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一種利用瞬時功率曲線進行PCA聚類分析的同塔雙回線故障選相方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510371705.9

申請日:

2015.06.30

公開號:

CN104992062A

公開日:

2015.10.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 19/00申請日:20150630|||公開
IPC分類號: G06F19/00(2011.01)I; G01R31/08 主分類號: G06F19/00
申請人: 昆明理工大學
發明人: 束洪春; 田開慶; 高利; 蘇玉格
地址: 650093云南省昆明市五華區學府路253號
優先權:
專利代理機構: 代理人:
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510371705.9

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.03.06|||2015.11.18|||2015.10.21

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供一種利用瞬時功率曲線進行PCA聚類分析的同塔雙回線故障選相方法,屬于電力系統繼電保護技術領域。利用數字電磁暫態仿真獲得的各類故障下、各相瞬時功率曲線建立對應的PCA聚類空間,在同塔雙回輸電線路每一相線路上均安裝PCA聚類分析元件,即PCAIA、PCAIB、PCAIC、PCAIIA、PCAIIB和PCAIIC。當同塔雙回輸電線路發生故障時,對各相繼電器獲得的瞬時功率進行主成分分析,根據各相PCA聚類分析元件的判斷結果選出故障相。本發明無論是對單回線故障還是跨線故障均可以準確判斷出故障相。

權利要求書

權利要求書
1.  一種利用瞬時功率曲線進行PCA聚類分析的同塔雙回線故障選相方法,其特征在于:利用數字電磁暫態仿真獲得的各類型故障下各相瞬時功率曲線數據,建立對應的PCA聚類空間,在同塔雙回輸電線路每一相線路上均安裝PCA聚類分析元件,即PCAIA、PCAIB、PCAIC、PCAIIA、PCAIIB和PCAIIC;當雙回輸電線路發生故障時,對各相瞬時功率進行主成分分析,根據各相PCA聚類分析元件的判斷結果選出故障相。

2.  根據權利要求1所述的利用瞬時功率曲線進行PCA聚類分析的同塔雙回線故障選相方法,其特征在于具體步驟為:
(1)樣本數據的獲取:繼電器安裝在輸電線路的始端,利用仿真數據形成歷史樣本:沿Ⅰ回線路等間距分別設置6種含A相故障:A相接地故障、AB相間故障、ABG兩相接地故障、AC相間故障、ACG兩相接地故障以及ABCG三相接地故障;設置四種不含A相的故障:B相接地故障、C相接地故障、BC相間故障、BCG兩相間接地故障;沿Ⅱ回線路等間距設置6種含A相故障:A相接地故障、AB相間故障、ABG兩相接地故障、AC相間故障、ACG兩相接地故障以及ABCG三相接地故障;設置四種不含A相的故障:B相接地故障、C相接地故障、BC相間故障、BCG兩相間接地故障;
(2)樣本主成分聚類分析空間的構建:將上述20種故障類型下量測端獲得的瞬時功率曲線簇進行預處理:截取每條樣本故障前5μs時窗的數據和故障后35μs時窗的數據進行主成分聚類分析,構建由第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)為軸形成的主成分聚類空間;
(3)主成分聚類空間中故障類型的劃分和最小包圍圓的確定:根據樣本數據在主成分聚類空間的分布可劃分為三類:一類為含IA相故障,二是既不包含IA相故障又不包含ⅡA相故障,三是含ⅡA相故障;依次命名為Circlei(i=1,2,3),求取各類故障在主成分聚類空間上分布點集的最小包圍圓圓心Oi(i=1,2,3)和半徑Ri(i=1,2,3);
(4)實際故障數據的主成分聚類分析和整定距離的計算:當雙回輸電線路發生故障時,將量測端獲得的瞬時功率投影到第二步構建的主成分聚類空間,并分別計算故障數據分布點與Oi(i=1,2,3)之間的歐氏距離Di(i=1,2,3),考慮裕度,各個歐氏距離對應的整定距離di(i=1,2,3)計算如式(1)~(3);
d1=D1k1·R1---(1)]]>
d2=D2k2·R2---(2)]]>
d3=D3k3·R3---(3)]]> 式中,k1、k2、k3為可靠系數,這里取k1=1.25,k2=2.75,k3=2.25;
(5)根據歐氏距離的大小即可判斷Ⅰ回A相是否為故障相,具體的判據如式(4)~(5)所示:
若dmin=d1,則IA相故障   (4)
若dmin=d2或dmin=d3,則IA相未故障   (5)式中,dmin表示d1、d2和d3中的最小值;
(6)同理,按照第一、二、三步分別構造PCAIB、PCAIC、PCAIIA、PCAIIB和PCAIIC聚類分析元件;按照第四、五步分別判斷IB、IC、ⅡA、ⅡB、ⅡC相是否發生故障,綜合各相的判定結果選出雙回線的故障相。

