CN108923398B - 一种基于电压特征行波相似测度的直流配电网保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压特征行波相似测度的直流配电网保护方法。本发明对直流故障发生后线路两端的暂态电压电流进行高频采样，转换为保护区域一侧的线模电压前行波与对侧的线模电压反行波；基于故障点阻抗不匹配引起行波折反射以及两端前反行波于区内区外故障的极性差异，利用一种全局最优的邻域扩散相容动态匹配相似测度算法反映两者波形的相似度，从而对区内故障与区外故障进行可靠识别。本发明能够补偿行波传输延时及对时误差，不易受两端采样频率偏差，数据缺失损坏等影响，容错性较高，检测速度快，使得直流配电网供电运行更为可靠。

Description

一种基于电压特征行波相似测度的直流配电网保护方法

技术领域

本发明属于柔性直流配电网领域，涉及可识别直流配电网区内外故障的快速保护方案，尤其是一种基于电压特征行波相似测度的直流配电网保护方法。

背景技术

利用传统两电平VSC或模块化多电平换流器(MMC)搭建多端直流配电系统可以实现功率的灵活调节与分配，有利于分布电源的有效消纳，因此受到了专家学者的广泛关注。但由于相关研究尚在起步阶段，直流系统拓扑结构、换流器结构与控制策略、系统接地方式等并无统一标准，直流故障特性也受多种因素影响有所差异。而直流故障产生较大的故障电流会危及换流设备安全，速动性保护要求的提高更是加大了直流配电系统的保护配置难度。

单端量保护对于复杂拓扑结构的直流配网缺乏选择性，整定配合复杂；距离保护无法保护线路全长，又因配电网线路较短，使得计算结果易受测量误差与过渡电阻影响；电流差动保护可以满足选择性要求，在不同故障电流水平下有良好的表现。但是由于直流系统极间故障大电流变化率di/dt，对两端测量电流的精确对时提出较高要求，满足速动性的同时可能出现区外故障误动的情况，或由于MMC或大电阻换流器直流系统发生单极故障时故障电流变化较小，影响故障检测，继而影响配网的可靠供电。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种可靠识别区内区外故障的快速直流配电网保护方法，该方法利用行波的传输特性，基于保护区域一端的线模电压前行波与对侧线模电压反行波在区内故障时波形相似度低、区外故障时波形相似度高的特点，快速确定故障位置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种基于电压特征行波相似测度的直流配电网保护方法，其包括以下步骤：

S1、采用单端电流突变率与不平衡电压两种启动判据，满足两者其一，则快速启动特征行波相似测度保护进行区内与区外位置识别；

S2、保护启动后，对直流线路正负极电压电流进行高频率采样，得到4组长为l的采样点集，相模变换得到线模电压与电流，并在此基础上计算获得线模电压前行波与线模电压反行波；

S3、经通信得到保护区域一端的线模电压前行波U_q和对端的线模电压反行波U_f，取U_q中连续的s个点(s<l，l为电压电流高频采样点数)，标准化后作为模板U^* _q，选取相同长度为s的数据窗通过平移与标准化处理获得U_f的l-s+1个子集U^* _f(m)，m＝1、2…l-s+1；

S4、利用优化算法依次计算反行波子集U^* _f(m)与模板U^* _q的邻域扩散相容动态匹配代价函数最优解，得到多个子集相似测度结果C_op(m)；

S5、通过比较得到C_op(m)中的最小值C_{op_min}(即全局最优相似测度结果)，并与门槛值C_{op_set}比较，高于门槛值，则认为发生区内故障，否则认为发生区外故障；

S6、若发生区外故障，则保护复归；若发生区内故障，则根据选极判据确定故障类型，继而保护动作进行故障隔离。

本发明采用一种全局最优的邻域扩散相容动态匹配相似测度算法描述两者的相似程度，保留了行波波形的时序特征，补偿了行波传输与通信过程的时延，并对数据缺失、损坏有一定的耐受能力。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤S1中，启动保护判据，具体包括：

