CN113852053A - 一种面向新型电力系统的多源配电网保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向新型电力系统的多源配电网保护方法，包括以下步骤：首先测量元件进行数据采集，计算电流方差，利用电流方差构造启动元件；将线路瞬时的电流方差与电流方差整定值对比，判定是否满足保护启动元件，满足条件则进入下一步，否则保护返回；计算电荷量即电流积分，并将电荷量分别带入故障识别和故障选极程序；故障识别程序利用电荷量计算KL散度并传向对端；故障选极程序利用电流积分比值，选择正确的故障极并发出动作信号；当故障识别程序和故障选极满足条件时，向故障极发出动作信号，程序结束。本发明采用积分特性消除了电流振荡，原理上抑制了分布式电容对保护的影响，因此本发明所提保护原理可以应用于含分布电源的配电网中。

Description

一种面向新型电力系统的多源配电网保护方法

技术领域

本发明涉及一种面向新型电力系统的多源配电网保护方法，属于配电网保护技术领域。

背景技术

构建新型电力系统同样面临着巨大的挑战，主要对配电网故障保护造成很大影响。目前， 国内外学者针对含分布电源配电网的保护提出了多种思路。

现有研究中，所提出的保护原理可分为基于单端量和基于双端量两种。基于单端量的保 护多作为主保护，行波保护虽然动作时间快且不受分布式电容的影响，但容易受到较大过渡 电阻的影响。

有发明分别对电流微分保护和电压微分保护进行研究，利用电流或者电压的小波变换系 数和微分构成故障判据，上述方法依赖单端电气量的保护判据难以保证绝对的选择性，是否 适用于多落点配电网还需要讨论。

因线路中较少可利用的元件作为边界，有发明提出利用注入信号技术的方法进行故障判 定，但该方案涉及到控制方式，其工程应用有待讨论。

基于双端量的保护大多为纵联差动保护，由于其易受到线路分布式电容的影响一般作为 后备保护。针对线路分布式电容对差动保护的影响问题，有发明提出了对分布式电容电流进 行补偿的差动保护，实现较为复杂。

有发明利用行波进行纵联保护，利用行波的特性克服了分布式电容的影响。然而上述双 端保护算法均要求严格的通信同步，并且行波信号也容易受到干扰。

有发明提出行波纵联保护，利用两端行波信号的差异区分故障位置。行波信号的特性决 定该保护原理不受分布式电容电流的影响。但是现有工程采用单端行波保护作为主保护，行 波纵联保护和单端行波保护采用相同的特征信号使得两种保护存在同时失效的可能。

发明内容

本发明目的是提供了一种基于电荷量KL散度的保护方法，不受过渡电阻和线路分布式 电容的影响，为配电网的安全可靠运行提供技术支撑。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种面向新型电力系统的多源配电网保护方法，包括以下步骤：

1)首先测量元件进行数据采集，计算电流方差，利用电流方差构造启动元件；所述方 差计算公式如下：

2)将线路瞬时的电流方差与电流方差整定值对比，判定是否满足保护启动元件，若线 路瞬时的电流方差大于电流方差整定值，则满足条件则进入下一步，否则保护返回；

3)计算电荷量即电流积分，并将电荷量分别带入故障识别和故障选极程序；

4)故障识别程序利用电荷量计算KL散度并传向对端具体如下：线路故障瞬间，对线路 正、负极的首端和末端分别求电荷量，并求首、末端电荷量的KL散度，若KL散度相关性为 强正相关，代表故障时的线路两侧的电荷量变化趋势相同，则判断发生区内故障，保护进入 下一步；若KL散度为强不相关，代表趋势相反，则判断发生区外故障，保护返回；

5)故障选极程序利用电流积分比值，选择正确的故障极并发出动作信号；

6)当故障识别程序和故障选极满足条件时，向故障极发出动作信号，程序结束。

优选的，所述故障识别程序利用电荷量计算KL散度具体步骤为：

1)采用电荷量滤除分布式电容电流，定义电荷量为Q，求出线路首端和末端的电荷量， 电荷量计算公式如下：

其中，

L为桥臂电抗，L₀为放电回路电抗等效电抗，C 为子模块等效电容，R为桥臂电阻，R₀为放电回路电阻等效电阻，ω代表震荡 频率；θ和β均为相位；δ为回路衰减系数；t为时间；s代表复频率；e为自然 常数，取值为2.718。

