本發(fā)明涉及直流線路保護(hù)，具體涉及一種基于線模功率特性的三端混合直流輸電線路保護(hù)方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，三端混合直流輸電系統(tǒng)作為一種新型的輸電方式，引起國內(nèi)外電氣領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，其兼具傳統(tǒng)直流技術(shù)成熟、成本低及柔性直流調(diào)節(jié)能力好、不存在換相失敗等優(yōu)點(diǎn)，成為長距離和大容量傳輸?shù)挠行緩街弧?/p>

2、線路保護(hù)作為第一道防線，對(duì)于維護(hù)直流輸電系統(tǒng)的可靠性和安全性具有重要意義。由于三端混合直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、邊界條件等與傳統(tǒng)直流輸電和柔直輸電存在顯著的差異，且存在使用的架空線跨越范圍廣、工作環(huán)境惡劣、故障概率高等問題。因此，需要快速、可靠的線路保護(hù)，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

3、近年來，人工智能算法的出現(xiàn)，為故障識(shí)別提供了新思路。例如文獻(xiàn)《基于gru網(wǎng)絡(luò)的柔性直流配電線路保護(hù)方案[j].電網(wǎng)技術(shù),2021,45(10):3885-3896》選取直流電壓和母線電壓的高頻暫態(tài)能量和作為輸入特征量，構(gòu)建門控循環(huán)單元網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)輸電線路的保護(hù)，滿足直流保護(hù)的可靠性和速動(dòng)性要求。但是該文獻(xiàn)中使用模型在序列中提取特征存在困難，且難以捕捉數(shù)據(jù)特征之間的依賴關(guān)系，模型泛化能力較差，保護(hù)存在誤動(dòng)和拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

4、諸多學(xué)者利用線路兩端裝設(shè)的限流電抗器作為邊界，然后針對(duì)邊界的不同特性構(gòu)建直流線路的保護(hù)原理。然而與傳統(tǒng)的兩端直流輸電方式相比，混合多端直流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、運(yùn)行方式更加靈活，整流側(cè)、逆變側(cè)邊界不對(duì)稱，相鄰線路通過匯流母線連接形成的t區(qū)結(jié)構(gòu)無明顯邊界，上述方案均難以直接適用，給混合多端直流線路的保護(hù)設(shè)計(jì)帶來了新挑戰(zhàn)。

5、雖然上述直流線路保護(hù)方法具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但普遍存在特征提取復(fù)雜，需要進(jìn)行閾值的分析和調(diào)整才能進(jìn)行故障的準(zhǔn)確識(shí)別，而調(diào)整過程較為困難，工作量較大的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種基于線模功率特性的三端混合直流輸電線路保護(hù)方法，該方法能夠識(shí)別全線故障，且抗干擾性強(qiáng)，不受交流故障和弱邊界元件的影響。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

2、基于線模功率特性的三端混合直流輸電線路保護(hù)方法，包括以下步驟：

3、步驟1：搭建三端混合直流輸電模型，通過分析不同故障區(qū)域的故障特征，采集直流線路線模電壓、線模功率信號(hào)；

4、步驟2：計(jì)算故障時(shí)測量點(diǎn)的線模功率突變量、線模功率高頻能量、電壓突變量，作為故障特征量；

5、步驟3：搭建bitcn網(wǎng)絡(luò)故障識(shí)別模型，并對(duì)其進(jìn)行離線訓(xùn)練，在線驗(yàn)證；

6、步驟4：將故障特征量作為bitcn網(wǎng)絡(luò)故障識(shí)別模型的輸入量，故障類型作為輸出量，構(gòu)建基于bitcn網(wǎng)絡(luò)故障識(shí)別模型的線路保護(hù)判據(jù)。

7、所述步驟1中，通過pscad/emtdc搭建如圖1所示的三端混合直流輸電模型，不同區(qū)域的故障特征分析如下：

8、1)t區(qū)及兩側(cè)線路發(fā)生故障時(shí)，線模功率突變量如下：

9、

10、式中：分別為t區(qū)兩側(cè)線路t1、t2的線模電流突變量，正方向取常規(guī)運(yùn)行時(shí)方向；t區(qū)故障時(shí)，極性相反，極性相同；

