CN114884032B - 适用于新能源场站t接型送出线路的高速保护方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
适用于新能源场站T接型送出线路高速保护方法，包括：针对新能源场站T接型送出线路，在每段线路安装相同的保护装置，测量本侧三相电流，将本侧三相电流进行压缩感知得到压缩信号，通过光纤通道将压缩信号传输给其他两侧，收到压缩信号后解压缩得到重构电流；保护装置将两个新能源场站的三相短路电流叠加，并对新能源场站叠加电流和系统侧电流进行Mor l et复小波变换得到小波系数矩阵，利用主成分分析法对小波系数矩阵进行降维，得到特征矩阵；每套所述保护装置对新能源叠加电流特征矩阵和系统侧电流特征矩阵进行堪培拉距离判据运算，通过比较判据实际运算值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，进而根据故障类型启用相应的保护措施。
Description
技术领域
本发明涉及一种保护方法，尤其是涉及一种适用于新能源场站T接型送出线路的高速保护及其应用。
背景技术
随着能源短缺和环境污染的加剧，新能源发电已成为解决该问题的主要途径之一。为了节省电力设备投资，新能源电源常经T接型送出线路并网发电。然而，由于新能源电源呈现出幅值受限、频率偏移、相角受控畸变、含有非基频和低次谐波等故障特性，使得作为主保护之一的传统差动保护面临巨大挑战。因此，需要研究适用于新能源场站T接型送出线路的保护新原理。
针对高比例新能源并网系统，工频量保护动作性能下降的问题，已有学者研究基于高频分量和时域量的保护新原理。高频分量保护利用故障高频电压和高频电流定义高频阻抗模型，提出基于高频阻抗差动的保护新原理，然而该类保护对系统中的噪声以及电力电子换流器短路电流中的谐波分量敏感。时域量保护根据新能源的故障暂态特性与传统同步机的故障特性的差异，利用余弦相似度衡量线路短路电流波形差异，提出基于余弦相似度的新能源场站T接型送出线路保护原理。然而在故障初期，该类保护数据窗内的故障数据较少，保护动作速度较慢，因此开展新能源场站T接型送出线路新型高速保护的研究具有重要意义。
现有技术，如中国专利申请号：CN201910476653x，公开号：CN110165644A公开一种基于暂态电流时频特性的新能源场站纵联保护方法，针对通过电力电子换流器并网的新能源场站送出线路，在线路两侧分别安装两套相同的保护装置；每套保护装置独立测量本侧的三相电流、电压，并在一个工频周期内对测量的本侧电流量进行小波变换；每套保护装置通过光纤通道获取对侧的电气信息量，再根据本侧和对侧同一时刻对应的同名相电流小波系数幅值进行结构相似度与平方误差的综合判据运算；每套保护装置通过比较综合判据运算的实际值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，并根据故障类型启用相应的保护措施。
申请号：CN202110424715x，公开号：CN113054661A公开一种基于堪培拉距离的新能源场站送出线路纵联保护方法，在新能源场站送出线路两侧分别安装相同的线路保护装置，每套保护装置独立测量本侧的三相电流，并利用光纤通道获取对侧的电流信息；对一侧短路电流波形进行反相后，利用堪培拉距离来衡量新能源场站送出线路两侧暂态短路电流的波形相似度；基于新能源场站送出线路发生区内外故障时，两侧暂态短路电流的波形相似度不同，并在考虑相角误差和幅值误差的情况下计算得到堪培拉距离判据的整定值，以此来构造保护判据；根据所述保护判据来识别故障类型，并根据故障类型启用相应的保护措施。
