CN114243649A - 基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法，包括如下步骤：步骤1：配电线路中被保护线路两端的电流采样装置以固定的频率进行电流信号采样；步骤2：当电流故障检测装置检测到配电线路存在突变量电流故障时被保护线路两端的电流采样装置采集的故障时刻前A毫秒内与故障后B毫秒内的电流信号形成电流采样序列i1和i2；步骤3：将归一化后的电流序列
取反后与归一化后的电流序列
进行DTW距离及差动保护浮动门槛制动门槛值计算；步骤4：计算DTW距离和差动保护浮动门槛制动门槛值是否满足判据。本发明利用了动态时间规整算法对时间域良好的容差性，并加入浮动门槛防止保护的误动，提高了保护的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及配电网保护技术领域，具体地指一种基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法。
背景技术
配电网与用户直接相连，是保证供电质量、提高电力系统运行效率与可再生能源接纳能力的关键环节。传统的配电网大多为单电源辐射式结构，负荷类型通常为传统负荷，源-网-荷的界限十分明确。随着配电网的发展与用户需求的变化，分布式电源逐步接入配电网中，源-网-荷的界限变得模糊，分布式电源接入后改变了配电网的故障特征，引起了原有保护装置灵敏度的降低、拒动或误动。很显然，电流保护这类基于单端电气量的保护方法越来越难以反映复杂的配电网故障。
基于双端电气量的差动保护被誉为最理想的保护方法，可以作为无死区的主保护使用，成为了众多场合下保护的首选。将差动保护运用于电网之中，可以快速准确定位并切除故障，极大程度上降低故障对电网的影响。然而，差动保护对同步的要求很高，许多传输通道无法满足差动保护的要求。目前，光纤是差动保护的主要传输通道，广泛用于输电线路的差动保护中，而配电网中若使用光纤，则会带来建设成本高、敷设难度大、易受到破坏的问题。
5G的到来为配电网差动保护提供了性能可以媲美光纤的传输通道，作为无线通信的一种，其拥有光纤所不具备的部署方便、成本低、易升级改造等优点，是一种十分契合配电网差动保护的传输介质。但5G作为差动保护的传输介质时存在时延抖动的问题，使得传输的电流波形发生畸变，可能会影响保护的可靠性。现有相关研究利用动态时间弯曲距离算法对时间轴良好的容差性的特点克服时延抖动问题，但固定的门槛有可能造成保护的拒动或者误动，难以适应不同配网结构及线路参数。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法，本发明利用了动态时间规整算法对时间域良好的容差性，克服了5G传输过程中出现时延抖动的问题，并加入浮动门槛防止保护的误动，提高了保护的可靠性。
为实现此目的，本发明所设计的基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法，它包括如下步骤：
步骤1：配电线路中被保护线路两端的电流采样装置以固定的频率进行电流信号采样，被保护线路两端的突变电流故障检测装置分别对相应电流采样装置采集的电流信号进行实时的突变量电流检测；
步骤2：当电流故障检测装置检测到配电线路存在突变量电流故障时被保护线路一端的电流采样装置采集的故障时刻前A毫秒内与故障后B毫秒内的电流信号形成电流采样序列i1，此时被保护线路另一端的电流采样装置采集的故障时刻前A毫秒内与故障后B毫秒内的电流信号形成电流采样序列i2；
步骤3：被保护线路一端的差动保护装置对电流序列i1进行归一化处理，得到归一化后的电流序列
被保护线路另一端的差动保护装置对电流序列i2进行归一化处理，得到归一化后的电流序列
被保护线路另一端的差动保护装置将归一化后的电流序列
通过无线通信方式发送到被保护线路一端的差动保护装置中，在被保护线路一端的差动保护装置中将归一化后的电流序列
取反后与归一化后的电流序列
进行DTW距离D(k)及差动保护浮动门槛制动门槛值Dres(k)计算；
步骤4：计算DTW距离D(k)和差动保护浮动门槛制动门槛值Dres(k)是否满足判据D(k)＞K×Dres(k)+D0，其中，K为保护判据的制动系数，D0为用于平衡不通讯同步带来的延时抖动门限值，当判据成立时差动保护装置进行保护动作，故障情况为被保护线路上故障。
