一種利用極線故障電壓曲線簇進行主成分聚類分析的線路故障識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用極線故障電壓曲線簇進行主成分聚類分析的線路故障識別方法，屬于電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前我國已投運的直流輸電線路保護主要以變化率和變化量為基礎(chǔ)的所謂行波保護、微分欠電壓保護、縱聯(lián)差動保護和低電壓保護等。其中行波保護和微分欠電壓保護為主保護，動作保護速度快，但易受諧波、雷擊、采樣值抖動等干擾影響且耐受過渡電阻的能力比較差。易受諧波、雷擊、采樣值抖動等干擾影響的原因是因為保護算法的魯棒性差；以電壓變化率du/dt為核心判據(jù)的行波保護往往不能檢出UHVDC線路遠端高阻故障，根本原因是隨著過渡電阻的增大和故障距離的增加，使得du/dt減小，于展寬時間內(nèi)無法有效區(qū)分出線路內(nèi)部高阻接地故障與線路外部故障。而縱聯(lián)差動保護和低電壓保護作為后備保護，動作時限較長[4-8]。作為高阻故障檢測的縱聯(lián)差動保護是依靠延時來躲過交流系統(tǒng)故障期間暫態(tài)響應(yīng)以保障其不誤動，同時，為避免功率調(diào)整期間不誤動，SIMENS差動保護設(shè)計中又增加了閉鎖邏輯，故此縱聯(lián)差動保護出口延時太長，一方面，可能會致使縱聯(lián)差動保護常常起不到后備保護作用，另一方面，可能會致使直流控制系統(tǒng)保護先動作，引起不必要的直流閉鎖事故。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對直流輸電線路線路發(fā)生外部故障和線路故障時，提出一種利用極線故障電壓曲線簇進行主成分(PCA)聚類分析的線路故障識別方法。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0005]一種利用極線故障電壓曲線簇進行主成分(PCA)聚類分析的線路故障識別方法，由近至遠沿線路設(shè)置單極接地故障；區(qū)外故障設(shè)置整流側(cè)出口故障、整流側(cè)交流系統(tǒng)故障、逆變側(cè)出口故障和逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障；于1kHz采樣率下，由仿真分別獲得線路全線長范圍內(nèi)故障下和線路外部故障下極線電壓曲線簇，選取其極線電壓曲線簇Ims內(nèi)的數(shù)據(jù)進行PCA聚類分析，取兩個主成分PCjP PC 2構(gòu)成的2維PCA空間；這樣，在此PCA空間上形成反映線路故障和外部故障的兩類聚類點簇；當(dāng)發(fā)生故障，將測試數(shù)據(jù)Ims時窗內(nèi)極線故障電壓數(shù)據(jù)映射到由此2維PCA空間，并采用歐氏距離來度量測試數(shù)據(jù)與兩類點簇的距離，并構(gòu)成故障識別判據(jù)。
[0006]具體步驟為:
[0007](I)建立樣本數(shù)據(jù)庫及其PCA聚類空間:將沿UHVDC全線長范圍內(nèi)設(shè)置的故障和設(shè)置的區(qū)外整流側(cè)故障和逆變側(cè)故障，并由電磁暫態(tài)仿真獲得的Ims時窗內(nèi)極線故障電壓曲線簇作為樣本數(shù)據(jù)進行PCA聚類分析，建立PCA聚類空間，在由PCjP PC 2坐標軸構(gòu)成的PCA聚類空間形成明顯相區(qū)分的線路故障和區(qū)外故障兩種模態(tài)的聚類點簇；
[0008](2)設(shè)計和計算樣本數(shù)據(jù)的PCA聚類中心:根據(jù)步驟I獲得的PCA聚類空間實際情況，對直流輸電線路故障聚類設(shè)計并選取k個中心(k多I);對直流輸電線路外部故障選取P個中心(一般取P = 1，也可將整流側(cè)故障和逆變側(cè)故障各設(shè)I個聚類中心)；
[0009](3)保護元件故障啟動后，取Ims時窗內(nèi)極線故障電壓數(shù)據(jù)作為測試樣本，計算測試樣本數(shù)據(jù)在步驟I獲得的PCA聚類空間PQ、PC2*標軸上的投影ο t (?, q2);