申请号：CN2019112140759，公开号：CN110880743A公开一种基于肯德尔秩相关性的风电场站送出线路纵联保护方法，首先在待保护的风电场站送出线路的W、S侧分别安装相同的继电保护装置，每套继电保护装置独立测量本侧的三相电流值，并通过光纤信道获取对侧的三相电流值；每套继电保护装置根据获得的本侧和对侧同一时刻对应的相同时间窗长内的同名相电流采样值，计算获得肯德尔秩相关系数值；根据获得的每相肯德尔秩相关系数值与预设的保护整定值之间的关系，判定故障位置及故障类型，并采取相应的保护措施。
此外，诸如公开号：CN113376477A、CN114142443A、CN109494697A、CN102570419A、CN113036908A、CN111177205A、CN114156849A、CN112271709A、CN112653105A、CN108963995A、CN109449899A等现有技术，虽然都涉及送出线路的保护方法，然而，上述现有技术并没有利用压缩感知降低保护通讯数据量，减缓通讯压力，同时也没有利用主成分分析法提取特征，以降低保护计算量，提高保护速度。
发明内容
基于上述缺陷，我们提出的这种适用于新能源场站T接型送出线路高速保护方法，通过压缩感知降低通讯所需要的数据量，缓解通讯压力；通过堪培拉距离衡量线路两侧的故障特征，提出适用于新能源场站T接型送出线路高速保护原理，有效的解决了新能源接入电网差动保护动作性能下降的问题，其技术方案如下：
一种适用于新能源场站T接型送出线路高速保护方法，其特征为：
步骤1、针对新能源场站T接型送出线路，在每段线路安装相同的保护装置，测量本侧三相电流，将本侧三相电流进行压缩感知得到压缩信号，并通过光纤通道将压缩信号传输给其他两侧，收到压缩信号后解压缩得到重构电流；
步骤2：所述保护装置将两个新能源场站的三相短路电流叠加，并对新能源场站叠加电流和系统侧电流进行Morlet复小波变换得到小波系数矩阵，利用主成分分析法对小波系数矩阵进行降维，得到特征矩阵；
步骤3：每套所述保护装置对新能源叠加电流特征矩阵和系统侧电流特征矩阵进行堪培拉距离判据运算，并通过比较判据实际运算值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，进而根据故障类型启用相应的保护措施。
本发明还公开一种将适用于新能源场站T接型送出线路高速保护方法应用于新能源场站中。
有益效果
本发明利用压缩感知降低保护通讯数据量，减缓通讯压力，同时利用主成分分析法提取特征，进一步降低保护计算量，提高保护速度，具有一定的优势。
附图说明
图1新能源场站T接型送出线路拓扑及继电保护装置示意图；
图2所提高速保护流程图；
图3新能源叠加电流和系统侧电流的压缩感知重构时频域效果图；其中图3(a)为：新能源叠加电流时域波形；(b)为：系统侧电流时域波形；(c)为：新能源叠加电流频域波形；(d)为系统侧电流频域波形；
图4区内发生BC相间故障时新能源叠加电流和系统侧电流的特征量和堪培拉距离示意图，其中图4(a)为A相电流特征；(b)为B相电流特征；(c)为C相电流特征；(d)为三相电流堪培拉距离。
具体实施方式
一种适用于新能源场站T接型送出线路高速保护方法，其特征为：
步骤1、针对新能源场站T接型送出线路，在每段线路安装相同的保护装置，测量本侧三相电流，将本侧三相电流进行压缩感知得到压缩信号，并通过光纤通道将压缩信号传输给其他两侧，收到压缩信号后解压缩得到重构电流，如图1所示：
利用压缩感知对测量电流信号进行压缩感知，得到压缩信号，压缩感知的表达式为：
yM×1＝ΦM×NxN×1＝ΦM×NΨN×NsN×1
