A Random Forest Classifier-based Digital Protection Scheme for Busbar

This paper presents a random forest (RF) classifier-based digital protection scheme which provides an effective discrimination between internal and external faults on a busbar. The measured current signals of all the bays (lines) connected to a busbar have been used as feature vectors. The system and fault parameters have been varied to generate a wide variety of simulation cases (33,600) consisting of both internal and external faults. By giving post-fault data of one cycle duration of all the bay currents as an input to the RF classifier, and taking only 30% of the total data (33,600) for training and remaining 70% of the total data for testing, an accuracy higher than 98% has been obtained. The PSCAD/EMTDC software package is used to model a prevailing 400-kV Indian busbar system for the purpose of authentication of the presented technique. The presented technique successfully differentiates between internal faults and external faults and remains unaffected against the change in system and fault parameters. In addition, the proposed scheme maintains stability under the Current Transformer saturation phenomena particularly during a heavy-through fault. A comparative analysis of the proposed scheme with the recently proposed scheme using support vector machine classifier clearly shows its superiority.     

基于电压和电流突变量的高压直流输电线路保护原理

在对高压直流输电线路区内、外故障和雷击等暂态过程研究的基础上,提出了一种基于电压、电流突变量变化特征的高压直流输电线路主保护原理。该原理对两极线路同侧保护安装处测得的电压突变量幅值的比值设定阈值,选出故障极;利用故障线路两端电流突变量的极性在线路保护区内故障时相异、在区外故障时相同,区分线路上保护区内和区外故障。PSCAD/EMTDC软件对实际高压直流输电系统的仿真结果表明,该保护原理在双极两端中性点接地方式下能够快速判别故障极和区分线路上保护区内、外故障,可靠排除雷击干扰,在故障性雷击和高阻抗接地时准确动作,并适用于一极降压和一极全压运行、功率反送、一极停电检修及单极金属回线运行方式等。采样频率在10～100kHz范围内时可满足保护判据计算要求。     

一种基于固有频率的超高压线路相间保护方案

在分析影响固有频率因素的基础上,提出了一种利用固有频率的超高压输电线路相间故障保护方案。理论分析表明,故障后产生的各种频率信号中,固有频率信号是明确的,且信号较强,便于采集。该方案利用线路两侧的固有频率主频差和阻抗判据区分区内、外相间故障,可以有效提高区内故障时保护的动作速度,同时保证区外故障时保护不误动。该方案不受系统振荡、负荷电流、故障时刻、过渡电阻、故障点位置和系统运行方式的影响,受电流互感器饱和的影响较小。ATP仿真和MATLAB分析验证了该方案的有效性。     

基于故障电流传播特性的高压直流输电线路单端保护方案

针对高压直流输电线路现有行波保护故障识别准确率不高、耐过渡电阻能力不强等问题,提出一种基于故障电流传播特性的单端保护方案。基于高压直流输电系统的等效电路,分别分析故障电流从换流侧到线路、从线路到换流侧以及在线路上的传播特性,进而分析不同位置发生故障时整流站线路边界两侧故障电流特征的差异性。基于此,利用特征频段电流构造区内、区外故障的识别判据,设计直流线路单端保护方案。基于PSCAD/EMTDC软件的仿真结果表明,所提保护方案能够准确识别区内、外故障,且具有良好的耐过渡电阻及抗噪声干扰能力。     

稳态量分相电流差动保护判据制动特性的改进

定义了区内故障穿越电流。对穿越电流的研究显示,传统稳态量差动保护区内故障时的保护灵敏度受负荷电流影响大,带过渡电阻能力与故障点位置相关。通过在制动特性中引入穿越电流,提出了一种改进的稳态量电流差动判据。理论分析表明:改进判据与传统稳态量差动保护判据区外故障的安全性完全相同,但改进判据在区内故障的灵敏度以及带过渡电阻能力大大提高了。对一条750kV线路故障和保护的仿真试验,证明了改进判据的上述优越性,是一种比较理想的超特高压输电线路电流差动保护判据。     

