一种基于GFT谱系数的有源配电网区域保护方法

本发明涉及有源配电网线路保护，尤其涉及一种基于gft谱系数的有源配电网区域保护方法。

背景技术：

1、随着我国大力发展低碳安全高效的能源体系，构建以新能源为主体的新型电力系统，它以分布式能源为主，将小型的分散的新能源接入配电网。分布式电源(distributedgeneration，dg)引入配电网，改变了传统配电网结构，由单电源辐射型供电的简单网络变为多电源多端供电的复杂网络，短路电流的故障特征也发生改变，对传统三段式电流保护的选择性、灵敏性甚至可靠性带来很大的冲击，会给配电网稳定运行带来不利。针对电机类dg(motor type distributed generator，mtdg)和逆变类dg(inverter-interfaceddistributed generator，iidg)接入的有源配电网发生故障，它们的故障特征不同，逆变类dg出力具有间歇性特征，给有源配电网线路保护的判别和整定带来困难。

2、朱玉勇，吕飞鹏，廖小君等(基于路图gft谱相似度的小电流接地系统故障选线[j].电力自动化设备，2023，43(11)：89-94+116.)提出一种基于路图的图傅里叶变换(graph fourier transform，gft)谱相似度的故障选线方法。首先对各出线暂态零序电流进行路图gft分析，发现非故障线路的路图gft谱相似，与故障线路有明显差异；然后通过综合离散弗雷歇距离和综合余弦相似度2个维度综合表征故障线路和非故障线路的路图gft谱差别，从而筛选出故障线路，但是此方法只能判断配电网某条馈线发生故障，并不能对线路区段故障进行判断，也没有考虑dg接入。

3、廖小君(基于图信号建模与分析的电网保护与故障诊断方法研究[d].西南交通大学博士学位论文)提出一种利用启动元件信息进行图信号建模，实现快速电网故障诊断的方法。首先根据电网所有故障录波及保护装置的启动元件信息，对基于主接线图的启动网络信息，采用冲突图模型，构建启动灵敏度图信号；然后利用故障支路对图频谱高频部分贡献率最大的特点，通过比较各输电线路的贡献率大小，识别电网线路或变压器故障支路元件，但是该方法主要针对输电线路，同时也没有考虑dg接入对保护的影响。

4、上述现有技术中所提方法各有不足之处，利用线路三相电流进行保护的方法会受到负荷电流、过渡电阻等的影响，未充分考虑不同类型dg如iidg、mtdg接入对配电网保护的影响。为了解决该问题，本发明提出一种基于图傅里叶变换gft谱系数的有源配电网区域保护方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种基于gft谱系数的有源配电网区域保护方法以解决背景技术中所提出的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种基于gft谱系数的有源配电网区域保护方法，包括以下步骤：

4、s1、对配电网中一条馈线的各线路两侧三相电流进行采样，监测电流突变量是否超过启动阈值，若超过则启动保护，计算得出线路区段两侧电流正序故障分量；

5、s2、基于s1中所得的线路区段两侧电流正序故障分量计算各线路两侧电流故障分量的余弦相似度和欧氏距离，作为各线路的余弦相似度和欧氏距离；

6、s3、构造一个无向加权图，以配电网一条馈线的各线路为图的各节点，图的邻接矩阵中元素为每条边的两端节点即两条线路各自欧氏距离的平均值，据此构造无向加权图的拉普拉斯矩阵；然后按照标准正交分解，得到特征向量矩阵；

7、s4、以各节点的余弦相似度的归一化值为图中各节点的输入信号，将其与特征向量矩阵相乘得到各谱系数；

8、s5、计算所有谱系数与特征向量矩阵各行之间的贴近度；

9、s6、将s5中所得的各行的贴近度计算结果与保护阈值进行比较，若该行的贴近度大于保护阈值，则判断其该行所对应节点发生故障，进而判断该节点所在的线路发生故障；若贴近度小于保护阈值，则判断为正常线路。

10、优选地，所述s1具体包括以下内容：

11、采集线路bc靠近电源的母线b侧各相电流，当电流突变量超过启动阈值时，则启动保护，计算得到母线b侧的正序电流减去8个周波前的正常电流，得到母线b侧的正序故障分量电流

12、同理，采集线路bc靠近负荷的母线c侧各相电流，计算得到母线c侧的正序故障分量电流

13、优选地，所述s2具体包括如下内容：

14、利用所得的故障后线路两侧的正序故障分量电流分别计算故障后每个采样时刻t前1个周波时间窗内线路两侧正序电流故障分量之间的余弦相似度scosbc,t、欧式距离ebc,t，分别存放到数组scosbc、ebc；

15、同理，针对配电网同一条馈线上线路bc的上游线路ab、及b侧并行分支线路bd，分别计算得到线路ab、线路bd两侧正序电流故障分量之间的余弦相似度scosab、scosbd，计算得到相应的欧式距离eab、ebd；

