基于电流行波时频矩阵相似性的直流线路保护方法及系统与流程

本发明涉及电力系统继电保护，并且更具体地，涉及一种基于电流行波时频矩阵相似性的直流线路保护方法及系统。

背景技术：

1、直流输电具有控制灵活、谐波含量少、传输功率大、可实现远距离输电等优点，已成为实现大规模可再生能源并网、异步电网互联、孤岛供电的重要方式。直流输电线路工作环境恶劣，发生故障的概率大。当线路发生故障时，各换流站向故障点馈入短路电流，故障电流上升速度快、幅值大，严重危害直流系统。可靠、快速与灵敏的线路保护对直流输电网的安全稳定运行意义重大。

2、现有的直流输电线路主保护方法主要有两类，一类是基于直流线路的边界元件，依赖直流电感对高频分量的阻滞作用，或直流滤波器在谐振频率下的低阻性。由于柔性直流输电系统通常无需安装直流滤波器，所以基于直流滤波器边界作用的保护方法只适用于传统高压直流输电系统。另外，基于直流电感边界作用的保护方法只适用于直流电感安装在线路两端的直流电网，无法适用于直流电感安装在换流站出口的直流电网。另一类保护方法则不基于直流线路的边界元件。该类保护方法工程适用范围广，但现有的不基于直流线路边界元件的保护方法存在不能保护线路全长、不适用于各种线路长度、动作时间长、易受过渡电阻和噪声影响等问题。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于电流行波时频矩阵相似性的直流线路保护方法及系统，以解决如何高效对直流输电线路进行保护的问题。

2、为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种基于电流行波时频矩阵相似性的直流线路保护方法，所述方法包括：

3、基于直流线路两侧保护安装处的正负极电流，分别计算线路任一侧对应的线模电流；

4、基于所述线模电流，分别判断线路两侧的保护是否启动；

5、当确定线路两侧的保护均启动时，对于线路任一侧，基于该任一侧对应的预设采样时间段内的线模电流确定该任一侧对应的电流行波时频矩阵；

6、基于所述电流行波时频矩阵分别计算任一侧对应的电流行波左特征实矩阵；

7、根据线路两侧的电流行波左特征实矩阵等效计算两侧电流行波时频矩阵的相似度，并基于所述相似度判别线路区内外故障。

8、优选地，其中所述方法利用如下方式计算线路任一侧对应的线模电流，包括：

9、

10、其中，i0、i1分别表示零模电流与线模电流，ip、in分别表示正极电流与负极电流。

11、优选地，其中所述方法利用如下方式判断线路任一侧的保护是否启动，包括：

12、对于线路任一侧，若满足则确定保护启动；反之，保护不启动；其中，i(k)为线路任一侧对应的线模电流的采样值，dset为第一预设阈值。

13、优选地，其中所述电流行波时频矩阵获取单元，对于线路任一侧p(q)，基于p(q)侧对应的预设采样时间段内的线模初始电流行波确定p(q)侧对应的电流行波时频矩阵，包括：

14、

15、

16、其中，sp(q)为线路p(q)侧对应的二维电流行波时频矩阵，为p(q)侧线模初始电流行波信号，为的傅里叶变换形式；f→n/nt,τ→jt,t为采样间隔，j,m＝0,1,…,n-1；n＝0,1,…,fix(n/2)，fix指取不超过n/2的最大整数；sp(q)的行向量表示信号在某一频率下的时域特性，列向量表示信号在某一时刻下的频域特性，元素sp(q)(a,b)表示p(q)侧对应的第a个频率下的第b个采样点的值；其中，相邻两行的频率差为：fs为采样频率；第a行的频率为：

17、优选地，其中所述基于所述电流行波时频矩阵分别计算任一侧对应的电流行波左特征实矩阵，包括：

18、对线路p(q)侧对应的电流行波时频矩阵sp(q)进行奇异值分解，获取左特征矩阵up(q)，并取所述左特征矩阵up(q)的实部，以获取p(q)侧对应的电流行波左特征实矩阵ureal_p(q)；

19、其中，利用如下方式获取左特征矩阵，包括：

20、

21、其中，up(q)为线路p(q)侧对应的左特征矩阵；vp(q)为右特征矩阵；λp(q)与λ1-p(q)是对角矩阵，其对角元素为电流行波时频矩阵sp(q)的奇异值；

22、优选地，其中所述根据线路两侧的电流行波左特征实矩阵等效计算两侧电流行波时频矩阵的相似度，包括：

23、利用如下方式计算相似度，包括：

24、

25、利用如下方式基于所述相似度判别线路区内外故障，包括：

26、

27、其中，αu为相似度；ureal_p和ureal_q分别为线路的p侧和q侧对应的电流行波左特征实矩阵；ρset为第二预设阈值；其中，若判别为区内故障，则向线路两侧的直流断路器发送跳闸信号；若判别为区外故障，则保护复归。