[0010](4)計算投影ot(q1、q2)與各聚類中心的歐氏距離:計算測試樣本數(shù)據(jù)與線路故障聚類的k個中心的歐氏距離，并分別記為屯，d2，…，dk;同理，計算測試樣本數(shù)據(jù)與線路外部故障聚類的P個中心的歐氏距離，并分別記為dk+1，…，dk+p;
[0011](5)線路故障的識別:比較dp d2，…，dk，…，dk+p大小，找到最小值dmin;
[0012]若dmin= d i (或d2，…，dk)，則判斷為直流輸電線路故障模態(tài)；
[0013]若dmin= d k+1 (或dk+2，…，dk+p)，則判斷為直流輸電線路外部故障模態(tài)。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
[0015](I)采用PCA聚類分析可以有效提取電壓曲線簇樣本數(shù)據(jù)主要特征的信息并將其投影到主元空間，在PCjP PC 2坐標空間上形成線路故障和外部故障的不同聚類點簇，實現(xiàn)直流線路故障和外部故障的有效刻畫、表征和識別。
[0016](2)基于測試樣本于PCA的投影與PCA聚類點簇諸多中心之間歐氏距離判斷，不需要整定保護定值，判據(jù)具有自適應(yīng)性。
【附圖說明】
[0017]圖1為直流線路仿真系統(tǒng)。
[0018]圖2為正極線路量測端的故障電壓曲線簇:圖中，區(qū)外故障有:考慮整流側(cè)出口故障，過渡電阻分別設(shè)為O Ω、10 Ω和100 Ω ;整流側(cè)交流系統(tǒng)故障，包括A相接地故障，AB兩相接地故障，ABC三相接地故障；逆變側(cè)故障包括逆變側(cè)出口故障和逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障；a表示線路故障電壓曲線，b表示區(qū)外故障電壓曲線。
[0019]圖3為正極線路量測端故障電壓曲線簇及其在PCA空間上的聚類結(jié)果。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明作進一步說明。
[0021]實施例1:采用圖1所示的仿真系統(tǒng)，按照上述步驟(I)和(2)，得到線路故障和外部故障在PCA空間上的聚類結(jié)果如圖3所示。選取4個聚類中心作為線路故障的聚類中心，即(-1.7261，-0.3977)，(-1.2570，-0.2770)，(-0.9649，-0.2062)，(-0.8875，-0.1960)和 I個外部故障聚類中心(-0.2556,-0.2761)。并將測試樣本數(shù)據(jù)與線路故障聚類的4個中心的歐氏距離表示為屯?d4，測試樣本數(shù)據(jù)與外部故障聚類I個中心的歐氏距離表為d5。
[0022](I)根據(jù)權(quán)利要求書中的步驟(3)和(4)計算得到Cl1 = 0.0345、d2 = 0.5063、d3 =0.8064、d4 = 0.8837 和 d5 = 1.4921 ；
[0023](2)根據(jù)權(quán)利要求書中的步驟(5)得dmin= d i，所以判斷為線路故障。
[0024]實施例2:故障距離M端位置為400km，過渡電阻100 Ω。
[0025](I)根據(jù)權(quán)利要求書中的步驟(3)?(4)計算得到Cl1 = 0.8024、d2 = 0.3182、d3 =0.0199、d4 = 0.0602 和 d5 = 0.6931 ；
[0026](2)根據(jù)權(quán)利要求書中的步驟(5)得dmin= d 3，所以判斷為線路故障。
[0027]實施例3:整流側(cè)出口故障，過渡電阻10 Ω。
[0028](I)根據(jù)權(quán)利要求書中的步驟(3)?(4)計算得到Cl1 = 1.4920、d2 = 1.0082、d3 =0.7082、d4 = 0.6302 和 d5 = 0.1888 ；
[0029](2)根據(jù)權(quán)利要求書中的步驟(5)得dmin= d 5，所以判斷為區(qū)外故障。
[0030]以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。
【主權(quán)項】
