基于波形差异特征的多能源系统线路保护方法与流程

本发明属于电力系统继电保护技术领域，涉及一种基于波形差异特征的多能源系统线路保护方法。

背景技术：

多能源系统是一种将分布式微源、负荷、储能装置以及电力电子换流器有机整合在一起的小型发配电系统，可以运行于并网或孤岛两种模式，能有效降低间歇性分布式电源对配电网的不利影响，同时最大限度地利用分布式电源出力，是分布式微源接入配电网最有效的方式之一。作为大电网与分布式微源的重要纽带，多能源系统的安全稳定运行是实现其与大电网能量、信息交互的首要保障。

然而，相比于大电网惯性大、阻尼强的特点，多能源系统电力电子化程度高，呈现惯性小、阻尼弱的运行特性，当系统发生故障时，需快速切除故障，否则容易发生失稳导致系统崩溃，对保护装置的快速性要求较高。此外，不同于传统配电网的单一潮流方向特点，多能源系统具有微源分布分散、网络结构多变、潮流双向等特点，且由于电力电子装置的过流能力差，故障期间逆变型微源的电流输出能力有限，尤其是对于孤岛运行的多能源系统，传统电流保护很可能失去选择性，发生拒动或误动等问题。

近年来，国内外专家学者们针对多能源系统的保护开展了大量的研究工作，并提出了新的保护方案，主要包括单端保护和双端保护两类。其中，单端保护不需要通信，只需利用本地信息进行故障检测，主要包括电流幅值、谐波、暂态分量等故障特征，实现简单，但很难适应拓扑多变的多能源系统，且有保护死区，选择性较差；相比于单端保护，双端保护具有良好的选择性，需要通信，常利用被保护线路两侧的瞬时电流差值、初始行波极性和时间信息、方向差异或者阻抗差值等故障特征，对信息采集单元或通信的硬件要求较高，较难实现。因此急需研究一种兼顾选择性和应用可行性的多能源系统保护方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于波形差异特征的多能源系统线路保护方法，确保多能源系统中被保护线路两侧保护装置能快速准确地区分区内、区外故障，适用于环型和辐射型两种结构的多能源系统，对通信要求低，保护阈值易设置，具有良好的选择性和灵敏度。

本发明所采用的技术方案是，基于波形差异特征的多能源系统线路保护方法，包括：

步骤1，将多能源系统中被保护线路的两侧分别被称为m侧和n侧，被保护线路m侧和n侧保护装置分别实时采集三相电流，m侧三相电路采样值序列为ima(k)、imb(k)、imc(k)，n侧三相电路采样值序列为ina(k)、inb(k)、inc(k)，其中，k表示第k个采样值；

步骤2：通过式(1)和(2)，分别提取m侧和n侧正序电流im1(k)、in1(k)，下式中，nf为一个工频周期内的采样点数，下标1表示正序，

步骤3，将m侧当前时刻的正序电流im1(k)减去上个周期内对应时刻的正序电流im1(k-nf)，可得m侧正序电流故障分量δim1(k)；将n侧当前时刻的正序电流in1(k)减去上个周期内对应时刻的正序电流in1(k-nf)，可得n侧正序电流故障分量δin1(k)，计算公式分别如式(3)和(4)所示：

δim1(k)＝im1(k)-im1(k-nf)(3)

δin1(k)＝in1(k)-in1(k-nf)(4)

步骤4，采用式(5)所示的数学形态学峰谷检测算子，检测m侧正序电流故障分量δim1(k)和n侧正序电流故障分量δin1(k)的时域波形峰谷特征，包括δim1(k)和δin1(k)初始峰值极性和初始峰值对应的时刻；

spm表示δim1(k)的初始峰值极性，当δim1(k)的初始峰值极性为正时，spm等于1，当δim1(k)的初始峰值极性为负时，spm等于-1；spn表示δin1(k)的初始峰值极性，当δin1(k)的初始峰值极性为正时，spn等于1，当δin1(k)的初始峰值极性为负时，spn等于-1；tpm和tpn则分别表示δim1(k)和δin1(k)初始峰值对应的时刻，即初始尖峰最大值处对应的时刻；

dpv(n)＝2f(n)-[f(n)og(m)-f(n)·g(m)](5)

