基于广义S变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法与流程

基于广义s变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法
技术领域
1.本发明属于电网保护控制技术领域，涉及基于广义s变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法。


背景技术：

2.建设新型电力系统成为现代电力发展的重要战略，高比例分布式新能源并网成为了一种趋势。然而，随着新型电力系统建设的推进，分布式新能源容量大幅度提升，越来越多的电力电子设备接入电力系统中，导致短路时送出线的电流幅值受限、相角受控，新的非工频电流也会产生。传统的以工频为基础的保护方法不再适用，容易出现保护误动、拒动等问题，对整个电力系统的安全稳定带来了挑战。
3.传统的送出线路保护主要包含频域保护和时域保护。频域保护是利用不同频段故障特征形成保护判据，但是该方法采用的频率信息单一，面对高噪声和高谐波的场景，保护灵敏度会降低。时域保护是使用可以测量的时变量故障特征构成保护判据，但是该方法过渡依赖双侧线路电压电流的取值，如果电网容量较低，电流值较小，保护会出现拒动的现象。
4.现有技术中，申请公布日期2019年3月8日、申请公布号为cn109449899a的中国发明专利文献《一种基于斯皮尔曼等级相关系数的纵联保护方法》根据不同类型电源的暂态短路电流表达式，获得不同类型电源暂态电流的故障特征；基于所述故障特征，利用斯皮尔曼等级相关系数度量新能源场站送出线路区内故障时两侧暂态电流的波形差异；根据区内故障时两侧暂态电流的波形差异，区分区内外故障，实现对新能源场站送出线路的纵联保护；但是，该方法在面对大量电力电力设备接入的电网模型中，采用斯皮尔曼系数无法对其进行事先预处理，计算参数多、计算速度慢，变量之间的相关程度判断率低，无法实现快速辨识故障中能够起到的效果。
5.因此亟需研究出一种新的保护方法来适应高比例新能源接入的电网，去保护新能源送出线路。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于如何设计一种基于广义s变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法，以解决高比例新能源接入的电网导致的短路时送出线的电流幅值受限、相角受控，而造成传统的工频继电保护方法不再适用的问题。
7.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
8.基于广义s变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法，包括如下步骤：
9.s1、读取线路两侧保护装置电流信号，设置采样率，利用保护判据公式判断是否满足保护启动条件；
10.s2、对线路两侧电流信号进行广义s变换，提取出两侧电流信号的暂态能量；
11.s3、计算两侧暂态能量皮尔逊相关系数，判断区内、区外故障；如果是区内故障，那
么给两侧开关发送跳闸信号，断开故障线路；如果是区外故障，那么给两侧开关发送保护闭锁信号，防止开关误动作。
12.进一步地，步骤s1中所述的保护判据公式为：
13.|δi|》0.1in|δi|》0.1in14.式中，δi为采集的电流变化量；in为额定电流的大小。
15.进一步地，步骤s2中所述的对线路两侧电流进行广义s变换，提取出两侧电流暂态能量的方法如下：
16.s21、输入步骤s1读取的线路两侧保护装置电流信号从而定义s变换；
17.s22、在s变换的时间窗函数中添加大于零的调节因子g以构建广义s变换；
18.s23、将广义s变换离散化得到离散的广义s变换；
19.s24、提取出两侧电流信号在特定频段下的离散的广义s变换的暂态能量。
20.进一步地，步骤s21中所述的s变换的计算公式如下：
21.已知原始电流信号x(t)，定义s变换如下：
[0022][0023]
式中，s1(τ,f)为s变换函数，ω1(τ-t,f)为s变换的时间窗函数，x(t)为读取的线路两侧保护装置电流信号，t为时间参数，τ为高斯时间窗函数控制参数，j为复数标志，f为频率。
[0024]
进一步地，步骤s22中所述的广义s变换的公式如下：
[0025][0026]
式中，s2(τ,f)为广义s变换的时间窗函数，ω2(τ-t,f)为广义s变换的时间窗函数。
[0027]
