基于行波能谱矩阵相似度的柔性直流电网单端保护方法技术

本发明专利技术公开了一种基于行波能谱矩阵相似度的柔性直流电网单端保护方法，包括如下步骤：从线路首端开始每隔设定距离设置一个故障，建立该线路的三种故障类型的故障样本矩阵库；利用线路首端保护测量装置处的线模电压反行波序列，计算线路首端电压梯度；建立线路保护启动判据；针对保护启动时刻后第一个采样时间窗，采集保护测量装置处的数据，计算故障能谱矩阵E

【技术实现步骤摘要】
基于行波能谱矩阵相似度的柔性直流电网单端保护方法


[0001]本专利技术涉及高压输变电
，特别是涉及一种基于行波能谱矩阵相似度的柔性直流电网单端保护方法。

技术介绍

[0002]柔性直流电网解决了传统直流输电换相失败、谐波含量较高等问题，成为未来构建全球能源互联的关键。但柔性直流电网在直流侧发生故障时，其故障电流具有上升速度快、幅值大、非线性等特点，在数毫秒之内危及整个电网，并且现有柔性直流电网保护无法同时耐受高阻、噪声干扰的影响，存在区内远端高阻故障拒动、区外近端金属性故障误动的问题。针对以上问题，国内外学者针对柔性直流线路保护提出了一些保护方案。
[0003]赵航,林湘宁,喻锟,等.基于模量Hausdorff距离波形比较的直流输电线路选择性快速保护方案[J].中国电机工程学报,2017,37(23):6888
‑
6900.提出基于行波相似度的保护方案，根据区外故障时，线路一侧前行波与另一侧反行波为同一故障行波的原理。通过Hausdorff距离相似度算法衡量线路两侧波形的相似度，以Hausdorff距离作为保护判据。该方法耐受过渡电阻能力强，但是该方案需要通信传输另一端的行波波形。
[0004]张峻榤,林卫星,文劲宇.基于直流电压变化率的直流电网直流故障保护[J].南方电网技术,2017,11(1):14
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22.提出基于直流电压变化率的保护方案，发生区外故障时，柔性直流输电线路两端限流电感的波阻抗较大，对故障电压行波起到平滑作用，测得直流电压变化率大大减小；而区内故障测得的电压变化率较大，不受限流电感影响。根据直流电压变化率区分线路区内外故障；
[0005]周家培,赵成勇,李承昱,等.基于直流电抗器电压的多端柔性直流电网边界保护方案[J].电力系统自动化,2017,41(19):89
‑
94.提出基于故障极限流电感电压的保护方案，利用故障线路和非故障线路直流电抗器电压大小和方向的不同,实现故障线路的快速识别；但耐受过渡电阻能力较差。
[0006]上述文献所提方法各有不足之处，双端保护方法受到通信时延的影响较大；并且Hausdorff波形比较方法对时间轴横坐标进行归一化处理，较为复杂，进而影响相似度的大小，不利于故障的可靠识别。基于直流电压变化率的单端保护方案，保护动作时间较长，依赖于限流电感值的大小，受过渡电阻的影响也较大，并且无法实现柔直电网母线故障和线路故障的区分。基于故障极限流电感电压的保护方案存在区外双极短路和区内高阻接地误判现象。本文提出的保护方案不受故障位置、故障类型的影响，速动性高；并且具备较强的耐噪声能力和耐受过渡电阻能力。
[0007]因此，现有技术的缺陷是，缺少一种基于行波能谱矩阵相似度的柔性直流电网单端保护方法，用于解决柔性直流电网线路发生故障时辨识区内外故障的技术问题。

