CN112072621B - 基于5g通信和动态模式匹配的配电网线路差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于5G通信和动态模式匹配的配电网线路差动保护方法，借助5G通信低时延特性，通过对电网两端线路电流的采样，利用DPM算法对采样的电流序列进行相似度计算，选取合适的阈值，进而对是否采取差动保护动作进行判定。本发明所采用的方法无需电流采样节点具有时间同步装置，减少了差动保护成本，且可正确地区分线路发生的区外故障和区内故障，对发生的区内故障实现及时的保护动作，从而提升电网系统的安全性，保证电网系统的稳定运行。

Description

基于5G通信和动态模式匹配的配电网线路差动保护方法

技术领域

本发明涉及配电网差动保护技术领域，更具体地说本发明涉及基于5G通信和动态模式匹配的配电网线路差动保护方法。

背景技术

随着科技的发展和人们生活水平的不断改善，配电网的规模在不断扩大，复杂性在不断提高，线路的差动保护显得越发重要。传统的差动保护主要是由光纤线路铺设来完成信号之间的通信，有着成本高，易受损等缺点，不利于大范围应用和长期使用。

目前使用5G通信方式实现信号的传输，有低时延、高带宽的优点，可有效解决传统的光纤铺设带来的问题；但通信过程中出现的低时延依然会带来抖动，影响结果的时效性和准确性。现有相关研究引入动态时间弯曲(Dynamic Time Warping，DTW)算法进行差动保护的判定，利用DTW算法对时间轴上的扰动具体容差性的特点，可以克服低时延带来的抖动问题，但DTW算法要对两时间序列中各元素之间的距离进行精确地运算，计算复杂，时间复杂度较高，不利于配网差动保护判定系统的长期运作。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足之处，提出一种基于5G通信和动态模式匹配的配电网线路差动保护方法，以期能克服由低时延带来的抖动问题，实现对配电网线路区内故障和区外故障的区分，最终完成对区内故障的差动保护动作，从而提升电网系统的安全性，保证配电网系统的稳定运行。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种基于5G通信和动态模式匹配的配电网线路差动保护方法的特点在于，包括以下步骤：

步骤1，对所需差动保护电网的第1节点和第2节点按照采样频率f进行电流实时采样，并将采样到的两个节点的电流通过5G通信实时传输至采样选择装置；

步骤2，所述采样选择装置利用长度为n的数据窗对所接收到的两个节点的电流从m个电流值开始截取，从而得到一个数据窗内第1节点的采样电流为i₁＝{i₁₁，i₁₂，...，i_1k,...,i_1n}，第2节点的采样电流为i₂＝{i₂₁，i₂₂，...，i_2k,...,i_2n}；其中，i_1k表示第1节点的第k个采样电流，i_2k表示第2节点的第k个采样电流，k＝1，2，...，n；

