CN110247380B - 一种用于多端直流电网的综合判据型边界保护方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多端直流电网的综合判据型边界保护方法和系统。该方法包括：获取多端直流电网中标定线路的保护装置安装处的电流，对所述电流进行多层小波分解，获得多个频带；利用历史数据，获得指示所述标定线路的区内故障灵敏度和区外故障可靠性的指标，根据所述指标从多个所述频带中选择标定数量的所述频带作为特征频带，并对所述特征频带的权重进行赋值；确定所述特征频带的信度，并根据所述信度对所述权重进行更新，根据更新后的权重确定所述标定线路发生区内故障或区外故障，并对所述标定线路进行相应保护。本发明的技术方案可以在进行边界保护时兼顾可靠性及灵敏性。

Description

一种用于多端直流电网的综合判据型边界保护方法和系统

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种用于多端直流电网的综合判据型边界保护方法和系统。

背景技术

多端柔性直流输电技术使得电力传输的网架结构逐渐从传统点对点式向多电源供电、多落点受电的“强交强直”型坚强电网转变。但与这种拓扑结构层面上的大幅升级不相匹配的是，多端柔直电网本身的故障隔离技术尚不成熟。当直流线路上发生故障时，目前仍主要借助于交流断路器或改进拓扑结构的换流器限制故障电流并清除故障，而这些方案实质上仅仅是点对点式直流系统故障处理方式的直接沿用。

目前的保护方案的边界保护原理：以线路直流电抗器、子模块电容等元件为边界，借助区内外故障时刻电抗器电压变化特性、高频电流幅值及能量的差异性，以区外下级线路出口处最严重故障场景下本地保护测量得到的特征分量(电流大小、行波幅值、小波能量值等)为依据设定门槛值，一旦某故障场景下本地保护测得的特征分量大于该门槛值，保护立即动作，从而实现选择性的边界保护。然而对于多端柔直电网而言，其故障特征分量的频域分布特性不仅与一次设备(换流器、直流电抗器、柔直线路)的参数、接线方式、空间分布等多种因素存在密切联系，且与故障类型等多种随机因素有关。若仅采用以往工程中使用的单一判据作为保护是否动作的依据，则在换流器关断前的毫秒级短窗时间内，反映真实故障特性的保护特征量不一定能够准确落入所定义的特征频带。以小波变换为例，对于N层小波变换，一般能够得到N+1个频带(包含最低频带)，但以往工程中均选取最高频带分量构造判据，以确保最高灵敏度。然而，一旦存在区外故障合并噪声的工况，上述基于单一判据的保护极易误动作。为保证区外故障场景下保护的选择性，必须大幅提高其整定门槛、以严格躲过噪声干扰，这样做将会牺牲区内故障场景下保护的灵敏度，导致部分带过渡电阻的故障工况下保护无法选择性动作。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于多端直流电网的综合判据型边界保护方法和系统。

一方面，本发明提供了一种用于多端直流电网的综合判据型边界保护方法，该方法包括如下步骤：

获取多端直流电网中标定线路的保护装置安装处的电流，对所述电流进行多层小波分解，获得多个频带。

利用历史数据，获得指示所述标定线路的区内故障灵敏度和区外故障可靠性的指标，根据所述指标从多个所述频带中选择标定数量的所述频带作为特征频带，并对所述特征频带的权重进行赋值。

确定所述特征频带的信度，并根据所述信度对所述权重进行更新，根据更新后的权重确定所述标定线路发生区内故障或区外故障，并对所述标定线路进行相应保护。

另一方面，本发明提供了一种用于多端直流电网的综合判据型边界保护系统，该系统包括：

获取模块，用于获取多端直流电网中标定线路的保护装置安装处的电流，对所述电流进行多层小波分解，获得多个频带。

处理模块，用于利用历史数据，获得指示所述标定线路的区内故障灵敏度和区外故障可靠性的指标，根据所述指标从多个所述频带中选择标定数量的所述频带作为特征频带，并对所述特征频带的权重进行赋值。