2)将线路首端和末端的电荷量代入KL散度的公式，公式如下所示：

KL散度越小，两个波形之间的相似度越高，H＝1代表信号不相似为区外故障；H＝0代表信号最相似为区内故障。

优选的，所述KL散度判定故障过程中，考虑电流互感器达到正常运行的最大误差，将 KL散度的阈值设置为0.1，当KL散度小于等于0.1时，判断为区内故障，高于0.1时为区外故障。

优选的，故障选极程序采用正、负极电流积分的绝对值进行比较得到故障选极的判据为:

式中：|Q_p|和|Q_n|分别代表正极电流积分的绝对值和负极电流积分的绝对值，k_set1和k_set2为故障选极的阈值。

本发明的优点在于：本发明采用积分特性消除了电流振荡，原理上抑制了分布式电容对 保护的影响，因此本发明所提保护原理可以应用于含分布电源的配电网中。

另外，与其他利用相关性的保护原理不同，本发明所提保护方案充分利用了KL散度的正 相关与不相关的特性，对两侧电荷量的变化趋势的相似性进行了完整的表达。由于KL散度在 一段时间内不受波动的影响，所以本发明的保护原理不需要严格的通讯同步。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一 起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明流程结构示意图。

图2为本发明等效电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

本发明旨在针对线路保护原理易受分布电容电流影响的问题，提出一种基于电荷量KL 散度的纵联保护方法。该方法原理简单可靠，同时不受过渡电阻和线路分布式电容的影响， 为配电网的安全可靠运行提供技术支撑。为实现上述发明，本发明采取如下技术方案：

5-1：首先测量元件进行数据采集，计算电流方差。

5-2：将电流方差带入公式(2)判定是否满足保护启动元件。若满足条件则进入下一步， 否则保护返回。

5-3：随后计算电荷量(电流积分)，并将电荷量(电流积分)分别带入故障识别和故障选 极程序，并且两程序并行运行。

5-4：故障识别程序利用电荷量(电流积分)计算KL散度并传向对端。若KL散度满足小 于0.1则判定为区内故障，保护进入下一步；否则判定为区外故障，保护返回。

5-5：故障选极程序将电流积分比值带入公式(10)，选择正确的故障极并发出动作信号。

5-6：当故障识别程序和故障选极同时满足条件时，向故障极发出动作信号，程序结束。

具体步骤如下：

(1)保护启动判据。

纵联差动保护中常用极电流的绝对值或者电流的突变量构造启动元件，当超过阈值时 保护启动。但电流启动元件要求较高的灵敏性，单极高阻接地故障，电流变化较小，可能 影响电流启动元件的快速性。另外，线路的分布式电容过大时，故障瞬间暂态电流可能会 受到分布式电容电流的影响，进而降低电流启动元件的灵敏性。本方法选择电流方差作为 启动元件，电流方差代表电流的偏离程度，电流波形变化趋势越大，电流方差越大。电流方差的计算公式为：

式中：D(I)为电流方差，x为电流平均值。

设置启动元件的判据为：

D(I)＞D(I)_set (2)

式中：D(I)为线路瞬时电流方差，D(I)_set为电流方差整定值。

(2)保护识别判据。

首先分析分布式电容电流的频率特性。基于MMC换流阀的电网发生故障后，故障电流分 为换流器子模块电容的放电电流和交流系统的馈入电流两个阶段。由于本文研究断路器隔离 前的故障特性，故只分析第一个阶段。在第一阶段中，换流器所有子模块会交替进行放电， 电流的瞬时值为：

L为桥臂电抗，C为子模块等效电容，R为桥臂电阻，R₀为放电回路电阻等效电阻。U₀为故障初始电压，I₀为初始电流；ω代表震荡频率；θ和β均为相位；δ为回路衰减系数。

式(3)可以看出，电容放电是一个震荡过程。将

带入(3) 可得电流的振荡频率f为：

式中：L₀、C₀、N分别为桥臂电感、子模块的电容和桥臂的子模块数量；x、L_u、R_u分 别为故障距离、线路单位长度的电感和线路单位长度的电阻。

而区外故障时，故障电流的主要成分是分布式电容暂态电流，其频率与行波固有频率 一致，其行波固有频率的理论最低值可表示为：

式中:ν为故障行波波速度，d为故障距离。可以看出分布式电容电流的频率随着故障 距离变化。对比可以看出区内、外故障电流成分的频率不同，而电荷量具有低通滤波特性 适用于处理此类信号。

因此，本方案采用电荷量滤除分布式电容电流。定义电荷量为Q，则：

显然电荷量滤除了高频分量。因此，电荷量具备消除分布电容电流的作用。

KL散度是香农信息论中的一个重要概念，主要用于衡量两个概率分布之间的差异信息。 在信息论中，KL散度代表两个概率分布。a其中代表真实分布，b代表非真实分布。对于离 散变量，KL散度的公式如(8)所示。