考虑直流配电网不同换流器结构及接地方式下不同直流故障的电气特性，直流电网短路故障时，由于电容瞬时放电使得电流突增，可采用电流上升率启动保护；而MMC以及大电阻接地换流器发生单极接地故障时，由于电流变化较缓，仅利用电流上升率单一电气量可能导致保护无法可靠启动，可加设不平衡电压启动保护，以实现保护可靠快速启动，具体启动判据如下：

或|U_p+U_n|＞U_setA，

其中，I为保护区段两侧正负极直流电流值；U_p、U_n分别为直流线路正极与负极电压；ΔI_set、U_setA分别为直流电流上升率保护启动门槛值和直流电压不平衡保护启动门槛值。

采用上述进一步方案的有益效果是：针对不同类型的直流配网线路故障，依靠单端电气量保护快速启动基于特征行波相似测度的区域识别保护，避免了相似测度算法检测故障对高频率采样、通信与处理设备持续工作的要求，同时了也避免了故障发生相似测度门槛值的整定，以及为达到该门槛值所需的采样时间。

进一步，步骤S2中，直流电压电流的相模变换，具体包括：

由于直流配电系统由两根极线实现电能传输并且结构对称，因而采用Karrenbauer变换进行电压电流相模变换，并根据下式获得线模电压与电流：

其中，U_x、I_x为线模电压与电流；I_p、I_n为直流线路正极与负极电流。

采用上述进一步方案的有益效果是：由于在行波传输过程中，线模与地模的传播速度与频率相关，其中线模的频率特性更为均匀且高频段衰减更小，由此利用相模变换提取线模行波可以有效降低行波传输过程中的形变，提高保护的可靠性。

进一步，步骤S2中，基于线模电压与电流获得线模电压前行波与线模电压反行波，具体包括：

定义线路行波前行方向由保护指向直流线路为正，根据下式计算获得电压前行波与电压反行波：

其中，U_q、U_f分别为线模电压前行波与线模电压反行波；Z_x为线路线模阻抗值。

采用上述进一步方案的有益效果是：对于传统的电流差动保护，由于直流故障的电流变化率很高，微小的时间差异，时间不同步也会造成很大的误差，而基于电压正反波形相似性，利用其整体位置与形状信息，可以有效提高保护的可靠性。

进一步，步骤S3中，由线模电压正反行波获取模板U^* _q和反行波子集U^* _f(m)，具体包括：

将电压幅值(纵坐标)进行标幺处理，即：

其中，U^* _{q_y}、U^* _{f(m)_y}为模板U^* _q和反行波各子集U^* _f(m)的纵坐标集；U_qs为U_q中所取长度为s的电压序列；U_f(m)为U_f中第m个长度同为s的电压序列，m＝1、2…l-s+1；U_N为直流配网额定电压；

并将时间轴线性变换至[0,c]区间得到横坐标集U^* _{q_x}、U^* _{f(m)_x}，其中c为邻域偏离代价，此时相邻点间的横坐标差值为1/(c-1)，则有U^* _q＝{(U^* _{q_x}(i),U^* _{q_y}(i))|i＝1、2…s}，U^* _f(m)＝{(U^* _{f(m)_x}(i),U^* _{f(m)_y}(i))|i＝1、2…s}。

采用上述进一步方案的有益效果是：解决了线模电压行波点集维度不匹配问题，并可通过邻域偏离代价c调整改善匹配特性。

进一步，步骤S4中，基于邻域扩散相容动态匹配相似测度的代价函数，具体包括其表达式：

其中，U^* _q和U^* _f(m)分别为经标准化后得到的线模电压前行波模板与线模电压反行波第m个子集；C_(m)为U^* _q和U^* _f(m)间的邻域扩散相容动态匹配代价，经优化算法可得到子集最优代价C_op(m)，其值越小说明两者越相似；α(k)、β(k)为非减序列，可视为{1、2…s}×{1、2…s}张成空间的某条非减路径，用以表征点集匹配的有序性；为基于n₁点相容系数的n₂点邻域加权距离(n₁≥n₂)，以为例，其表达式为：

其中，ω为相容系数，用于表征序列某点于上下点的相容程度；K_div为偏离评价函数，当输入变量超过某一阈值K_{div_set}，则函数值为一正值K_{div_const}，否则为零；‖‖为两点间的欧几里得距离；S_qn、S_fn分别为前反行波于输入点相邻的n个有序点集索引，对于原点集边界点进行单边取点，否则双边取点；为U^* _q内某点n₁个邻域点的纵轴平均值，亦同。