保护模块，用于确定所述特征频带的信度，并根据所述信度对所述权重进行更新，根据更新后的权重确定所述标定线路发生区内故障或区外故障，并对所述标定线路进行相应保护。

本发明提供的用于多端直流电网的综合判据型边界保护方法和系统的有益效果是，通过测量多端直流电网中某一线路一侧保护装置处的电流，基于小波分解获得若干频带，同时基于历史实验数据确定可同时指示区内故障灵敏度和区外故障可靠性的指标，并据此指标选择多个频带作为特征频带判据，进而对该线路进行边界保护，可准确判断是发生了区内故障还是区外故障，并进行及时保护。相较于基于传统单一判据的边界保护方案，本发明在进行边界保护时兼顾了可靠性及灵敏性，可以有效保障多端直流电网的稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的用于多端直流电网的综合判据型边界保护方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的多端直流电网的示意图；

图3为本发明实施例的不同频带的区内故障正判率的示意图；

图4为本发明实施例的不同频带的区外故障误判率的示意图；

图5为本发明实施例的区内故障仿真得到的各判据部分输出结果的示意图；

图6为本发明实施例的用于多端直流电网的综合判据型边界保护系统的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例的一种用于多端直流电网的综合判据型边界保护方法包括如下步骤：

获取多端直流电网中标定线路的保护装置安装处的电流，对所述电流进行多层小波分解，获得多个频带。

利用历史数据，获得指示所述标定线路的区内故障灵敏度和区外故障可靠性的指标，根据所述指标从多个所述频带中选择标定数量的所述频带作为特征频带，并对所述特征频带的权重进行赋值。

确定所述特征频带的信度，并根据所述信度对所述权重进行更新，根据更新后的权重确定所述标定线路发生区内故障或区外故障，并对所述标定线路进行相应保护。

在本实施例中，通过测量多端直流电网中某一线路一侧保护装置处的电流，基于小波分解获得若干频带，同时基于历史实验数据确定可同时指示区内故障灵敏度和区外故障可靠性的指标，并据此指标选择多个频带作为特征频带判据，进而对该线路进行边界保护，可准确判断是发生了区内故障还是区外故障，并进行及时保护。相较于基于传统单一判据的边界保护方案，本发明在进行边界保护时兼顾了可靠性及灵敏性，可以有效保障多端直流电网的稳定运行。

优选地，获得指示所述标定线路的区内故障灵敏度和区外故障可靠性的指标的过程具体包括：

在所述标定线路内，设置至少一个故障点，考虑过渡电阻以遍历区内故障，获得故障仿真中各频带暂态能量与保护门槛值的第一统计数据。

在所述标定线路外，设置至少一个故障点，考虑过渡电阻以遍历区外故障，获得故障仿真中各频带暂态能量与保护门槛值的第二统计数据。

以所述第一统计数据与所述第二统计数据之差作为所述指标。

具体地，由于反映区内故障灵敏度的第一统计数据值越大，表示灵敏度越高，而反映区外故障可靠性的第二统计数据值越小，表示可靠性越高，故将二者之差作为综合考核系数的指标，可以兼顾灵敏度与可靠性。