KL散度量化了两个当前积分的“距离”，但它的距离并不代表真正的长度距离。它是对 两个电荷量概率分布相似度的描述。KL散度越小，两个波形之间的相似度越高。因此，H＝1 代表信号最不相似；H＝0代表信号最相似。

线路故障瞬间，对线路(正、负极)首端和末端分别求电荷量，并求首、末端电荷量的KL 散度。若KL散度相关性为强正相关，代表故障时的线路两侧的电荷量变化趋势相同，则判 断发生区内故障。若KL散度为强不相关，代表趋势相反，则判断发生区外故障。并且由于 本发明采用的双极系统，所以电荷量的变化趋势增大和减小的绝对值理论上相等。

以上对于两侧相关系数的分析为忽略了噪声、通信延时和电流互感器误差等因素影响的 结果。在实际工程中，电流互感器受环境等因素的影响会对测量信号带来一定的误差，假设 电流互感器达到正常运行的最大误差10％。综上，计及各种误差，本文将KL散度的阈值设置 为0.1。总结故障判据为(9)。当KL散度低于0.1时，判断为区内故障。

H＜0.1：区内故障(9)

(3)故障极选择判据。

故障选极是保护中必不可少的部分，本文利用电流积分绝对值作为故障选极判据。由 于线路正、负极电流的积分绝对值代表着电流波形与坐标轴所围成的面积，在正常状态时， 正、负极面积是相同的。当发生单极故障时，故障极电流变化远大于健全极，代表着故障 极的面积增大且远大与相同时刻健全极的面积；双极故障时，正、负极面积值相等，即电 流积分的绝对值相等。所以本文采用正、负极电流积分的绝对值进行比较得到故障选极的 判据为:

式中：|Q_p|和|Q_n|分别代表正极电流积分的绝对值和负极电流积分的绝对值，k_set1和k_set2为 故障选极的阈值，其值的设置需要考虑高阻接地，线路耦合等因数。

Claims (4)

1.一种面向新型电力系统的多源配电网保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先测量元件进行数据采集，计算电流方差，利用电流方差构造启动元件；所述方差计算公式如下：

2)将线路瞬时的电流方差与电流方差整定值对比，判定是否满足保护启动元件，若线路瞬时的电流方差大于电流方差整定值，则满足条件则进入下一步，否则保护返回；

3)计算电荷量即电流积分，并将电荷量分别带入故障识别和故障选极程序；

4)故障识别程序利用电荷量计算KL散度并传向对端具体如下：线路故障瞬间，对线路正、负极的首端和末端分别求电荷量，并求首、末端电荷量的KL散度，若KL散度相关性为强正相关，代表故障时的线路两侧的电荷量变化趋势相同，则判断发生区内故障，保护进入下一步；若KL散度为强不相关，代表趋势相反，则判断发生区外故障，保护返回；

5)故障选极程序利用电流积分比值，选择正确的故障极并发出动作信号；

6)当故障识别程序和故障选极满足条件时，向故障极发出动作信号，程序结束。

2.根据权利要求1所述的面向新型电力系统的多源配电网保护方法，其特征在于，所述故障识别程序利用电荷量计算KL散度具体步骤为：

1)采用电荷量滤除分布式电容电流，定义电荷量为Q，求出线路首端和末端的电荷量，电荷量计算公式如下：

其中，

L为桥臂电抗，L₀为放电回路电抗等效电抗，C为子模块等效电容，R为桥臂电阻，R₀为放电回路电阻等效电阻，ω代表震荡频率；θ和β均为相位；δ为回路衰减系数；t为时间；s代表复频率；e为自然常数，取值为2.718；

2)将线路首端和末端的电荷量代入KL散度的公式，公式如下所示：

KL散度越小，两个波形之间的相似度越高，H＞0代表信号不相似为区外故障；H＝0代表信号最相似为区内故障。

3.根据权利要求2所述的面向新型电力系统的多源配电网保护方法，其特征在于，所述KL散度判定故障过程中，考虑电流互感器达到正常运行的最大误差，将KL散度的阈值设置为0.1，当KL散度小于等于0.1时，判断为区内故障，高于0.1时为区外故障。

4.根据权利要求1所述的面向新型电力系统的多源配电网保护方法，其特征在于，故障选极程序采用正、负极电流积分的绝对值进行比较得到故障选极的判据为:

式中：|Q_p|和|Q_n|分别代表正极电流积分的绝对值和负极电流积分的绝对值，k_set1和k_set2为故障选极的阈值。

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