一种基于HHT的CT饱和检测方法

摘要

本发明公开了一种基于HHT的CT饱和检测方法，通过采集变压器两侧差动电流信号，并依次经过EMD分解、Hilbert变换得到瞬时频率时频谱、Hilbert谱与Hilbert边际谱，分别根据以上三种频谱完成变压器区外饱和故障与CT饱和度的检测，进而实现CT饱和情况下差动保护的速动和可靠性动作；作为CT饱和检测方法的一种优选改进，将瞬时频率判据、Hilbert谱判据与Hilbert边际谱判据以“与”、“或”进行形式组合，当一种判断结果出现失误时，另一种能正确判断，提高了差动保护的可靠性，并且充分考虑CT饱和与不饱和两种情况下变压器区外故障电流、区内故障电流以及转换性故障电流等多种情况，具有功能更强、效率更高以及可靠性更高等优点。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及一种基于HHT的CT饱和检测方法。

背景技术

在我国以特高压电网为骨干网架的智能电网建设过程中，电力系统规模的扩大和电压等 级的提高，客观上要求配置更大容量和更高电压等级的电力设备。大容量变压器的投入运行， 对继电保护提出更高的要求。最新统计数据表明，2001～2011年220kV及以上变压器的平均 动作正确率为79.794%，低于发电机及线路保护约20个百分点。目前，差动保护作为变压器 内部故障的主保护之一，其可靠性受CT饱和的影响。在CT饱和情况下，区外故障发生时， 变压器两侧电流互感器的差动电流很大，会引起差动保护的误动作。

目前，工程实际中一般采用比率制动方法加以鉴别，但此种方法不能保证在CT极度饱和 情况下差动保护的可靠性，必须要辅以其他鉴别CT饱和的措施。此外国内外所提出的识别方 法还有时差法、谐波制动法、小波奇异性检测法、二阶或三阶导数法等，这些方法基本可以 保证变压器差动保护在经历故障时的安全性，但是在时间的迅速性或准确性上还存在一些问 题，上述有些方法过于复杂并不适用于实际应用。

希尔伯特黄变换（Hilbert-Huang Transform），即HHT变换，作为一种1998年提出的新 兴智能算法，在电力系统领域中的应用刚刚开始，在分析阅读大量文献的基础上将该算法应 用于CT饱和检测中，不仅能够为CT饱和提供了一种简单、高效的新思路，同时在一定程度 上拓宽了该算法的应用领域，具有很高的理论价值和研究意义。

发明内容

本发明实施例的目的在于提出一种基于HHT的CT饱和检测方法，通过HHT能够在CT饱 和情况下，方便的将变压器区外故障、区内故障与以及区外转向区内的转换性故障正确区别 开，利于解决差动保护的误动作问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于HHT的CT饱和检测方法，包括如下步骤：

a、采集变压器两侧差动电流信号，经过EMD分解后得到若干个满足IMF条件的本征模态 函数，即IMF分量；

b、对上述IMF分量进行Hilbert变换,求出瞬时频率，得到Hilbert谱及Hilbert边际 谱，具体过程如下：

将IMF分量记为X(t)，对其进行Hilbert变换Y(t)为：

$Y\left(t\right)=\frac{1}{\pi }{\int }_{-\infty }^{+\infty }\frac{X\left(\tau \right)}{t-\tau }\mathrm{d\tau }---\left(1\right)$

则X(t)的解析信号Z(t)为

Z(t)=X(t)+jY(t)=a(t)e^jθ(t)                           （2）

式中    为瞬时幅值，θ(t)=arctan(Y(t)/X(t))为相位，根据相位值θ(t)

进一步可以求出瞬时频率：

ω(t)=d(θ(t))/dt                                      (3）

由式（3）能够明确地表达瞬时频率的振幅和相位,进而反映出数据的瞬时性；

根据式（3）进一步可以得出：

$f\left(t\right)=\frac{1}{2\pi }\omega \left(t\right)=\frac{1}{2\pi }\times \frac{d\left(\theta \left(t\right)\right)}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