式(5)中，dpv(n)为数学形态学峰谷检测算子，o表示开运算，·表示闭运算，f(n)为采集到的一维输入信号，即保护装置采集到的正序电流故障分量，其定义域为df＝{0,1,2,…,n}，g(m)为一维结构元素序列，其定义域为dg＝{0,1,2,…,m}，其中，m和n都为整数，且满足m<n；

步骤5，根据步骤4获取m侧和n侧正序电流故障分量初始峰值极性和初始峰值对应的时刻信息，以判别区、内外故障；根据区、内外故障下被保护线路两侧正序电流故障分量δim1(k)和δin1(k)的初始峰值极性差异，构造主保护判据，根据δim1(k)和δin1(k)初始峰值对应的时刻差值，构造辅助保护判据，实现辐射型结构多能源系统中δθ大于90°的区内故障判别；

步骤6，若被保护线路m侧保护装置判定为区内故障时，则向m侧断路器发送跳闸信号，若判定为区外故障，则不向m侧断路器发送跳闸信号；若被保护线路n侧保护装置判定为区内故障时，则向n侧断路器发送跳闸信号，若判定为区外故障，则不向n侧断路器发送跳闸信号。

进一步的，所述步骤5中，对于环型结构多能源系统，当δim1(k)和δin1(k)的初始峰值极性相同，即spm与spn的乘积大于0时，判为区内故障，反之，判为区外故障。

进一步的，所述步骤5中，对于辐射型结构多能源系统，当两侧峰值极性相同时，即spm与spn的乘积大于0时，判为区内故障；但当两侧峰值极性相反时，即spm与spn的乘积小于0，仍然可能是区内故障，此时需要依靠辅助判据进行判断；如果两侧峰值极性相反，且被保护线路两侧正序电流故障分量的初始峰值对应的时刻tpm和tpn不相等时，判为区内故障；如果两侧峰值极性相反，且tpm和tpn相等时，判为区外故障。

进一步的，提取被保护线路两侧正序电流故障分量的初始峰值对应的时刻tpm和tpn时，区外故障情况下的tpm和tpn不一定完全相等，将|tpm-tpn|小于ξ的情况视为tpm与tpn相等，其中，ξ＝m/fs，fs为采样频率，结构元素序列长度m。

本发明的有益效果是：本发明考虑分布式微源故障特性、网络结构变化、故障严重程度和故障位置对故障线路两侧正序电流故障分量相位差的影响，采用数学形态学峰谷检测算子提取被保护线路两侧正序电流故障分量初始峰值极性和初始峰值对应的时刻，根据区、内外故障下线路两侧正序电流故障分量初始峰值极性差异，构造主保护判据，实现区内、外故障判别，利用线路两侧初始峰值对应时刻的差值，构造辅助保护判据，实现辐射型多能源系统中线路两侧正序故障分量相位差大于90°的区内故障判别，形成完整的多能源系统线路保护方法，该方法适用于环型和辐射型两种结构的多能源系统，对通信要求较低，保护阈值易设置，具有良好的选择性和灵敏度。具体而言，保护阈值易设置体现在：主保护判据中，被保护线路两侧正序电流故障分量初始峰值极性差异只需判断正负，不需要设置具体的整定值。良好的选择性和灵敏度体现在：本方法为双端保护，利用线路两侧信息进行故障判别，具有绝对的选择性，不存在保护死区。本方法不需要设定具体的整定值，只需判断初始峰值极性正负，且初始峰值对应的时刻提取精度可通过提高采样率改善，可预留较大的测量误差允许范围，因此，本方法具有良好的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的典型多能源系统结构图。

图2是线路两侧正序电流故障分量相位差小于90°的区内故障波形特征图；(a)是正序电流故障分量波形图；(b)是峰谷检测结果图。

图3是线路两侧正序电流故障分量相位差大于90°的区内故障波形特征图；(a)是正序电流故障分量波形图；(b)是峰谷检测结果图。

图4是区外故障波形特征图；(a)是正序电流故障分量波形图；(b)是峰谷检测结果图。

图5是基于波形特征差异的多能源系统线路保护流程图。

具体实施方式

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。

图1所示多能源系统包括旋转型微源(synchronous-baseddistributedgenerator,sbdg)(即柴油发电机、燃气轮机等通过同步发电机接入多能源系统的微源)、逆变型微源(inverter-baseddistributedgenerator,ibdg)(即光伏、储能等通过并网逆变器接入多能源系统的微源)、负荷等部分，涵盖辐射型和环型两种网络结构，是比较典型的多能源系统。需要说明的是，除本文图1所示连接方式外，本方法同样适用于其他连接结构的多能源系统，具有一定通用性。