技术实现思路

[0008]有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于行波能谱矩阵相
似度的柔性直流电网单端保护方法，能有效地解决柔性直流电网线路发生故障时辨识区内外故障的技术问题。
[0009]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于行波能谱矩阵相似度的柔性直流电网单端保护方法，其关键在于，包括如下步骤：
[0010]步骤一：从线路首端开始每隔设定距离设置一个故障，故障类型包含正极接地短路、负极接地短路、双极短路，分别计算得到各故障点的正极能谱矩阵E
P
、负极能谱矩阵E
N
、双极能谱矩阵E
D
，这样建立该线路的三种故障类型的故障样本矩阵库；
[0011]设定距离可以根据实际情况选择，比如，10km，8km，12km等，优选10km；
[0012]步骤二：利用线路首端保护测量装置处的线模电压反行波序列Δu
f1
，计算线路首端电压梯度对于电压梯度建立线路保护启动判据；
[0013]步骤三、当保护启动后，针对保护启动时刻后第一个采样时间窗，采集保护测量装置处各采样时刻的正极电压、负极电压、正极电流、负极电流，计算故障能谱矩阵E
f
；
[0014]步骤四、计算保护启动时刻后第一个采样时间窗内的地模电压u
F0
；计算地模电压u
F0
的地模电压总和Z；利用地模电压总和Z，建立故障极识别判据；
[0015]步骤五、根据故障极识别判据，得到故障类型，计算故障能谱矩阵E
f
与对应故障类型的故障样本矩阵库中第k个样本矩阵E
k
之间的相似度ρ
fk
；取其中最大值作为线路故障度F；当线路故障度F大于保护阈值F
set
时，则判断发生线路区内故障，控制保护装置执行线路保护措施；否则，判断为区外故障。
[0016]所述的基于行波能谱矩阵相似度的柔性直流电网单端保护方法，其关键在于：所述步骤一包括：
[0017]步骤1.1：针对四端柔性直流电网模型，设置其中一条直流输电线路长度为L1，在该线路首端0km设置过渡电阻为R1的正极接地短路故障，R1为150Ω，采集该线路首端保护测量装置处故障后宽度为T的采样时间窗内各采样时刻的正极电压、负极电压、正极电流、负极电流，分别减去正常运行时的正极电压、负极电压、正极电流、负极电流，得到正极电压故障分量Δu
P
、负极电压故障分量Δu
N
、正极电流故障分量Δi
P
、负极电流故障分量Δi
N
序列；进行相模变换解耦，得到线模电压故障分量序列Δu
F1
、线模电流故障分量序列Δi
F1
；
[0018]L1可根据实际情况选择；优选200km；
[0019]步骤1.2：计算线模电压反行波序列u
f1
；
[0020]步骤1.3：将线模反行波序列u
f1
作为离散信号序列X，进行S变换；
[0021]步骤1.4：经S变换后得到时频矩阵S
P
，对该时频矩阵S
P
中各个元素求取模值，得到模时频矩阵D
P
；
[0022]步骤1.5：对D
P
中第i行第j列的元素D
P
(i,j)求平方，得到第i行第j列元素的正极能量谱密度E
PO
(i,j)；进而得到原始正极能谱矩阵E
PO
；
[0023]步骤1.6：再对原始正极能谱矩阵E
PO
进行主成分分析PCA的降维处理，将E
PO
矩阵的列维数从60降到2，得到正极能谱矩阵E
P
；
[0024]采用步骤1.1～步骤1.6的方法，在该线路首端0km设置过渡电阻为R1的负极接地短路，计算得到相应的负极能谱矩阵E
N
；
[0025]计算负极能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于行波能谱矩阵相似度的柔性直流电网单端保护方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：从线路首端开始每隔设定距离设置一个故障，故障类型包含正极接地短路、负极接地短路、双极短路，分别计算得到各故障点的正极能谱矩阵E
P