这样可以得到：

$X\left(t\right)=\mathrm{RP}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_i\left(t\right)e^{j{\theta }_i\left(t\right)}=\mathrm{RP}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_i\left(t\right)e^{j{\int \omega }_i\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

上面展开式称为Hilbert谱，记作：

$H(\omega ,t)=\mathrm{RP}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_i\left(t\right)e^{j\int {\omega }_i\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

再定义边际谱：

$h\left(\omega \right)={\int }_0^{T}H(\omega ,t)\mathrm{dt}---\left(7\right)$

式（7）中，T为信号的长度，由此可见，边际谱表征的是[0，T]时间内各个频率成分 能量的累积和，H(ω,t)能够精确描述信号的幅值在整个频率段上随时间和频率的变换规律， 而h(ω)则反映出信号的幅值在整个频率段上随频率的变化情况；

其中，

利用瞬时频率时频谱，鉴别CT饱和发生时刻，进而识别变压器区外饱和故障，当发生区 外故障引起CT饱和时，输出结果“0”，当发生区内故障时，输出结果“1”，并启动差动保护；

根据Hilbert谱所反映的瞬时频率波动情况，识别区外饱和故障，检测CT是否发生饱和， 当检测到CT发生饱和时，输出结果“0”，当未检测到CT发生饱和时，输出结果“1”；

通过Hilbert对时间积分得到的Hilbert边际谱，识别区外饱和故障，检测CT是否发生 饱和，当检测到CT发生饱和时，输出结果“0”，当未检测到CT发生饱和时，输出结果“1”。

优选地，在所述步骤b之后，还包括步骤c：

c、先将Hilbert谱判断的结果与Hilbert边际谱判断的结果进行或运算，再将经过或运 算后的结果与瞬时频率时频谱判断的结果进行与运算，然后根据与运算后的结果判断是否启 动差动保护：

当经过与运算后的结果为“0”，闭锁差动保护，当经过与运算之后的结果为“1”，启动 差动保护。

优选地，实现所述基于HHT的CT饱和检测方法的硬件结构包括中央处理器模块、模拟量 采集模块、控制输出模块、通讯模块与MMI模块。

优选地，所述中央处理器模块采用32位高性能数字信号处理器。

本发明的优点是：

本发明述及的一种基于HHT的CT饱和检测方法，通过采集变压器两侧差动电流信号，并 依次经过EMD分解、Hilbert变换后得到瞬时频率时频谱ω(t)、Hilbert谱H(ω,t)、Hilbert 边际谱h(ω)，分别根据以上三种频谱完成变压器区外饱和故障与CT饱和度的检测，进而实现 CT饱和情况下差动保护的速动和可靠性动作。

作为本发明的一种优选改进，将瞬时频率判据、Hilbert谱判据与Hilbert边际谱判据 以“与”、“或”形式组合起来，当一种判断结果出现失误时，另一种能正确判断，提高了差 动保护的可靠性，并且充分考虑CT饱和与不饱和两种情况下变压器区外故障电流、区内故障 电流以及转换性故障电流等多种情况，该方法具有功能更强、效率更高以及可靠性更高等优 点。