对两个采样电流i₁和i₂分别进行标准化处理，得到标准化后第1节点的电流序列为

以及标准化后第2节点的电流序列为

其中，i^* _1k表示标准化后第1节点的第k个采样电流，i^* _2k表示标准化后第2节点的第k个采样电流，k＝1，2，...，n；

步骤3，使用DPM算法计算标准化后两个节点的电流序列

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的DPM距离值；/>

步骤3.1，将标准化后两个节点的电流序列

和/>

中的电流进行区分：

选取标准化后第1节点的电流序列

中的最大值和最小值，分别记为i^* _1max和i^* _1min，计算标准化后第1节点的电流序列/>

中电流的平均值，记为i_1ave；

若i^* _1min≤i^* _1k＜i_1ave，则表示标准化后第1节点的第k个采样电流i^* _1k属于A集合；

若i_1ave≤i^* _1k＜i^* _1max，则表示标准化后第1节点的第k个采样电流i^* _1k属于B集合；

选取标准化后第2节点的电流序列

中的最大值和最小值，分别记为i^* _2max和i^* _2min，计算标准化后第2节点的电流序列/>

中电流的平均值，记为i_2ave；

若i^* _2min≤i^* _2k＜i_2ave,则表示标准化后第2节点的第k个采样电流i^* _2k属于A集合；

若i_2ave≤i^* _2k＜i^* _2max，则表示标准化后第2节点的第k个采样电流i^* _2k属于B集合；

步骤3.2，确定标准化后两个节点的电流序列

和/>

的距离矩阵D：

利用式(1)计算标准化后第1个节点的电流序列

中每个电流与标准化后第2个节点的电流序列/>

中的每个电流之间的相互距离，从而得到n×n的距离矩阵D：

式(1)中，d_ij表示标准化后第1节点的电流序列

的第i个电流/>

与标准化后第2节点的电流序列/>

的第j个电流/>

之间的距离；i表示距离矩阵D中行的位置，j表示距离矩阵D中列的位置；

步骤3.3，在所述距离矩阵D内选取一条最优路径，并将所述最优路径所经过的矩阵元素之和记为标准化后两个节点的电流序列

和/>

的DPM距离值/>

步骤4，将所述准化后两个节点的电流序列

和/>

的DPM距离值/>

与所设定的阈值DPM_set作比较，当/>

时，表示配电网区内故障，并启动差动保护动作；

步骤5，将m+1赋值给m后，返回步骤2，从而实现对配电网所需差动保护的位置无间断地检测。

本发明所述的配电网线路差动保护方法的特点也在于，所述步骤3.3中的最优路径是按如下步骤选取：

以n×n的距离矩阵D的左下角元素d_n1为出发点，按照与当前出发点相邻或形成对角关系的元素作为下一个出发点，从而到达距离矩阵D的右上角元素d_1n为止所形成的一条路径记为最优路径；所述最优路径上所经过的所有元素之和即为DPM值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过使用DPM算法对是否执行差动保护动作进行判定，所采用的算法克服5G通信时延带来的抖动问题；与DTW算法相比，此算法运算过程得到简化，时间复杂度降低。该方法可正确地区分线路发生的区外故障和区内故障，对发生的区内故障实现及时的保护动作，从而提升了电网系统的安全性，保证了电网系统的稳定运行。

2、本发明将5G通信技术应用于配电网的差动保护中，大大缩减了光纤铺设所需的开支，同时通过使用DPM算法，无需电流采样节点具有时间同步装置，减少了差动保护成本，在实际应用中具有推广意义。

附图说明

图1为本发明差动保护判定过程的流程图；

图2为本发明以60Hz为采样频率的理论采样点和经5G传输时延后的采样点对比图；

图3为本发明的DPM算法路径图；

图4为本发明的仿真模型图；

图5a为本发明单电源供电发生区内故障时，标准化后两个节点的电流波形图；

图5b为本发明单电源供电发生区内故障时，标准化后两个节点的电流经过5G通信传输后的时延波形图；

图5c为本发明单电源供电发生区内故障时，采用DPM算法得出的两电流序列的相似度距离图；

图6a为本发明双电源供电发生区内故障时，标准化后两个节点的电流波形图；

图6b为本发明双电源供电发生区内故障时，标准化后两个节点的电流经过5G通信传输后的时延波形图；

图6c为本发明双电源供电发生区内故障时，采用DPM算法得出的两电流序列的相似度距离图；

图7a为本发明双电源供电发生区外故障时，标准化后两个节点的电流波形图；

图7b为本发明双电源供电发生区外故障时，标准化后两个节点的电流经过5G通信传输后的时延波形图；

图7c为本发明双电源供电发生区外故障时，采用DPM算法得出的两电流序列的相似度距离图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于5G通信和动态模式匹配的配电网线路差动保护方法是考虑在5G通信时延抖动影响下，通过使用DPM算法对差动保护的两端点电流进行相似度距离计算，从而对配电网线路的区内故障和区外故障进行区分，进而对是否启动差动保护动作进行判定，具体的过程如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，对所需差动保护电网的第1节点和第2节点按照采样频率f＝30000Hz进行电流实时采样，并将采样到的两个节点的电流通过5G通信实时传输至采样选择装置，采样选择装置是一种将已采样的数据进行选择的装置，虽然5G具有低时延的特点，但依然无法去掉时延带来的抖动问题，理论采样点和经5G传输时延后的采样点如图2所示；

步骤2，采样选择装置利用长度为n＝60的数据窗对所接收到的两个节点的电流从m＝1个电流值开始截取，从而得到一个数据窗内第1节点的采样电流为i₁＝{i₁₁，i₁₂，...，i_1k,...,i_1n}，第2节点的采样电流为i₂＝{i₂₁，i₂₂，...，i_2k,...,i_2n}；其中，i_1k表示第1节点的第k个采样电流，i_2k表示第2节点的第k个采样电流，k＝1，2，...，n；

对两个采样电流i₁和i₂分别进行标准化处理，得到标准化后第1节点的电流序列为

以及标准化后第2节点的电流序列为

其中，i^* _1k表示标准化后第1节点的第k个采样电流，i^* _2k表示标准化后第2节点的第k个采样电流，k＝1，2，...，n；

标准化处理的公式如式(1)所示：

式(1)中，l＝1,2，i_lmax表示i₁(l＝1)、i₂(l＝2)中每个电流序列的最大值，i_lmin表示i₁(l＝1)、i₂(l＝2)中每个电流序列的最小值。

