the shortcomings of a single type such as traditional DC transmission system and flexible DC transmission system.It combines the two transmission systems through different topologies and connections.It has a broad application background in the field of HVDC power transmission.Therefore,how to find the line fault quickly and reliably has become one of the important research contents for the safe and stable operation of the power system for hybrid DC transmission system.A new method for pilot protection of hybrid DC transmission lines based on ensemble empirical mode decomposition(EEMD)and Bartlett test is proposed in this paper for Identifying line faults reliably and quickly.This method takes advantage of the differences of the changing trend of the current at both ends of the line after a fault occurs.Firstly,EEMD algorithm is used to extract the low-frequency part of the fault current,and then Bartlett test is conducted on its changing trend to show the faults in and out of the zone.The LCC-MMC hybrid double-terminal DC transmission system model is built on PSCAD/EMTDC simulation software.The experimental results prove the correctness of the protection method in this paper,but also verify that the protection method has strong anti-transition resistance and anti-noise ability.Key words：Hybrid DC transmission line;fault identification;pilot protection;ensemble empirical mode decomposition(EEMD);Bartlett s Test随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，加快水力、光伏、风力发电为代表的可再生能源发电成为了我国电力系统重要的发展方向1-4。然而清洁可再生能源大多数分布在远离电力供应负荷中心区域，因此远距离、大容量的电力传输系统在我国电力系统中占据着越来越重要的地位。与交流输电技术相比，直流输电技术凭借具有经济、稳定可靠、调节速度快等优点，在西电东送和电力系统联网等项目得到了广泛的应用5-7。我国直流输电工程投运数量逐年增加，作为高压直流输电系统首选拓扑结构的基于电网换相换流器的高压直流输电系统（LCC-HVDC）技术已日趋成熟，但其存在容收稿日期：2023-01-07 修回日期：2023-02-0914Vol.46 No.1林奕涵：基于EEMD和Bartlett检验的混合直流输电线路保护方法易发生换相失败以及不可独立调节交流母线电压以及无功功率等缺点8。随着电力电子器件的迅猛发展，基于电压型换流器的高压直流输电系统（VSC-HVDC）解决了无功补偿和换相失败等问题，且可独立调节有功和无功问题，输出波形良好，运行性能得到了极大提高9-11。模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）采用子模块级联的方式，转换效率高，输出波形谐波含量低，安装维护容易，增容扩展简单，已成为基于电压型换流器的高压直流输电系统的主要拓扑之一。然而VSC-HVDC因其损耗较大、运营成本较高，以及较小的输电容量，并不太适应于长距离直流输电。混合直流输电系统将LCC-HVDC和VSC-HVDC以不同的拓扑和接线形式进行结合，充分发挥两者各自的特点，已成为当前的研究热点12。对于混合直流输电线路存在的故障问题，目前国内外已开展了广泛的研究。