一种适用于电力自动化系统的相似性系数保护方法与流程

1.本发明涉及一种适用于电力自动化系统的相似性系数保护方法，属于继电保护、调度自动化技术领域。


背景技术：

2.随着新型电力系统建设的推进，交直流混合输电的规模逐渐扩大。其中，在直流输电系统采用行波保护作为主保护，电流差动保护作为后备保护。传统单端保护的缺点是抗故障能力差。为了提高行波保护的抗故障能力，现有直流系统采用电流差动保护方案作为后备保护。后备保护的主要挑战是由于分布电容造成的大延迟，其可靠性不足。为了提高后备保护的可靠性，本发明提出了一种基于虚拟行波功率杰卡德相似系数的后备保护方案。
3.目前，国内外提出了多种保护方案，包括过流保护、行波保护、小波变换保护。过流保护是最典型也是最常见的保护方案。有发明提出利用故障电流构造了差动保护方案。该方案可靠性高，但延迟时间长。有发明提出了一种直流电网差动保护和过流保护方案。但该发明不考虑长传输线对信号的衰减和延迟影响。有发明提出利用特殊频段的不同电压幅值构造单端保护原理。有发明提取小波系数构建保护原理并使用实验平台验证其性能。有发明分析了行波在内部和外部故障中的频率差异。上述保护方案往往需要强边界分量，不能直接应用于边界分量较弱或无边界分量的直流系统。此外，行波纵联保护由于行波信号不受分布电容影响而受到广泛关注。但行波距离保护易受母线结构的影响，其阈值难以设定。极性比较行波保护分离了行波幅度和极性之间的关系，易受噪声干扰。
4.现有直流后备原理还有以下问题需要解决：
5.1)分布电容引起的长延时问题亟待解决。
6.2)许多保护方案依赖于强边界元件作用，这限制了它们的适用范围。
7.3)现有的基于极性的行波后备保护可靠性不足。


