CN116632791A - 基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法，属于新能源交流线路继电保护技术领域，解决传统基于工频量的双端保护方案在新能源接入后可靠性不足的问题；利用电流启动判据确定故障时刻，并采集故障发生后时间窗内的三相电流数据；利用相模变换解耦三相电流，提取故障电流线模分量，利用小波包变换对其进行分解以获取小波包系数；通过构造复合暂态能量分析线路两端低频特征差异，并利用低频小波包系数计算两端复合暂态能量，从而识别区内和区外故障；构造的基于低频特征的复合暂态能量表征时域下线模电流的波形变化信息反映区内故障和区外故障下线路两侧线模电流波形差异；不需要双端数据严格同步，降低实际工程中的实施难度。
Description
技术领域
本发明属于新能源交流线路继电保护技术领域，涉及一种基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法。
背景技术
随着气候变暖以及传统能源短缺问题的日益凸显，我国能源结构逐渐发生改变，传统的化石燃料为主体的电力系统正在向清洁、可再生式的绿色能源转型，以风电、光伏为代表的新能源电源在整个电力系统中的占比逐年上升。新能源需要通过电力电子器件并网，这使得目前的电力系统呈现“高比例电力电子设备”特征。相较于传统的火电电源，新能源电源故障特性有着非常明显的差别。新能源网络故障后，在控制系统的作用下，故障分量基频特征不明显，高频含量丰富，这导致传统的以工频量为主体的保护方案面临失效风险，对电力系统的安全稳定运行带来很大挑战。
线路纵联保护是当线路发生故障时,使两侧开关同时快速跳闸的一种保护装置,是线路的主保护。它以线路两侧判别量的特定关系作为判据。即两侧均将判别量借助通道传送到对侧，然后，两侧分别按照对侧与本侧判别量之间的关系来判别区内故障或区外故障。因此，判别量和通道是纵联保护装置的主要组成部分。
现有技术中，申请公布时间为2015年05月27日、申请公布号为CN104655981A的中国发明专利申请《一种利用交叉顺序差分变换的行波极性比较式方向保护方法》利用交叉顺序差分变换的行波极性比较式方向保护方法，该方案首先提取故障电压与电流信号，对提取的行波信号进行交叉顺序差分变换，并将变换后的电压量与电流量代入判别式区分正方向故障与反方向故障。申请公布时间为2022年08月23日、申请公布号为CN114937978A的中国发明专利申请《基于前四个电压行波极性差异高比例新能源线路保护方法》通过分析了不同位置发生故障后行波的折反射过程，接着验证了前四个电压行波的极性特征，依据前四个电压行波的极性差异实现区内外的故障识别；该方法需要依据前四个行波波头的准确采集。申请公布时间为2022年12月23日、申请公布号为CN115513916A的中国发明专利申请《一种输电线路纵联方向保护方法及系统》通过分别计算线路两侧的故障电流与正常运行电流之比的相位值，从而得到两侧故障电流方向结果；若两侧故障电流方向结果一致则判定为区外故障，反之为区内故障。
上述方案依赖于故障首波头的精准捕捉，但当发生高阻接地故障时，线模电流首波头突变非常微弱，仅利用初始波头极性特征可靠性不高。
发明内容
本发明的目的在于如何解决传统基于工频量的双端保护方案在新能源接入后可靠性不足的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法，包括以下步骤：
S1、线路两端保护装置实时采集三相电流数据，采用电流的变化率的绝对值|di/dt|作为启动判据，当检测到电流的变化率超过整定阈值时，保护装置启动并上传采样数据，其中Δiset为设定的整定阈值；
S2、保护装置启动后，线路两端保护装置收集故障后设定的时间窗内的三相电流数据，利用克拉克变换对三相电流解耦，提取故障电流的线模分量，并利用小波包变换对故障电流线模分量进行分解，从而获取小波包分解系数；
S3、构造线路复合暂态能量，依据复合暂态能量的低频特征确定其所对应的逻辑值DR1与DR2，并根据DR1与DR2的逻辑关系判断故障类型。
进一步地，步骤S2中所述的相模变换对三相电流解耦，提取故障电流的线模分量的方法如下：
其中，Iα、Iβ、I0分别为相电流Ia、Ib、Ic克拉克变换下的α模分量、β模分量和0模分量。
进一步地，所述的线模分量采用α模分量。