說明書

說明書一種利用瞬時功率曲線進行PCA聚類分析的同塔雙回線故障選相方法
技術領域
本發明涉及一種利用瞬時功率曲線進行PCA聚類分析的同塔雙回線故障選相方法,屬于電力系統繼電保護技術領域。
背景技術
近年來,隨著全球經濟的快速發展,電能的需求也在進一步增加,然而由于土地資源緊張,導致輸電線路走廊的建設成本越來越高。因此在滿足可靠性要求的前提下,我國提出了同塔雙回甚至多回的架設方式,其中以同塔雙回最為普遍,這種架設方式不僅提高了單位輸電走廊寬度下的輸電能力,而且節約土地資源,降低電力建設投資成本。
雖然同塔雙回輸電線路的架設大大緩解了電力系統輸電走廊日益緊張的局勢,但也進一步增加輸電線路故障的復雜性。在傳統故障的基礎上又新增了回間等多種故障,使得輸電線路中繼電保護和行波測距的難度增大。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提出一種利用瞬時功率曲線進行PCA聚類分析的同塔雙回線故障選相方法,使其不僅適用于單回線故障,對于跨線故障同樣適用,以達到選出故障相的目的。
本發明的技術方案是:一種利用瞬時功率曲線進行PCA聚類分析的同塔雙回線故障選相方法,利用數字電磁暫態仿真獲得的各類型故障下各相瞬時功率曲線數據,建立對應的PCA聚類空間,在同塔雙回輸電線路每一相線路上均安裝PCA聚類分析元件,即PCAIA、PCAIB、PCAIC、PCAIIA、PCAIIB和PCAIIC;當雙回輸電線路發生故障時,對各相瞬時功率進行主成分分析,根據各相PCA聚類分析元件的判斷結果選出故障相。
具體步驟為:
(1)樣本數據的獲取:繼電器安裝在輸電線路的始端,利用仿真數據形成歷史樣本:沿Ⅰ回線路等間距分別設置6種含A相故障:A相接地故障、AB相間故障、ABG兩相接地故障、AC相間故障、ACG兩相接地故障以及ABCG三相接地故障;設置四種不含A相的故障:B相接地故障、C相接地故障、BC相間故障、BCG兩相間接地故障;沿Ⅱ回線路等間距設置6種含A相故障:A相接地故障、AB相間故障、ABG兩相接地故障、AC相間故障、ACG兩相接地故障以及ABCG三相接地故障;設置四種不含A相的故障:B相接地故障、C相接地故障、BC相間故障、BCG兩相間接地故障;
(2)樣本主成分聚類分析空間的構建:將上述20種故障類型下量測端獲得的瞬時功率曲線簇進行預處理:截取每條樣本故障前5μs時窗的數據和故障后35μs時窗的數據進行主成 分聚類分析,構建由第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)為軸形成的主成分聚類空間;
(3)主成分聚類空間中故障類型的劃分和最小包圍圓的確定:根據樣本數據在主成分聚類空間的分布可劃分為三類:一類為含IA相故障,二是既不包含IA相故障又不包含ⅡA相故障,三是含ⅡA相故障;依次命名為Circlei(i=1,2,3),求取各類故障在主成分聚類空間上分布點集的最小包圍圓圓心Oi(i=1,2,3)和半徑Ri(i=1,2,3);
(4)實際故障數據的主成分聚類分析和整定距離的計算:當雙回輸電線路發生故障時,將量測端獲得的瞬時功率投影到第二步構建的主成分聚類空間,并分別計算故障數據分布點與Oi(i=1,2,3)之間的歐氏距離Di(i=1,2,3),考慮裕度,各個歐氏距離對應的整定距離di(i=1,2,3)計算如式(1)~(3);
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式中,k1、k2、k3為可靠系數,這里取k1=1.25,k2=2.75,k3=2.25;
(5)根據歐氏距離的大小即可判斷Ⅰ回A相是否為故障相,具體的判據如式(4)~(5)所示:
若dmin=d1,則IA相故障      (4)
若dmin=d2或dmin=d3,則IA相未故障       (5)
式中,dmin表示d1、d2和d3中的最小值;
(6)同理,按照第一、二、三步分別構造PCAIB、PCAIC、PCAIIA、PCAIIB和PCAIIC聚類分析元件;按照第四、五步分別判斷IB、IC、ⅡA、ⅡB、ⅡC相是否發生故障,綜合各相的判定結果選出雙回線的故障相。
