CN114865602A - 一种基于5g通信和改进dtw的配电网差动保护算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法，包括：分别采集一个时间窗内电网线路两端的电流幅值时间序列；选取所述电流幅值时间序列的最大值和最小值，以进行归一化；利用改进DTW算法计算所述电流幅值时间序列的DTW距离；所述DTW距离若大于动作判据阈值，则进行差动保护动作，否则重新进行上述步骤；本发明将5G通信技术引入配电网差动保护领域，为了解决5G通信存在的通信时延和时延抖动问题，引入了DTW算法，并针对传统DTW算法开销大、电流序列波形扭曲、依靠经验选取参数等缺陷，提出了下界函数、排序舍弃策略和粒子群优化策略予以改进。本发明应用于在5G背景下配电网差动保护中，实现对差动保护选择性和速动性的提升。

Description

一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法

技术领域

本发明涉及配电网差动保护的技术领域，尤其涉及一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法。

背景技术

近年来，越来越多的分布式电源接入配电网中。配电网逐步由传统的辐射型网络转变为多源、多端网络，继电保护性能要求日益严苛，三段式电流保护逐渐难以识别配电网故障。为提高保护灵敏性，电流差动保护被引入到新型配电网中，原理上适用于多源网络故障问题，具有优秀的选择性、灵敏性和速动性。但差动保护依赖光纤通道，成本高、建设时间长、铺设难度大，配电网差动保护难以得到大规模推广使用。

5G通信相较于4G网络，具有高速率、低时延、高可靠性等优势，理论上可以满足电流差动保护的时延要求，并且相比光纤价格便宜，将5G通信技术引入配电网差动保护领域，有望推广配电网差动保护的使用。但5G通信基于无线传输，传输的实时性、可靠性受天气、阻碍物等因素的影响较大，需要考虑通道延时和延时抖动对差动保护的影响。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，包括：分别采集一个时间窗内电网线路两端的电流幅值时间序列；选取所述电流幅值时间序列的最大值和最小值，以进行归一化；利用改进DTW算法计算所述电流幅值时间序列的DTW距离；所述DTW距离若大于动作判据阈值，则进行差动保护动作，否则重新进行上述步骤。

作为本发明所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法的一种优选方案，其中，所述归一化包括：

其中，i_k为电流实际值，i_k’为归一化后的电流值，i_min和i_max分别为电流幅值时间序列的最小值和最大值。

作为本发明所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法的一种优选方案，其中，所述改进DTW算法包括：将DTW算法与下界函数、排序舍弃策略和粒子群优化策略结合。

作为本发明所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法的一种优选方案，其中，所述DTW算法包括：

给定一个数据时间窗T内的电流幅值时间序列V_p和V_q：

V_p＝v_p1,v_p2,...,v_pm

V_q＝v_q1,v_q2,...,v_qn

其中，m和n分别为V_p和V_q的数据维度，数据长度取决于采样频率f。

作为本发明所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法的一种优选方案，其中：

根据时间序列构建的距离矩阵S：

其中，

其中，i为矩阵S的行，j为矩阵S的列；

矩阵S中相邻矩阵元素的集合为规整路径矩阵W：

W＝[w₁,w₂,...,w_K]

其中，K为最优规整路径的长度。

作为本发明所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法的一种优选方案，其中，所述DTW距离包括：

两时间序列之间的DTW距离为：

其中，w_i为最优规整路径的第i个元素。

求解DTW距离的递归算法为：

DTW(V_p,V_q)＝S(m,n)

S(0,0)＝0

S(0,∞)＝0

S(∞,0)＝0

S(i,j)＝s_ij+min{S(i-1,j-1),S(i-1,j),S(i,j-1)}

其中，S(i,j)为最优规整路径的子结构，s_ij为距离矩阵元素。

作为本发明所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法的一种优选方案，其中，所述下界函数包括：

设时间序列V_p的边界约束为r，利用r参数构建2个边界序列：

U＝[u₁,u₂,...,u_n]

L＝[l₁,l₂,...,l_n]

u_i＝max(v_p(i-r):v_p(i+r))

l_i＝min(v_p(i-r):v_p(i+r))

其中，U和L分别为上边界序列和下边界序列；

设候选序列为V_q，V_p和V_q的下界函数为：

其中，S_LB为V_q序列未进入边界内的距离之和。

作为本发明所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法的一种优选方案，其中，所述排序舍弃策略包括：

将w_i按升序排列，只保留前b项，对b<i≤K的w_i项直接舍弃：

作为本发明所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法的一种优选方案，其中，所述粒子群优化策略包括：将数据时间窗T、采样频率f、下界函数的边界约束r和排序舍弃参数b，构成[T,f,r,b]向量作为待优化粒子，以训练数据下DTW距离最小为目标，通过粒子群算法进行参数优化。