附图说明

图1为本发明实施例中一种基于HHT的CT饱和检测方法的流程框图；

图2为图1中EMD分解的方法流程图；

图3a为本发明实施例在CT饱和情况下区外故障电流的波形图；

图3b为图3a中区外故障电流对应的瞬时频率时频谱图；

图3c为本发明实施例在CT饱和情况下区内故障电流的波形图；

图3d为图3c中区内故障电流对应的瞬时频率时频谱图；

图4a为本发明实施例在CT饱和情况下利用Hilbert谱检测到的区外故障电流对应的 Hilbert谱；

图4b为图4a中Hilbert谱对应的频率变化图；

图4c为本发明实施例在CT饱和情况下利用Hilbert谱检测到的区内故障电流对应的 Hilbert谱；

图4d为图4c中Hilbert谱对应的频率变化图；

图5a为本发明实施例在CT饱和情况下区外故障电流对应的Hilbert边际谱；

图5b为本发明实施例在CT饱和情况下区内故障电流对应的Hilbert边际谱；

图6为本发明实施例中一种基于HHT的CT饱和检测方法在图1流程框图基础上的进一步 判断流程图；

图7为本发明实施例中一种基于HHT的CT饱和检测方法所采用的硬件结构框图。

具体实施方式

结合图1、图2所示，HHT算法包括经验模态分解（简称EMD）和Hilbert谱分析（简称 HAS）两部分。采集变压器两侧差动电流信号经过EMD分解后能得到若干个满足一定条件的本 征模态函数（简称IMF分量）和一个余量。随后对这些IMF分量进行Hilbert变换，求出瞬 时频率，得到Hilbert谱及Hilbert边际谱。

具体过程如下：

将IMF分量记为X(t)，对其进行Hilbert变换Y(t)为：

$Y\left(t\right)=\frac{1}{\pi }{\int }_{-\infty }^{+\infty }\frac{X\left(\tau \right)}{t-\tau }\mathrm{d\tau }---\left(1\right)$

则X(t)的解析信号Z(t)为

Z(t)=X(t)+jY(t)=a(t)e^jθ(t)                           （2）

式中    为瞬时幅值，θ(t)=arctan(Y(t)/X(t))为相位，根据相位值θ(t)

进一步可以求出瞬时频率：

ω(t)=d(θ(t))/dt                                      (3）

由式（3）能够明确地表达瞬时频率的振幅和相位,进而反映出数据的瞬时性；

根据式（3）进一步可以得出：

$f\left(t\right)=\frac{1}{2\pi }\omega \left(t\right)=\frac{1}{2\pi }\times \frac{d\left(\theta \left(t\right)\right)}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

这样可以得到：

$X\left(t\right)=\mathrm{RP}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_i\left(t\right)e^{j{\theta }_i\left(t\right)}=\mathrm{RP}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_i\left(t\right)e^{j{\int \omega }_i\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

上面展开式称为Hilbert谱，记作：

$H(\omega ,t)=\mathrm{RP}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_i\left(t\right)e^{j\int {\omega }_i\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

再定义边际谱：

$h\left(\omega \right)={\int }_0^{T}H(\omega ,t)\mathrm{dt}---\left(7\right)$

式（7）中，T为信号的长度，由此可见，边际谱表征的是[0，T]时间内各个频率成分能 量的累积和，H(ω,t)能够精确描述信号的幅值在整个频率段上随时间和频率的变换规律，而 h(ω)则反映出信号的幅值在整个频率段上随频率的变化情况。

在上述HHT的一次运算过程中，能完成三次判断：

（1）由于区外饱和故障电流中有明显的突变点，而区内故障电流中没有明显的突变，因 而利用瞬时频率时频谱，可以鉴别CT饱和发生时刻，进而识别出变压器区外饱和故障，当发 生区外故障引起CT饱和时，输出结果“0”，闭锁差动保护，当发生区内故障时，输出结果“1”， 并启动差动保护；

（2）由于变压器区外饱和故障电流谐波分量衰减较快，瞬时频率随时间波动明显，而区 内故障电流基本保持基频不变，因而根据Hilbert谱所反映的瞬时频率波动情况，可以识别 出区外饱和故障，检测CT是否发生饱和，当检测到CT发生饱和时，输出结果“0”，当未检 测到CT发生饱和时，输出结果“1”；