其中，旋转型微源柴油发电机作为主电源，维持系统电压、频率稳定，两个逆变型微源ibdg1和ibdg2的逆变器均采用恒功率控制，柴油发电机与ibdg1和ibdg2的额定容量相同。当多能源系统发生故障时，对于图1中环网开关闭合的环型结构多能源系统，故障线路m侧和n侧正序电流故障分量的相位差∈(0°,90°)，对于环网开关断开的辐射型结构多能源系统，故障线路m侧和n侧正序电流故障分量的相位差可能会大于90°，但不超过150°，而非故障线路m侧和n侧正序电流故障分量的相位差等于180°。本发明利用线路两端正序电流故障分量的相位差特征，提出基于波形差异特征的多能源系统线路保护方法，保护流程图如图5所示，具体步骤如下：

步骤1，图1所示的多能源系统中被保护线路的两侧分别被称为m侧和n侧，被保护线路m侧和n侧保护装置分别实时采集三相电流，m侧三相电路采样值序列为ima(k)、imb(k)、imc(k)，n侧三相电路采样值序列为ina(k)、inb(k)、inc(k)，其中，k表示第k个采样值。

步骤2：通过式(1)和(2)，分别提取m侧和n侧正序电流im1(k)、in1(k)，下式中，nf为一个工频周期内的采样点数，下标1表示正序，下同。

步骤3，将m侧当前时刻的正序电流im1(k)减去上个周期内对应时刻的正序电流im1(k-nf)，可得m侧正序电流故障分量δim1(k)；同样地，将n侧当前时刻的正序电流in1(k)减去上个周期内对应时刻的正序电流in1(k-nf)，可得n侧正序电流故障分量δin1(k)，计算公式分别如式(3)和(4)所示。

δim1(k)＝im1(k)-im1(k-nf)(3)

δin1(k)＝in1(k)-in1(k-nf)(4)

步骤4，采用式(5)所示的数学形态学峰谷检测算子，检测m侧正序电流故障分量δim1(k)和n侧正序电流故障分量δin1(k)的时域波形峰谷特征，包括δim1(k)和δin1(k)初始峰值极性和初始峰值对应的时刻。式(5)所示的数学形态学峰谷检测算子，用于检测正序电流故障分量的波形峰谷特征，不同相位差的被保护线路两侧正序电流故障分量检测结果分别如图2(b)-4(b)所示，检测结果中初始尖峰的符号代表正序电流故障分量初始峰值极性，初始尖峰最大值处对应的时刻代表正序电流故障分量初始峰值对应的时刻。

对于环网开关闭合的环型结构多能源系统区内故障情况，被保护线路两侧正序电流故障分量的相位差∈(0°,90°)，如图2(a)所示，其峰谷检测结果如图2(b)所示，可知δim1(k)和δin1(k)的初始峰值极性同为正或同为负；对于环网开关断开的辐射型结构多能源系统区内故障情况，被保护线路两侧正序电流故障分量的相位差可能会大于90°，但不超过150°，如图3(a)所示，其峰谷检测结果如图3(b)所示，可知δim1(k)和δin1(k)的初始峰值极性相反，但其初始峰值对应的时刻不相等；而对于区外故障，被保护线路两侧正序电流故障分量的相位差等于180°，如图4(a)所示，其峰谷检测结果如图4(b)所示，可知δim1(k)和δin1(k)的初始峰值极性相反，且其初始峰值对应的时刻相等。