1.一種利用極線故障電壓曲線簇進行主成分聚類分析的線路故障識別方法，其特征在于:由近至遠沿線路設(shè)置單極接地故障；區(qū)外故障設(shè)置整流側(cè)出口故障、整流側(cè)交流系統(tǒng)故障、逆變側(cè)出口故障和逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障；于1kHZ采樣率下，由仿真分別獲得線路全線長范圍內(nèi)故障下和線路外部故障下極線電壓曲線簇，選取其極線電壓曲線簇Ims內(nèi)的數(shù)據(jù)進行PCA聚類分析，取兩個主成分PCjP PC 2構(gòu)成的2維PCA空間；這樣，在此PCA空間上形成反映線路故障和外部故障的兩類聚類點簇；當(dāng)發(fā)生故障，將測試數(shù)據(jù)Ims時窗內(nèi)極線故障電壓數(shù)據(jù)映射到由此2維PCA空間，并采用歐氏距離來度量測試數(shù)據(jù)與兩類點簇的距離，并構(gòu)成故障識別判據(jù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用極線故障電壓曲線簇進行主成分聚類分析的線路故障識別方法，其特征在于具體步驟為: (1)建立樣本數(shù)據(jù)庫及其PCA聚類空間:將沿UHVDC全線長范圍內(nèi)設(shè)置的故障和設(shè)置的區(qū)外整流側(cè)故障和逆變側(cè)故障，并由電磁暫態(tài)仿真獲得的Ims時窗內(nèi)極線故障電壓曲線簇作為樣本數(shù)據(jù)進行PCA聚類分析，建立PCA聚類空間，在由PCjP PC 2坐標軸構(gòu)成的PCA聚類空間形成明顯相區(qū)分的線路故障和區(qū)外故障兩種模態(tài)的聚類點簇； (2)設(shè)計和計算樣本數(shù)據(jù)的PCA聚類中心:根據(jù)步驟I獲得的PCA聚類空間實際情況，對直流輸電線路故障聚類設(shè)計并選取k個中心(k多I);對直流輸電線路外部故障選取P個中心； (3)保護元件故障啟動后，取Ims時窗內(nèi)極線故障電壓數(shù)據(jù)作為測試樣本，計算測試樣本數(shù)據(jù)在步驟I獲得的PCA聚類空間PQ、PC2*標軸上的投影ο t (?, q2); (4)計算投$ot(q1、q2)與各聚類中心的歐氏距離:計算測試樣本數(shù)據(jù)與線路故障聚類的k個中心的歐氏距離，并分別記為屯，d2，…，dk;同理，計算測試樣本數(shù)據(jù)與線路外部故障聚類的P個中心的歐氏距離，并分別記為dk+1，…，dk+p; (5)線路故障的識別:比較dpd2，…，dk，…，dk+p大小，找到最小值dmin; 若dmin= d i (或d2，…，dk)，則判斷為直流輸電線路故障模態(tài)； 若dmin= d k+1 (或dk+2，…，dk+p)，則判斷為直流輸電線路外部故障模態(tài)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用極線故障電壓曲線簇進行主成分聚類分析的線路故障識別方法，屬于電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)領(lǐng)域。由近至遠沿線路設(shè)置單極接地故障；區(qū)外故障設(shè)置整流側(cè)出口故障、整流側(cè)交流系統(tǒng)故障、逆變側(cè)出口故障和逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障。于10kHz采樣率下，由仿真分別獲得線路全線長范圍內(nèi)故障下和線路外部故障下極線電壓曲線簇，選取其極線電壓曲線簇1ms內(nèi)的數(shù)據(jù)進行PCA聚類分析，取兩個主成分PC1和PC2構(gòu)成的2維PCA空間。這樣，在此PCA空間上形成反映線路故障和外部故障的兩類聚類點簇。當(dāng)發(fā)生故障，將測試數(shù)據(jù)1ms時窗內(nèi)極線故障電壓數(shù)據(jù)映射到由此2維PCA空間，并采用歐氏距離來度量測試數(shù)據(jù)與兩類點簇的距離，并構(gòu)成故障識別判據(jù)。
【IPC分類】G01R31/08
【公開號】CN104977506
【申請?zhí)枴緾N201510371876
【發(fā)明人】束洪春, 田鑫萃, 陳葉, 楊晨曦
【申請人】昆明理工大學(xué)
【公開日】2015年10月14日
【申請日】2015年6月30日