一種利用瞬時(shí)功率曲線進(jìn)行pca聚類分析的同塔雙回線故障選相方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用瞬時(shí)功率曲線進(jìn)行PCA聚類分析的同塔雙回線故障選相方 法，屬于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電能的需求也在進(jìn)一步增加，然而由于土地資 源緊張，導(dǎo)致輸電線路走廊的建設(shè)成本越來越高。因此在滿足可靠性要求的前提下，我國(guó)提 出了同塔雙回甚至多回的架設(shè)方式，其中以同塔雙回最為普遍，這種架設(shè)方式不僅提高了 單位輸電走廊寬度下的輸電能力，而且節(jié)約土地資源，降低電力建設(shè)投資成本。
[0003] 雖然同塔雙回輸電線路的架設(shè)大大緩解了電力系統(tǒng)輸電走廊日益緊張的局勢(shì)，但 也進(jìn)一步增加輸電線路故障的復(fù)雜性。在傳統(tǒng)故障的基礎(chǔ)上又新增了回間等多種故障，使 得輸電線路中繼電保護(hù)和行波測(cè)距的難度增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種利用瞬時(shí)功率曲線進(jìn)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(duì)于跨線故障同樣適用，以達(dá)到選出 故障相的目的。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種利用瞬時(shí)功率曲線進(jìn)行PCA聚類分析的同塔雙回線故 障選相方法，利用數(shù)字電磁暫態(tài)仿真獲得的各類型故障下各相瞬時(shí)功率曲線數(shù)據(jù)，建立對(duì) 應(yīng)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、PCArc、PCAiia、PCAiib和PCAIK;當(dāng)雙回輸電線路發(fā)生故障時(shí)，對(duì)各相瞬時(shí)功率進(jìn)行主成 分分析，根據(jù)各相PCA聚類分析元件的判斷結(jié)果選出故障相。
[0006] 具體步驟為：
[0007] (1)樣本數(shù)據(jù)的獲?。豪^電器安裝在輸電線路的始端，利用仿真數(shù)據(jù)形成歷史樣 本：沿I回線路等間距分別設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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；
[0008] (2)樣本主成分聚類分析空間的構(gòu)建：將上述20種故障類型下量測(cè)端獲得的瞬時(shí) 功率曲線簇進(jìn)行預(yù)處理：截取每條樣本故障前5ys時(shí)窗的數(shù)據(jù)和故障后35ys時(shí)窗的數(shù)據(jù) 進(jìn)行主成分聚類分析，構(gòu)建由第一主成分（PQ)和第二主成分（PC2)為軸形成的主成分聚類 空間；
[0009] (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(jù)樣本數(shù)據(jù)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Circle(i= 1，2, 3)，求取各類故障在主成分 聚類空間上分布點(diǎn)集的最小包圍圓圓心〇i(i= 1，2,3)和半徑Rji= 1，2,3);
[0010] (4)實(shí)際故障數(shù)據(jù)的主成分聚類分析和整定距離的計(jì)算：當(dāng)雙回輸電線路發(fā)生故 障時(shí)，將量測(cè)端獲得的瞬時(shí)功率投影到第二步構(gòu)建的主成分聚類空間，并分別計(jì)算故障數(shù) 據(jù)分布點(diǎn)與〇i(i= 1，2,3)之間的歐氏距離Dji= 1，2,3)，考慮裕度，各個(gè)歐氏距離對(duì)應(yīng) 的整定距離屯（i= 1，2, 3)計(jì)算如式（1)~（3);
[0014]式中，Vk2、k3為可靠系數(shù)，這里取1^= 1. 25,k2= 2. 75,k3= 2. 25;
[0015] (5)根據(jù)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(jù)如式⑷~ (5)所示：
[0016]若dmin=d^ 則IA相故障 （4)
[0017]若dmin=d2或dmin=d3,則IA相未故障 （5)
[0018] 式中，cU表示di、4和d3中的最小值；
[0019] (6)同理，按照第一、二、三步分別構(gòu)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(fā)生故障，綜合各相的判定 結(jié)果選出雙回線的故障相。
[0020] 本發(fā)明中采樣率為1MHz，數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，時(shí)窗為故障前5yS和故障后35yS。
[0021] 本發(fā)明的原理是：
[0022] 1.各相PCA聚類分析元件的形成
[0023] 仿真系統(tǒng)如圖1所示，以PCAia為例進(jìn)行說明，采樣率為1MHz，沿I回線路每隔5km 分別設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(cè)端IA相Ap曲線簇，如圖2所 示，截取故障前5個(gè)采樣值及故障后35個(gè)采樣值進(jìn)行PCA聚類分析，結(jié)果如圖3所示。