进一步，步骤S4中，获得子集最优相似测度代价函数的优化算法，具体包括：

子集代价函数最优解可以通过动态规划算法实现。其中线模电压正反行波离散有序点集{U^* _q(1),U^* _q(2),…,U^* _q(s)}和{U^* _f(m)(1),U^* _f(m)(2),…,U^* _f(m)(s)}对应的单调配对(U^* _q(α(k)),U^* _f(m)(β(k)))满足α(1)＝β(1)＝1，α(n)＝β(n)＝s，并且所有k＝1,…,n-1均满足α(k+1)＝α(k)或α(k)+1，β(k+1)＝β(k)或β(k)+1。

采用上述进一步方案的有益效果是：利用本发明提出一种全局最优的邻域扩散相容动态匹配相似测度算法，在描述行波波形的相似性上，相比于常用的Hausdorff距离保留了行波的时序性，更能体现有序点集间的差异性。与一般的Minkowski等距离相比更体现了波形的位置与形状差异。通过引入偏离评价函数与相容系数提高了算法对数据缺失、损坏的耐受能力，而平移数据窗得到多子集与模板间的最优距离代价取最小值可以解决对时不同步问题。

进一步，步骤S6中，发生区内故障进行故障选极，具体包括直流故障的选极判据：

其中，U_setB为基于直流电压不平衡的故障选极门槛值。

本发明具有的有益效果如下：本发明能快速检测与识别直流线路区内与区外故障以及故障类型，此外基于电压特征行波的全局最优邻域扩散相容动态匹配相似测度算法使得故障区域定位不受行波传输与信号延时的影响，对信号的丢失与损坏问题也有较高的抵抗性，弥补了单端电气保护选择性与差动保护速动性不足的缺陷。

附图说明

图1是本发明实施例的四端10kV直流配电网仿真模型示意图；

图2是本发明实施例区内单极故障最优子集与模板的匹配情况与C_{op_min}计算结果图；

图3是本发明实施例区外单极故障最优子集与模板的匹配情况与C_{op_min}计算结果图；

图4是本发明实施例单极故障不平衡电压波形图；

图5是本发明实施例直流配电网保护方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图1是基于PSCAD仿真平台搭建的四端VSC直流配电网仿真模型示意图。其中四端交流侧电压等级为35kV，等效正序电抗5Ω，正序阻抗角80°；直流侧电压为±10kV，采用架空线模型，线长如图中所示。

实施例

根据图5所示流程图对直流线路L₁₂的保护展开讨论。

S1、考虑直流配电网不同换流器结构及接地方式下不同直流故障的电气特性，根据下列判据启动保护：

或|U_p+U_n|＞U_setA，

其中，I为保护区段两侧正负极直流电流值；U_p、U_n分别为直流线路正极与负极电压；ΔI_set、U_setA分别为直流电流上升率保护启动门槛值和直流电压不平衡保护启动门槛值。

设置100Ω正极接地故障，按照不平衡电压启动保护。为保证直流保护的速动性，可将U_setA设置较小，即使未发生直流故障，由于相似程度高，基于行波相似测度的区内区外识别算法会判定为区外故障从而令保护复归。仿真中取U_setA＝10％U_N。

S2、保护启动后，对直流线路正负极电压电流进行高频率采样，得到4组长为l的采样点集，并根据下式获得线模电压与电流：

其中，U_x、I_x为线模电压与电流；I_p、I_n为直流线路正极与负极电流。

根据下式计算获得电压前行波与电压反行波：

其中，U_q、U_f分别为线模电压前行波与线模电压反行波；Z_x为线路线模阻抗值。

由于配电网线路短，需要较高的采样率以捕获行波波形有效信息，而l长度的选择则应综合考虑保护动作时间以及特征行波波形的充分体现。在本例中，仿真中采样频率设置为200kHz，l取为40，并利用保护12_1的线模电压前行波(方向指向对侧)和保护12_2的线模电压反行波(方向指向本侧)进行波形相似测度。