16、利用所得故障后4个周波线路ab、线路bc、线路bd的欧氏距离数组ebc、eab、ebd，计算得到ebc、eab、ebd的欧式距离平均值eabm、ebcm、ebdm。

17、优选地，所述s3具体包括如下内容：

18、s3.1、根据配电网一条馈线中各线路的拓扑结构，以各线路为节点，以各线路之间的连接为边，构造一个无向加权图g，所述无向加权图g包括n个节点，构造含权重的邻接矩阵w，设置w中一个非对角线的权重元素，是所在行列编号对应的边的两端节点即两条相邻线路各自欧氏距离平均值的平均值，w中各节点对自身的权重元素为0，即w的对角线元素为0；

19、s3.2、针对s3.1中所构造的无向加权图g，计算其拉普拉斯矩阵l，定义为：

20、l＝d-w (1)

21、其中，d是加权度对角矩阵，d的对角线元素是为节点i的度数表示图中与节点i有边连接的权重之和；然后，对矩阵l按照标准正交分解，求取其特征向量矩阵v，v中每一列都是一个特征向量，特征向量中各元素的数值范围为[-1,1]。

22、优选地，所述s4具体包括如下内容：

23、由于故障后每个采样时刻t各条线路即无向加权图g中各节点的两侧正序电流故障分量的余弦相似度scos的取值范围为[-1,1]，对scos进行(scos+1)/2的归一化计算，变成[0,1]数值，作为时刻t下各节点的输入信号数组signal，其中各元素为signal(i)，i为节点编号，i＝1,2,…,n；

24、将输入信号数组signal与矩阵v相乘，得到时刻t下图g的谱系数coff数组，它包含n个谱系数，具体公式表示为：

25、

26、式中，coff(k)表示第k个谱系数，其为数组signal中各元素与矩阵v中第k列特征向量的各元素相乘的和；vik是矩阵v中第i行第k列元素。

27、优选地，所述s5具体包括如下内容：

28、由于signal的数值范围为[0,1]，v中各元素的数值范围为[-1,1]，当节点i发生故障时，对应的输入信号signal(i)接近于1，其它非故障节点的输入信号接近于0；

29、根据式(2)可知，第k个谱系数coff(k)表示各乘积signal(1)×v1k,…,signal(i)×vik,…,signal(n)×vnk的和，其中，signal(i)×vik比其它乘积的数值都大，属于占优，因此，coff(k)与signal(i)×vik在数值上接近，即coff(k)与vik接近，并且同号，说明节点i发生故障时，第k个谱系数coff(k)与v中第i行第k列元素vik贴近；同理，分析得到其它谱系数如coff(j)与v中第i行第j列元素vij贴近；因此，各谱系数分别与v中第i行对应列元素都贴近，进而判断节点i发生故障；

30、针对无向加权图g中每个节点，计算故障后4个周波内n个谱系数coff的平均值coffm；通过一个循环，将第i个谱系数平均值coffm(i)与矩阵v第1行中第i列元素v(1,i)相减再取绝对值，作为第i个谱系数与v(1,i)之间的偏离度devia(i)，将1-devia(i)作为第i个谱系数与v(1,i)之间的贴近度，appro(i)＝1-devia(i)；在该循环中，取i从1到n，依次得到每个谱系数与矩阵v第1行相应列元素之间的贴近度，放到数组appro中；计算数组appro的平均值，作为所有谱系数与矩阵v第1行之间的贴近度ap(1)；重复上述操作，获得所有谱系数与矩阵v其它各行之间的贴近度。

31、优选地，所述s6具体包括如下内容：

32、对于贴近度数组ap中各元素ap(i)，分别将它与保护阈值apset进行比较；建立有源配电网区域保护的线路故障判据，如下：

33、ap(i)>apset (3)

34、式中，apset为保护阈值，考虑噪声的影响，取apset＝0.55；

35、如果ap(i)满足式(3)，则说明所有谱系数与矩阵v第i行贴近，即判断节点i发生故障，节点i所在的线路发生故障。

36、与现有技术相比，本发明提供了一种基于gft谱系数的有源配电网区域保护方法，具备以下有益效果：

37、本发明提出一种基于gft谱系数的有源配电网区域保护方法，该方法根据配电网一条馈线的拓扑结构，利用各线路区段两侧电流正序故障分量，计算各线路两侧正序电流故障分量之间的余弦相似度、欧氏距离的平均值，构造无向加权图，以各线路为图的节点，图中各节点的输入信号为余弦相似度，边的权重为两侧节点欧氏距离的平均值，构造拉普拉斯矩阵，按标准正交分解获得特征向量矩阵，再得到各谱系数；计算所有谱系数与特征向量矩阵各行之间的贴近度，建立线路故障的区域保护判据。该方法不受故障位置、故障类型、分布式电源类型、过渡电阻的影响，可耐受100欧姆的过渡电阻，可适应于下游接有iidg、mtdg两类dg及其混合情况。该方法能够有效检测出故障线路，具有很高的可靠性。