本發明中采樣率為1MHz,數據預處理時,時窗為故障前5μs和故障后35μs。
本發明的原理是:
1.各相PCA聚類分析元件的形成
仿真系統如圖1所示,以PCAIA為例進行說明,采樣率為1MHz,沿I回線路每隔5km分別設置6種含A相金屬型接地故障:A相接地故障、AB相間故障、ABG兩相接地故障、AC相間故障、ACG兩相接地故障以及ABCG三相接地故障;設置4種不含A相的故障:B相接地故障、C相接地故障、BC相間故障、BCG兩相接地故障;沿II回線路每隔5km設置6種含A相故障:A相金屬性接地故障、AB相間故障、ABG兩相接地故障、AC相間故障、 ACG兩相接地故障以及ABCG三相接地故障;設置4種不含A相的故障:B相接地故障、C相接地故障、BC相間故障、BCG兩相接地故障。在上述故障情況下,獲取量測端IA相△p曲線簇,如圖2所示,截取故障前5個采樣值及故障后35個采樣值進行PCA聚類分析,結果如圖3所示。
由圖2和圖3可以看出,上述20種故障可以分為三類:一是含有IA相故障,二是含有IIA相故障,三是既不包含IA相也不包含IIA相故障,這三類故障在PCA聚類空間上的分布不同。求取含有IA相故障數據在PCA聚類空間上分布點集的最小包圍圓,記為Circle1,圓心坐標O1=(-2143.73,17.29),半徑R1=1384.97;求取既不包含IA相也不包含IIA相的故障數據在PCA聚類空間上分布點集的最小包圍圓,記為Circle2,圓心坐標O2=(-13.79,4.55),半徑R2=17.50;求取有IIA相故障數據在PCA聚類空間上分布點集的最小包圍圓,記為Circle3,圓心坐標O3=(590.92,4.77),半徑R3=258.31。
2.各相線路故障與否的判斷
仍以PCAIA為例進行說明,利用歐氏距離,分別計算IA相故障△p測試數據在PCA聚類空間上分布點與O1、O2和O3之間的距離,分別記為D1、D2和D3,令
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d2=D2k2·R2---(2)]]>
d3=D3k3·R3---(3)]]>
式中,k1、k2、k3為可靠系數,這里取k1=1.25,k2=2.75,k3=2.25。
根據d1、d2和d3的大小即可判斷出IA相是否故障:
若dmin=d1,則IA相故障          (4)
若dmin=d2或dmin=d3,則IA相未故障            (5)
式中,dmin表示d1、d2和d3中的最小值。
3.按照同樣的方法,為IB、IC、IIA、IIB和IIC相線路分別配置PCAIB、PCAIC、PCAIIA、PCAIIB和PCAIIC,藉此,根據各相線路的判別結果應用簡單組合邏輯進行故障選相。
本發明的有益效果是:
(1)本發明無論是對單回線故障還是跨線故障均可以準確判斷出故障相。
(2)本發明所需數據時短,故障發生后可迅速做出判斷。
附圖說明
圖1為雙回輸電線路系統圖,圖中,G1、G2為兩側系統的發電機,T1、T2為兩側的變壓 器,P、M、N、Q為系統的母線,CE為母線對地的雜散電容,RI和RII分別為I回和II回線路的繼電器,PM段長200km,MN段長140km,NQ段長260km;
圖2為ⅠA相量測端獲得的短時窗內瞬時功率曲線圖;
圖3為ⅠA相量測端獲得的短時窗內瞬時功率樣本數據在PCA聚類空間上的分布圖;Circle1為ⅠA相故障樣本數據在PCA聚類空間上分布點集的最小包圍圓,Circle2為既不包含ⅠA相故障,也不包含ⅡA相故障樣本數據在PCA聚類空間上分布點集的最小包圍圓,Circle3為ⅡA相故障樣本數據在PCA聚類空間上分布點集的最小包圍圓;
圖4為雙回線中Ⅰ回線路距M端90km處發生A相接地故障時量測端繼電器獲得的短時窗內瞬時功率在主成分聚類分析空間上的投影圖;
圖5為雙回線中Ⅰ回距M端90km處發生B相接地故障時量測端繼電器獲得的短時窗內瞬時功率在主成分聚類分析空間上的投影圖;
