CN111711175A - 基于暂态电流波形相似度识别的柔性直流配电线路保护法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于暂态电流波形相似度识别的柔性直流配电线路保护法，属于柔性直流输电技术领域。步骤包括基于相似度度量算法的故障识别；线路分布电容充放电过程的故障等效回路，即分析线路故障时线路分布电容的充放电过程；结合故障电流波形特征进行分析，设定保护动作判据；保护的实现。与传统基于极性（直接量测幅值正负）的纵联保护相比，本发明采用余弦相似度构成判据，更加有效提取多频段特征，受分布式电容（导致量测电流波形波动，故障极性量测误差）影响较小；同时不需要严格的通信同步，相对于暂态量差动而言对于设备要求较低，可以快速准确识别直流故障区域。

Description

基于暂态电流波形相似度识别的柔性直流配电线路保护法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别涉及柔性直流配电线路的保护方法，尤指一种基于暂态电流波形相似度识别的柔性直流配电线路保护法。

背景技术

柔性直流配电系统能高效的接纳分布式电源与直流负荷，具有控制灵活、供电容量大、电能质量高等优点，已受到国内外广泛关注。然而，柔性直流配电系统的发展尚面临若干关键技术问题，其中保护技术作为保障系统安全稳定运行的第一道防线成为研究热点之一。其难点在于电力电子器件耐受暂态冲击电流的能力相对较弱，保护必须要利用2-5ms内极少的暂态故障信息快速识别故障区域，同时需要考虑高频分布式电容、过渡电阻、通信与量测误差影响，因此，准确有选择的保护是研究重点。

目前单端量保护大都没有清晰的保护边界，存在死区，部分利用限流电感、引入额外电压量测的单端保护可以识别故障边界，但是对于系统拓扑有特殊要求。而目前的双端量保护，虽满足保护的绝对选择性，但其速动性受通信误差、线路分布式电容的影响，最终导致难以适用于柔性直流配电系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于暂态电流波形相似度识别的柔性直流配电线路保护法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明采用余弦相似度度量算法构成判据(判断的依据)，与传统以正负极性确定方向作为保护判据的纵联保护相比，更加有效提取多频段特征，受分布式电容(导致量测电流波形波动，故障极性量测误差)影响较小；同时不需要严格的通信同步，相对于暂态量差动而言对于设备要求较低，可以快速准确识别直流故障区域。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于暂态电流波形相似度识别的柔性直流配电线路保护法，包括以下步骤：

步骤(1)基于相似度度量算法的故障识别；

步骤(2)线路分布电容充放电过程的故障等效回路，即分析线路故障时线路分布电容的充放电过程；

步骤(3)结合故障电流波形特征进行分析，设定保护动作判据；

步骤(4)保护的实现。

步骤(1)所述的基于相似度度量算法的故障识别，具体方法是：余弦相似度是通过测量两个向量内积空间的夹角的余弦值来度量两者的相似性，即：

从公式(1)可知，若两个相量的方向相同，则两者的余弦相似度为1，若两者方向为垂直或者相反，则两者的余弦相似度为0和-1；

因此，可以认为余弦相似度主要应用于判别两个独立变量的方向差异；当面对变化规律相互独立的两个高维空间向量时，其余弦相似度表示为：

式中：变量x＝{x₁,x₂,...,x_n}、y＝{y₁,y₂,...,y_n}，n为采样点数；

当cos(θ)＝-1时，表示变量x和y的整体变化方向完全相反、相似度为负的最强；当cos(θ)＝1时，表示两个变量的整体变化方向完全相同、相似度为正的最强；当cos(θ)绝对值接近于0时，则表示两个变量的差异性大、相似度较弱；因此，余弦相似度算法对于向量轨迹变化趋势具有很强的识别能力，能充分计算出轨迹的形态或轮廓的异同，同时不受变量幅值大小影响。

步骤(2)所述的线路分布电容充放电过程的故障等效回路，具体是：直流线路内部发生故障后，以单个π型线路为例的线路分布电容充放电过程分为四种：两个电容同时放电、两个电容同时充电、两个电容一个放电一个充电、两个电容一个充电一个放电；因此，以KCL为基础，根据四种充放电过程，可写出四个公式：