作为本发明所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法的一种优选方案，其中：采用5G作为数据通信的媒介。

本发明的有益效果：本发明将5G通信技术引入配电网差动保护领域，为了解决5G通信存在的通信时延和时延抖动问题，引入了DTW算法，并针对传统DTW算法开销大、电流序列波形扭曲、依靠经验选取参数等缺陷，提出了下界函数、排序舍弃策略和粒子群优化策略予以改进。本发明应用于在5G背景下配电网差动保护中，实现对差动保护选择性和速动性的提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法的流程图；

图2为本发明第二个实施例所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法的电路图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～2，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法方法，包括：

S1：分别采集一个时间窗内电网线路两端的电流幅值时间序列。

采用5G作为数据通信的媒介。

S2：选取电流幅值时间序列的最大值和最小值，以进行归一化。

归一化包括：

其中，i_k为电流实际值，i_k’为归一化后的电流值，i_min和i_max分别为电流幅值时间序列的最小值和最大值。

S3：利用改进DTW算法计算电流幅值时间序列的DTW距离。

基于5G通信的配电网差动保护本质上是基于2个电流时间序列关系的判别，且时间序列在时间轴上存在延时抖动；因此，本发明引入DTW算法，从算法层面降低通道延时和延时抖动的影响。

DTW算法包括：

给定一个数据时间窗T内的电流幅值时间序列V_p和V_q：

V_p＝v_p1,v_p2,...,v_pm

V_q＝v_q1,v_q2,...,v_qn

其中，m和n分别为V_p和V_q的数据维度，数据长度取决于采样频率f。

根据时间序列构建的距离矩阵S：

其中，

其中，i为矩阵S的行，j为矩阵S的列；

矩阵S中相邻矩阵元素的集合为规整路径矩阵W：

W＝[w₁,w₂,...,w_K]

其中，K为最优规整路径的长度。

DTW距离包括：

两时间序列之间的DTW距离为：

其中，w_i为最优规整路径的第i个元素。

求解DTW距离的递归算法为：

DTW(V_p,V_q)＝S(m,n)

S(0,0)＝0

S(0,∞)＝0

S(∞,0)＝0

S(i,j)＝s_ij+min{S(i-1,j-1),S(i-1,j),S(i,j-1)}

其中，S(i,j)为最优规整路径的子结构，s_ij为距离矩阵元素。

传统DTW算法用于配电网差动保护时，存在如下缺陷：DTW算法的路径个数随着时间序列数据点增多，算法开销增大，运行时间加长，增加了算法时延；差动纵联保护启动判据导致启动时刻不同步，两侧电流时间序列首端和末端易出现波形扭曲；数据时间窗、采样频率对算法精度影响很大，但参数选取通常依靠人为经验，限制了算法精度。

为进一步提高DTW算法的精度，本发明的改进DTW算法将DTW算法与下界函数、排序舍弃策略和粒子群优化策略结合，分别克服上述缺陷。

下界函数技术使用一种简单的函数实现对DTW的粗略估计，剔除大于阈值的部分，只针对少部分选入的时间序列进行DTW度量，从而实现降低算法开销、提高运行速度的效果；下界函数包括：

设时间序列V_p的边界约束为r，利用r参数构建2个边界序列：

U＝[u₁,u₂,...,u_n]

L＝[l₁,l₂,...,l_n]

u_i＝max(v_p(i-r):v_p(i+r))

l_i＝min(v_p(i-r):v_p(i+r))

其中，U和L分别为上边界序列和下边界序列；

设候选序列为V_q，V_p和V_q的下界函数为：

其中，S_LB为V_q序列未进入边界内的距离之和。

当电流时间序列首端或末端发生波形扭曲时，通常波形扭曲位置的欧氏距离s_ij最大，因此引入排序舍弃策略；排序舍弃策略包括：

将w_i按升序排列，只保留前b项，对b<i≤K的w_i项直接舍弃：

改进DTW算法的重要参数有：数据时间窗T、采样频率f、下界函数的边界约束r和排序舍弃参数b；为提高参数选取的准确性，采用粒子群优化策略辨识重点参数；粒子群优化策略包括：

将数据时间窗T、采样频率f、下界函数的边界约束r和排序舍弃参数b，构成[T,f,r,b]向量作为待优化粒子，以训练数据下DTW距离最小为目标，通过粒子群算法进行参数优化。

S4：DTW距离若大于动作判据阈值，则进行差动保护动作，否则返回S1。

实施例2

为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择不同方法和采用本方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。

