CN111983376B - 一种基于余弦相似度的区内外故障保护方法 - Google Patents

一种基于余弦相似度的区内外故障保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于余弦相似度的区内外故障保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。本发明通过分析线模电流在发生故障后，保护装置所检测到的双回线的线模电流突变方向以及线模电流行波的变化趋势，提取线模电流的特征向量，采用余弦相似度构成保护判据，保护安装处测得的两回输电线路的线模电流突变方向相反且线模电流波形变化相反，判定系统发生区内故障；保护安装处测得的两回输电线路的线模电流突变方向相同且线模电流波形变化相同，判定系统发生区外故障。本发明以线模电流的突变方向确定故障区域作为判据的保护方法相比，对于设备的要求更低，并且受量测端线模电流波动的影响小，可以快速的识别出系统的区内外故障。

Description

一种基于余弦相似度的区内外故障保护方法
技术领域
本发明涉及一种基于余弦相似度的区内外故障保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
传统高压直流输电系统线路保护方法,单端量保护因其不需要通信通道，不存在传输数据时延，其速动性较强但灵敏性较差。利用叠加原理分析故障后突变量能量变化程度构造直流输电线路保护启动判据，利用标准差系数刻画突变量能量波形的波动特性构造直流输电线路区内、外故障识别判据，利用正、负极标准差系数之比构造故障选极判据，利用多判据实现故障极全线速动保护。该方法可靠性高，适用性强。不同位置发生故障时故障电流的传播特性以及两侧故障电流特征的差异性，从而利用特征频段电流来构造区内外故障的识别判据。该保护方案能够准确识别区内外障，具有良好的耐过渡电阻及抗噪声干扰能力。综合考虑了线路边界和高频故障电压行波衰减作用，通过区内、区外故障时高频电压反行波的大小作为判据，并用改进电压梯度法来实现可靠保护。通过检测高频分量以计算平均能量来判断故障是否发生，利用检测的两极故障信号提取信号低频段来计算谱能量，通过在发生故障后，特定频率电流在滤波器支路的区别，由此将较低频率的谐振电流组成保护判据，不过故障识别的准确性会被换流器的工作状态所影响。基于双端信息量的保护方法对于信息通道的要求较高且选择性强，不过存在数据延迟，速动性差。利用行波差动提出基于反行波模量的保护判据，不过这种保护方法采样率高。
柔性直流输电线路保护方法对两端以及多端的柔性直流系统，直流侧以及电压源换流器有可能没有故障申流自阻断能力，由于阻尼小，故障电流骤然上涨，过电流峰值高，因此柔性直流系统对保护的快速性、选择性要求很高。在模量网络故障后，采用计算线路附加电感电压初始值的方法，利用线路附加电感电压的初始值在区内、外故障时产生的区别以及故障极和非故障极上电感电压的初始值的差别，提出了选极和保护的判据，并且提出了相应的定值整定的方法，从而实现单端量保护。但是该方法所需要的采样率高，并且在复杂多阶系统中求解附加电感电压的暂态变化困难。将电压信号经过S变换提取其特定的频带特性，针对不同时刻故障行波的幅值变化来确定接地故障，从而构成保护判据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于余弦相似度的区内外故障保护方法，用以解决上述问题。
本发明的技术方案是：一种基于余弦相似度的区内外故障保护方法，通过分析线模电流在发生故障后，保护装置所检测到的双回线的线模电流突变方向以及线模电流行波的变化趋势，提取线模电流的特征向量，采用余弦相似度构成保护判据，从而能够快速、可靠、有效的区分区内外故障。其方法主要是选取发生故障后2ms内的时窗数据，并将故障后的数据统一减去故障前的初始值，再在保护装置所检测到的第一个故障首波头为向量的起点，再取量测端检测到的故障后的同一时刻的两回线线模电流的采样点分别作为两个向量的终点，然后通过计算其cosθ的值，来确定其故障区段，具体步骤如下：
Step1：读取由量测端高速采集装置获取的正极线路的量测端电流。
Step2：对所获取的量测端电流进行解耦，得到零模电流和线模电流，以消除由于输电线路故障耦合而引起非故障线路保护装置误动。解耦的公式为：
Figure BDA0002568267630000021
式(1)中，m+和im-分别为m回线路量测端检测到的正极线路电流和负极线路电流，其中m＝I或II，im1和im0分别为m回线路解耦后的线模电流和零模电流。
Step3：Step2中求得的I回和II回线路的线模电流提取特征向量，计算两回线路线模电流的余弦相似度，其公式为：
Figure BDA0002568267630000022
式(2)中，iI1和iII1分别为I回线路和II回线路的线模电流，cosθ为两回线路线模电流的余弦相似度，3为相邻的3个点。
Step4：根据上述求得的余弦相似度构成区内外故障识别判据：
当故障发生后余弦相似度为正值且大于阈值αset，则系统发生区外故障；
当故障发生后余弦相似度为负值且小于-αset，则系统发生区内故障即：
Figure BDA0002568267630000023
本发明的有益效果是：