优选地，在获得所述第二统计数据的过程中，还包括：在考虑过渡电阻的同时加入标定信噪比的噪声。

具体地，在历史数据中加入噪声有利于提高在发生真实线路故障时保护装置动作的准确率。

优选地，确定所述特征频带的具体实现包括：

以所述指标的值从大至小的顺序，从对应的多个所述频带中选择标定数量的所述频带，作为所述特征频带。

具体地，由于指标为第一统计数据与第二统计数据之差，故指标值越大，则表示其越能兼顾较高的灵敏度与可靠性。

优选地，对所述特征频带的权重进行赋值的具体实现包括：

按照所述特征频带对应的所述指标在所有所述特征频带对应的所述指标之和中的所占比例确定所述特征频带的初始权重。

或者，对所有所述特征频带赋予相同的初始权重。

优选地，所述信度包括表示保护装置是否动作的正判信度和误判信度，所述确定所述特征频带的信度的具体实现包括：

根据mass函数确定所述正判信度和所述误判信度。

下面以一个实际案例对本发明的用于多端直流电网的综合判据型边界保护方法进行进一步的说明。

如图2所示，该案例中的多端直流电网包括四条线路L1、L2、L3和L4，各线路两侧均安装有限流电抗器及保护装置，其中，11和21为线路L1两侧的保护装置，其与直流断路器在同一个位置，内侧为电流限抗器。以保护装置11为研究对象，分析其在不同故障场景下的动作情况。其中，f₁表示区内线路上的故障点，f₂表示区外近端故障点，可理解为区外故障时需考虑的最严重故障点。

S1、获取保护装置11处的电流，对其进行4层小波分解，获得16个频带，编号为0至15。

S2、在保护区内，也就是线路L1上设置7处不同位置的故障点，考虑变化步长为5Ω、最高值为300Ω的过渡电阻来遍历区内故障。以区外近端(图2中f₂处)金属性故障(即不考虑过渡电阻的理想故障工况)的暂态能量(即故障发生的短时间内的电气量)为动作门槛，进行保护门槛值的整定，依次考核427例L1区内故障仿真中各频带暂态能量是否超过上述包括门槛值，得出各频带暂态能量超过保护门槛值的统计值如图3所示。

其中，过渡电阻由0以5Ω的步长变换至300Ω，一共有61组过渡电阻，与7处故障点之积便为427例故障仿真数据。

在保护区外，也就是线路L2上设置6处不同位置的故障点，考虑变化步长为5Ω、最高值为300Ω的过渡电阻来遍历区外故障，同时加入信噪比为50dB噪声的影响。以与前述整定方法类似的方法确定保护门槛值，得出共366例故障仿真中各频带能量超过上述保护门槛值的统计值如图4所示。

其中，过渡电阻由0以5Ω的步长变换至300Ω，一共有61组过渡电阻，与6处故障点之积便为366例故障仿真数据。

S3、结合图3与图4所示的数据获得表1。

表1

图3表示不同频带的区内故障正判率，正判率越高，则表示灵敏性越高。图4表示不同频带的区外故障误判率，误判率越低，则可靠性越高。因此，将区内故障正判率和区外故障误判率之差作为综合考核系数Q，以Q值作为指标，可以同时指示区内故障灵敏性最高以及区外故障可靠性最高。也就是说，Q值越大，意味着区内故障时可靠动作的概率越大，同时区外故障时发生误动的概率越小。

按照Q值的大小排序选择前三的频带作为特征频带，即频带6、频带14、频带11。

需要注意的是，表1中的频带0为最低频带，此处因被丢掉而省略。

S4、分别对三个特征频带，即频带6、频带14、频带11进行初始权重赋值。

具体地，根据式(1)分别对各特征频带进行初始权重赋值。

其中，

表示第i个特征频带的权重，Q_i表示第i个特征频带的综合考核系数，Q_j表示第任意个特征频带的综合考核系数，i、j从1取至n，此时n＝3。

且有

以频带6作为判据A，以频带11作为判据B，以频带14作为判据C，计算获得判据A的初始权重为ω₁＝3/7，判据B的初始权重为ω₂＝1/7，判据C的初始权重为ω₃＝3/7。

另外，各判据的初始权重也可以进行平均取值，例如此时判据A、B和C的初始权重均可取1/3。

需要注意的是，更准确而言，“频带”是某波形经小波包分解后得到的2的N次方个变换结果(每个结果是一个序列)。“判据”是指基于这个频带的结果，先以下级线路区外最严重故障为依据来构造一个门槛值，一旦某次故障得到的这个频带的结果大于该门槛值，就可判断为区内故障。

实时获取线路两侧的电流、电压，以对线路进行故障检测。一旦保护装置检测到有例如电压扰动的故障发生时，以电压跌落时刻为起始时刻，向后截取2ms的电流波形，将该电流波形利用4层小波变换分解为16个频带，其中小波函数为db3。记各频带变换结果为