其中xN×1为高维采样电流信号，其可由ΨN×N域内稀疏信号sN×1表示，yM×1为低维压缩信号，ΦM×N为观测矩阵，其代表着具体的压缩方法，N为原始高维采样信号的维度，M为经压缩感知得到的压缩信号的维度。压缩感知只能对稀疏信号进行压缩，而高维的时域采样信号不是稀疏信号，因此首先采用快速傅里叶变换将时域高频率采样电流信号x变换成频域稀疏信号s，采用高斯随机矩阵为观测矩阵,高斯随机矩阵的每一行元素和每一列元素都满足高斯随机分布，对稀疏信号进行观测得到低维随机信号y，压缩感知在压缩和重构过程需要同一个观测矩阵ФM×N,因此所提保护只需在每个保护装置固定同一个观测矩阵ФM×N,无需实时传输观测矩阵，进一步降低保护通讯量。由于故障电流在频域的稀疏系数无法提前得知，因此采用稀疏性自适应匹配跟踪算法对低频率压缩信号y进行重构,稀疏性自适应匹配跟踪算法将迭代算法分为多个过程，在不需要知道信号稀疏度的情况下，通过自适应调整步长来逐步逼近原始信号，最终得到高频率重构信号重构效果可由压缩比(PCR)和重构信噪比(PSNR)进行性能评价，其性能指标的计算公式分别为：
PCR＝M/N
其中n为计算窗内信号采样值的个数，对高维采样信号和高维重构信号进行性能评价，因此n＝N。
原始电流信号的采样频率为5k，选择0.4的压缩比对原始电流信号进行压缩感知，得到2k的压缩信号，传输2k的压缩信号可以降低传输数据量，减缓通讯压力，接收到压缩信号后进行解压缩得到5k的重构信号，以原始信号和重构信号的重构信噪比大于20为重构成功。
步骤2、保护装置将两个新能源场站的三相短路电流叠加得到新能源场站侧叠加电流，小波变换可以实时的提取电流波形时频域特征信息，因此对新能源场站叠加电流和系统侧电流进行小波变换得到小波系数矩阵，其中小波系数矩阵的两个维度分别为时间和频率，由于不同频率间的小波系数相关，小波系数矩阵的冗余度较高，若直接用于构造保护，保护算法的计算量大。因此本文采用主成分分析法对小波系数矩阵进行降维，提取系数矩阵的主要特征，剔除冗余信息，利用主要特征构造保护，降低计算量，提高保护的动作速度。
Morlet复小波变换及母小波函数为：
式中：Wf为小波变换系数；a和b分别代表伸缩因子和平移因子；f(t)代表待处理信号；ψ(t)代表母小波函数；ψ*代表对母小波函数取共轭；fb和fc分别为小波变换截止频率和中心频率，R代表实数域。保护采用故障前后5ms的数据窗长，分析的频率为10～1000Hz，间隔为10Hz,因此短路电流通过小波变换后得到100×100维的小波系数矩阵：
式中：ai,j为短路电流小波幅值系数。
主成分分析法是一种常用的数据降维方法，能够在最大限度地保证原有信息不受损失地情况下，将原始信息高维特征映射成低维正交特征(主成分)。为了保证原有信息不丢失，保留的特征值的贡献率累计应高于75％～95％，考虑保存原有95％以上的信息，将小波系数矩阵降成三维特征矩阵：
式中：bi,j为短路电流时频特征系数。
步骤3、每套保护装置对新能源叠加电流特征矩阵和系统侧电流特征矩阵进行堪培拉距离判据运算，并通过比较判据实际运算值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，进而根据故障类型启用相应的保护措施。
堪培拉距离公式为：
式中，d(X,Y)为两幅特征图像的堪培拉距离，X和Y分别为两幅特征图像的矩阵数据，xij和yij分别代表X和Y两矩阵中第i行、第j列元素的值,k为特征个数,k＝3，m为时间,m＝100。堪培拉距离的取值范围为[0,1],当送出线路发生区内故障，两幅特征图像差异很大，堪培拉距离接近于1；当新能源电源出力为0时，一副图像为0，此时堪培拉距离为1；正常运行或者区外故障时，两幅特征图像相同，堪培拉距离为0。因此只需要通过可靠系数躲过正常运行时的误差进行定值整定，具体如下：
dset＝1·Kmag·Kmar
式中，dset为保护整定值,Kmag为幅值可靠系数；Kmar为裕度可靠系数。考虑CT的10％的幅值误差和压缩感知的10％的误差，Kmag为0.2。考虑1.5倍的裕度，Kmar为1.5。因此保护定值整定为0.3，保护动作判据为：