进一步地，步骤s23中所述的离散的广义s变换的离散化过程如下：
[0028]
将x(t)的离散为向量x[it]，那么x[it]的离散傅里叶变换如下所示：
[0029][0030]
式中，n为采样点个数，n的范围为0到n-1之间的整数，t为采样的时间间隔。
[0031]
令上式中的τ＝kt，那么离散向量x[it]的广义s变换如下所示：
[0032][0033]
式中，k为0到之间n-1的整数；
[0034]
进一步地，步骤s24中所述的提取出两侧电流信号在特定频段下的离散的广义s变换的暂态能量的公式如下：
[0035][0036]
式中，s[p,q]为复时频矩阵，行向量为某一个频率下的时域特征，列向量为某一个时刻的幅频特征；abs(s[p,q])为s[p,q]矩阵元素绝对值。
[0037]
进一步地，步骤s3中所述的计算两侧暂态能量皮尔逊相关系数，判断区内、区外故障的方法如下：
[0038]
定义相关系数如下：
[0039][0040]
式中，d(x)、d(y)分别为两个变量x、y的方差；e为均值；分别为两个变量x、y的标准差；cov(x,y)为两个变量x、y的协方差；ρ
xy
为两个变量x、y的相关系数，含义为变量之间的协方差与标准差的商，范围在-1到1之间，绝对值越大，说明两个变量越相关，当值为0时，两个变量不相关，如果相关系数的值大于0，那么两个变量成正相关，如果相关系数的值小于0，那么两个变量成负相关。
[0041]
皮尔逊相关系数为：
[0042][0043]
式中，r
xy
为皮尔逊相关系数；xi、yi分别为序列变量x、y第i个序列的值；分别为序列变量x、y第i个序列的值；分别为序列变量x、y的均值；
[0044]
当发生区内故障时，双侧暂态能量近似成正相关的关系，皮尔逊相关系数理论值为1，当发生区外故障时，双侧暂态能量近似成负相关的关系，皮尔逊相关系数理论值为-1。考虑误差的情况下设置一个阈值τ
set
，τ
set
设置公式如下所示：
[0045]
τ
set
＝1
·kmag
·kmar
[0046]
式中，k
mag
、k
mar
分比为幅值的可靠系数、裕度系数；
[0047]
则具体的判据如下：线路两侧广义s变换暂态能量相关能量大于阈值τ
set
时，判断为区内故障，线路两侧广义s变换暂态能量相关能量小于阈值-τ
set
时，判断为区外故障；即下式：
[0048][0049]
其中，em、en分别为分别为线路两侧广义s变换暂态能量。
[0050]
本发明的优点在于：
[0051]
本发明通过对两侧电流使用广义s变换得出频域下的故障特征量，使用皮尔逊相关系数计算两侧暂态能量相关程度从而辨别区内和区外故障；经过广义s变换处理，提取出时频特性，能够提取出故障高频特性，在面对大量电力电力设备接入的电网模型中能够起到事先预处理的效果，提高了继电保护的准确性；使用皮尔逊系数进行相关系数计算，可以达到计算参数更少、计算速度更快，变量之间的相关程度判断率高的效果，用于新能源电网保护中，能够快速辨识故障，使保护迅速动作，效果更好。
[0052]
本发明的技术方案能够满足保护的快速性要求，而且具有较强的耐受过渡电阻能力，不受新能源电力电子装置接入引起的短路电流新特性影响，能够较好地应用于新能源送出线中。
附图说明
[0053]
图1为本发明实施例基于广义s变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法的流程图；
[0054]
图2为本发明实施例在pscad/emtdc仿真软件里搭建的新能源接入的电网模型；
[0055]
图3为本发明实施例新能源接入的电网模型在正常情况下的电流和皮尔逊相关系数；
[0056]
图4为本发明实施例新能源接入的电网模型在区外故障时的电流和皮尔逊相关系数；
[0057]
图5为本发明实施例新能源接入的电网模型在区内故障时的电流和皮尔逊相关系数。
具体实施方式
[0058]
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。
[0059]
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：
[0060]
实施例一
[0061]
如图1所示，本实施例提出的基于s变换和皮尔逊系数的新能源接入电网纵联保护方法，主要包括s变换和皮尔逊系数计算两个部分，具体步骤如下：
[0062]
1、读取线路两侧保护装置电流信号，设置采样率，利用保护判据公式判断是否满足保护启动条件，如果不满足保护判据的条件，那么保护闭锁，防止出现保护误动；