基于电流特征量相关系数的UHVDC线路高阻接地故障保护

特高压直流输电线路距离长、跨越区域复杂,故障发生率较高,常规电流差动保护的快速性较差且耐过渡电阻能力有限,为此提出一种基于电流特征量相关系数的线路高阻接地故障保护新原理。首先利用状态空间分析得到直流线路两端稳态电流时域表达式;随后,分析电流成分,发现其衰减振荡项中的角频率可反映线路对地故障,且可用相关系数衡量。接着利用两端电流和、电流差进一步突出角频率特征,并计算两者的相关系数构造判据特征量。在此基础上,根据判据特征量在区内外故障的不同特征,计及直流输电系统控制特性,提出了纵联保护新原理。该原理无需电容电流补偿,且对信道要求低,利于工程应用。仿真结果表明,该方案耐受过渡电阻能力和快速性优于常规电流差动保护。     

Current trajectory image-based protection algorithm for transmission lines connected to MMC-HVDC stations using CA-CNN

In the presence of an MMC-HVDC system, current differential protection (CDP) has the risk of failure in operation under an internal fault. In addition, CDP may also incur security issues in the presence of current transformer (CT) saturation and outliers. In this paper, a current trajectory image-based protection algorithm is proposed for AC lines connected to MMC-HVDC stations using a convolution neural network improved by a channel attention mechanism (CA-CNN). Taking the dual differential currents as two-dimensional coordinates of the moving point, the moving-point trajectories formed by differential currents have significant differences under internal and external faults. Therefore, internal faults can be identified using image recognition based on CA-CNN. This is improved by a channel attention mechanism, data augmentation, and adaptive learning rate. In comparison with other machine learning algorithms, the feature extraction ability and accuracy of CA-CNN are greatly improved. Various fault conditions like different network structures, operation modes, fault resistances, outliers, and current transformer saturation, are fully considered to verify the superiority of the proposed protection algorithm. The results confirm that the proposed current trajectory image-based protection algorithm has strong learning and generalizability, and can identify internal faults reliably.     

基于5G信道的含无测量分支线路综合保护方案

现有配电干线常接有若干无法测量的分支,传统三段式过流保护应用于此类线路时灵敏性和快速性均有欠缺,相量差动保护则存在区外故障制动量过大导致区内故障不灵敏的问题。以5G代替光纤通道作为配电网双端量保护的通道,提出面向含无测量分支配电线路的一套综合保护方案。首先分析含无测量分支线路区内外故障时两侧负序电流相位特征,提出负序电流比相式保护判据;再者,为应对5G通信同步性能不能保证甚至失步的工况,引入正序电流幅值差动保护;在通信中断或正序电流幅值差动保护未启动等极端情形,采用三段式过流保护,最终形成一套完整的配电网线路综合快速保护方案。通过在PSCAD/EMTDC中搭建10 kV有源配电网模型,设计多组对比算例进行验证,仿真结果表明了所提保护判据和方案的有效性。     

基于线模电流故障分量的高压直流输电线路纵联保护方案

针对现有高压直流输电线路纵联保护受分布电容影响大,动作速度慢从而导致系统闭锁这一问题,提出了一种不受分布电容影响的高压直流输电线路方向纵联保护方案。通过分析模电流传输特性得到线模电流具有受分布电容影响小的特点。基于输电线路线模阻抗推导了区内和区外故障下线路两侧测点电流幅值特征,从而利用整流侧和逆变侧测点线模电流故障分量幅值比的差异作为保护判据,构建了区内外故障识别方案,并通过理论分析为保护阈值选取提供了依据。仿真结果表明,所提保护方案能够可靠识别区内外故障,保护动作不受分布电容影响,对采样和通信要求不高,并具有较强的耐过渡电阻能力和抗噪性。     

基于特征谐波电流积分比值的HVDC整流站保护优化方案

针对现有高压直流输电(HVDC)系统换流站保护在区外交流系统故障时误动作的问题,提出了基于特征谐波电流积分比值的HVDC整流站保护优化方案.此方案利用换流变压器一次侧与送端交流线路的特征谐波电流积分比值来识别整流站区内外故障.当发生整流站区内故障时,该比值大于1;当发生整流站区外故障时,该比值小于1.进而考虑整流站保护...     