图2-图4中，δθ表示被保护线路两侧正序电流故障分量δim1(k)和δin1(k)的相位差。spm表示δim1(k)的初始峰值极性，当δim1(k)的初始峰值极性为正时，spm等于1，当δim1(k)的初始峰值极性为负时，spm等于-1，同样地，spn表示δin1(k)的初始峰值极性，当δin1(k)的初始峰值极性为正时，spn等于1，当δin1(k)的初始峰值极性为负时，spn等于-1；tpm和tpn则分别表示δim1(k)和δin1(k)初始峰值对应的时刻，即初始尖峰最大值处对应的时刻。

dpv(n)＝2f(n)-[f(n)og(m)-f(n)·g(m)](5)

式(5)中，dpv(n)为数学形态学峰谷检测算子，o表示开运算，·表示闭运算，f(n)为采集到的一维输入信号，即保护装置采集到的正序电流故障分量，其定义域为df＝{0,1,2,…,n}，g(m)为一维结构元素序列，其定义域为dg＝{0,1,2,…,m}，其中，m和n都为整数，且满足m<n。

f(n)og(m)和f(n)·g(m)分别为结构元素序列g(m)对输入信号f(n)进行的开运算与闭运算，如式(6)和(7)所示，其中，开运算是对信号的一种非扩张性运算，可使目标信号轮廓光滑，去掉毛刺以抑制信号中的峰值噪声；闭运算是一种扩张性运算，可填平沟谷、裂缝，以滤除信号中的低谷噪声。

另外，式(6)和(7)所示，和分别为结构元素序列g(m)对输入信号f(n)进行的膨胀和腐蚀运算，其定义如式(8)和(9)所示。

步骤5，根据步骤4获取m侧和n侧正序电流故障分量初始峰值极性和初始峰值对应的时刻信息，以判别区、内外故障。根据区、内外故障下被保护线路两侧正序电流故障分量δim1(k)和δin1(k)的初始峰值极性差异，构造主保护判据，根据δim1(k)和δin1(k)初始峰值对应的时刻差值，构造辅助保护判据，实现辐射型结构多能源系统中δθ大于90°的区内故障判别。

对于环型结构多能源系统，当δim1(k)和δin1(k)的初始峰值极性相同，即spm与spn的乘积大于0时，判为区内故障，反之，判为区外故障。

对于辐射型结构多能源系统，当两侧峰值极性相同时，即spm与spn的乘积大于0时，判为区内故障；但当两侧峰值极性相反时，即spm与spn的乘积小于0，仍然可能是区内故障，此时需要依靠辅助判据进行判断；如果两侧峰值极性相反，且被保护线路两侧正序电流故障分量的初始峰值对应的时刻tpm和tpn不相等时，判为区内故障；如果两侧峰值极性相反，且tpm和tpn相等时，判为区外故障。

另外，实际提取被保护线路两侧正序电流故障分量的初始峰值对应的时刻tpm和tpn时，区外故障情况下的tpm和tpn不一定完全相等，结构元素序列长度m会对初始峰值对应时刻提取精度有影响，因此，将|tpm-tpn|小于ξ的情况视为tpm与tpn相等，其中，ξ＝m/fs，fs为采样频率。

本发明中，主保护判据是被保护线路两侧正序电流故障分量的初始峰值极性差，辅助判据是被保护线路两侧正序电流故障分量的初始峰值对应的时刻差。对于环型结构多能源系统，当两侧峰值极性相同时，判为区内故障，反之，判为区外故障。对于辐射型结构多能源系统，当两侧峰值极性相同时，判为区内故障，但当两侧峰值极性相反时，仍然可能是区内故障，此时需要依靠辅助判据进行判断，如果两侧峰值极性相反，且被保护线路两侧正序电流故障分量的初始峰值对应的时刻tpm和tpn不相等时，判为区内故障，如果两侧峰值极性相反，且tpm和tpn相等时，判为区外故障。

步骤6，若被保护线路m侧保护装置判定为区内故障时，则向m侧断路器发送跳闸信号，若判定为区外故障，则不向m侧断路器发送跳闸信号；若被保护线路n侧保护装置判定为区内故障时，则向n侧断路器发送跳闸信号，若判定为区外故障，则不向n侧断路器发送跳闸信号。

本发明只需要采集电流信息，不需要额外的电压测量单元，并且被保护线路两侧保护装置只需要交换正序电流故障分量初始峰值极性和初始峰值对应的时刻信息，通信数据量小，因而对通信要求相对较低，低带宽通信就能满足所提保护方案的信息交换需求。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。