圖6為雙回線中距M端90km處發生Ⅰ回B相與Ⅱ回A相回間接地故障時量測端繼電器獲得的短時窗內瞬時功率在主成分聚類分析空間上的投影圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式,對本發明作進一步說明。
一種利用瞬時功率曲線進行PCA聚類分析的同塔雙回線故障選相方法,利用數字電磁暫態仿真獲得的各類型故障下各相瞬時功率曲線數據,建立對應的PCA聚類空間,在同塔雙回輸電線路每一相線路上均安裝PCA聚類分析元件,即PCAIA、PCAIB、PCAIC、PCAIIA、PCAIIB和PCAIIC;當雙回輸電線路發生故障時,對各相瞬時功率進行主成分分析,根據各相PCA聚類分析元件的判斷結果選出故障相。
具體步驟為:
(1)樣本數據的獲取:繼電器安裝在輸電線路的始端,利用仿真數據形成歷史樣本:沿Ⅰ回線路等間距分別設置6種含A相故障:A相接地故障、AB相間故障、ABG兩相接地故障、AC相間故障、ACG兩相接地故障以及ABCG三相接地故障;設置四種不含A相的故障:B相接地故障、C相接地故障、BC相間故障、BCG兩相間接地故障;沿Ⅱ回線路等間距設置6種含A相故障:A相接地故障、AB相間故障、ABG兩相接地故障、AC相間故障、ACG兩相接地故障以及ABCG三相接地故障;設置四種不含A相的故障:B相接地故障、C相接地故障、BC相間故障、BCG兩相間接地故障;
(2)樣本主成分聚類分析空間的構建:將上述20種故障類型下量測端獲得的瞬時功率曲線簇進行預處理:截取每條樣本故障前5μs時窗的數據和故障后35μs時窗的數據進行主成分聚類分析,構建由第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)為軸形成的主成分聚類空間;
(3)主成分聚類空間中故障類型的劃分和最小包圍圓的確定:根據樣本數據在主成分聚類空間的分布可劃分為三類:一類為含IA相故障,二是既不包含IA相故障又不包含ⅡA相故障,三是含ⅡA相故障;依次命名為Circlei(i=1,2,3),求取各類故障在主成分聚類空間上分布點集的最小包圍圓圓心Oi(i=1,2,3)和半徑Ri(i=1,2,3);
(4)實際故障數據的主成分聚類分析和整定距離的計算:當雙回輸電線路發生故障時,將量測端獲得的瞬時功率投影到第二步構建的主成分聚類空間,并分別計算故障數據分布點與Oi(i=1,2,3)之間的歐氏距離Di(i=1,2,3),考慮裕度,各個歐氏距離對應的整定距離di(i=1,2,3)計算如式(1)~(3);
d1=D1k1·R1---(1)]]>
d2=D2k2·R2---(2)]]>
d3=D3k3·R3---(3)]]>
式中,k1、k2、k3為可靠系數,這里取k1=1.25,k2=2.75,k3=2.25;
(5)根據歐氏距離的大小即可判斷Ⅰ回A相是否為故障相,具體的判據如式(4)~(5)所示:
若dmin=d1,則IA相故障      (4)
若dmin=d2或dmin=d3,則IA相未故障        (5)
式中,dmin表示d1、d2和d3中的最小值;
(6)同理,按照第一、二、三步分別構造PCAIB、PCAIC、PCAIIA、PCAIIB和PCAIIC聚類分析元件;按照第四、五步分別判斷IB、IC、ⅡA、ⅡB、ⅡC相是否發生故障,綜合各相的判定結果選出雙回線的故障相。
實施例1:500kV雙回輸電線路系統圖如圖1所示。其線路參數如下:線路全長PM段200km,MN段140km,NQ端260km。故障位置:MN段距M端90km處發生Ⅰ回A相接地故障。接地阻抗50Ω,初始故障角90°,采樣率為1MHz。
(1)根據說明書中的步驟一至步驟二構建不同故障類型的主成分聚類分析空間,Ⅰ回A相量測端繼電器獲得的短時窗內瞬時功率曲線簇如圖2所示,構建的主成分聚類分析樣本空間如3所示。
(2)根據說明書中的步驟三將計算各類故障最小包圍圓的圓心和半徑,分別為Circle1:圓心O1=(-2143.73,17.29),半徑R1=1384.97;Circle2:圓心O2=(-13.79,4.55),半徑R2=17.50;Circle3:圓心O3=(590.92,4.77),半徑R3=258.31。