则各频带能量可由式(2)表示。

其中，

表示节点(j,n)分解后的频带能量值，

表示经小波包分解后得到的分解系数。

S5、无噪声干扰的工况下，此时若发生区内故障则定义判据启动为正判，而其拒动行为视为误判。需要注意的是，本申请是采用基于多频带的协同判据。对于某频带来说，门槛值已经定了，今后再发生故障，越大则越容易动作，故区内故障如果叠加的有噪声，是有利于保护装置动作的。所以，无噪声情况是最对保护最苛刻的一个考核。

下面以图5中区内故障仿真得到的各判据部分输出结果为例，利用D-S证据理论对三个判据的判断信息进行融合。图5中○代表正判，也就是保护装置动作，×代表误判，也就是保护装置不动作，其中n-2至n+4代表故障例子。

每次决策开始之前，先要获取各判据的实时权重ω_i，然后根据式(3)计算出修正信度表，m_i,j为当前正判信度，

为误判信度。其中，区内故障保护装置动作，则是正判，没动就是误判，区外故障反之。

定义有证据信息集合E，D为识别框架，集合A为集合D的子集，M为2^D上的基本信任分配函数(mass函数)。多个证据信息的mass函数m₁、m₂、…、m_n对于识别框架D的合成规则为：

其中，

代表多个证据信息融合的结果，K为多个证据之间的冲突系数，体现了不同证据对于同一事件的判断差异程度。

在图5中n点进行决策之前，各判据的权重调整和修正信度表如表2所示。

表2

将各判据的实时权重带入式(3)便可算得上述表2的内容。

由上表可计算证据融合过程如下：

此时M₁＞M₂，D-S复判据判断为启动，直流断路器执行当前判断结果来快速切除系统中的故障线路，从而有效地防止故障继续向非故障区域蔓延。故障被消除后直流系统复归，各判据的权重也全部恢复到初始赋值。对于传统的“三取二”保护方法，此时输出结果也为启动，两者在n点判断结果相同。

在n+1点进行决策之前，追溯当前点前两次判断结果权重依次调整为3/10、2/10、5/10，计算得出M₁＝0.5185、M₂＝0.4842，M₁＞M₂，此时D-S复判据判断为启动，如表3所示。

表3

其中，○代表保护装置动作，×代表保护装置不动作。可以理解为，与正确动作对比，谁正确的多，谁性能就好。

可以看到，在比较M₁和M₂的值，M₁大则动作，反之不动作。本申请基于传统方法有效提升了保护性能，即提高了正判能力，并兼顾了可靠性及灵敏性。

如图6所示，本发明实施例的一种用于多端直流电网的综合判据型边界保护系统包括：

获取模块，用于获取多端直流电网中标定线路的保护装置安装处的电流，对所述电流进行多层小波分解，获得多个频带。

处理模块，用于利用历史数据，获得指示所述标定线路的区内故障灵敏度和区外故障可靠性的指标，根据所述指标从多个所述频带中选择标定数量的所述频带作为特征频带，并对所述特征频带的权重进行赋值。

保护模块，用于确定所述特征频带的信度，并根据所述信度对所述权重进行更新，根据更新后的权重确定所述标定线路发生区内故障或区外故障，并对所述标定线路进行相应保护。

优选地，所述处理模块具体用于：

在所述标定线路内，设置至少一个故障点，考虑过渡电阻以遍历区内故障，获得故障仿真中各频带暂态能量与保护门槛值的第一统计数据。

在所述标定线路外，设置至少一个故障点，考虑过渡电阻以遍历区外故障，获得故障仿真中各频带暂态能量与保护门槛值的第二统计数据。

以所述第一统计数据与所述第二统计数据之差作为所述指标。

优选地，在获得所述第二统计数据的过程中，还包括：在考虑过渡电阻的同时加入标定信噪比的噪声。

优选地，所述处理模块具体还用于：按照所述特征频带对应的所述指标在所有所述特征频带对应的所述指标之和中的所占比例确定所述特征频带的初始权重；或者，对所有所述特征频带赋予相同的初始权重。