[0063]
所述的保护判据公式如下：
[0064]
|δi|》0.1inꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0065]
式中，δi为采集的电流变化量；in为额定电流的大小。
[0066]
所述的设置采样率的方法如下：采样率需要选择恰当，如果选择过大，会出现采集时间过长，影响保护速动性；如果选择过低，会出现无法准确识别电网故障，导致保护无法动作的问题，采样率范围通常为3khz到8khz之间；优选地，采样率取中间值为5khz。
[0067]
2、对线路两侧电流进行s变换，提取出两侧电流暂态能量，具体步骤如下：
[0068]
s变换是通过对原始信号添加高斯时间窗函数进行傅里叶变换，该高斯时间窗函数是随频率的变化而变化的，最终形成s矩阵，该矩阵具有时频特性，能够表现出不同频率信号的幅值和相位的变化。
[0069]
已知原始信号x(t)，定义s变换如下：
[0070][0071]
式中，t为时间参数，τ为高斯时间窗函数控制参数，j为复数标志，f为频率，ω1(τ-t,f)为s变换的时间窗函数。
[0072]
由公式(2)可知，时间窗函数宽度和频率呈负相关关系，当频率变低时，时间窗函数宽度变宽，当频率变高时，时间窗函数宽度变窄。使用s变换可以使得低频率段时间窗函数较宽，高频率段时间窗函数较窄。
[0073]
广义s变换是在原来的s变换的高斯时间窗函数中添加大于零的调节因子g，能够进一步优化s变换的时频分辨率，那么广义s变换的时间窗函数公式如下：
[0074][0075]
式中，ω2(τ-t,f)为广义s变换的时间窗函数。
[0076]
时间窗函数通过调节g的值大小可以进一步优化广义s变换的时频分辨率，那么广义s变换公式如下：
[0077][0078]
如果g＝0，那么广义s变换等效于s变换；如果g》1，那么广义s变换有较高的频率分辨率，能够形成清晰的高频信号；如果0《g《1，那么广义s变换有较高的时间分辨率，能够检测出突变点。
[0079]
本实施例采集的电流信号属于离散信号，因此需要研究离散广义s变换。如果输入信号x(t)的离散向量为x[it]，那么x[it]的离散傅里叶变换如下所示：
[0080][0081]
式中，n为采样点个数；n的范围为0到n-1之间的整数；t为采样的时间间隔。
[0082]
令上式中的τ＝kt，那么离散向量x[it]的广义s变换如下所示：
[0083][0084]
式中，k为0到之间n-1的整数；
[0085]
信号在特定频段下的广义s变换暂态能量和为：
[0086][0087]
式中，s[p,q]为复时频矩阵，行向量为某一个频率下的时域特征，列向量为某一个时刻的幅频特征；abs(s[p,q])为s[p,q]矩阵元素绝对值。
[0088]
3、计算两侧暂态能量皮尔逊相关系数，判断区内、区外故障；如果是区内故障，那么给两侧开关发送跳闸信号，断开故障线路；如果是区外故障，那么给两侧开关发送保护闭锁信号，防止开关误动作，具体步骤如下：
[0089]
皮尔逊相关系数是一种衡量两个变量的线性相关的方法，是通过数据的协方差矩阵来评估变量的关系程度，相关系数定义如下所示：
[0090][0091]
式中，d(x)、d(y)分别为两个变量x、y的方差；e为均值；分别为两个变量x、y的标准差；cov(x,y)为两个变量x、y的协方差；ρ
xy
为两个变量x、y的相关系数，含义为变量之间的协方差与标准差的商，范围在-1到1之间，绝对值越大，说明两个变量越相关，当值为0时，两个变量不相关，如果相关系数的值大于0，那么两个变量成正相关，如果相关系数的值小于0，那么两个变量成负相关。
[0092]
皮尔逊相关系数为：
[0093][0094]
式中，r
xy
为皮尔逊相关系数；xi、yi分别为序列变量x、y第i个序列的值；分别为序列变量x、y第i个序列的值；分别为序列变量x、y的均值。
[0095]
当发生区内故障时，双侧暂态能量近似成正相关的关系，皮尔逊相关系数理论值为1，当发生区外故障时，双侧暂态能量近似成负相关的关系，皮尔逊相关系数理论值为-1。考虑误差的情况下设置一个阈值τ
set
，τ
set
设置公式如下所示：
[0096]
τ
set
＝1
·kmag
·kmar
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0097]
式中，k
mag
、k
mar
分比为幅值的可靠系数、裕度系数；