技术实现要素：

8.本发明目的是提供了一种适用于电力自动化系统的相似性系数保护方法，消除了分布电容的影响，大大降低了传统保护方案的延时，具备更好的耐受噪声干扰和抗故障电阻干扰的能力。
9.本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
10.1)首先采集输电系统的极电压和极电流数据；
11.2)对极电压、极电流信号进行线模变换得到线模分量；
12.3)计算区内故障和区外故障的虚拟行波功率及其杰卡德相似系数；所述区内故障虚拟行波功率计算公式如下：
[0013][0014]
式中：z
l1
和z
l2
代表限流电抗器的等值阻抗，zm和zn代表母线系统的等值阻抗，δpm和δpn分别为m和n侧的虚拟行波功率；δim和δin分别代表m和n的行波电流；
[0015]
所述区外故障虚拟行波功率计算公式如下：
[0016][0017]
式中：z
c1
和z
c2
代表线路的等值阻抗；
[0018]
4)根据杰卡德相似系数与设定的杰卡德相似系数阈值大小比较判断故障区域为区内故障还是区外故障；
[0019]
5)计算正负极虚拟行波功率比值，判断故障类型；
[0020][0021]wp
和wn代表正极和负极的虚拟行波功率，k
set1
和k
set2
代表阈值。
[0022]
优选的，所述杰卡德相似系数计算公式如下：
[0023][0024]
其中j代表杰卡德相似系数；a和b代表两个离散数据组和；xi和yi分别代表a和b组中的数据。在本发明中，a和b分别代表线路两侧的虚拟行波功率。
[0025]
优选的，所述杰卡德相似系数阈值为0.9。
[0026]
优选的，所述阈值k
set1
为1.5，k
set2
为0.67。
[0027]
本发明的优点在于：本发明的保护方案消除了分布电容的影响，大大降低了传统保护方案的延时；同时具备更好的耐受噪声干扰和抗故障电阻干扰的能力。
附图说明
[0028]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0029]
图1为本发明流程结构示意图。
[0030]
图2为本发明四端直流输电工程模型结构示意图。
[0031]
图3为本发明区内故障等值电路示意图。
[0032]
图4为本发明区外故障等值电路示意图
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
[0034]
实施例
[0035]
1)首先采集输电系统的极电压和极电流数据；
[0036]
2)对极电压、极电流信号进行线模变换得到线模分量；
[0037]
3)计算区内故障和区外故障的虚拟行波功率及其杰卡德相似系数；以图1所示的直流输电工程模型为例，分析虚拟行波功率的故障特征公式。
[0038]
发生区内故障f1时，依据彼得森定律可以得到故障等值电路如图3所示所示。其中，z
l1,l2
,z
c1,c2
，和z
m,n
分别代表限流电抗器、线路和母线系统的等值阻抗。定义δp为虚拟行波功率，依据图3可以得到区内故障时，测量点m和n的虚拟行波功率计算公式为：.
[0039][0040]
其中，δpm和δpn分别为m和n侧的虚拟行波功率；δim和δin分别代表m和n的行波电流。
[0041]
区外故障
[0042]
发生背侧区外故障f2和f3时，m侧和n侧的等值电路如图4所示。
[0043]
依据图4可以得到背侧区外故障时，测量点m和n的虚拟行波功率计算公式为：
[0044][0045]
由于图1中的输电线路在两侧使用相同的限流电感和相同的母线系统。线路两侧的等效阻抗有如下关系：zm＝zn,z
l1
＝z
l2
。因此，区内外故障时，虚拟行波功率的比值公式分别为：
[0046][0047]
显然，区内外故障时两侧的虚拟行波功率的差异表现为因此，有必要分析其中各部分等值阻抗的数值。
[0048]
1)z
c1
和z
c2
的等值阻抗：首先，使用实际项目的详细参数计算线路波阻抗，可以得到线路波阻的幅频特性，如表1所示。可以发现，线模波的阻抗在频率大于100hz后稳定在255ω。故z
c1
和z
c2
的等值阻抗约为几百欧。
[0049]
表1 线路波阻抗的幅频特性
[0050][0051]
[0052]
2)zn和z
l2
的幅值：母线系统包括输电线路、电压互感器、电流互感器、陷波器等各种部件。母线系统对地的杂散电容范围为6000pf～0.1μf。柔性直流系统中常用的限流电感值是100mh～150mh。计算得到zn和z
l2
的幅频特性如表2所示。
[0053]
表2 母线系统和限流电抗器的幅频特性
[0054][0055]
从表一和表二可以看出，母线系统和限流电感的等效阻抗远大于线路波阻抗。直流系统虚拟行波功率的故障特征表现为：区内故障时，线路两侧虚拟行波功率几乎相同，其比值约为1；区外故障时，线路两侧虚拟行波功率相差非常大，其比值非常大。若单纯适用虚拟行波功率比值作为判据，则可能出现系统参数变化导致判据失效的情况。本发明利用杰卡德相似系数表达虚拟行波功率的关系。
[0056]
4)根据杰卡德相似系数与设定的杰卡德相似系数阈值大小比较判断故障区域为区内故障还是区外故障；广义杰卡德相似系数的定义为：
[0057][0058]
其中j代表杰卡德相似系数；a和b代表两个离散数据组和；xi和yi分别代表a和b组中的数据。在本发明中，a和b分别代表线路两侧的虚拟行波功率。杰卡德相似系数是衡量两组数据相似度的一种指标。杰卡德相似系数越大说明相似度越高。区内故障时，线路两侧虚拟行波功率几乎相同；区外故障时，线路两侧虚拟行波功率相差非常大。区内故障时，两侧虚拟行波功率的杰卡德相似系数非常大；区外故障时，两侧虚拟行波功率的杰卡德相似系数非常小。因此，故障识别元件的判据为：
[0059]
区内故障：j≥j
set
ꢀꢀꢀ
(5)
[0060]
其中，j
set
代表杰卡德相似系数的的阈值。其值应依据系统参数定，本发明定为0.9。
[0061]
5)计算正负极虚拟行波功率比值，判断故障类型；
[0062]
发生双极短路故障时，正负极均可得到相同的虚拟行波功率；发生单极故障时，只有故障极可以得到虚拟行波功率，非故障极的虚拟行波功率几乎为零。因此，本发明提出基于虚拟行波功率比值的故障选极方案为：
[0063][0064]
其中，w
p
和wn代表正极和负极的虚拟行波功率，k
set1
和k
set2
代表阈值，本发明定义其分别为1.5和0.67。