优选地，所述信度包括表示保护装置是否动作的正判信度和误判信度，所述保护模块具体用于：根据mass函数确定所述正判信度和所述误判信度。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种用于多端直流电网的综合判据型边界保护方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

获取多端直流电网中标定线路的保护装置安装处的电流，对所述电流进行多层小波分解，获得多个频带；

利用历史数据，获得指示所述标定线路的区内故障灵敏度和区外故障可靠性的指标，根据所述指标从多个所述频带中选择标定数量的所述频带作为特征频带，并对所述特征频带的权重进行赋值；

确定所述特征频带的信度，并根据所述信度对所述权重进行更新，根据更新后的权重确定所述标定线路发生区内故障或区外故障，并对所述标定线路进行相应保护；

获得指示所述标定线路的区内故障灵敏度和区外故障可靠性的指标的过程具体包括：

在所述标定线路内，设置至少一个故障点，考虑过渡电阻以遍历区内故障，获得表示区内故障正判率的第一统计数据；

在所述标定线路外，设置至少一个故障点，考虑过渡电阻以遍历区外故障，获得表示区外故障误判率的第二统计数据；

以所述第一统计数据与所述第二统计数据之差作为所述指标；

在获得所述第二统计数据的过程中，还包括：在考虑过渡电阻的同时加入标定信噪比的噪声。

2.根据权利要求1所述的用于多端直流电网的综合判据型边界保护方法，其特征在于，确定所述特征频带的具体实现包括：

以所述指标的值从大至小的顺序，从对应的多个所述频带中选择标定数量的所述频带，作为所述特征频带。

3.根据权利要求2所述的用于多端直流电网的综合判据型边界保护方法，其特征在于，对所述特征频带的权重进行赋值的具体实现包括：

按照所述特征频带对应的所述指标在所有所述特征频带对应的所述指标之和中的所占比例确定所述特征频带的初始权重；

或者，对所有所述特征频带赋予相同的初始权重。

4.根据权利要求1至3任一项所述的用于多端直流电网的综合判据型边界保护方法，其特征在于，所述信度包括表示保护装置是否动作的正判信度和误判信度，所述确定所述特征频带的信度的具体实现包括：

根据mass函数确定所述正判信度和所述误判信度。

5.一种用于多端直流电网的综合判据型边界保护系统，其特征在于，所述系统包括：

获取模块，用于获取多端直流电网中标定线路的保护装置安装处的电流，对所述电流进行多层小波分解，获得多个频带；

处理模块，用于利用历史数据，获得指示所述标定线路的区内故障灵敏度和区外故障可靠性的指标，根据所述指标从多个所述频带中选择标定数量的所述频带作为特征频带，并对所述特征频带的权重进行赋值；

保护模块，用于确定所述特征频带的信度，并根据所述信度对所述权重进行更新，根据更新后的权重确定所述标定线路发生区内故障或区外故障，并对所述标定线路进行相应保护；所述处理模块具体用于：

在所述标定线路内，设置至少一个故障点，考虑过渡电阻以遍历区内故障，获得表示区内故障正判率的第一统计数据；

在所述标定线路外，设置至少一个故障点，考虑过渡电阻以遍历区外故障，获得表示区外故障误判率的第二统计数据；

以所述第一统计数据与所述第二统计数据之差作为所述指标；在获得所述第二统计数据的过程中，还包括：在考虑过渡电阻的同时加入标定信噪比的噪声。

6.根据权利要求5所述的用于多端直流电网的综合判据型边界保护系统，其特征在于，所述处理模块具体还用于：

按照所述特征频带对应的所述指标在所有所述特征频带对应的所述指标之和中的所占比例确定所述特征频带的初始权重；

或者，对所有所述特征频带赋予相同的初始权重。

Images