T接线路电流纵差保护新判据研究

根据T接线路的特点 ,提出一种基于故障分量的电流纵差保护新判据。该判据在保证外部故障稳定性的前提下 ,对内部故障具有灵敏度高、允许过渡电阻能力强等特点 ,动作性能不受负荷电流的影响 ,适应于有电流流出的内部故障情况。文章给出了该判据的理论分析、应用条件和仿真结果。     

反应重负荷下高阻故障的稳态量线路差动保护判据

指出传统稳态量差动保护判据受穿越电流影响,导致重负荷接地故障情况下带过渡电阻能力弱,提出一种改进的稳态量电流差动判据,对两种判据灵敏度的理论分析表明,改进判据在内部带电阻接地故障中,具有较高的灵敏度,特别是对重负荷下的高阻接地故障,表现出明显的优越性。根据一条750 kV线路故障和保护的仿真试验,证明该电流差动改进判据较传统稳态量判据,在保证区外故障安全性的基础上,对重负荷状况下的带过渡电阻能力有很大的提高,是一种比较理想的超高压或特高压输电线路电流差动保护判据。     

基于电流特征量相关系数的UHVDC线路纵联保护新原理

特高压直流输电线路长、发生故障概率大,其常规纵联电流差动保护的快速性较差且耐受过渡电阻能力有限。相关系数可定量描述两个变量的变化趋势,且不受变化幅度影响。为此,首先立足直流线路故障暂态特性,利用两端电流和、差计算相关系数,构造了判据特征量。其次,基于判据特征量在区内、外故障的不同特性,计及直流输电系统控制特性,提出了纵联保护新原理。该原理无需电容电流补偿,耐受过渡电阻能力和快速性优于常规纵联电流差动保护;且对信道要求低,利于工程应用。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真验证了新原理的有效性。     

基于横差模电流暂态能量的同杆双回线保护方案

利用同杆双回线内部故障和外部故障的特点,构成了能准确区分区内、区外故障的速动保护方案。将同杆双回线各回线故障后的电流量分解为不同频段上的暂态信息和稳态信息,得到故障后电流的暂态特征,利用暂态特征的差值构成基于横差模电流暂态能量的保护方案,利用相继动作方法可迅速切除同杆双回线内部的各种故障。保护的灵敏度不受过渡电阻、雷击、故障类型、负荷电流、系统运行方式等因素的影响。此外,由于保护的数据窗很短,电压互感器、电流互感器的传变特性对保护的性能没有影响。     

环形直流微网短路故障分析及保护方法

以环形风电直流微网为研究对象,深入分析直流母线发生双极短路故障时电压源变流器(VSC)的故障特性,并据此提出以电流差动保护为主保护、欠电压保护为后备保护的环形直流微网故障定位与保护方案。该方案通过检测直流线路的输入、输出电流及其差动电流来定位和隔离故障线路,并配备欠电压后备保护以确保故障下直流微网系统的安全运行。基于MATLAB/Simulink对环形直流微网进行仿真研究以验证所提保护策略的可行性。仿真结果表明,在线路发生双极短路故障时,保护系统能够根据线路差动电流值做出快速响应,从而实现了直流微网系统短路故障的定位和隔离。     