11、t區(qū)左側(cè)故障時(shí)，與極性均相同；

12、t區(qū)右側(cè)故障時(shí)，與極性均相反。

13、因此：t區(qū)故障時(shí)：t區(qū)左側(cè)故障時(shí)：t區(qū)右側(cè)故障時(shí)：

14、2)線路i區(qū)內(nèi)、外故障分析如下：

15、當(dāng)頻率大于2000hz時(shí)，線路ⅰ的直流功率的高頻分量會(huì)被邊界元件阻滯從而衰減；當(dāng)流過換流器等值阻抗zlcc的兩端電壓、電流頻率較高時(shí)，zlcc只含電抗分量，即zlcc＝j(luò)ωllcc，直流濾波器在高頻頻段內(nèi)可等效為一固定電感l(wèi)filter，因此，整流側(cè)邊界兩端電流、電壓存在關(guān)系：

16、

17、式(2)中：zfilter為濾波器等值阻抗；zldc為限流電抗器等值阻抗；zlcc為lcc換流器等值阻抗；為線路i區(qū)(昆北側(cè))內(nèi)測量電壓；為線路i區(qū)(昆北側(cè))外測量電壓；為線路i區(qū)(昆北側(cè))內(nèi)測量電流；為線路i區(qū)(昆北側(cè))外測量電流。

18、由式(2)可知，當(dāng)線路i發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，邊界兩側(cè)電流、電壓高頻故障分量滿足：即pm>pa，pm為線路i區(qū)(昆北側(cè))外線模功率；pa為線路i區(qū)(昆北側(cè))內(nèi)線模功率。

19、區(qū)外故障時(shí)線路邊界測量點(diǎn)的電流、電壓分量關(guān)系式如下：

20、

21、式中：zmmc1為mmc換流器等值阻抗。

22、在高頻頻段內(nèi)，直流濾波器等效電感遠(yuǎn)小于平波電抗器電感，可知：即pm<pa。

23、3)線路ⅱ區(qū)內(nèi)、外故障分析如下：

24、由于三端混合直流輸電系統(tǒng)中的逆變側(cè)mmc端無濾波器，僅以限流電抗器作為線路的邊界元件，為了使本發(fā)明所提保護(hù)具有足夠的可靠性和靈敏性，根據(jù)導(dǎo)線與大地之間具有電容，因此在線路ⅱ區(qū)(龍門側(cè))換流站采用一段架空線對(duì)地電容與限流電抗器共同構(gòu)成線路邊界。當(dāng)頻率大于5000hz時(shí)，線路ⅱ直流功率的高頻分量也會(huì)被邊界阻滯，從而出現(xiàn)衰減；

25、逆變側(cè)邊界兩端電流、電壓故障分量存在關(guān)系：

26、

27、式(4)中：為線路ⅱ區(qū)(龍門側(cè))內(nèi)測量電壓；為線路ⅱ區(qū)(龍門側(cè))外測量電壓；為線路ⅱ區(qū)(龍門側(cè))外測量電流；為線路ⅱ區(qū)(龍門側(cè))內(nèi)測量電流。

28、因此，當(dāng)線路ⅱ發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，邊界故障電流、電壓滿足：線路ii發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，電流、電壓滿足：因此，線路ⅱ區(qū)內(nèi)故障時(shí)滿足：pn>pc；區(qū)外故障時(shí)滿足：pn<pc，pn為線路ⅱ區(qū)(龍門側(cè))內(nèi)線模功率；pc為線路ⅱ區(qū)(龍門側(cè))外線模功率。

29、直流線路線模電壓、線模功率信號(hào):

30、為避免直流線路正負(fù)極之間存在的電磁耦合關(guān)系，利用相模變換將各電氣量轉(zhuǎn)化為線模、地模分量。

31、

32、式中，up和ud分別為測量的正、負(fù)極故障電壓；u0、u1分別為故障電壓的地模、線模分量。

33、定義線模功率為：

34、p1＝i1*u1?(6)；

35、式中，i1、u1分別為故障電流、電壓的線模分量。

36、所述步驟2中，故障特征量選擇如下：

37、在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電氣量會(huì)持續(xù)存在波動(dòng)，線路故障時(shí)，兩條線路電壓均會(huì)發(fā)生突變，選擇突變量幅值較大的一條作為啟動(dòng)判據(jù)以提高保護(hù)靈敏性。