、负极能谱矩阵E
N
、双极能谱矩阵E
D
，这样建立该线路的三种故障类型的故障样本矩阵库；步骤二：利用线路首端保护测量装置处的线模电压反行波序列Δu
f1
，计算线路首端电压梯度对于线路首端电压梯度建立线路保护启动判据；步骤三、当保护启动后，针对保护启动时刻后第一个采样时间窗，采集保护测量装置处各采样时刻的正极电压、负极电压、正极电流、负极电流，计算故障能谱矩阵E
f
；步骤四、计算保护启动时刻后第一个采样时间窗内的地模电压u
F0
；计算u
F0
的地模电压总和Z；利用地模电压总和Z，建立故障极识别判据；步骤五、根据故障极识别判据，得到故障类型；计算故障能谱矩阵E
f
与对应故障类型的故障样本矩阵库中第k个故障样本矩阵E
k
之间的相似度ρ
fk
；取其中相似度最大值作为线路故障度F；当线路故障度F大于保护阈值F
set
时，则判断发生线路区内故障；否则，判断为区外故障。2.根据权利要求1所述的基于行波能谱矩阵相似度的柔性直流电网单端保护方法，其特征在于：步骤一包括：步骤1.1：针对四端柔性直流电网模型，设置其中一条直流输电线路长度为L1，在该线路首端0km设置过渡电阻为R1的正极接地短路故障，R1为150Ω，采集该线路首端保护测量装置处故障后宽度为T的采样时间窗内各采样时刻的正极电压、负极电压、正极电流、负极电流，分别减去正常运行时的正极电压、负极电压、正极电流、负极电流，得到正极电压故障分量Δu
P
、负极电压故障分量Δu
N
、正极电流故障分量Δi
P
、负极电流故障分量Δi
N
序列；进行相模变换解耦，得到线模电压故障分量序列Δu
F1
、线模电流故障分量序列Δi
F1
；步骤1.2：计算线模电压反行波序列u
f1
；步骤1.3：将线模反行波序列u
f1
作为离散信号序列X，进行S变换；步骤1.4：经S变换后得到时频矩阵S
P
，对该时频矩阵S
P
中各个元素求取模值，得到模时频矩阵D
P
；步骤1.5：对D
P
中第i行第j列的元素D
P
(i,j)求平方，得到第i行第j列元素的正极能量谱密度E
PO
(i,j)；进而得到原始正极能谱矩阵E
PO
；步骤1.6：再对原始正极能谱矩阵E
PO
进行主成分分析PCA的降维处理，将E
PO
矩阵的列维数从60降到2，得到正极能谱矩阵E
P
；采用步骤1.1～步骤1.6的方法，在该线路首端0km设置过渡电阻为R1的负极接地短路，计算得到相应的负极能谱矩阵E
N
；采用步骤1.1～步骤1.6的方法，在该线路首端0km设置双极短路，计算得到相应的双极能谱矩阵E
D
；重复以上步骤，从线路首端0km开始每隔N
f km设置一个故障，设N
f
＝10，故障类型包含正极接地短路、负极接地短路、双极短路，分别计算得到各故障点的正极能谱矩阵E
P
、负极能谱矩阵E
N
、双极能谱矩阵E
D
，这样建立该线路的三种故障类型的故障样本矩阵库，每个故
障样本矩阵库分别包含N2个故障样本矩阵,N2＝L1/N
f
。3.根据权利要求2所述的基于行波能谱矩阵相似度的柔性直流电网单端保护方法，其特征在于：所述步骤一中通过公式(1)进行相模变换解耦，得到线模电压故障分量序列Δu
F1
、线模电流故障分量序列Δi
F1
；通过公式(2)得到线模电压反行波序列u
f1
；其中，Z
C1
代表直流线路的线模波阻抗；将线模反行波序列u
f1
作为离散信号序列X，通过式(3)进行S变换；其中，k为离散的时间点；n＝1，
…
，N
‑
1；N表示离散信号的个数，T为一个采样时间窗的宽度；经S变换后得到时频矩阵S
P
，对该矩阵中各个元素求取模值，得到模时频矩阵D
P
；对D
P
中第i行第j列的元素D
P
(i,j)求平方，得到第i行频率第j列采样时刻的正极能量谱密度E
P...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洪彬，周念成，权文杰，童晓阳，王强钢，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：