本发明的有益效果：
1、本发明将动态时间弯曲距离算法用于配网差动保护中，利用算法对时间域良好的容差性解决5G环境下的轻微不同步及时延抖动的问题。并且该方法对各种短路类型有较好的识别能力，可以根据超过浮动门槛的相数判断短路类型。
2、本发明引入了浮动门槛，当发生区内故障时，DTW距离较大而浮动门槛较小，保护可靠动作；当发生区外故障或正常时，DTW距离较小而浮动门槛很大，起到了很好的制动效果，保护不会误动。
3、本发明能够用于5G环境下的配电网差动保护中，节省了铺设光纤的费用，也无需增加外部对时装置，大大节省了差动保护的成本，具有一定的工程推广价值。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为原始采样点与经过5G传输后的采样点对比图；
图3以两个序列：序列p＝[12479]，序列q＝[35186]为例说明了DTW距离的最优路径；
图4a为区内故障时的DTW距离与浮动门槛规律；
图4b为区外故障时的DTW距离与浮动门槛规律；
图5a为验证本发明的模型一：单电源辐射式结构；
图5b为验证本发明的模型二：闭环运行结构；
图6a为单电源辐射式配电网发生区内两相短路时A相的DTW变化情况；
图6b为闭环运行配电网发生区内两相短路时A相的DTW变化情况；
图7为闭环运行配电网发生区外两相短路时A相的DTW变化情况；
其中，图6a、图6b、图7均由三个波形构成，从上到下依次为：两侧原始电流、两侧归一化电流、DTW距离及浮动门槛。图5a中l1～l10为十条线路，区段MN内f1处发生故障称为区内故障，N的右侧f2处发生故障为区外故障，DG1与DG2为两个分布式电源。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1～7所示的基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法，它包括如下步骤：
步骤1：配电线路中被保护线路两端的电流采样装置以固定的频率f＝1000Hz进行电流信号采样，理论上传输后的采样点如图2所示，被保护线路两端的突变电流故障检测装置分别对相应电流采样装置采集的电流信号进行实时的突变量电流检测；
步骤2：当电流故障检测装置检测到配电线路存在突变量电流故障时被保护线路一端的电流采样装置采集的故障时刻前5毫秒内与故障后15毫秒内的电流信号形成电流采样序列i1，i1＝{i11,i12,…i1k,…i1n}，此时被保护线路另一端的电流采样装置采集的故障时刻前A毫秒内与故障后B毫秒内的电流信号形成电流采样序列i2，i2＝{i21,i22,…i2k,…i2n}，其中，i1n表示保护线路一端采集的第n个电流采样值，i2n表示保护线路另一端采集的第n个电流采样值；
步骤3：被保护线路一端的差动保护装置对电流序列i1进行归一化处理，得到归一化后的电流序列
被保护线路另一端的差动保护装置对电流序列i2进行归一化处理，得到归一化后的电流序列
被保护线路另一端的差动保护装置将归一化后的电流序列
通过5G无线通信方式发送到被保护线路一端的差动保护装置中，在被保护线路一端的差动保护装置中将归一化后的电流序列
取反后与归一化后的电流序列
进行DTW距离D(k)及差动保护浮动门槛制动门槛值Dres(k)计算；
步骤4：计算DTW距离D(k)和差动保护浮动门槛制动门槛值Dres(k)是否满足判据D(k)＞K×Dres(k)+D0，其中，K为保护判据的制动系数，一般取值为0.5～1，D0为用于平衡不通讯同步带来的延时抖动门限值，当判据成立时差动保护装置进行保护动作，故障情况为被保护线路上故障，本实施例中K的取值为0.8，D0设为5。
当判据不成立时，差动保护装置不动作，此时为非被保护线路故障或正常运行。
上述技术方案的步骤1中，突变电流故障检测装置对采集的电流信号进行实时的突变量电流检测时检测到连续N个突变量电流值大于预设值时，则判定为突变电流故障。
上述技术方案的步骤3中，对电流序列i1进行归一化处理的具体方法为：i1 *＝(i1k-i1min)/(i1max-i1min)，式中，i1k为保护线路一端第k个电流采样值，i1max为保护线路一端电流采样值中的最大值，i1min为保护线路一端电流采样值中的最小值，经过归一化处理后i1 *∈[0,1]。