（3）由于变压器区外饱和故障电流中含有大量高次谐波，而区内故障电流接近于正弦波， 因而通过Hilbert对时间积分得到的Hilbert边际谱，可以识别区外饱和故障，检测CT是否 发生饱和，当检测到CT发生饱和时，输出结果“0”，当未检测到CT发生饱和时，输出结果 “1”。

图3a至图3d示出了在CT饱和情况下利用瞬时频率时频谱图识别变压器故障，由图3a、 图3b可知，在CT饱和的情况下，当发生区外故障时，每个周期的差动电流对应4个瞬时频 率突变点（极小值点）；而由图3c、图3d可知，每个周期的区内故障电流对应1个瞬时频率 突变点，由此可实现区外故障与区内故障的可靠识别。

图4a至图4d示出了在CT饱和情况下利用Hilbert谱识别变压器故障，由图4a、图4b 可知，在CT饱和情况下，当发生区外故障时，差动电流中由于含有大量的高次谐波分量，反 映到Hilbert谱中出现较大的频率波动，频率变化率较大；而由图4c、图4d可知，在发生 区内故障时，差动电流近似为一正弦波，频率成分单一，因此Hilbert谱中频率基本稳定在 50Hz，频率变化率较小，由此可实现区外故障与区内故障的识别。

图5a、图5b示出了在CT饱和情况下利用Hilbert边际谱识别变压器故障，由图5a可知， 在CT饱和情况下，当发生区外故障时，由于差动电流波形中含有大量的高次谐波含量，因此 基频占电流信号的百分比较低；而由图5b可知，区内故障电流只含有少量的谐波，基频占电 流信号的百分比较高，由此可实现区内故障与区外故障的识别。

结合图6所示，作为本发明的一种优选改进，将瞬时频率判据、Hilbert谱判据与Hilbert 边际谱判据以“与”、“或”形式组合起来，具体地讲就是，先将Hilbert谱判断的结果与 Hilbert边际谱判断的结果进行或运算，再将经过或运算后的结果与瞬时频率时频谱判断的 结果进行与运算，然后根据与运算后的结果判断是否启动差动保护。

当发生区外故障引起CT饱和时，瞬时频率判据输出“0”，而经过Hilbert谱和Hilbert 边际谱，均能检测出CT饱和，输出结果也为“0”，经过或门后输出“0”，两次判别结果经过 与门后输出为“0”，因此差动保护不执行动作；反之，当发生区内故障时（包括CT饱和与 CT不饱和两种情况），瞬时频率能正确检测出区内故障，输出结果“1”，而Hilbert谱和Hilbert 边际谱也能正确识别出区内故障，输出结果“1”，两次判别经过与门后输出“1”，启动差动 保护。

假如由于谐波等其他因素的影响，Hilbert谱或Hilbert边际谱的判别出现错误，即误将 区外故障识别为区内故障而输出“1”，则经过或门判别后输出结果“1”，而瞬时频率判据能 正确检测出区外故障，输出结果“0”，经过与门之后输出“0”，闭锁差动保护。

因此，三种判据能够形成一个互补关系，当一种判别结果出现失误时，另一种能正确判 断，不会影响差动保护的动作可靠性，并且充分考虑CT饱和与不饱和两种情况下变压器区外 故障电流、区内故障电流以及转换性故障电流等多种情况，该判断方法具有功能更强、效率 更高以及可靠性更高等优点。

结合图7所示，本发明应用HHT算法进行CT饱和检测、以及转换性故障识别，计算量比 较大，尤其是在高尺度的情况下，而且各种理论在工程中具体应用时，需要考虑的各种情况 比较复杂，逻辑判断单元较多，为了满足保护速动性、准确性的要求，同时配合硬件的更新， 本次硬件核心采用TI的32位高性能数字信号处理器TMS320F2812来完成。

整个硬件结构包括中央处理器模块、模拟量采集模块、控制输出模块、通讯模块和MMI 模块五部分组成，其中MMI模块包括键盘输入子模块和液晶显示子模块。