其中ΔU_cp为换流器等效电容压降；ΔU_M为测量点M的压降；ΔU_f为故障点压降；i_M表示M端所测的电流；i_mc为线路分布式电容电流；i_mf表示故障点故障电流；i_mcp表示换流器放电电流；C_p为换流器内部等效电容；C_m、C_n为线路分布式电容；R_mL_m、R_nL_n分别为M端和N端距离故障点的阻抗；

步骤(3)所述的结合故障电流波形特征进行分析，设定保护动作判据，具体是：依据公式(4)并结合区内外故障电流波形特征的分析，可知两侧电流波形在区外故障时相似度为-1，在区内故障时相似度为1；因此，保护判据依据-1和1之间的显著差异而构造。

步骤(4)所述的保护的实现流程是：

4.1、配置di/dt、du/dt作为保护方案的启动判据，形成保护启动部；

4.2、保护装置启动后，直流线路两侧采集故障后的电流，利用式(2)计算两端电流波形的相似度，并连续判断三次，一次窗长为0.3ms，以免保护误动作；

4.3、若相似度连续满足保护判据式三次，则判定直流线路区内发生故障，则闭锁两侧换流站，清除故障电流，最后跳开相应直流线路上的快速隔离开关，以隔离故障；若不满足判据的为区外故障，则保护复归。

本发明的有益效果在于：目前单端量保护大都没有清晰的保护边界，存在死区，部分利用限流电感、引入额外电压量测的单端保护可以识别故障边界，但是对于系统拓扑有特殊要求。而目前的双端量保护，虽满足保护的绝对选择性，但其速动性受通信误差、线路分布式电容的影响，最终导致难以适用于柔性直流配电系统。与现有的基于极性(直接量测幅值正负)的纵联保护相比，本发明采用余弦相似度构成判据，更加有效提取多频段特征，受分布式电容(导致量测电流波形波动，故障极性量测误差)影响较小；与双端量保护相比，本发明不需要严格的通信同步，相对于暂态量差动而言对于设备要求较低，可以快速准确识别直流故障区域，同时具有抗大过渡电阻故障的能力。与需要利用限流电感和引入额外电压量测的单端保护相比，本发明不需要额外设备，相对于单端量对系统拓扑的特殊要求，本发明可以应用于多端柔性直流配电系统中的直流线路故障判别，具有较好的适应性，易推广使用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的直流配电系统示意图；

图2为本发明的换流站真双极结构图；

图3为本发明的故障电流波形规律示意图(正常运行时)；

图4为本发明的故障电流波形规律示意图(故障位置为F1时)；

图5为本发明的故障电流波形规律示意图(故障位置为F2时)；

图6为本发明的故障电流波形规律示意图(故障位置为F3时)；

图7为本发明的余弦相似度空间示意图；

图8为本发明的线路分布电容充放电过程故障回路图(分布式电容同时放电过程)；

图9为本发明的线路分布电容充放电过程故障回路图(分布式电容同时充电过程)；

图10为本发明的线路分布电容充放电过程故障回路图(分布式电容依次充放电过程)；

图11为本发明的线路分布电容充放电过程故障回路图(分布式电容依次充放电过程)；

图12为本发明的保护方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图12所示，基于暂态电流波形相似度识别的柔性直流配电系统直流线路的主保护，与传统基于极性(直接量测幅值正负)的纵联保护相比，本发明采用余弦相似度构成判据，更加有效提取多频段特征，受分布式电容(导致量测电流波形波动，故障极性量测误差)影响较小；同时不需要严格的通信同步，相对于暂态量差动而言对于设备要求较低，可以快速准确识别直流故障区域。如下分别介绍了故障电流传播规律、相似度度量方法原理、线路分布式电容影响作为研究对象的充放电故障回路、保护设计以及方案流程。

1.柔性直流配电网系统

柔性直流配电网系统拓扑如图1所示，直流侧短路故障主要分为单极接地故障和双极短路故障两种，针对真双极结构的换流站，其中真双极结构MMC拓扑如图2所示，由于直流配电系统的接地方式一般为高阻接地，单极接地故障不会引起严重过流，系统可以持续运行一段时间，同时对于保护无过高的速动性要求，为此分析了双极短路故障。