所述步骤3中，对电流序列i2进行归一化处理的具体方法为：i2 *＝(i2k-i2min)/(i2max-i2min)，式中，i2k为保护线路另一端的第k个电流采样值，i2max为保护线路另一端电流采样值中的最大值，i2min为保护线路另一端电流采样值中的最小值，经过归一化处理后i2 *∈[0,1]。
上述技术方案的步骤3中，归一化后的电流序列
取反后与归一化后的电流序列
的DTW距离
所述差动保护浮动门槛制动门槛值
图4a展示了区内故障时DTW距离与浮动门槛的变化规律，可以看出DTW距离较大(左图)而浮动门槛较小(右图)，保护可靠动作；图4b展示了区外故障时DTW距离与浮动门槛的变化规律，可以看出DTW距离几乎为零(左图)而浮动门槛很大(右图)，起到了制动效果。
DTW距离计算的具体方法为：
首先计算出，归一化后的电流序列
取反后与归一化后的电流序列
的欧式距离，然后通过所述欧式距离得到DTW距离矩阵，得到DTW距离矩阵中最小的DTW距离路径之和，即为归一化后的电流序列
取反后与归一化后的电流序列
的DTW距离。
DTW距离计算方法
首先计算出两序列的欧式距离：
再按照如下方式计算DTW距离矩阵D
按照上述方式会得到一条最优的匹配路径，并得到最终的DTW距离为
其中，
表示归一化后的电流序列
中的各个电流数据，一共有m个，
表示归一化后的电流序列
中的各个电流数据，一共有n个。
为
与
的DTW距离，D(m,n)为D矩阵从上述路径中选择出欧式距离最近的路径，将该最近的路径上的值相加的值。若要计算Dres(k)，仅需将式(1)中的
改为
上述技术方案中，从DTW距离矩阵左上角出发，路径包含向下、向右以及向右下方向，从上述路径中选择出距离最近的路径，将该路径上的值相加即得到了DTW距离。
上述技术方案的步骤1中，突变量电流的计算公式为ΔIk＝|ik-ik-N|，其中ik为当前电流的瞬时采样值，ik-N为一个采样周期前的电流瞬时采样值。
上述技术方案中如果连续5个电流的突变量超过设定值I0则，配电线路存在突变量电流故障。
以下是结合具体仿真情况对以上步骤进行说明：
如图5为本发明的仿真模型，仿真模型有两个，分别为单电源辐射式结构与闭环运行结构，研究M侧和N侧之间线路的故障情况。
实施例1：使用图5a仿真模型中单电源辐射式结构，仿真时长为0.8s。0.1s时发生区内故障即f1处发生故障，0.5s时发生区外故障即f2处发生故障。对0.8s内M侧与N侧的电流采样值进行监测，记为i1与i2，当突变量电流检测到故障后，对两侧电流进行归一化记为
与
从而计算出DTW举例及浮动门槛主要成分，当满足判据D(k)＞0.8·Dres(k)+5时保护动作，未满足则不动作。图6a为单电源系统AB两相短路区内故障时，故障相A的变化规律，仿真结果显示，在0.1154s时DTW距离超过了浮动门槛，证明A相发生了故障。
实施例2：使用图5b仿真模型中闭环运行结构，仿真时长为0.8s。0.1s时发生区内故障即f1处发生故障，0.5s时发生区外故障即f2处发生故障。对0.8s内M侧与N侧的电流采样值进行监测，记为i1与i2，当突变量电流检测到故障后，对两侧电流进行归一化记为
与
从而计算出DTW举例及浮动门槛主要成分，当满足判据D(k)＞0.8·Dres(k)+5时保护动作，未满足则不动作。图6b为闭环运行系统AB两相短路区内故障时，故障相A的变化规律，仿真结果显示，在0.1033s时DTW距离超过了浮动门槛，证明A相发生了故障。图7为闭环运行系统AB两相短路区外故障时，故障相A的变化规律，仿真结果显示，区外故障时，DTW距离始终低于浮动门槛，保护不会误动。
由上述2个实施例可以验证：基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护能够准确区分区内与区外故障，做到区内可靠动，区外不误动。能够达到配电网系统安全、稳定运行的目的。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：配电线路中被保护线路两端的电流采样装置以固定的频率进行电流信号采样，被保护线路两端的突变电流故障检测装置分别对相应电流采样装置采集的电流信号进行实时的突变量电流检测；
步骤2：当电流故障检测装置检测到配电线路存在突变量电流故障时被保护线路一端的电流采样装置采集的故障时刻前A毫秒内与故障后B毫秒内的电流信号形成电流采样序列i1，此时被保护线路另一端的电流采样装置采集的故障时刻前A毫秒内与故障后B毫秒内的电流信号形成电流采样序列i2；