基于负序电流判别的变压器差动保护零序电流自动补偿方法

对于星形/三角形(Y/d)连接组的变压器,形成差动量一般采用2种转角方式:Y侧电流移相转角(Y→d)和d侧电流移相转角(d→Y)以实现二次电流的幅值和相位校正.为了避免中性点直接接地侧外部单相接地短路时差动保护误动,2种转角方式都消去了差动电流中的零序分量,但因此降低了差动保护反应内部单相接地短路和匝间短路的灵敏度.直接利用中性点零序电流对差动电流进行自动补偿可以兼顾区内外接地短路时保护的可靠性与灵敏度,但实际上由于三相电流互感器(TA)与中性点零序TA的不同型问题,也可能导致差动保护的误动.研究表明,充分利用变压器各侧负序电流在区内外接地短路时的不同相位特征,可以对差动电流进行零序电流的自动补偿,既提高了区外接地短路时保护的可靠性,又保证了区内接地短路时保护的灵敏度不会降低.该方法无需增加额外的零序TA二次接线,也避免了零序TA极性校验问题.     

基于电流相关性的直流线路单极故障保护方案

目前,柔性直流配电网得到快速发展,但其直流线路保护方案还不成熟,特别是基于模块化多电平换流器（modular multi-level converter,MMC）的直流配电系统,单极接地故障时故障电流不明显,给故障识别增加了难度。针对这一问题,考虑直流线路的分布电容效应,提出一种采用Pearson相关系数计算正负极电流相关性的单极接地故障识别方法。区内故障时,线路每端的正极电流与负极电流均呈强正相关特性,而区外故障时,靠近故障端的线路正负极电流正线性相关性较差。以直流电压变化率作为故障识别启动判据,给出具体的单极接地故障保护方案。在PSCAD/EMTDC平台中搭建了光伏直流接入系统仿真模型并进行了验证,结果表明：该方案可快速、可靠地识别区内外故障,并具有一定耐受过渡电阻的能力。     

采用S变换相位差及能量相对熵的换流变零序差动保护新判据

针对换流变压器零序差动保护误动现象,提出一种采用S变换相位差及能量相对熵算法的换流变零序差动保护新判据。通过分析换流变压器区内各类故障、区外故障及外部故障切除时零序电流的特点,利用零序差动保护两侧自产零序电流和中性线上零序电流的相位和能量概率分布差异进行识别。当发生区外故障时,零序差动保护两侧零序电流的波形极为相似,其相位差和能量相对熵值都基本为0。当发生区内故障时,零序差动保护两侧零序电流相位相反且波形相似度小,其相位差接近180°且能量相对熵值增大。仿真验证表明,该判据可准确迅速识别区内与区外故障,其性能不受故障类型和过渡电阻的影响,且具有一定的抗电流互感器饱和的能力。     

基于单环定理的HVDC输电线路纵联保护方法

针对高压直流(high voltage direct current,HVDC)线路高阻接地故障时保护容易拒动的问题,提出一种基于单环定理的纵联保护方法。首先,将直流线路两侧电流突变量作为状态变量构造奇异值等价矩阵,根据单环定理进行谱分析从而实现区内外故障识别;然后,通过广义S变换提取两极电流突变量特定频段暂态能量和的比值特征进行故障选极;最后,给出了纵联保护方案。仿真验证表明,所提保护原理判据简单,易于整定,各种故障情况下均能实现快速、有选择性动作。所提方法对不良数据具有较强的免疫能力,即使在线路末端发生高阻接地等最不利于保护动作的故障情况下仍能可靠动作。     

基于采样值相关度比较的母线保护方案

对母线各支路电流采样值在每个采样点进行数据处理,将处理结果作为计算相关度的依据,利用其在母线区内外故障及电流互感器饱和时的波形相关度特点,构造出具有自适应制动特性的母线保护判据。该判据基于瞬时采样值并综合多个采样值的信息来区分母线区内外故障,计算数据窗长较短,对频率偏移和谐波的影响也有一定的抵御能力。大量的动模实验表明:该判据能够快速、可靠地判别母线区内外故障,并具有一定的抗电流互感器饱和能力,在母线区内故障有汲出电流的情况下,保护灵敏度不受影响,定值整定借鉴传统比率差动的整定思想,简单易行,配合形态滤波等快速前置滤波单元,可构成一种较理想的母线主保护方案。