文献13基于混合直流输电线路区内外发生故障，低电流保护是否可靠动作，提出基于采集低电流物理量的线路后备保护方案，逻辑简单，容易实现，然而实验结果易受分布式电容影响。文献14通过对电压和电流故障分量进行数字化处理，根据其故障特征进行区内外故障识别，该保护方案可靠性高，具有较强的抗过渡电阻能力，然而该保护方案存在易受噪声干扰等缺点。文献15采用小波分析法，根据区内外特征谐波相位角差异进行判别，保护动作快速可靠，但选取小波基比较困难，且不同的小波基分析结果不同。文献16以电能比为依据提出一种纵联保护方案，但该保护方案要求两侧边界元件具有相同的特性。EEMD算法具有自适应强，能对信号进行平稳化处理等优点，被广泛应用于电力系统中。文献17针对风电机功率随机波动对电网正常运行造成的影响，提出一种基于自适应EEMD的平衡控制策略，该算法能实现风电功率最优分解。文献18将EEMD算法应用10kV真空断路器分合闸行程信号降噪领域，提高了真空断路器故障判断的准确性。文献19将EEMD算法应用于振荡波局部放电试验，很好地解决了背景噪声干扰和放电产生脉冲产生不匹配对电缆绝缘检测不准确的问题。图1 双极混合直流输电系统Fig.1 Bipolar hybrid DC transmission system混合直流输电系统发生故障以后，因整流侧和逆变侧的换流器件不同，各自采用的控制原理不同，将传统直流输电线路保护方法直接应用在混合直流输电系统，可靠性不足。为解决当前混合直流线路保护方案存在的问题。本文以500kV LCC-MMC混合双端直流输电系统作为原型，利用EEMD算法滤除高频分量，提出了基于故障电流低频分量的Bartlett检验的混合直流输电线路纵联保护方案。该保护方案消除了分布式电容的影响，并且具有一定的抗噪声干扰能力。应用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建500kV混合双端直流输电系统模型，模拟发生不同线路故障情况。通过仿真试验表明，该保护方案可以快速有效识别区内外故障。1 集合经验模态分解（EEMD）EEMD是针对解决经验模态分解（empirical mode decomposition，EMD）存在混叠现象一种改进算法，是利用白噪声作为辅助工具的有效数据分析方法20。该方法利用了高斯白噪声均匀分布的频率特性。进行EEMD分解时，要将原始信号复制成N份，每一份加入同幅值的白噪声。对改变后的信号进行EMD算法得到相对于的IMF；最后通过对多次EMD算法得到的相应IMF进行平均求解来清除白噪声带来的影响。EEMD算法具体流程如下：1）在故障电流信号I(t)基础上叠加高斯白噪声信号S(t)得到信号为：X(t)=I(t)+S(t)（1）2）对信号X(t)利用EMD进行分解，可得到一组IMF分量am(t)和残差bn(t)，其公式为：（2）3）给故障电流信号I(t)叠加不同高斯白噪声信号Sj(t)，重复步骤1）和步骤2）h次，可以获得由一系列IMF分量ajm(t)和不同的残差bjn(t)，其公式为：（3）式中，Xj(t)为第j次试验的信号，j=1,2,h。4）计算h组IMF分量的集成平均值作为最后的分解结果，计算公式如下所示：（4）LCCf1f2f3MMCMN?1()()()nmnmX tatb t=+1()()()njjmjnmXtatbt=+11()()hjmma tihat=第 46 卷 第 1 期15广 西 电 力5）故障电流信号I(t)最终分解成：（5）式中，ai(t)为信号经EEMD分解后的第i个IMF分量，bm(t)为信号经EEMD分解后的残差。其中在一定的噪声幅度下，增加循环次数，最终得到的分解结果会更加真实。但同样也会增加运算时长21，如图2。(a)电流EMD分解图(b)电流EEMD分解图图2 EMD与EEMD算法分解电流比较Fig.2 EMD and EEMD algorithms decompose current comparison.由图2可知，采用EEMD算法分解电流时，可以更好地制模态混叠现象，分解所得的IMF分量特征更准确，对非线性、非平稳信号处理效果更加显著。因此本文选用EEMD算法提取故障电流低频分量。2 Bartlett检验Bartlett检验可用来检查两组样本方差差异性。通过比较两组数据方差的差异性，从而检验两组数据之间的相关性22。Bartlett检验的步骤方法如下所示：对样本量分别为ni的两个样本：1）构建以下假设HA。（6）2）计算统计量X 2：（7）（8）（9）（10）式中，i表示为样本类别，Si2为样本的方差，xih表示为功耗值，xi为第i类样本的平均值。3）由于自由度=1,取显著性水平。满足假设HA的概率PA为：（11）（12）1()()()nimiI ta tbt=+1()2 2()x1()2xh xe+=?122()PAXh x=?ii=(1)ln(1)lnnsns22222iiiXC=11?2211,1,2(1)inihiSiiihnxx=222121(1)(1)iiiiSniSn=2211113111(1)iiiiCnn=+0:?1:?HAAH=?16其中(x)为伽玛函数。比较计算所得到的统计量X 2与查询X 2分布表中所得到临界值X 2(1)的大小关系。