[0098]
则具体的判据如下：线路两侧广义s变换暂态能量相关能量大于阈值τ
set
时，判断为区内故障，线路两侧广义s变换暂态能量相关能量小于阈值-τ
set
时，判断为区外故障；即
下式：
[0099][0100]
其中，em、en分别为分别为线路两侧广义s变换暂态能量。
[0101]
为了考虑误差最大值的可能性，需要保留一些裕度，本实施例设置可靠系数k
mag
的值为0.95，裕度系数k
mar
的值为0.95，τ
set
设置为0.95
×
0.95＝0.9025，经过最终计算得到保护阈值τ
set
为0.9025。
[0102]
4、验证
[0103]
为验证本发明的效果，以下例对所提出的基于广义s变换和皮尔逊相关系数的新能源接入电网纵联保护方法的先进性进行说明。
[0104]
如图2所示，在pscad/emtdc仿真软件里搭建新能源接入的电网模型，单个光伏发电机容量为1mw，共有100个，单个风力发电机容量为2mw，共有20个。设置的仿真步长为1s，采样率为5khz。送出线路长度为300km，参数如下：
[0105]
r1＝0.0758ω/km，l1＝0.83922mh/km，
[0106]
c1＝0.014μf/km，r0＝0.15421ω/km，
[0107]
l0＝2.6439mh/km，c0＝0.009296μf/km；
[0108]
正常运行时，两侧电流仿真结果如图3所示，图中虚线为线路左侧电流采集结果，实线为线路右侧电流采集结果，图中两个电流有一定的相位差，是由输电线路本身阻抗导致的。并且从仿真的结果可知，暂态能量皮尔逊相关系数为0，说明此时没有发生故障，保护不动作。
[0109]
发生区外故障时，故障发生时刻为0.2s，两侧电流仿真结果如图4所示。从图中可知，发生区外故障时，两侧电流突然增大，然后变得稳定，此时皮尔逊相关系数迅速下降，最后降到-0.993，说明此时发生区外故障，闭锁线路两侧保护，防止误动。
[0110]
发生区内故障时，故障发生时刻为0.2s，两侧电流仿真结果如图5所示。从图中可知，未发生故障之前，双侧电流波形较相似，发生区内故障时，两侧电流波形变得相反，故障点的皮尔逊相关系数迅速上升，升到0.998，说明此时发生区内故障，达到区内故障条件，线路两侧开关接受跳闸信号，保护快速动作。
[0111]
发生单相接地故障时经常会经过过渡电阻，因此需要验证经过过渡电阻的保护，设置过渡电阻分别为10ω、20ω、30ω、40ω、50ω、60ω、70ω、80ω、90ω、100ω。从表1中可知，发生经过过渡电阻下的区内故障时，皮尔逊相关系数均大于0.9025，满足保护条件，保护装置可靠动作；区外故障时，皮尔逊相关系数均小于-0.9025，双侧开关闭锁合闸，防止保护误动。
[0112]
表1过渡电阻下的保护验证
[0113][0114]
为了验证保护的动作时间满足条件，记录区内故障保护动作的时间仅有16ms，满足保护的速动性要求。
[0115]
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。

技术特征：
1.基于广义s变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、读取线路两侧保护装置电流信号，设置采样率，利用保护判据公式判断是否满足保护启动条件；s2、对线路两侧电流信号进行广义s变换，提取出两侧电流信号的暂态能量；s3、计算两侧暂态能量皮尔逊相关系数，判断区内、区外故障；如果是区内故障，那么给两侧开关发送跳闸信号，断开故障线路；如果是区外故障，那么给两侧开关发送保护闭锁信号，防止开关误动作。2.根据权利要求1所述的基于广义s变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法，其特征在于，步骤s1中所述的保护判据公式为：|δi|>0.1i
n
|δi|>0.1i
n
式中，δi为采集的电流变化量；i
n