进一步地，步骤S2中所述的利用小波包变换对故障电流线模分量进行分解，从而获取小波包分解系数的方法如下：将求得的α模分量Iα作为小波包分解的输入信号，信号经低通滤波器与高通滤波器分解为低频子带与高频子带；d0(t)与d1(t)分别为α模分量Iα经一层小波包分解后所对应的分解系数；接着分别将求得的低频子带与高频子带作为输入信号，重复上述操作，这样就可以得到多分解尺度下各个频带的小波包分解系数；将小波包分解系数进一步分解，从而形成二叉树结构。原始信号经k层小波包分解后划分为2k个频带，若信号的采样频率为fs，各个频带的划分范围为((j-1)/2k+1,j/2k+1)fs,(j＝1,2...2k)。
进一步地，所述的小波包分解系数的递推公式为：
式中，hk与gk分别为正交母小波的低通滤波系数与高通滤波系数。
进一步地，步骤S2中所述的设定的时间窗为5ms。
进一步地，步骤S3中所述的构造线路复合暂态能量的方法具体如下：根据Parseval原理，信号在各个节点的能量可由正交小波包变换下的小波包变换系数的平方和求得，即Ek,j为信号经k层分解后第j个频带所对应的能量，dj(k)为小波包分解系数，N为离散重构信号的离散采样点数；选取第一个频带所对应的复合暂态能量EM为研究对象，构造线路复合暂态能量/>其中，dm(k)为k层小波包分解后各个所对应的小波包分解系数，j为频带序号，N为经分解后每个频带所对应的宽度。
进一步地，所述的小波为db2小波，其分解层数为k＝3。
进一步地，步骤S3中所述的依据复合暂态能量的低频特征确定其所对应的逻辑值DR1与DR2，并根据DR1与DR2的逻辑关系判断故障类型的方法具体为：当线路复合暂态能量EM＞0时，定义逻辑值DR1＝1；当线路复合暂态能量EM＜0时，定义逻辑值DR1＝0；将本侧逻辑值发送给对侧保护装置，若DR1⊙DR2＝1，则该故障被识别为区内故障；若DR1⊙DR2＝0，则该故障被识别为区外故障。
本发明的优点在于：
(1)本发明首先利用电流启动判据确定故障时刻，并采集故障发生后时间窗内的三相电流数据；然后利用相模变换解耦三相电流，提取故障电流线模分量，并利用小波包变换对其进行分解以获取小波包系数；最后，通过构造复合暂态能量分析线路两端低频特征差异，并利用低频小波包系数计算两端复合暂态能量，从而识别区内和区外故障。与现有技术相比，本发明所构造的基于低频特征的复合暂态能量表征时域下线模电流的波形变化信息，可以反映区内故障和区外故障下线路两侧线模电流波形差异，解决了传统基于工频量的双端保护方案在新能源接入后可靠性不足的问题；本发明只需将逻辑信号发送给对端装置，不需要双端数据严格同步，降低了实际工程中的实施难度。
(2)新能源接入后，电力系统的故障特性发生明显改变，具体表现为故障电流幅值受限以及基频特征不明显。在此背景下，传统基于工频量的保护方案存在可靠性不足的问题；随着阻波器的淘汰，交流系统的边界效应较弱，因此基于传统频带能量的边界保护方案在该情景下也存在适应性问题。本发明构造了一种新型复合暂态能量，并以暂态能量的低频特征表征时域下波形的总体变化趋势，该方案解决了新能源背景下故障电流幅值突变微弱的问题，提高了保护方案的可靠性。
(3)传统的纵联保护方案需要线路两端数据严格同步，并且通信量较大，对设备的要求较高。本发明的方法只需依据复合暂态能量的低频特征将逻辑信号发送给对端装置，并且不需双端数据严格同步，具有较好的可行性。
附图说明
图1为本发明实施例的基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法的流程图；
图2为本发明实施例的新能源场站并网示意图；
图3为本发明实施例的区内故障时附加网络示意图；
图4为本发明实施例的区外故障时附加网络示意图；
图5本发明实施例的线模电流原始信号与第一个频带小波包分解系数对比图；
图6为本发明实施例的区内故障时线路两侧线模电流波形图；
图7为本发明实施例的区外故障时线路两侧线模电流波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，本发明实施例的基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法，具体如下：
故障发生后，电流发生突变，因此可以使用|di/dt|作为启动判据，当检测到电流的变化率超过整定阈值时，保护装置上传采样数据，其中Δiset为设定的整定阈值。为解决线路电流波动造成的保护误启动问题，Δiset应大于正常工况下电流的波动量。