如果X 2X 2(1)，则假设HA=0成立，说明两组故障电流数据方差无明显差异，两样本满足正相关特性；如果X 2X 2(1)，说明两组故障电流数据方差具有明显差异，则假设HA=1成立，两样本满足负相关特性。3 EEMD和Bartlett检验的线路保护方案3.1 保护启动判据混合直流输电线路发生故障以后，保护安装处的电压会发生突变。提取保护安装处的电压故障分量的幅值作为保护启动判据。U Uset （13）式中，U为在保护安装处测量的电压故障分量的幅值；Uset为电压启动整定值，一般为0.1倍额定电压。若电压测量值满足公式（13），线路保护启动，否则不启动。3.2 线路保护故障识别判据依据式（6）式（10），本文以统计量X 2作为区内外故障识别判据。当混合直流输电线路发生故障瞬间，对线路正负极的整流侧、中点以及逆变侧分别求取故障电流的X 2统计量。当求取的统计量X 2X 2(1)，则说明整流侧和逆变侧故障电流相关性为正，判断发生区内故障。当求取的统计量X 2X 2(1)，则说明整流侧和逆变侧故障电流相关性为负，判断发生区外故障。即：（14）3.3 保护流程图图3为保护流程图，先根据保护安装处的电压故障分量幅值是否大于启动电压整定值作为启动条件。当保护满足启动条件后，首先用EEMD算法提取整流侧及逆变侧电流低频分量，将所得的数据进行Bartlett检验，求取统计量，根据HA的大小，识别区内外故障。图3保护流程图Fig.3 Flow chart of protection4 仿真分析本文在PSCAD/EMTDC仿真软件上搭建图1所示的直流电压等级为500 kV的LCC-MMC混合双端直流输电系统模型。其中整流侧选用定直流电压控制的传统晶闸管形换流器，逆变侧选用定直流电压和无功功率控制的模块化多电平换流器。在 f2和f3处分别设置区内和区外故障。在线路a的整流侧及逆变侧分别设置数据采集点，设置仿真时长为3 s，在2.5 s时刻发生故障，采样频率为10 kHz。4.1 区内故障当高压直流输电在线路中点 f2处发生双极短路故障时，线路整流侧和逆变侧采集电流如图4所示。Vol.46 No.1林奕涵：基于EEMD和Bartlett检验的混合直流输电线路保护方法?HA0:?1:?HAAH=（a）正极故障（b）负极故障图4 区内双极故障电流波形Fig.4 current waveforms when the internal pole-pole fault 根据图4可知，正极的线路两侧电流在发生区内双极故障的瞬间呈现递增趋势，而负极的线路两侧电流呈现递减趋势。正极、负极的两侧电流在故障发生后变换趋势相同。分别计算故障发生后0.5 ms内正极、负极线路两侧电流突变量的HA值,大小均为0，表明线路两侧电流突变量相关性为正，满足区内故障的判别条件，具有良好的可靠性和速动性。4.2 区外故障当高压直流输电线路在f3处发生双极短路故障时，线路整流侧和逆变侧采集电流如图5所示。（a）正极故障（b）负极故障图5 区外双极故障电流波形Fig.5 current waveforms when the external pole-pole fault根据图5可知，正极的线路整流侧电流在发生区内双极故障的瞬间呈现递减趋势，线路逆变侧电流呈现递增趋势；负极的线路整流侧电流在发生区内双极故障的瞬间呈现递增趋势，线路逆变侧电流呈现递减趋势。正极、负极的线路两侧电流在故障发生后变换趋势相反。分别计算故障发生后0.5 ms内正极、负极两侧电流突变量的HA值,大小均为1，表明线路两侧电流突变量相关性为负，满足区外故障的判别条件，验证了具有良好的选择性和速动性。4.3 过渡电阻及故障位置对故障判断影响为验证在过渡电阻干扰情况下，线路保护仍能可靠动作。本文分别设置不同故障位置、不同过渡电阻的故障，实验结果如下表所示。由表1可知，在不同故障位置存在高过渡电阻的情况下，该线路保护均可以有效地识别区内外故障，因此证明了该保护方案具有很强的抗过渡电阻能力。表 1 不同情况的双极故障Tab.1 Pole-pole fault in different circumstances故障类型 故障位置过渡电阻/HA相关性故障判断区内近整流侧0.10正区内故障5000正区内故障中点0.10正区内故障5000正区内故障近逆变侧0.10正区内故障5000正区内故障区外整流侧0.11负区外故障5001负区外故障逆变侧0.11负区外故障5001负区外故障17第 46 卷 第 1 期广 西 电 力?184.4 噪声影响分析噪声会使电流的瞬时值产生波动，影响暂态电流的波形，导致高压直流输电线路的纵联差动保护、纵联距离保护产生拒动或者误动。为证明本文所提的线路保护方案不受噪声干扰影响，在初始电流信号中加入信噪比为25 dB的白噪声。结果如图6所示。（a）噪声干扰下的区内正极故障（b）噪声干扰下的区外正极故障图6 噪声干扰下正极故障电流波形Fig.6 current waveforms when the positive fault with noise图6（a）、（b）分别是加入25 dB白噪声后的线路保护区内和区外故障正极电流波形。分别计算故障发生0.5 ms内电流突变量的HA值，可以迅速可靠地识别故障，因此可以说明本文所提的保护方案具有很强的抗噪声干扰能力。