S3、通信得到保护12_1的线模电压前行波U_q和12_2的线模电压反行波U_f。取U_q中连续的第6～30个点标准化后作为模板U^* _q。选取相同长度s＝25的数据窗经平移与标准化处理获得U_f的若干子集U^* _f(m)，其中邻域偏离代价c＝1。

S4、利用动态规划算法依次计算反行波子集U^* _f(m)与模板U^* _q的邻域扩散相容动态匹配代价函数最优解，得到多个子集相似测度结果C_op(m)。本例中，对于代价函数：

其中，偏离评价函数K_div中的阈值K_{div_set}确定为3.5，偏离常数K_{div_const}取为10；取n₁＝5个点做偏离评估，而取n₂＝3个点做相容系数距离加权。

S5、通过比较得到C_op(m)中的最小值C_{op_min}(即全局最优相似测度结果)，并与门槛值C_{op_set}比较，高于门槛值，则认为发生区内故障，否则认为发生区外故障；

本例中，C_{op_set}根据设置多种过渡电阻、故障位置、故障类型等情况下的极限距离并乘以可靠系数获得，取为0.8。区内单极故障时最优子集与模板的匹配情况与C_{op_min}计算结果如图2所示，由结果可知，两者的相似程度不高，C_{op_min}达到了2.4473，大于C_{op_set}，因而判定为区内故障；区外单极故障时最优子集与模板的匹配情况与C_{op_min}计算结果如图3所示，两者基本重合，C_{op_min}仅为0.0797，小于C_{op_set}，因而判定为区外故障。

S6、若发生区外故障，则保护复归；若发生区内故障，则根据如下的选极判据确定故障类型，继而保护动作进行故障隔离：

本例中，基于直流电压不平衡的故障选极门槛值U_setB＝30％U_N，根据图4所示的不平衡电压波形与U_setB的大小关系，确定直流线路正极接地，由此可以实现直流故障的准确选极。本实施例验证了本发明所提直流配网保护方案的正确性与可行性。

Claims (8)

1.一种基于电压特征行波相似测度的直流配电网保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用单端电流突变率与不平衡电压两种启动判据，满足两者其一，则快速启动特征行波相似测度保护进行区内与区外位置识别；

S2、保护启动后，对直流线路正负极电压电流进行高频率采样，得到4组长为l的采样点集，相模变换得到线模电压与电流，并在此基础上计算获得线模电压前行波与线模电压反行波；

S3、经通信得到保护区域一端的线模电压前行波U_q和对端的线模电压反行波U_f，取U_q中连续的s个点，s<l，l为电压电流高频采样点数，标准化后作为模板U^* _q，选取相同长度为s的数据窗通过平移与标准化处理获得U_f的l-s+1个子集U^* _f(m)，m＝1、2…l-s+1；

S4、利用优化算法依次计算反行波子集U^* _f(m)与模板U^* _q的邻域扩散相容动态匹配代价函数最优解，得到多个子集最优代价C_op(m)；

S5、通过比较得到C_op(m)中的最小值C_{op_min}，即全局最优相似测度结果，并与门槛值C_{op_set}比较，高于门槛值，则认为发生区内故障，否则认为发生区外故障；

S6、若发生区外故障，则保护复归；若发生区内故障，则根据选极判据确定故障类型，继而保护动作进行故障隔离。

2.根据权利要求1所述的一种基于电压特征行波相似测度的直流配电网保护方法，其特征在于，步骤S1中，启动保护判据包括：

考虑直流配电网不同换流器结构及接地方式下不同直流故障的电气特性，直流电网短路故障时，由于电容瞬时放电使得电流突增，采用电流上升率启动保护；而MMC以及大电阻接地换流器发生单极接地故障时，由于电流变化较缓，仅利用电流上升率单一电气量导致保护无法可靠启动时，加设不平衡电压启动保护，以实现保护可靠快速启动，具体启动判据如下：

或|U_p+U_n|＞U_setA，

其中，I为保护区段两侧正负极直流电流值；U_p、U_n分别为直流线路正极与负极电压；ΔI_set、U_setA分别为直流电流上升率保护启动门槛值和直流电压不平衡保护启动门槛值。