本发明采用PSCAD/EMTDC仿真软件模拟有源配电网差动保护模型，以验证方法的有效性，模型结构如图2所示。

差动保护一端为本地电流采样模拟，另一端将信号通过RS485传送给P节点，P节点经5G基站将数据转发给Q节点，使用华为工业5G模块模拟5G通信时延，最后Q节点将数据再发送给仿真软件；模型双电源均采用中性点经小电阻接地，接地电阻值10Ω，负荷Ld1、Ld2有功功率均为2MW，功率因数为0.85，DG额定容量为2MW。

为进一步验证本发明所提模型的有效性和准确性，采用基于5G通信的差动保护模型和基于5G通信和原始DTW的差动保护模型作为对照组，比较3种模型在不同故障类型下的动作情况和动作时间。

考察线路MN，S1～S8均闭合，在其区内靠近母线M的f1处和线路中点f2处分别设置不同类型的短路故障，对比不同模型在双电源区内故障场景下的动作情况，其结果如下表所示：

表1：双电源区内故障场景下的动作情况比较。

由表1可知，在3种模型中，本发明提出的基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护模型的动作时间在双电源区内不同故障位置、不同故障类型下均为最小，验证了本发明所提方法可以有效改善差动保护的速动性和灵敏性；本发明模型在双电源区内故障各个场景下均有效动作，验证了5G通信用于配电网差动保护的可行性。

考察线路MN，S1～S8均闭合，在其区外下游靠近出口的f3处分别设置不同类型的短路故障，对比不同模型在双电源区外故障场景下的动作情况，其结果如下表所示：

表2：双电源区外故障场景下的动作情况比较。

观察表2可知，各个模型在双电源区外故障时均不动作，均可顺利区分双电源区内、区外故障。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法，其特征在于，包括：

分别采集一个时间窗内电网线路两端的电流幅值时间序列；

选取所述电流幅值时间序列的最大值和最小值，以进行归一化；

利用改进DTW算法计算所述电流幅值时间序列的DTW距离；

所述DTW距离若大于动作判据阈值，则进行差动保护动作，否则重新进行上述步骤。

2.如权利要求1所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法，其特征在于，所述归一化包括：

其中，i_k为电流实际值，i_k’为归一化后的电流值，i_min和i_max分别为电流幅值时间序列的最小值和最大值。

3.如权利要求1所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法，其特征在于，所述改进DTW算法包括：

将DTW算法与下界函数、排序舍弃策略和粒子群优化策略结合。

4.如权利要求3所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法，其特征在于，所述DTW算法包括：

给定一个数据时间窗T内的电流幅值时间序列V_p和V_q：

V_p＝v_p1,v_p2,...,v_pm

V_q＝v_q1,v_q2,...,v_qn

其中，m和n分别为V_p和V_q的数据维度，数据长度取决于采样频率f。

5.如权利要求4所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法，其特征在于，还包括：

根据时间序列构建的距离矩阵S：

其中，

其中，i为矩阵S的行，j为矩阵S的列；

矩阵S中相邻矩阵元素的集合为规整路径矩阵W：

W＝[w₁,w₂,...,w_K]

其中，K为最优规整路径的长度。

6.如权利要求1或5所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法，其特征在于，所述DTW距离包括：

两时间序列之间的DTW距离为：

其中，w_i为最优规整路径的第i个元素。

求解DTW距离的递归算法为：

DTW(V_p,V_q)＝S(m,n)

S(0,0)＝0

S(0,∞)＝0

S(∞,0)＝0

S(i,j)＝s_ij+min{S(i-1,j-1),S(i-1,j),S(i,j-1)}

其中，S(i,j)为最优规整路径的子结构，s_ij为距离矩阵元素。

7.如权利要求3所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法，其特征在于，所述下界函数包括：

设时间序列V_p的边界约束为r，利用r参数构建2个边界序列：

U＝[u₁,u₂,...,u_n]

L＝[l₁,l₂,...,l_n]

u_i＝max(v_p(i-r):v_p(i+r))

l_i＝min(v_p(i-r):v_p(i+r))

其中，U和L分别为上边界序列和下边界序列；

设候选序列为V_q，V_p和V_q的下界函数为：

其中，S_LB为V_q序列未进入边界内的距离之和。

8.如权利要求3所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法，其特征在于，所述排序舍弃策略包括：

将w_i按升序排列，只保留前b项，对b<i≤K的w_i项直接舍弃：

9.如权利要求3所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法，其特征在于，所述粒子群优化策略包括：

将数据时间窗T、采样频率f、下界函数的边界约束r和排序舍弃参数b，构成[T,f,r,b]向量作为待优化粒子，以训练数据下DTW距离最小为目标，通过粒子群算法进行参数优化。

10.如权利要求1所述的一种基于5G通信和改进DTW的配电网差动保护算法，其特征在于，还包括：

采用5G作为数据通信的媒介。

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