5 结束语本文根据混合直流输电线路发生故障后两侧故障电流变化趋势的差异性，构造了一种基于EEMD和Bartlett检验的混合直流输电线路保护方法。利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建500 kV的LCC-MMC混合双端直流输电系统模型。利用EEMD算法提取故障电流信号的低频分量，再利用Bartlett检验计算两侧电流的统计量X 2，进行故障判别。理论分析及仿真实验结果证明该保护方案能够可靠迅速地保护线路全长，并且具有一定的抗过渡电阻及抗噪声能力。参考文献：1 曾诗鸿,李根,翁智雄,等.面向碳达峰与碳中和目标的中国能源转型路径研究J.环境保护,2021,49(16):26-29.ZENG Shihong,LI Gen,LI Zhixiong,et al.Research on Chinas Energy Transition Path Towards the Goals of Carbon Peak and Carbon NeutralityJ.Environmental Protection,2021,49(16):26-29.2 林溪桥,卢纯颢,覃惠玲,等.广西实现“碳中和”能源路径研究J.广西电力,2021,44(02):1-4,19.LIN Xiqiao,LU Chunhao,QIN Huiling,et al.Research on the Energy Path to AchieveCarbon Neutralityin GuangxiJ.Guangxi Electric Power,2021,44(5):1-4,19.3 黄丽娟,甘涌泉,周恒旺.广西构建以新能源为主体的新型电力系统的建议J.广西电力,2021,44(04):1-5.HUANG Lijuan,Gan Yongquan,ZHOU Hengwang.Suggestions on the Construction of a Novel Power System with New Energy as the Main Power Source in GuangxiJ.Guangxi Electric Power，2021,44(04):1-5.4 张智刚,康重庆.碳中和目标下构建新型电力系统的挑战与展望J.中国电机工程学报,2022,42(08):2806-2819.ZHANG Zhigang，KANG Chongqing.Challenges andProspects for Constructing the New-type Power System Towards a Carbon Neutrality FutureJ.Proceedings of the CSEE,2022,42(08):2806-2819.5 赵婉君.高压直流输电工程技术M北京：中国电力出版社,2004.6 张烁.高压直流输电系统线路保护、故障重启及故障测距方法的研究D.天津大学,2014.7 李立浧.特高压直流输电的技术特点与工程应用J.电力设备,2006,7(03):1-4.LI Lichen.Technical Characteristics and Engineering Application of UHVDCJ.Electrical Equipment,2006,7(03):1-4.8 罗澍忻,董新洲.基于LCC的高压直流输电线路保护分析及展望J.广东电力,2019,32(12):121-129.LUO Shuxin，DONG Xinzhou.Analysis and Prospects ofHVDC Transmission Line Protection Based on LCCJ.Guangdong Electric Power，2019,32(12):121-129.9 白雪松,袁绍军,王轶,等.柔性直流输电技术综述J.电气应用,2015,34(21):78-83.BAI Xuesong,YUAN Shaojun,WANG Yi,et all.Review ofFlexible DC Transmission TechnologyJ.Electric Technology,Vol.46 No.1林奕涵：基于EEMD和Bartlett检验的混合直流输电线路保护方法?2015,34(21):78-83.10 马为民,吴方劼,杨一鸣,等.柔性直流输电技术的现状及应用前景分析J.高电压技术,2014,40(08):2429-2439.MA Weimin,WU Fangjie,YANG Yiming,et all.Flexible HVDC Transmission Technologys Today and TomorrowJ.High Voltage Engineering,2014,40(08):2429-2439.11 曾鑫辉,谭建成,文泓铸,等.基于行波的柔性直流输电线路保护综述J.广西电力,2020,43(02):15-21.ZENG Xinhui，TAN Jiancheng，WEN Hongzhu,et all.An Overview of VSC-HVDC Transmission Line Protection Based on Traveling Waves J.Guangxi Electric Power,2020,43(02):15-21.12 王一品.