保护启动后，为了不计及新能源控制策略的影响，应选取较短的时间数据窗长，在保有一定裕度的情况下，两端装置分别选取故障后5ms时间窗内的数据；
采集到的三相电流信号相互耦合，首先需要通过克拉克变换实现三相解耦，由于α模分量较为稳定，色散现象不明显，并且适用于相间故障，因此本发明优选采用α模电流作为研究对象；所述的克拉克变换的公式如下：
其中，Iα、Iβ、I0分别为相电流Ia、Ib、Ic克拉克变换下的α模分量、β模分量和0模分量；其中0模分量在三相导体和大地之间传播，α模分量在A相和B相导体之间传播，β模分量在A相和C相导体之间传播，α模分量和β模分量仅传播在导体之间，所以又称线模分量。
小波包变换通过低通滤波器与高通滤波器将信号分解为近似系数与细节系数，并将代表低频成分的近似系数进一步分解，而高频小波包系数部分并未做后续处理，因此小波包变换在高频段的频率分辨率较低。小波包变换在小波变换的基础上对高频部分也进行相同尺度的分解，这使得小波包变换具有更高的时频分辨率。
将求得的α模电流Iα作为小波包分解的输入信号；信号经低通滤波器与高通滤波器分解为低频子带与高频子带。d0(t)与d1(t)分别为α模分量Iα经一层小波包分解后所对应的分解系数；接着分别将求得的低频子带与高频子带作为输入信号，重复上述操作，这样就可以得到多分解尺度下各个频带的小波包分解系数。小波包分解系数的递推公式为：
式中，hk与gk分别为正交母小波的低通滤波系数与高通滤波系数；
小波包变换将细节系数进一步分解，从而形成二叉树结构。原始信号经k层小波包分解后划分为2k个频带，若信号的采样频率为fs，各个频带的划分范围为((j-1)/2k+1,j/2k +1)fs,(j＝1,2...2k)；正交db小波在对非平稳信号进行时频分析时能较好反映原始信号的能量特征，因此，本发明优选采用消失矩较小的db2小波；分解尺度越大，原始信号中的高频分量越少，但过高的分解尺度对于计算量要求更高，因此本文选择的分解尺度为3，此时各个频带的带宽为12.5kHz。
根据Parseval原理，信号在各个节点的能量可由正交小波包变换下的小波变换系数的平方和求得，即Ek,j为信号经k层分解后第j个频带所对应的能量，dj(k)为小波包分解系数，N为离散重构信号的离散采样点数。
传统能量构造方式未考虑时域下较为明显的波形变化特征，本发明重新构造的线路复合暂态能量，其低频特征可以反映时域下信号的主要轮廓，因此选取第一个频带所对应的复合暂态能量EM为研究对象，其中dm(k)为3层小波包分解后第一个频带所对应的小波包分解系数。
图2为新能源并网示意图，新能源场站内部多个发电单元经高压母线MN以及NO与外部系统相连，路MN长度为120km，NO长度为80km，本发明研究对象为MN，规定母线指向线路的方向为正方向。
图3为区内故障时的故障附加网络，根据叠加原理，故障点处相当于叠加了一个负的电压源Δuf，若所附加电压源Δuf极性为正，则线模电流由故障点向线路两端传播，根据线路规定的正方向，线路两端的线模电流极性都为负；若所附加电压源Δuf极性为负，则线模电流由线路向故障点传播，此时线路两端的线模电流极性都为正，因此区内故障时，线路两端线模电流极性相同。
图4为区外故障时的故障附加网络，若所附加电压源Δuf极性为正，则线模电流由故障点向线路两端传播，根据线路规定的正方向，M端线模电流极性为负，N端线模电流极性为正；若所附加电压源Δuf极性为负，则线模电流由线路向故障点传播，此时M端线模电流极性为正，N端线模电流极性为负，因此区外故障时，线路两端线模电流极性相反。
图5为线模电流原始信号与第一个频带小波包分解系数对比图，最低频带[3,0]能很好反映初始线模电流波形的变换趋势小波包变换的最低频带可以很好表征信号的主要轮廓。当发生区内故障时，线路两端线模电流的波形变化趋势相同；区外故障时，线路两端线模电流的波形变化趋势相反。
图6为区内80km处发生A相接地故障后M、N母线处线模电流波形示意图，此时两端线模电流的波形变化趋势相同。
图7为区外160km处发生A相接地故障后M、N母线处线模电流波形示意图，此时两端线模电流的波形变化趋势相反。