2.柔性直流配电故障电流传播规律示意图

在规定电流的正方向为母线流向线路的前提下，对图1的拓扑进行分析，故障电流波形规律示意图如图3至图6所示。

在正常运行状态下，负荷电流为穿越性电流，如图3所示。因为直流电流没有相位，只有极性，所以流向与正方向相同为正极性，流向与正方向相反为负极性。因此正常运行状态下，两端电流的极性都是一正一负且电流波形无变化。当故障点F1发生故障时，如图4所示，直流线路两端测得故障电流i₁₂、i₂₁、i₃₆、i₆₃、i₄₅、i₅₄都是流向故障点，且非故障的直流每段线路两端测得的故障电流波形极性相反且方向变化相反。当故障点F2发生故障时，如图5所示，故障线路两端电流都是流向故障点，因此极性同为正，即测得电流变化方向相同且电流波形变化方向相同。而其他线路电流方向虽全部指向故障点，但测得两端电流为一正一负且变化方向相反，即电流波形变化方向也相反。当故障点F3发生故障时，如图6所示，其分析与故障点F2发生故障时同理，故障线路两端电流极性相同且电流波形变化方向相同，非故障线路两端电流极性相反且电流波形变化方向相反。

综上所述，故障位置(区内、区外)与电流波形的极性变化、方向变化紧密相关。区内故障时，线路两端电流特征具有与其他状态都不同的特征，即故障线路两端电流极性相同且电流波形变化相同。区外故障时，线路两端电流极性相反且电流波形变化相反。

基于上述分析，以正负极性确定方向作为保护判据的直流保护被提出，但是存在一定缺陷。考虑噪声和直流暂态电流波形波动时，直接根据正负值判别极性或根据故障电流流向判别故障区域十分困难且容易误动，因此本文以两端电流波形变化特征为理论依据，提出基于暂态电流波形相似度的保护新原理，克服了传统以正负极性确定方向作为保护判据的纵联保护因直流暂态电流波形波动而无法正确动作的情况。

3.相似度度量方法原理及应用

余弦相似度从几何角度出发描述相量间的相似程度，现已被广泛使用在信息检索和数据挖掘领域中。余弦相似度是通过测量两个向量内积空间的夹角的余弦值来度量两者的相似性，即：

从公式(1)可知，若两个相量的方向相同，则两者的余弦相似度为1，若两者方向为垂直或者相反，则两者的余弦相似度为0和-1，其示意图如图7所示。

因此，可以认为余弦相似度主要应用于判别两个独立变量的方向差异。当面对变化规律相互独立的两个高维空间向量时，其余弦相似度表示为：

式中：变量x＝{x₁,x₂,...,x_n}、y＝{y₁,y₂,...,y_n}，n为采样点数。

当cos(θ)＝-1时，表示变量x和y的整体变化方向完全相反、相似度为负的最强；当cos(θ)＝1时，表示两个变量的整体变化方向完全相同、相似度为正的最强；当cos(θ)绝对值接近于0时，则表示两个变量的差异性大、相似度较弱。因此，余弦相似度算法对于向量轨迹变化趋势具有很强的识别能力，能充分计算出轨迹的形态或轮廓的异同，同时不受变量幅值大小影响。

4.考虑分布式电容影响所设定的保护判据

直流线路内部发生故障后，以单个π型线路为例的线路分布电容充放电过程故障回路如图8至图11所示。其中图8为分布式电容同时放电过程；图9为分布式电容同时充电过程；图10和图11表示单个π型线路中分布式电容依次充放电过程。其中ΔU_cp为换流器等效电容压降；ΔU_M为测量点M的压降；ΔU_f为故障点压降；i_M表示M端所测的电流；i_mc为线路分布式电容电流；i_mf表示故障点故障电流；i_mcp表示换流器放电电流；C_p为换流器内部等效电容；C_m、C_n为线路分布式电容；R_mL_m、R_nL_n分别为M端和N端距离故障点的阻抗。从图8至图11可以看出，以单个π型线路为例的线路分布电容充放电过程分为四种：两个电容同时放电、两个电容同时充电、两个电容一个放电一个充电、两个电容一个充电一个放电。因此，以KCL为基础，根据图8至图11中四种充放电过程，可写出四个公式：