混合直流输电技术及发展分析J.城市建设理论研究,2019,10(09):189.WANG Yipin.Hybrid DC Transmission Technology andDevelopment AnalysisJ.Theoretical Research in Urban Construction,2019,10(09):189.13 吴丽颖,王增平,王雪,等.高压交直流混合输电直流线路远后备保护研究J.华北电力大学学报,2006,33(05):1-5.WU Liying,WANG Zengping,WANG Xue,et all.Study on DC Line Remote Back-up Protection in HVAC/DC SystemJ.Journal of North China Electric Power University,2006,33(05):1-5.14 WANG Yanting,ZHANG Baohui,CHENG Shaojie.Pilot Protection Scheme for Transmission Line of a Hybrid HVDCSystem Based on Polarity Characteristics of Current andVoltage Fault ComponentsJ.The Journal of Engineering,2019,2019(16).15 Marvasti Farzad Dehghan,Ahmad Mirzaei.Hybrid TravellingWave/Distance Protection for HVDC Transmission LinesBased on Phase Angles of Characteristic Harmonic ImpedancesJ.Electrical Engineering,2021,103(05).16 张坤.多端混合直流线路故障特性与保护原理研究D.华南理工大学,2019.17 钟婷.基于EEMD分解的短期电力负荷预测方法及其应用研究D.湘潭大学,2020.18 植天荣.基于EEMD算法的10 kV真空断路器分合闸行程信号降噪方法研究J.电工技术,2022,43(17):34-36.ZHI Tianrong.Research on Noise Reduction Method of Opening and Closing Stroke Signal of 10 kV Vacuum CircuitBreaker Based on EEMD AlgorithmJ.Electric Engineering,2022,43(17):34-36.19 刘宇舜,程登峰,殷巧玲,等.基于EEMD与边际谱能量的电缆局部放电定位方法J.电力工程技术,2022,41(01):156-164.LIU Yushun,CHENG Dengfeng,YING Qiaoling,et al.CablePartial Discharge Location Method Based on EEMD and Marginal Spectrum Energy J.Electric Power Engineering Technology,2022,41(01):156-164.20 WU Zhaohua,HUANG Norden E.Ensemble Empirical Mode Decomposition:A Noise-assisted Data Analysis MethodJ.Advances in Adaptive Data Analysis,2009,1(01):1793-5369.21 陈则煌,张云峰,谢菲,等.EEMD在雷暴日趋势特征分析中的应用J.热带地理,2015,35(04):601-606.CHEN Zehuang,ZHANG Yunfeng,XIE Fei,et all.Applications of EEMD in the Trends Analysis of the Thunderstorm DaysJ.Tropical Geography,2015,35(04):601-606.22 王娅茹,唐明.基于Bartlett和多分类F检验侧信道泄露评估J.通信学报,2021,42(12):35-43.WANG Yaru,TANG Ming.Side Channel Leakage Assessmentwith the Bartlett and Multi-classes F-testJ.Journal on Communi cations,2021,42(12):35-43.作者简介：林奕涵（1995），男，江西上饶人，助理工程师，工程硕士，研究方向为继电保护运行与维护，18314150492，。本文创新点介绍：针对传统的混合直流输电线路保护方法易受分布电容影响，以及在高阻接地故障、噪声干扰等情况下存在速动性、可靠性不足等缺点，本文构造了一种基于EEMD和Bartlett检验的混合直流输电线路保护方法，提高了保护的可靠性与速动性。19第 46 卷 第 1 期广 西 电 力