d(X,Y)＞0.3
根据判据堪培拉距离实际运算值与整定值之间的大小关系，识别故障类型，进而根据故障类型启用相应的保护措施，其具体方法为：
每套保护装置分相进行故障判断，若发生单相故障，则判定满足综合判据的相别为故障相，继电保护装置发出故障相跳闸命令，非故障相仍继续运行。
若发生两相或三相故障，则判定满足综合判据的相别为故障相，继电保护装置发出三相全部跳闸命令。
实施例1
根据图1中的拓扑结构在实时数字仿真器(Real time digital simulator，RTDS)中搭建新能源T接并网系统电磁暂态模型以验证本发明提出的保护算法，图中#1新能源场站为双馈风电场，#2新能源场站为永磁风电场，两个风电场经T接型送出线路并网。两个风电场容量都为99MW，每段线路长度都为20km,电压等级为220kV，线路正、负序阻抗均为0.076+j0.338Ω/km，零序阻抗为0.284+j0.824Ω/km，主变额定容量120MVA，变比220kV/35kV，YNd接线，短路阻抗6％。
故障位置设置为近端区外故障和线路中点区内故障，根据场站序号分别定义为K11、K12、K21、K22、K31、K32，故障类型设为A相接地、BC两相接地、BC两相短路和ABC三相短路为例，分别简记为AG、BCG、BC、ABC。
图3为新能源侧叠加电流和系统侧电流的压缩感知重构效果图。由图3可知，在压缩比为0.4时，基于稀疏性自适应匹配跟踪算法的压缩感知重构算法可以可靠的重构短路电流的时频域信息。在故障初期，新能源场站侧叠加电流波形畸变，呈现出非工频特性，压缩感知的重构信噪比为31.9781。系统侧短路电流波形呈现指数衰减的正弦波，压缩感知的重构效果较好，信噪比为34.9572。将重构的信号与原始的采样信号进行小波变换得到短路电流的时频波形图，新能源叠加电流和系统短路电流的时频域重构信噪比都在30以上，因此可以认为压缩感知可以有效的恢复短路电流的时频信息，信噪比较高。
图4为区内发生BC相间故障时新能源叠加电流和系统侧电流的特征量和堪培拉距离示意图。由图4可知，非故障相(A相)流过穿越性电流，新能源叠加侧电流与系统侧电流的故障特征一致，两幅时频特征图像重合，因此非故障相堪培拉距离接近于0，所提保护可靠不动作。故障相两侧电流差异较大，因此故障相的两幅时频特征图存在很大差异，堪培拉距离在故障后2ms内大于保护定值，保护快速可靠动作。
为进一步验证本发明所提算法的有效性，根据图1中展示的不同故障位置、不同故障类型等情况在硬件在环动模仿真实验平台中进行了大量研究，表1～表3给出了所有仿真结果.其中表1给出了区内、外各种类型故障时堪培拉距离计算值，其中区内故障为遍历所有故障点的最大最小堪培拉距离计算值，区外故障为区外近端故障；表2给出了K22处发生A相接地和BC相接地故障在不同过渡电阻情况下，堪培拉距离计算值，表3给出了K22发生故障在不同强度系统噪声的堪培拉距离计算值。
表1
表2
表3
上述仿真结果表明，保护能够可靠快速地识别各种类型的区内、外故障，在故障电阻较大也能可靠动作，灵敏度较高。主成分分析可以降低系统噪声对保护的影响，因此所提保护系统噪声的影响较小，大20dB的系统噪声下依然可靠动作。
本发明所提方法利用压缩感知压缩高频率采样数据，传输压缩信号，降低保护通讯量，缓解了高速保护通讯量大的问题。利用故障初期的新能源电源和同步电源的短路电流特性差异构造保护，理论上可以在故障2ms内可靠识别故障，解决了时域量保护动作速度慢的问题。利用主成分分析法对小波系数矩阵降维，忽略与噪声相关的高维特征，同时堪培拉距离算法的分母可以对差异进行归一化，进一步降低系统噪声的影响，所提保护可以在20dB的系统噪声下可靠动作，解决了高频量保护受噪声影响大的问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (4)