38、(1)故障方向識(shí)別特征量：

39、為了便于分析，對(duì)離散化的線模功率突變數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行積分求和，其表達(dá)式為：

40、

41、式中：n為數(shù)據(jù)窗內(nèi)離散點(diǎn)個(gè)數(shù)；分別為t區(qū)匯流母線兩側(cè)測量點(diǎn)t1、t2處的線模功率突變量；為突變量積分值。

42、t區(qū)發(fā)生故障時(shí)，極性相反；直流線路故障時(shí)，極性相同，其中t區(qū)左側(cè)線路故障時(shí)均為正極，t區(qū)右側(cè)線路故障時(shí)均為負(fù)極，可以利用不同方向故障時(shí)線模功率突變量極性差異構(gòu)成故障方向識(shí)別特征量。

43、(2)區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別特征量：

44、本發(fā)明采樣頻率設(shè)置為20khz，利用濾波器提取5～7.5khz范圍內(nèi)的電壓、電流故障分量計(jì)算得出線模功率高頻分量。由于小波變換作為一種信號(hào)處理工具，能在不同尺度上分析信號(hào)，且能更好的定位信號(hào)特征，因此利用小波變換提取線模功率高頻分量，判別不同線路的區(qū)內(nèi)外故障。對(duì)測量點(diǎn)處得到的故障暫態(tài)電流進(jìn)行db4小波5層分解，提取線模功率高頻分量對(duì)應(yīng)的第一層小波系數(shù)，定義線路邊界測量點(diǎn)的線模功率高頻分量的小波能量為：

45、

46、式中，pa、pm、pn、pc分別為兩條線路邊界兩側(cè)測量點(diǎn)處線模高頻功率，其大小等于相應(yīng)頻段內(nèi)線模電流故障分量和線模電壓故障分量之積。ei表示線模功率高頻分量的小波能量；pi(n)表示測量點(diǎn)的線模功率；a表示線路i區(qū)(昆北側(cè))外測量點(diǎn)；m表示線路i區(qū)(昆北側(cè))內(nèi)測量點(diǎn)；n表示線路ⅱ區(qū)(龍門側(cè))內(nèi)測量點(diǎn)；c表示線路ⅱ區(qū)(龍門側(cè))外測量點(diǎn)；n表示小波系數(shù)的個(gè)數(shù)。

47、線路故障時(shí)，只有靠近故障的測量點(diǎn)處檢測到的能量波動(dòng)較大，其余波動(dòng)較少，因此可以利用線模功率高頻小波能量特征構(gòu)成區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別特征量。

48、(3)故障選極:

49、由于系統(tǒng)采用真雙極運(yùn)行結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生單極接地故障時(shí)，故障極線路比非故障極線路的電壓幅值變化明顯；發(fā)生雙極接地故障時(shí)，正負(fù)極電壓都會(huì)發(fā)生波動(dòng)，幅值變化相似。因此，可利用電壓突變量幅值大小實(shí)現(xiàn)故障選極。為便于分析，對(duì)離散化的電壓突變量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行積分求和，其表達(dá)式為：

50、

51、式中：△up(n)、△ud(n)分別為正、負(fù)極電壓突變量；up、ud為電壓突變量積分值；

52、直流線路正極故障時(shí)，正極電壓突變量大于負(fù)極；直流線路負(fù)極故障時(shí)，負(fù)極電壓突變量大于正極；直流線路雙極故障時(shí)，正負(fù)極電壓幅值均有較大變化，雙極故障電壓變化情況大體相同，因此可以利用電壓突變量特征構(gòu)成故障選極特征量。

53、所述步驟3中，bitcn網(wǎng)絡(luò)故障識(shí)別模型的搭建如下：

54、tcn的核心是卷積操作，它通過卷積層來處理時(shí)序數(shù)據(jù)。相比于cnn，tcn的卷積核的大小通常是可變的，并且通過堆疊多個(gè)卷積層來增加感受野的大小。