公式(3)表示两个电容同时放电的过程，公式(4)是两个电容同时充电过程，公式(5)是两个电容一个放电一个充电的过程，公式(6)表达了两个电容一个充电一个放电的过程。根据公式(3)、(4)、(5)、(6)综合分析可知，直流线路内部发生故障后，分布式电容的暂态电流特性(充放电过程)会直接造成直流暂态电流波动。特别地，当多个π型线路串联时，充放电电流通路较多，过程更为复杂且无法直接利用数学模型解析出直流暂态电流波动规律。

由于负荷电流的影响，在故障初始存在一个过渡过程，传统以正负极性确定方向作为保护判据的纵联保护通常不会将判据门槛设置为零，以避免稳定运行时直流线路负荷电流小甚至没有负荷电流时出现零漂现象导致的保护误动问题，而该门槛通常设为额定电流的1.2～1.5倍。然而，当故障暂态电流出现振荡且电流方向、极性均相反时，此时可能会导致极性纵联保护无法达到动作门槛，大大降低了动作可靠性，甚至无法快速并准确的动作。

综上，对于传统以正负极性确定方向作为保护判据的纵联保护而言，故障后分布式电容的暂态电流特性会造成直流暂态电流波动，导致保护判据误判，直接影响保护动作。因此，相比于直接利用直流电流方向(极性)构成的纵联保护(依赖直流电流绝对值大小和正负判断方向)而言，采用相似度特征的保护判据主要是利用故障发生后故障线路两侧电流波形形变趋势特征、极性特征存在规律变化为基础，通过余弦相似度算法对两侧全电流信号进行相似度计算并构造了保护动作判据。换句话说，故障后两侧电流的大小、方向、极性、突变特性都可用相似度的理论进行统一描述。如图7所示，线c和d都是具有不规律波动的两条线，但两个线的整体变化趋势依然可以用余弦相似度算法进行描述，换句话说，尽管分布式电容的暂态电流特性会造成直流暂态电流波动，但不会影响其整体的变化趋势。因此，与传统以正负极性确定方向作为保护判据的纵联保护相比，更具有一定的综合表现能力。依据公式(4)并结合区内外故障电流波形特征的分析，可知两侧电流波形在区外故障时相似度为-1，在区内故障时相似度为1。因此，保护判据可以依据-1和1之间的显著差异而构造。但是，区内故障时相似度值为1是在忽略测量误差、通信延时和噪声时获得的，而在工程应用时其上述三个影响因素是不可避免的，因而在保护判据构造中需要考虑测量误差、通信延时和噪声。

关于测量误差，实际应用中一般采用电流互感器对直流电流进行采样，并使用嵌入式数字继电器中的模数转换器将其转换为数字形式，然后进行计算。因此，在互感器测量电流的过程中，测量装置的安装或配线不当，周围环境条件的变化等因素都会造成测量数据出现误差。但根据保护级电流互感器的技术要求，电流互感器的测量误差最大不得超过10％。

对于通信延时，通信通道可分为专用光纤通道和复用光纤通道，复用通道的通信延时远大于专用光纤通道。以目前的技术现状，柔性直流系统中换流器仍是最昂贵、过流能力最弱的设备，这要求保护应以最快速度隔离直流故障，以降低换流器损坏的风险，因此从保护速动性角度，专用光纤通道更适合柔性直流配电线路保护。如果采用专用光纤通道，对于20km以内的配电线路长度，通信延时在0.1ms左右。由于通信通道的使用，可能会在计算信号中引入噪声，其噪声的分布可以看作高斯。

因此综合考虑，计及测量误差、通信延时和噪声，定值设置为0.9，则保护动作判据为:

cos(θ)′＞0.9 (7)