复合暂态能量的低频特征可以很好的表征时域下线模电流的变化趋势，因此当复合暂态能量EM＞0时，定义逻辑值DR1＝1；当复合暂态能量EM＜0时，定义逻辑值DR1＝0；将本侧逻辑值发送给对侧保护装置，若DR1⊙DR2＝1，则该故障被识别为区内故障；若DR1⊙DR2＝0，则该故障被识别为区外故障。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、线路两端保护装置实时采集三相电流数据，采用电流的变化率的绝对值|di/dt|作为启动判据，当检测到电流的变化率超过整定阈值时，保护装置启动并上传采样数据，其中Δiset为设定的整定阈值；
S2、保护装置启动后，线路两端保护装置收集故障后设定的时间窗内的三相电流数据，利用克拉克变换对三相电流解耦，提取故障电流的线模分量，并利用小波包变换对故障电流线模分量进行分解，从而获取小波包分解系数；
S3、构造线路复合暂态能量，依据复合暂态能量的低频特征确定其所对应的逻辑值DR1与DR2，并根据DR1与DR2的逻辑关系判断故障类型。
2.根据权利要求1所述的基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法，其特征在于，步骤S2中所述的利用克拉克变换对三相电流解耦，提取故障电流的线模分量的方法如下：
其中，Iα、Iβ、I0分别为相电流Ia、Ib、Ic克拉克变换下的α模分量、β模分量和0模分量。
3.根据权利要求2所述的基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法，其特征在于，所述的线模分量采用α模分量。
4.根据权利要求3所述的基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法，其特征在于，步骤S2中所述利用小波包变换对故障电流线模分量进行分解，从而获取小波包分解系数的方法如下：将求得的α模分量Iα作为小波包分解的输入信号，信号经低通滤波器与高通滤波器分解为低频子带与高频子带；d0(t)与d1(t)分别为α模分量Iα经一层小波包分解后所对应的分解系数；接着分别将求得的低频子带与高频子带作为输入信号，重复上述操作，这样就可以得到多分解尺度下各个频带的小波包分解系数；将小波包分解系数进一步分解，从而形成二叉树结构。原始信号经k层小波包分解后划分为2k个频带，若信号的采样频率为fs，各个频带的划分范围为((j-1)/2k+1,j/2k+1)fs,(j＝1,2...2k)。
5.根据权利要求4所述的基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法，其特征在于，所述的小波包分解系数的递推公式为：
式中，hk与gk分别为正交母小波的低通滤波系数与高通滤波系数。
6.根据权利要求1所述的基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法，其特征在于，步骤S2中所述的设定的时间窗为5ms。
7.根据权利要求5所述的基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法，其特征在于，步骤S3中所述的构造线路复合暂态能量的方法具体如下：根据Parseval原理，信号在各个节点的能量可由正交小波包变换下的小波包变换系数的平方和求得，即Ek,j为信号经k层分解后第j个频带所对应的能量，dj(k)为小波包分解系数，N为离散重构信号的离散采样点数；选取第一个频带所对应的复合暂态能量EM为研究对象，构造线路复合暂态能量/>其中，dm(k)为k层小波包分解后第一个频带所对应的小波包分解系数，j为频带序号，N为经分解后每个频带所对应的宽度。
8.根据权利要求7所述的基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法，其特征在于，所述的小波包为db2小波包，其分解层数为k＝3。
9.根据权利要求7所述的基于复合暂态能量低频特征的送出线路纵联保护方法，其特征在于，步骤S3中所述的依据复合暂态能量的低频特征确定其所对应的逻辑值DR1与DR2，并根据DR1与DR2的逻辑关系判断故障类型的方法具体为：当线路复合暂态能量EM＞0时，定义逻辑值DR1＝1；当线路复合暂态能量EM＜0时，定义逻辑值DR1＝0；将本侧逻辑值发送给对侧保护装置，若DR1⊙DR2＝1，则该故障被识别为区内故障；若DR1⊙DR2＝0，则该故障被识别为区外故障。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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