1、本发明由于采用余弦相似度构成判据，更加有效提取多频段特征，受线路分布式电容影响较小，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；
2、本发明以线模电流的突变方向确定故障区域作为判据的保护方法相比，对于设备的要求更低，并且受量测端线模电流波动的影响小，可以快速的识别出系统的区内外故障。
附图说明
图1是本发明三端环状柔性直流输电系统拓扑图；
图2是本发明实施例2中柔性直流输电系统发生区外故障图，
图3是本发明实施例3中柔性直流输电系统发生区内故障图；
图4是本发明实施例2中VSC1换流站交流侧单相接地故障直流侧输电线路线模电流图；
图5是本发明实施例2中I、II回线输电线路线模电流向量夹角图；
图6是本发明实施例3中VSC1换流站直流侧输电线路线模电流图；
图7是本发明实施例3中I、II回线输电线路线模电流向量夹角图；
图8是本发明区内外判别方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图5所示，一种基于余弦相似度的区内外故障保护方法，在发生故障后，通过分析线模电流、保护装置所检测到的双回线的线模电流突变方向以及线模电流行波的变化趋势，提取线模电流的特征向量，采用余弦相似度构成保护判据，从而区分区内外故障。
具体步骤如下：
Step1：读取由量测端高速采集装置获取的正极线路的量测端电流。
Step2：对所获取的量测端电流进行解耦，得到零模电流和线模电流，以消除由于输电线路故障耦合而引起非故障线路保护装置误动。解耦的公式为：
Figure BDA0002568267630000031
式(1)中，m+和im-分别为m回线路量测端检测到的正极线路电流和负极线路电流，其中m＝I或II，im1和im0分别为m回线路解耦后的线模电流和零模电流。
Step3：Step2中求得的I回和II回线路的线模电流提取特征向量，计算两回线路线模电流的余弦相似度，其公式为：
Figure BDA0002568267630000041
式(2)中，iI1和iII1分别为I回线路和II回线路的线模电流，cosθ为两回线路线模电流的余弦相似度，3为相邻的3个点。
Step4：根据上述求得的余弦相似度构成区内外故障识别判据：
当故障发生后余弦相似度为正值且大于阈值αset，则系统发生区外故障；
当故障发生后余弦相似度为负值且小于-αset，则系统发生区内故障即：
Figure BDA0002568267630000042
实施例2：如图1所示，以VSC1换流站背侧交流系统发生单相接地故障为例，故障位置如图2所示。
(1)：根据Step1得到量测端电流的数据；
(2)：根据Step2可以解耦得到两回线路的线模电流和零模电流，两回线路单端线模电流波形图如图4所示；
(3)：由图5可以看出，I、II回线的夹角非常小，并且其余弦相似度的值为正值，通过权利说明书的第三步计算其余弦相似度的值为0.999，为了保证其可靠性，选取相邻的三个点依次计算其余弦相似度的值，其cosθ的值分别为0.999、0.999、0.999。
(4)：根据Step4的区内外故障识别判据可知，余弦值大于0.9，故判定为区外故障。
实施例3：以VSC1换流站整流侧输电线路L12发生正极接地故障，故障位置如图3所示。
(1)：根据Step1得到量测端电流的数据；
(2)：根据Step2可以解耦得到两回线路的线模电流和零模电流，两回线路单端线模电流波形图如图6所示；
(3)：如图7可以看出，I、II回线的夹角明显大于90度，即其余弦相似度的值为负值，通过权利要求书第三步计算其余弦相似度的值为-0.996，为了保证其可靠性，选取相邻的三个点依次计算其余弦相似度的值，其cosθ的值分别为-0.996、-0.999、-0.999。
(4)：根据Step4的区内外故障识别判据可知，余弦值小于-0.4，故判定为区内故障。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种基于余弦相似度的区内外故障保护方法，其特征在于：
Step1：读取由量测端高速采集装置获取的正极线路的量测端电流；
Step2：对所获取的量测端电流进行解耦，得到零模电流和线模电流，解耦的公式为：
Figure FDA0003844007110000011
式(1)中，im+和im-分别为m回线路量测端检测到的正极线路电流和负极线路电流，其中m＝I或II，im1和im0分别为m回线路解耦后的线模电流和零模电流；
Step3：根据Step2中求得的I回和II回线路的线模电流，计算两回线路线模电流的余弦相似度，其公式为：
Figure FDA0003844007110000012
式(2)中，iI1和iII1分别为I回线路和II回线路的线模电流，cosθ为两回线路线模电流的余弦相似度，3为相邻的3个点；
Step4：根据上述求得的余弦相似度构成区内外故障识别判据：
当故障发生后余弦相似度为正值且大于阈值αset，则系统发生区外故障；
当故障发生后余弦相似度为负值且小于-αset，则系统发生区内故障即：
Figure FDA0003844007110000013
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