式中cos(θ)′为两侧电流的相似度值。

5.保护实现

所提保护新原理的保护流程如图12所示。其保护方案由保护启动、故障检测与识别两部分组成。

1)配置di/dt、du/dt作为保护方案的启动判据，形成保护启动部分。

2)保护装置启动后，直流线路两侧采集故障后的电流，利用式(2)计算两端电流波形的相似度，并连续判断三次(一次窗长为0.3ms)以免保护误动作。

若相似度连续满足保护判据式3次，则判定直流线路区内发生故障，则闭锁两侧换流站，清除故障电流，最后跳开相应直流线路上的快速隔离开关，以隔离故障；若不满足判据的为区外故障，则保护复归。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于暂态电流波形相似度识别的柔性直流配电线路保护法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)基于相似度度量算法的故障识别；

步骤(2)线路分布电容充放电过程的故障等效回路，即分析线路故障时线路分布电容的充放电过程；

步骤(3)结合故障电流波形特征进行分析，设定保护动作判据；

步骤(4)保护的实现。

2.根据权利要求1所述的基于暂态电流波形相似度识别的柔性直流配电线路保护法，其特征在于：步骤(1)所述的基于相似度度量算法的故障识别，具体方法是：余弦相似度是通过测量两个向量内积空间的夹角的余弦值来度量两者的相似性，即：

从公式(1)可知，若两个相量的方向相同，则两者的余弦相似度为1，若两者方向为垂直或者相反，则两者的余弦相似度为0和-1；

因此，可以认为余弦相似度主要应用于判别两个独立变量的方向差异；当面对变化规律相互独立的两个高维空间向量时，其余弦相似度表示为：

式中：变量x＝{x₁,x₂,...,x_n}、y＝{y₁,y₂,...,y_n}，n为采样点数；

当cos(θ)＝-1时，表示变量x和y的整体变化方向完全相反、相似度为负的最强；当cos(θ)＝1时，表示两个变量的整体变化方向完全相同、相似度为正的最强；当cos(θ)绝对值接近于0时，则表示两个变量的差异性大、相似度较弱；因此，余弦相似度算法对于向量轨迹变化趋势具有很强的识别能力，能充分计算出轨迹的形态或轮廓的异同，同时不受变量幅值大小影响。

3.根据权利要求1所述的基于暂态电流波形相似度识别的柔性直流配电线路保护法，其特征在于：步骤(2)所述的线路分布电容充放电过程的故障等效回路，具体是：直流线路内部发生故障后，以单个π型线路为例的线路分布电容充放电过程分为四种：两个电容同时放电、两个电容同时充电、两个电容一个放电一个充电、两个电容一个充电一个放电；因此，以KCL为基础，根据四种充放电过程，可写出四个公式：

其中ΔU_cp为换流器等效电容压降；ΔU_M为测量点M的压降；ΔU_f为故障点压降；i_M表示M端所测的电流；i_mc为线路分布式电容电流；i_mf表示故障点故障电流；i_mcp表示换流器放电电流；C_p为换流器内部等效电容；C_m、C_n为线路分布式电容；R_mL_m、R_nL_n分别为M端和N端距离故障点的阻抗。

4.根据权利要求1所述的基于暂态电流波形相似度识别的柔性直流配电线路保护法，其特征在于：步骤(3)所述的结合故障电流波形特征进行分析，设定保护动作判据，具体是：依据公式(4)并结合区内外故障电流波形特征的分析，可知两侧电流波形在区外故障时相似度为-1，在区内故障时相似度为1；因此，保护判据依据-1和1之间的显著差异而构造。

5.根据权利要求1所述的基于暂态电流波形相似度识别的柔性直流配电线路保护法，其特征在于：步骤(4)所述的保护的实现流程是：

4.1、配置di/dt、du/dt作为保护方案的启动判据，形成保护启动部分；

4.2、保护装置启动后，直流线路两侧采集故障后的电流，利用式(2)计算两端电流波形的相似度，并连续判断三次，一次窗长为0.3ms，以免保护误动作；

4.3、若相似度连续满足保护判据式三次，则判定直流线路区内发生故障，则闭锁两侧换流站，清除故障电流，最后跳开相应直流线路上的快速隔离开关，以隔离故障；若不满足判据的为区外故障，则保护复归。

Images