步骤3：被保护线路一端的差动保护装置对电流序列i1进行归一化处理，得到归一化后的电流序列
被保护线路另一端的差动保护装置对电流序列i2进行归一化处理，得到归一化后的电流序列
被保护线路另一端的差动保护装置将归一化后的电流序列
通过无线通信方式发送到被保护线路一端的差动保护装置中，在被保护线路一端的差动保护装置中将归一化后的电流序列
取反后与归一化后的电流序列
进行DTW距离D(k)及差动保护浮动门槛制动门槛值Dres(k)计算；
步骤4：计算DTW距离D(k)和差动保护浮动门槛制动门槛值Dres(k)是否满足判据D(k)＞K×Dres(k)+D0，其中，K为保护判据的制动系数，D0为用于平衡不通讯同步带来的延时抖动门限值，当判据成立时差动保护装置进行保护动作，故障情况为被保护线路上故障。
2.根据权利要求1所述的基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法，其特征在于：所述步骤1中，突变电流故障检测装置对采集的电流信号进行实时的突变量电流检测时检测到连续N个突变量电流值大于预设值时，则判定为突变电流故障。
3.根据权利要求1所述的基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法，其特征在于：所述步骤3中，对电流序列i1进行归一化处理的具体方法为：i1 *＝(i1k-i1min)/(i1max-i1min)，式中，i1k为保护线路一端第k个电流采样值，i1max为保护线路一端电流采样值中的最大值，i1min为保护线路一端电流采样值中的最小值，经过归一化处理后i1 *∈[0,1]。
4.根据权利要求1所述的基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法，其特征在于：所述步骤3中，对电流序列i2进行归一化处理的具体方法为：i2 *＝(i2k-i2min)/(i2max-i2min)，式中，i2k为保护线路另一端的第k个电流采样值，i2max为保护线路另一端电流采样值中的最大值，i2min为保护线路另一端电流采样值中的最小值，经过归一化处理后i2 *∈[0,1]。
5.根据权利要求1所述的基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法，其特征在于：所述步骤3中，归一化后的电流序列
取反后与归一化后的电流序列
的DTW距离
6.根据权利要求5所述的基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法，其特征在于：所述差动保护浮动门槛制动门槛值
7.根据权利要求4所述的基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法，其特征在于：DTW距离计算的具体方法为：
首先计算出，归一化后的电流序列
取反后与归一化后的电流序列
的欧式距离，然后通过所述欧式距离得到DTW距离矩阵，得到DTW距离矩阵中最小的DTW距离路径之和，即为归一化后的电流序列
取反后与归一化后的电流序列
的DTW距离。
8.根据权利要求7所述的基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法，其特征在于：从DTW距离矩阵左上角出发，路径包含向下、向右以及向右下方向，从上述路径中选择出距离最近的路径，将该路径上的值相加即得到了DTW距离。
9.根据权利要求1所述的基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法，其特征在于：
所述步骤1中，突变量电流的计算公式为ΔIk＝|ik-ik-N|，其中ik为当前电流的瞬时采样值，ik-N为一个采样周期前的电流瞬时采样值。
10.根据权利要求1所述的基于动态时间弯曲距离与浮动门槛的配网差动保护方法，其特征在于：如果连续5个电流的突变量超过设定值I0则，配电线路存在突变量电流故障。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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