55、假設(shè)卷積核為k＝(k1,k2,...,km)，k1,k2,...,km分別卷積核中的具體權(quán)重值；m為卷積核的大小。輸入的時(shí)間序列為α＝(h1,h2,...,hn)，h1,h2,...,hn分別表示每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的值；n為序列大小。

56、則αn的因果卷積表示為：

57、

58、式中：pn-m+1表示輸入數(shù)據(jù)；ki分別表示每個(gè)卷積核的權(quán)重。

59、使用擴(kuò)張卷積以避免出現(xiàn)梯度消失問題，它能夠在不增加參數(shù)數(shù)量的情況下增加感受野。擴(kuò)張卷積的一個(gè)關(guān)鍵特性是能夠在每個(gè)層級(jí)捕獲不同尺度的信息，有助于捕獲時(shí)序數(shù)據(jù)中的長程依賴關(guān)系。通過擴(kuò)張系數(shù)l的值減少兩個(gè)相鄰層之間卷積神經(jīng)元的數(shù)量，則αn的擴(kuò)張卷積可以表示為：

60、

61、式中：d表示擴(kuò)張因子，隨2的指數(shù)增長；pn-(m-1)d表示輸入數(shù)據(jù)。

62、為了加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練提高模型性能，tcn中通常采用殘差連接。每個(gè)卷積層的輸出與其輸入進(jìn)行相加，形成殘余塊使得網(wǎng)絡(luò)更容易優(yōu)化。殘余塊一部分由膨脹因果卷積和非線性映射構(gòu)成，可以表示為:

63、k(αi)＝ω2(relu(ω1αi))?(12)；

64、式中：ω1、ω2代表卷積層的權(quán)重；relu表示激活函數(shù)，對(duì)殘差模塊輸出進(jìn)行激活；relu(ω1αi)表示每個(gè)卷積層的激活函數(shù)。

65、另一部分是一維全卷積操作，使輸入、輸出序列具有相同的長度，輸出可以表示為

66、p(αi)＝k(αi)+hi??(13)；

67、pi+1＝relu(p(αi))??(14)；

68、式中：p(αi)表示卷積輸出；k(αi)表示殘余塊；hi表示輸入序列。

69、pi+1表示全卷積輸出結(jié)果；relu(p(αi))表示卷積輸出的激活函數(shù)。

70、然而傳統(tǒng)的tcn模型只對(duì)輸入序列進(jìn)行前向卷積計(jì)算，忽略了后向的隱含信息，為了有效提取局部和全局特征，本發(fā)明采用具有較強(qiáng)特征捕獲能力的bitcn網(wǎng)絡(luò)模型，其能夠從復(fù)雜的時(shí)序樣本中挖掘出深層次的故障特性，適合處理需要考慮多種因素、條件和模糊的信息處理問題，bitcn網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。包括輸入故障特征矩陣，雙向滑窗處理，兩層tcn模型，再將雙向特征融合，最后通過softmax輸出層輸出結(jié)果。在tcn的基礎(chǔ)上保留了因果膨脹卷積和殘差連接。一方面通過正向數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)從前到后的依賴關(guān)系，另一方面通過逆向數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)從后到前的依賴關(guān)系。最后將兩個(gè)方向?qū)W習(xí)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而獲取正反兩個(gè)傳播方向間數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系。

71、bitcn網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練:

72、將不同故障特征量作為bitcn網(wǎng)絡(luò)模型的輸入量分別表示上述t區(qū)匯流母線兩側(cè)線模功率突變量；em,ea,en,ec分別表示線路ⅰ、ⅱ邊界兩側(cè)線模功率高頻分量的小波能量；up,ud分別表示線路正負(fù)極電壓突變量積分值；

73、輸出結(jié)果為各故障類型，包括線路ⅰ區(qū)內(nèi)正極故障、線路ⅰ區(qū)內(nèi)負(fù)極故障、線路ⅰ區(qū)內(nèi)雙極故障、線路ⅰ區(qū)外故障、線路ⅱ區(qū)內(nèi)正極故障、線路ⅱ區(qū)內(nèi)負(fù)極故障、線路ⅱ區(qū)內(nèi)雙極故障、線路ⅱ區(qū)外故障、t區(qū)正極故障、t區(qū)負(fù)極故障。