[0024] 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(shù)據(jù)在PCA聚類空間上分布點(diǎn)集的最小包圍圓，記為 Circlei，圓心坐標(biāo)〇i= (-2143. 73, 17. 29)，半徑R1384. 97 ;求取既不包含IA相也不包 含IIA相的故障數(shù)據(jù)在PCA聚類空間上分布點(diǎn)集的最小包圍圓，記為Circle2，圓心坐標(biāo)02 =(-13. 79,4. 55)，半徑R2= 17. 50 ;求取有IIA相故障數(shù)據(jù)在PCA聚類空間上分布點(diǎn)集的 最小包圍圓，記為Circle3，圓心坐標(biāo)03= (590 . 92,4. 77)，半徑R3= 258. 31。
[0025] 2.各相線路故障與否的判斷
[0026] 仍以PCAia為例進(jìn)行說明，利用歐氏距離，分別計(jì)算IA相故障Ap測(cè)試數(shù)據(jù)在PCA 聚類空間上分布點(diǎn)與Op〇2和0 3之間的距離，分別記為Di、02和D3，令
[0030] 式中，ki、k2、k3為可靠系數(shù)，這里取1^= 1. 25,k2= 2. 75,k3= 2. 25。
[0031] 根據(jù)c^ddPd3的大小即可判斷出IA相是否故障：
[0032] 若dmin=d^ 則IA相故障 （4)
[0033] 若dmin=d2或dmin=d3,則IA相未故障 （5)
[0034] 式中，cU表示d^ (12和d3中的最小值。
[0035] 3.按照同樣的方法，為四、1(：、1從、118和11(：相線路分別配置？0、、？0'、？0八 114、 PCAIIB和PCAIrc，藉此，根據(jù)各相線路的判別結(jié)果應(yīng)用簡(jiǎn)單組合邏輯進(jìn)行故障選相。
[0036] 本發(fā)明的有益效果是：
[0037] (1)本發(fā)明無論是對(duì)單回線故障還是跨線故障均可以準(zhǔn)確判斷出故障相。
[0038] (2)本發(fā)明所需數(shù)據(jù)時(shí)短，故障發(fā)生后可迅速做出判斷。
【附圖說明】
[0039] 圖1為雙回輸電線路系統(tǒng)圖，圖中，GpG2為兩側(cè)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，I\、T2為兩側(cè)的變 壓器，P、M、N、Q為系統(tǒng)的母線，CE為母線對(duì)地的雜散電容，R#PRn分別為I回和II回線路 的繼電器，PM段長(zhǎng)200km，MN段長(zhǎng)140km，NQ段長(zhǎng)260km;
[0040] 圖2為IA相量測(cè)端獲得的短時(shí)窗內(nèi)瞬時(shí)功率曲線圖；
[0041] 圖3為IA相量測(cè)端獲得的短時(shí)窗內(nèi)瞬時(shí)功率樣本數(shù)據(jù)在PCA聚類空間上的分布 圖；Circle#IA相故障樣本數(shù)據(jù)在PCA聚類空間上分布點(diǎn)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(shù)據(jù)在PCA聚類空間上分布點(diǎn)集的最小包 圍圓，Circle#IIA相故障樣本數(shù)據(jù)在PCA聚類空間上分布點(diǎn)集的最小包圍圓；
[0042] 圖4為雙回線中I回線路距M端90km處發(fā)生A相接地故障時(shí)量測(cè)端繼電器獲得 的短時(shí)窗內(nèi)瞬時(shí)功率在主成分聚類分析空間上的投影圖；
[0043] 圖5為雙回線中I回距M端90km處發(fā)生B相接地故障時(shí)量測(cè)端繼電器獲得的短 時(shí)窗內(nèi)瞬時(shí)功率在主成分聚類分析空間上的投影圖；
[0044] 圖6為雙回線中距M端90km處發(fā)生I回B相與II回A相回間接地故障時(shí)量測(cè)端 繼電器獲得的短時(shí)窗內(nèi)瞬時(shí)功率在主成分聚類分析空間上的投影圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0046] -種利用瞬時(shí)功率曲線進(jìn)行PCA聚類分析的同塔雙回線故障選相方法，利用數(shù)字 電磁暫態(tài)仿真獲得的各類型故障下各相瞬時(shí)功率曲線數(shù)據(jù)，建立對(duì)應(yīng)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、PCAk、PCAiia、 PCAiib和PCAIK;當(dāng)雙回輸電線路發(fā)生故障時(shí)，對(duì)各相瞬時(shí)功率進(jìn)行主成分分析，根據(jù)各相 PCA聚類分析元件的判斷結(jié)果選出故障相。
[0047] 具體步驟為：
[0048] (1)樣本數(shù)據(jù)的獲?。豪^電器安裝在輸電線路的始端，利用仿真數(shù)據(jù)形成歷史樣 本：沿I回線路等間距分別設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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；
[0049] (2)樣本主成分聚類分析空間的構(gòu)建：將上述20種故障類型下量測(cè)端獲得的瞬時(shí) 功率曲線簇進(jìn)行預(yù)處理：截取每條樣本故障前5ys時(shí)窗的數(shù)據(jù)和故障后35ys時(shí)窗的數(shù)據(jù) 進(jìn)行主成分聚類分析，構(gòu)建由第一主成分（PQ)和第二主成分（PC2)為軸形成的主成分聚類 空間；
[0050] (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(jù)樣本數(shù)據(jù)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