步骤3，使用DPM算法计算标准化后两个节点的电流序列

和/>

的DPM距离值；

步骤3.1，将标准化后两个节点的电流序列

和/>

中的电流进行区分：

选取标准化后第1节点的电流序列

中的最大值和最小值，分别记为i^* _1max和i^* _1min，计算标准化后第1节点的电流序列/>

中电流的平均值，记为i_1ave；

若i^* _1min≤i^* _1k＜i_1ave，则表示标准化后第1节点的第k个采样电流i^* _1k属于A集合；

若i_1ave≤i^* _1k＜i^* _1max，则表示标准化后第1节点的第k个采样电流i^* _1k属于B集合；

选取标准化后第2节点的电流序列

中的最大值和最小值，分别记为i^* _2max和i^* _2min，计算标准化后第2节点的电流序列/>

中电流的平均值，记为i_2ave；

若i^* _2min≤i^* _2k＜i_2ave,则表示标准化后第2节点的第k个采样电流i^* _2k属于A集合；

若i_2ave≤i^* _2k＜i^* _2max，则表示标准化后第2节点的第k个采样电流i^* _2k属于B集合；

步骤3.2，确定标准化后两个节点的电流序列

和/>

的距离矩阵D：

利用式(2)计算标准化后第1个节点的电流序列

中每个电流与标准化后第2个节点的电流序列/>

中的每个电流之间的相互距离，从而得到n×n的距离矩阵D：

式(2)中，d_ij表示标准化后第1节点的电流序列

的第i个电流/>

与标准化后第2节点的电流序列/>

的第j个电流/>

之间的距离；i表示距离矩阵D中行的位置，j表示距离矩阵D中列的位置；

步骤3.3，在距离矩阵D内选取一条最优路径，并将最优路径所经过的矩阵元素之和记为标准化后两个节点的电流序列

和/>

的DPM距离值/>

最优路径的选取按如下步骤：以n×n的距离矩阵D的左下角元素d_n1为出发点，按照与当前出发点相邻或形成对角关系的元素作为下一个出发点，从而到达距离矩阵D的右上角元素d_1n为止所形成的一条路径记为最优路径；最优路径上所经过的所有元素之和即为DPM值；

具体的实例如图3所示，现有两个电流序列

根据上述区分方法将序列中的元素分为集合A和集合B两类，具体分类结果如图3中的括号所示；采用上述的距离公式，计算两序列每个元素之间的相互距离，具体的距离如图3中各方框中的数字。根据方框中的数字，选取一条从左下角到右上角的最短路径。路径选择方向如图3中的箭头所示；

步骤4，将本发明的阈值设定为1，即DPM_set＝1。将准化后两个节点的电流序列

和

的DPM距离值/>

与所设定的阈值DPM_set作比较，当/>

时，表示配电网区内故障，并启动差动保护动作；

DPM距离算法是动态时间弯曲(Dynamic Time Warping，DTW)算法的一种改进方法，继承了DTW的优点：可准确计算出两时间序列的相似度，且可识别变化趋势，还可对时间轴上的扰动进行一定的补偿，弥补了由低时延抖动所造成的误差，同时克服了DTW算法过程繁杂的缺点。DPM算法只需根据事先定义，对两序列中的元素进行分类，将不同类别的元素距离设定为同一常数，操作简单，时间复杂度较低，且可满足此发明的精度需求；

步骤5，将m+1赋值给m后，返回步骤2；从而实现对配电网所需差动保护的位置无间断地检测。

以下结合具体仿真情况对以上步骤进行说明：

如图4是本发明的仿真模型。可单电源供电，也可双电源供电。现研究A1和A2之间线路的差动保护情况。

实施例1：使用如图4所示的配电网结构框架，开关S断开，单侧电源供电，当0.4s时A1与A2之间的K1点发生A相接地故障。记A1处测得的电流为i₁，A2处测得的电流为i₂，代入标准化公式后得出标准化电流，分别记为

和/>

如图5a所示，经过5G通信传输后的时延波形如图5b所示，采用DPM算法得出的两电流序列的相似度距离如图5c所示。由图可知，在t＝0.4398s时，/>

(/>

与/>

反向，故取负值)，系统启动差动保护动作。

实施例2：使用如图4所示的配电网结构框架，开关S闭合，双侧电源供电，当0.4s时A1与A2之间的K1点发生A相接地故障。记A1处测得的电流为i₁，A2处测得的电流为i₂，代入标准化公式后得出标准化电流，分别记为