74、參考烏東德等實(shí)際工程，為便于對(duì)比故障前后特征變化和對(duì)故障數(shù)據(jù)分析的需要，提取故障前2ms，故障后3ms的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集的獲取綜合考慮了故障距離(分別采集線路的1％、25％、50％、75％)、過渡電阻(區(qū)間取為0.01～600ω，變化步長為10ω)等影響因素，以保證有充足的樣本，以離線訓(xùn)練bitcn網(wǎng)絡(luò)模型。

75、在matlab平臺(tái)中構(gòu)建bitcn網(wǎng)絡(luò)模型，將歸一化后的數(shù)據(jù)按照4:1劃分訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，調(diào)整迭代學(xué)習(xí)、迭代次數(shù)等參數(shù)，bitcn網(wǎng)絡(luò)模型經(jīng)過調(diào)整后故障診斷準(zhǔn)確率可以實(shí)現(xiàn)10種不同類型故障的準(zhǔn)確輸出。

76、所述步驟4中，三端混合直流輸電保護(hù)流程如下：

77、s4101、搭建三端混合直流輸電模型；

78、s4102、采集測量點(diǎn)故障電壓、電流信號(hào)；

79、s4103、由得到的信號(hào)，判斷是否滿足啟動(dòng)判據(jù)△uⅰ、△uⅱ表示兩條線路的線模電壓突變量；表示設(shè)置的啟動(dòng)判據(jù)；max(△uⅰ,△uⅱ)表示兩者中的最大值；考慮一定的裕度，設(shè)置若滿足，則進(jìn)行s4104；

80、s4104、計(jì)算故障特征量：線模功率突變量、線模高頻小波能量、線模電壓突變量；

81、s4105、搭建bitcn網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)其進(jìn)行離線訓(xùn)練；

82、s4106、將故障特征量作為bitcn網(wǎng)絡(luò)模型的輸入量，故障類型作為輸出量；

83、s4107、故障時(shí)數(shù)據(jù)輸入，bitcn網(wǎng)絡(luò)模型輸出相應(yīng)的故障類型；

84、s4108、相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作。

85、線路保護(hù)判據(jù)：以電壓的突變?yōu)閱?dòng)判據(jù)，當(dāng)發(fā)生直流故障時(shí)線路兩端電壓變化率明顯大于正常波動(dòng)范圍。當(dāng)保護(hù)判據(jù)啟動(dòng)后，t區(qū)及兩側(cè)直流線路發(fā)生故障時(shí)，線模功率突變量特征明顯，構(gòu)成故障方向識(shí)別判據(jù)；線路區(qū)內(nèi)外故障時(shí)，相應(yīng)線路區(qū)內(nèi)外測量點(diǎn)的故障能量差異明顯，構(gòu)成線路區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別；線路的不同極發(fā)生故障時(shí)，電壓突變量特征明顯，構(gòu)成故障選極判據(jù)。

86、本發(fā)明提供的一種基于線模功率特性的三端混合直流輸電線路保護(hù)方法，具有以下有益效果：

87、1)本發(fā)明利用線模功率特性構(gòu)造保護(hù)判據(jù)，訓(xùn)練bitcn網(wǎng)絡(luò)模型以識(shí)別故障類型，該方法能夠識(shí)別全線故障，且抗干擾性強(qiáng)，不受交流故障和弱邊界元件的影響。

88、2)由于傳統(tǒng)保護(hù)算法存在閾值整定困難，以及高阻故障時(shí)不易檢測等問題，為此，本發(fā)明建立了bitcn網(wǎng)絡(luò)模型，通過智能算法實(shí)現(xiàn)故障診斷，避免了復(fù)雜的人工閾值整定問題，并且本發(fā)明方法具有較好的耐高阻能力。

89、3)由于在三端混合直流輸電系統(tǒng)中，線路故障時(shí)信號(hào)會(huì)存在較強(qiáng)的非線性，并易受采樣頻率、弱邊界等干擾。為此，本發(fā)明基于方向元件及邊界條件共同判斷故障類型，實(shí)現(xiàn)不受采樣頻率及弱邊界的影響。