(3)根據說明書中的步驟四將故障數據投影在圖3的主成分聚類樣本空間中,投影圖如圖4所示,并計算各歐氏距離對應的整定距離,分別為:d1=0.4537、d2=28.0038和d3=3.3588。
(4)根據說明書中的步驟五進行判定,由于dmin=d1,可以判斷IA相故障。
(5)同理,PCAIB、PCAIC、PCAIIA、PCAIIB和PCAIIC的判斷結果分別為IB相未故障、IC相未故障、IIA相未故障、IIB相未故障和IIC相未故障。
(6)根據上述判別結果應用簡單組合邏輯可以判斷出故障相為IA相。
實施例2:500kV雙回輸電線路系統圖如圖1所示。其線路參數如下:線路全長PM段200km,MN段140km,NQ端260km。故障位置:MN段距M端90km處發生Ⅰ回B相接地故障。接地阻抗50Ω,初始故障角90°,采樣率為1MHz。
(1)根據說明書中的步驟一至步驟二構建不同故障類型的主成分聚類分析空間,Ⅰ回A相量測端繼電器獲得的短時窗內瞬時功率曲線簇如圖2所示,構建的主成分聚類分析樣本空間如3所示。
(2)根據說明書中的步驟三將計算各類故障最小包圍圓的圓心和半徑,分別為Circle1:圓心O1=(-2143.73,17.29),半徑R1=1384.97;Circle2:圓心O2=(-13.79,4.55),半徑R2=17.50;Circle3:圓心O3=(590.92,4.77),半徑R3=258.31。
(3)根據說明書中的步驟四將故障數據投影在圖3的主成分聚類樣本空間中,并計算各歐氏距離對應的整定距離,分別為:d1=1.2388、d2=0.3125和d3=1.0154。
(4)根據說明書中的步驟五進行判定,由于dmin=d2,可以判斷IA相未故障。
(5)同理,PCAIB、PCAIC、PCAIIA、PCAIIB和PCAIIC的判斷結果分別為IB相故障、IC相未故障、IIA相未故障、IIB相未故障和IIC相未故障。
(6)根據上述判別結果應用簡單組合邏輯可以判斷出故障相為IB相。
實施例3:500kV雙回輸電線路系統圖如圖1所示。其線路參數如下:線路全長PM段200km,MN段140km,NQ端260km。故障位置:MN段距M端90km處發生Ⅰ回B相與Ⅱ回A相回間接地故障。接地阻抗50Ω,初始故障角90°,采樣率為1MHz。
(1)根據說明書中的步驟一至步驟二構建不同故障類型的主成分聚類分析空間,Ⅰ回A相量測端繼電器獲得的短時窗內瞬時功率曲線簇如圖2所示,構建的主成分聚類分析樣本空間如3所示。
(2)根據說明書中的步驟三將計算各類故障最小包圍圓的圓心和半徑,分別為Circle1:圓心O1=(-2143.73,17.29),半徑R1=1384.97;Circle2:圓心O2=(-13.79,4.55),半徑R2=17.50;Circle3:圓心O3=(590.92,4.77),半徑R3=258.31。
(3)根據說明書中的步驟四將故障數據投影在圖3的主成分聚類樣本空間中,并計算各 歐氏距離對應的整定距離,分別為:d1=1.4967、d2=9.5878和d3=0.2493。
(4)根據說明書中的步驟五進行判定,由于dmin=d3,可以判斷IA相未故障。
(5)同理,PCAIB、PCAIC、PCAIIA、PCAIIB和PCAIIC的判斷結果分別為IB相故障、IC相未故障、IIA相故障、IIB相未故障和IIC相未故障。
(6)根據上述判別結果應用簡單組合邏輯可以判斷出故障相為IB相和IIA相。
上面結合附圖對本發明的具體實施方式作了詳細說明,但是本發明并不限于上述實施方式,在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內,還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。

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