和/>

如图6a所示，经过5G通信传输后的时延波形如图6b所示，采用DPM算法得出的两电流序列的相似度距离如图6c所示。由图可知，在t＝0.4398s时，/>

(/>

与/>

反向，故取负值)，系统启动差动保护动作。

实施例3：使用如图4所示的配电网结构框架，开关S闭合，双侧电源供电，当0.4s时K2处发生区外接地故障。记A1处测得的电流为i₁，A2处测得的电流为i₂，代入标准化公式后得出标准化电流，分别记为

和/>

如图7a所示，经过5G通信传输后的时延波形如图7b所示，采用DPM算法得出的两电流序列的相似度距离如图7c所示。由图可知，在区外故障发生后，DPM值一直保持不动，始终未超过阈值，故不执行差动保护动作。

由上述3个实施例可以验证：此算法可准确区分配电网线路中的区外、区内故障，并执行正确的差动保护动作，最终达到了去除区内故障，保证了配电网系统安全、稳定运行的目的。

Claims (2)

1.一种基于5G通信和动态模式匹配的配电网线路差动保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对所需差动保护电网的第1节点和第2节点按照采样频率f进行电流实时采样，并将采样到的两个节点的电流通过5G通信实时传输至采样选择装置；

步骤2，所述采样选择装置利用长度为n的数据窗对所接收到的两个节点的电流从m个电流值开始截取，从而得到一个数据窗内第1节点的采样电流为i₁＝{i₁₁，i₁₂，...，i_1k,...,i_1n}，第2节点的采样电流为i₂＝{i₂₁，i₂₂，...，i_2k,...,i_2n}；其中，i_1k表示第1节点的第k个采样电流，i_2k表示第2节点的第k个采样电流，k＝1，2，...，n；

对两个采样电流i₁和i₂分别进行标准化处理，得到标准化后第1节点的电流序列为

以及标准化后第2节点的电流序列为

其中，i^* _1k表示标准化后第1节点的第k个采样电流，i^* _2k表示标准化后第2节点的第k个采样电流，k＝1，2，...，n；

步骤3，使用DPM算法计算标准化后两个节点的电流序列

和/>

的DPM距离值；

步骤3.1，将标准化后两个节点的电流序列

和/>

中的电流进行区分：

选取标准化后第1节点的电流序列

中的最大值和最小值，分别记为i^* _1max和i^* _1min，计算标准化后第1节点的电流序列/>

中电流的平均值，记为i_1ave；

若i^* _1min≤i^* _1k＜i_1ave，则表示标准化后第1节点的第k个采样电流i^* _1k属于A集合；

若i_1ave≤i^* _1k＜i^* _1max，则表示标准化后第1节点的第k个采样电流i^* _1k属于B集合；

选取标准化后第2节点的电流序列

中的最大值和最小值，分别记为i^* _2max和i^* _2min，计算标准化后第2节点的电流序列/>

中电流的平均值，记为i_2ave；

若i^* _2min≤i^* _2k＜i_2ave,则表示标准化后第2节点的第k个采样电流i^* _2k属于A集合；

若i_2ave≤i^* _2k＜i^* _2max，则表示标准化后第2节点的第k个采样电流i^* _2k属于B集合；

步骤3.2，确定标准化后两个节点的电流序列

和/>

的距离矩阵D：

利用式(1)计算标准化后第1个节点的电流序列

中每个电流与标准化后第2个节点的电流序列/>

中的每个电流之间的相互距离，从而得到n×n的距离矩阵D：

式(1)中，d_ij表示标准化后第1节点的电流序列

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与标准化后第2节点的电流序列/>

的第j个电流/>

之间的距离；i表示距离矩阵D中行的位置，j表示距离矩阵D中列的位置；

步骤3.3，在所述距离矩阵D内选取一条最优路径，并将所述最优路径所经过的矩阵元素之和记为标准化后两个节点的电流序列

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的DPM距离值/>

步骤4，将所述准化后两个节点的电流序列

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的DPM距离值/>

与所设定的阈值DPM_set作比较，当/>

时，表示配电网区内故障，并启动差动保护动作；

步骤5，将m+1赋值给m后，返回步骤2，从而实现对配电网所需差动保护的位置无间断地检测。

2.根据权利要求1所述的配电网线路差动保护方法，其特征在于，所述步骤3.3中的最优路径是按如下步骤选取：

以n×n的距离矩阵D的左下角元素d_n1为出发点，按照与当前出发点相邻或形成对角关系的元素作为下一个出发点，从而到达距离矩阵D的右上角元素d_1n为止所形成的一条路径记为最优路径；所述最优路径上所经过的所有元素之和即为DPM值。

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