3.根据权利要求1所述的一种基于电压特征行波相似测度的直流配电网保护方法，其特征在于，步骤S2中，直流电压电流的相模变换具体包括：

由于直流配电系统由两根极线实现电能传输并且结构对称，因而采用Karrenbauer变换进行电压电流相模变换，并根据下式获得线模电压与电流：

其中，U_x、I_x为线模电压与电流；I_p、I_n为直流线路正极与负极电流。

4.根据权利要求1所述的一种基于电压特征行波相似测度的直流配电网保护方法，其特征在于，步骤S2中，基于线模电压与电流获得线模电压前行波与线模电压反行波，具体包括：

定义线路行波前行方向由保护指向直流线路为正，根据下式计算获得电压前行波与电压反行波：

其中，U_q、U_f分别为线模电压前行波与线模电压反行波；Z_x为线路线模阻抗值；U_x、I_x为线模电压与电流。

5.根据权利要求1所述的一种基于电压特征行波相似测度的直流配电网保护方法，其特征在于，步骤S3中，由线模电压正反行波获取模板U^* _q和反行波子集U^* _f(m)，具体包括：

为解决线模电压行波点集维度不匹配问题，将作为纵坐标的电压幅值进行标幺处理，即：

其中，U^* _{q_y}、U^* _{f(m)_y}为模板U^* _q和反行波各子集U^* _f(m)的纵坐标集；U_qs为U_q中所取长度为s的电压序列；U_f(m)为U_f中第m个长度同为s的电压序列，m＝1、2…l-s+1；U_N为直流配网额定电压；

并将时间轴线性变换至[0,c]区间得到横坐标集U^* _{q_x}、U^* _{f(m)_x}，其中c为邻域偏离代价，此时相邻点间的横坐标差值为1/(c-1)，则有U^* _q＝{(U^* _{q_x}(i),U^* _{q_y}(i))|i＝1、2…s}，U^* _f(m)＝{(U^* _{f(m)_x}(i),U^* _{f(m)_y}(i))|i＝1、2…s}。

6.根据权利要求5所述的一种基于电压特征行波相似测度的直流配电网保护方法，其特征在于，步骤S4中，基于邻域扩散相容动态匹配相似测度的代价函数，具体包括其表达式：

其中，U^* _q和U^* _f(m)分别为经标准化后得到的线模电压前行波模板与线模电压反行波第m个子集；C_(m)为U^* _q和U^* _f(m)间的邻域扩散相容动态匹配代价，经优化算法得到子集最优代价C_op(m)，其值越小说明两者越相似；α(k)、β(k)为非减序列，视为{1、2…s}×{1、2…s}张成空间的某条非减路径，用以表征点集匹配的有序性；为基于n₁点相容系数的n₂点邻域加权距离，n₁≥n₂，以为例，其表达式为：

其中，ω为相容系数，用于表征序列某点于上下点的相容程度；K_div为偏离评价函数，当输入变量超过某一阈值K_{div_set}，则函数值为一正值K_{div_const}，否则为零；‖‖为两点间的欧几里得距离；S_qn、S_fn分别为前反行波于输入点相邻的n个有序点集索引，对于原点集边界点进行单边取点，否则双边取点；为U^* _q内某点n₁个邻域点的纵轴平均值，亦同。

7.根据权利要求1所述的一种基于电压特征行波相似测度的直流配电网保护方法，其特征在于，步骤S4中，获得子集最优相似测度代价函数的优化算法，具体包括：

子集代价函数最优解通过动态规划算法实现，其中线模电压正反行波离散有序点集{U^* _q(1),U^* _q(2),…,U^* _q(s)}和{U^* _f(m)(1),U^* _f(m)(2),…,U^* _f(m)(s)}对应的单调配对(U^* _q(α(k)),U^* _f(m)(β(k)))满足α(1)＝β(1)＝1，α(n)＝β(n)＝s，并且所有k＝1,…,n-1均满足α(k+1)＝α(k)或α(k)+1，β(k+1)＝β(k)或β(k)+1。

8.根据权利要求1所述的一种基于电压特征行波相似测度的直流配电网保护方法，其特征在于，步骤S6中，发生区内故障进行故障选极，具体包括直流故障的选极判据：

其中，U_setB为基于直流电压不平衡的故障选极门槛值；U_p、U_n分别为直流线路正极与负极电压。