28、根据本发明的另一个方面，提供了一种基于电流行波时频矩阵相似性的直流线路保护系统，所述系统包括：

29、线模电流获取单元，用于基于直流线路两侧保护安装处的正负极电流，分别计算线路任一侧对应的线模电流；

30、保护启动判断单元，用于基于所述线模电流，分别判断线路两侧的保护是否启动；

31、电流行波时频矩阵获取单元，用于当确定线路两侧的保护均启动时，对于线路任一侧，基于该任一侧对应的预设采样时间段内的线模电流确定该任一侧对应的电流行波时频矩阵；

32、电流行波左特征实矩阵确定单元，用于基于所述电流行波时频矩阵分别计算任一侧对应的电流行波左特征实矩阵；

33、线路区内外故障识别单元，基于所述电流行波时频矩阵分别计算任一侧对应的电流行波左特征实矩阵，并基于所述相似度判别线路区内外故障。

34、优选地，其中所述线模电流确定单元，利用如下方式计算线路任一侧对应的线模电流，包括：

35、

36、其中，i0、i1分别表示零模电流与线模电流，ip、in分别表示正极电流与负极电流。

37、优选地，其中所述保护启动判断单元，利用如下方式判断线路任一侧的保护是否启动，包括：

38、对于线路任一侧，若满足则确定保护启动；反之，保护不启动；其中，i(k)为线路任一侧对应的线模电流的采样值，dset为第一预设阈值。

39、优选地，其中所述电流行波时频矩阵获取单元，对于线路任一侧p(q)，基于p(q)侧对应的预设采样时间段内的线模初始电流行波确定p(q)侧对应的电流行波时频矩阵，包括：

40、

41、

42、其中，sp(q)为线路p(q)侧对应的二维电流行波时频矩阵，为p(q)侧线模初始电流行波信号，为的傅里叶变换形式；f→n/nt,τ→jt,t为采样间隔，j,m＝0,1,…,n-1；n＝0,1,…,fix(n/2)，fix指取不超过n/2的最大整数；sp(q)的行向量表示信号在某一频率下的时域特性，列向量表示信号在某一时刻下的频域特性，元素sp(q)(a,b)表示p(q)侧对应的第a个频率下的第b个采样点的值；其中，相邻两行的频率差为：fs为采样频率；第a行的频率为：

43、优选地，其中所述电流行波左特征实矩阵确定单元，基于所述电流行波时频矩阵分别计算任一侧对应的电流行波左特征实矩阵，包括：

44、对线路p(q)侧对应的电流行波时频矩阵sp(q)进行奇异值分解，获取左特征矩阵up(q)，并取所述左特征矩阵up(q)的实部，以获取p(q)侧对应的电流行波左特征实矩阵ureal_p(q)；

45、其中，利用如下方式获取左特征矩阵，包括：

46、

47、其中，up(q)为线路p(q)侧对应的左特征矩阵；vp(q)为右特征矩阵；λp(q)与λ1-p(q)是对角矩阵，其对角元素为电流行波时频矩阵sp(q)的奇异值；

48、优选地，其中所述根据线路两侧的电流行波左特征实矩阵等效计算两侧电流行波时频矩阵的相似度，包括：

49、利用如下方式计算相似度，包括：

50、

51、利用如下方式基于所述相似度判别线路区内外故障，包括：

52、

53、其中，αu为相似度；ureal_p和ureal_q分别为线路的p侧和q侧对应的电流行波左特征实矩阵；ρset为第二预设阈值；其中，若判别为区内故障，则向线路两侧的直流断路器发送跳闸信号；若判别为区外故障，则保护复归。

54、基于本发明的另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种基于电流行波时频矩阵相似性的直流线路保护方法中任一项的步骤。

55、基于本发明的另一方面，本发明提供一种电子设备，包括：

56、上述的计算机可读存储介质；以及一个或多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。

57、本发明提供了一种基于电流行波时频矩阵相似性的直流线路保护方法及系统，包括：基于直流线路两侧保护安装处的电流，分别计算线路任一侧对应的线模电流；基于所述线模电流，分别判断线路两侧的保护是否启动；当确定线路两侧的保护均启动时，对于线路任一侧，基于该任一侧对应的预设采样时间段内的线模电流确定该任一侧对应的电流行波时频矩阵；基于所述电流行波时频矩阵分别计算任一侧对应的电流行波左特征实矩阵；根据线路两侧的电流行波左特征实矩阵等效计算两侧电流行波时频矩阵的相似度，并基于所述相似度判别线路区内外故障。本发明根据线路两侧初始电流行波的相似度识别区内外故障，不依赖线路边界元件，可适用于无直流滤波器，或直流电感装设在换流站出口的直流电网；能够保护线路全长，并适用于不同线路长度的直流电网；同时利用初始电流行波的时域和频域特征，可有效避免单一使用时域故障特征信息所导致的缺陷，具有更强的耐过渡电阻和抗噪声能力；采样时间窗短，能够满足直流输电线路主保护的速动性要求。