为额定电流的大小。3.根据权利要求2所述的基于广义s变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法，其特征在于，步骤s2中所述的对线路两侧电流进行广义s变换，提取出两侧电流暂态能量的方法如下：s21、输入步骤s1读取的线路两侧保护装置电流信号从而定义s变换；s22、在s变换的时间窗函数中添加大于零的调节因子g以构建广义s变换；s23、将广义s变换离散化得到离散的广义s变换；s24、提取出两侧电流信号在特定频段下的离散的广义s变换的暂态能量。4.根据权利要求3所述的基于广义s变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法，其特征在于，步骤s21中所述的s变换的计算公式如下：已知原始电流信号x(t)，定义s变换如下：式中，s1(τ,f)为s变换函数，ω1(τ-t,f)为s变换的时间窗函数，x(t)为读取的线路两侧保护装置电流信号，t为时间参数，τ为高斯时间窗函数控制参数，j为复数标志，f为频率。5.根据权利要求4所述的基于广义s变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法，其特征在于，步骤s22中所述的广义s变换的公式如下：式中，s2(τ,f)为广义s变换的时间窗函数，ω2(τ-t,f)为广义s变换的时间窗函数。6.根据权利要求5所述的基于广义s变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法，其特征在于，步骤s23中所述的离散的广义s变换的离散化过程如下：将x(t)的离散为向量x[it]，那么x[it]的离散傅里叶变换如下所示：
式中，n为采样点个数，n的范围为0到n-1之间的整数，t为采样的时间间隔。令上式中的τ＝kt，那么离散向量x[it]的广义s变换如下所示：式中，k为0到之间n-1的整数。7.根据权利要求6所述的基于广义s变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法，其特征在于，步骤s24中所述的提取出两侧电流信号在特定频段下的离散的广义s变换的暂态能量的公式如下：式中，s[p,q]为复时频矩阵，行向量为某一个频率下的时域特征，列向量为某一个时刻的幅频特征；abs(s[p,q])为s[p,q]矩阵元素绝对值。8.根据权利要求7所述的基于广义s变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法，其特征在于，步骤s3中所述的计算两侧暂态能量皮尔逊相关系数，判断区内、区外故障的方法如下：定义相关系数如下：式中，d(x)、d(y)分别为两个变量x、y的方差；e为均值；分别为两个变量x、y的标准差；cov(x,y)为两个变量x、y的协方差；ρ
xy
为两个变量x、y的相关系数，含义为变量之间的协方差与标准差的商，范围在-1到1之间，绝对值越大，说明两个变量越相关，当值为0时，两个变量不相关，如果相关系数的值大于0，那么两个变量成正相关，如果相关系数的值小于0，那么两个变量成负相关。皮尔逊相关系数为：式中，r
xy
为皮尔逊相关系数；x
i
、y
i
分别为序列变量x、y第i个序列的值；分别为序列变量x、y第i个序列的值；分别为序列变量x、y的均值；
当发生区内故障时，双侧暂态能量近似成正相关的关系，皮尔逊相关系数理论值为1，当发生区外故障时，双侧暂态能量近似成负相关的关系，皮尔逊相关系数理论值为-1。考虑误差的情况下设置一个阈值τ
set
，τ
set
设置公式如下所示：τ
set
＝1
·
k
mag
·
k
mar
式中，k
mag
、k
mar
分比为幅值的可靠系数、裕度系数；则具体的判据如下：线路两侧广义s变换暂态能量相关能量大于阈值τ
set
时，判断为区内故障，线路两侧广义s变换暂态能量相关能量小于阈值-τ
set
时，判断为区外故障；即下式：其中，e
m
、e
n
分别为分别为线路两侧广义s变换暂态能量。

技术总结
基于广义S变换和皮尔逊系数的新能源接入纵联保护方法，属于电网保护控制技术领域，解决高比例新能源接入的电网导致的短路时送出线的电流幅值受限、相角受控，而造成传统的工频继电保护方法不再适用的问题，本发明通过对两侧电流使用广义S变换得出频域下的故障特征量，使用皮尔逊相关系数计算两侧暂态能量相关程度从而辨别区内和区外故障；本发明的技术方案能够满足保护的快速性要求，而且具有较强的耐受过渡电阻能力，不受新能源电力电子装置接入引起的短路电流新特性影响，能够较好地应用于新能源送出线中。于新能源送出线中。于新能源送出线中。


技术研发人员：叶远波 王吉文 李端超 汪伟 汪胜和 邵庆祝 于洋 王栋 王薇 项忠华 陈晓东 丁津津 李彪 苏毅 陈云飞 郑涛 李紫肖
受保护的技术使用者：北京四方继保工程技术有限公司
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/10/11