1.一种适用于新能源场站T接型送出线路高速保护方法，其特征为：
步骤1.针对新能源场站T接型送出线路，在每段线路安装相同的保护装置，测量本侧三相电流，将本侧三相电流进行压缩感知得到压缩信号，并通过光纤通道将压缩信号传输给其他两侧，收到压缩信号后解压缩得到重构电流；利用压缩感知对测量电流信号进行压缩感知，得到压缩信号，压缩感知的表达式为：yM×1＝ΦM×NxN×1＝ΦM×NΨN×NsN×1,其中:xN×1为高维采样电流信号，其由ΨN×N域内稀疏信号sN×1表示，yM×1为低维压缩信号，ΦM×N为观测矩阵，N为原始高维采样信号的维度，M为经压缩感知得到的压缩信号的维度；
步骤2：所述保护装置将两个新能源场站的三相短路电流叠加，并对新能源场站叠加电流和系统侧电流进行Morlet复小波变换得到小波系数矩阵，利用主成分分析法对小波系数矩阵进行降维，得到特征矩阵；
步骤3：每套所述保护装置对新能源叠加电流特征矩阵和系统侧电流特征矩阵进行堪培拉距离判据运算，并通过比较判据实际运算值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，进而根据故障类型启用相应的保护措施；
堪培拉距离公式为：
；
式中，为两幅特征图像的堪培拉距离，X和Y分别为两幅特征图像的矩阵数据，和/>分别代表X和Y两矩阵中第i行、第j列元素的值，k为特征个数，m为时间;堪培拉距离的取值范围为[0,1],当送出线路发生区内故障，两幅特征图像差异很大，堪培拉距离接近于1；当新能源电源出力为0时，一幅图像为0，此时堪培拉距离为1；正常运行或者区外故障时，两幅特征图像相同，堪培拉距离为0；通过可靠系数躲过正常运行时的误差进行定值整定，具体如下：
dset＝1·Kmag·Kmar；
式中，dset为保护整定值，Kmag为幅值可靠系数；Kmar为裕度可靠系数;考虑CT的10％的幅值误差和压缩感知的10％的误差，Kmag为0.2；考虑1.5倍的裕度，Kmar为1.5,因此保护定值整定为0.3，保护动作判据为：
d(X,Y)＞0.3；
根据判据堪培拉距离实际运算值与整定值之间的大小关系，识别故障类型，进而根据故障类型启用相应的保护措施，其具体方法为：每套保护装置分相进行故障判断，若发生单相故障，则判定满足综合判据的相别为故障相，继电保护装置发出故障相跳闸命令，非故障相仍继续运行；若发生两相或三相故障，则判定满足综合判据的相别为故障相，继电保护装置发出三相全部跳闸命令。
2.根据权利要求1所述的适用于新能源场站T接型送出线路高速保护方法，其特征为：采用高斯随机矩阵为观测矩阵，用FFT将高维采样电流信号x变换到频域，用稀疏性自适应匹配跟踪算法SAMP对低维压缩信号y进行重构得到高维重构信号，重构效果可由压缩比PCR和重构信噪比PSNR进行性能评价，其性能指标的计算公式分别为：
PCR＝M/N；
；
其中n为计算窗内信号采样值的个数，对高维采样信号和高维重构信号进行性能评价，因此n＝N，xi为高维采样电流信号第i个采样值。
3.根据权利要求1所述的适用于新能源场站T接型送出线路高速保护方法，其特征为：所述步骤2进一步包括如下内容：
Morlet复小波变换及母小波函数为：
；
；
式中：t为时间，Wf为小波变换系数；a和b分别代表伸缩因子和平移因子；f(t)代表待处理信号；ψ(t)代表母小波函数；ψ*代表对母小波函数取共轭；fb和fc分别为小波变换截止频率和中心频率，R代表实数域。
4.一种新能源场站，其特征为：将权利要求1-3任一所述的适用于新能源场站T接型送出线路高速保护方法应用于该新能源场站中。
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