CN103760462B - 一种带静止同步串联补偿器输电线路的电流暂态量主成分聚类分析方向保护方法 - Google Patents

一种带静止同步串联补偿器输电线路的电流暂态量主成分聚类分析方向保护方法 Download PDF

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本发明涉及一种带静止同步串联补偿器输电线路的电流暂态量主成分聚类分析方向保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。当带静止同步串联补偿器的输电线路发生故障时，对线路量测端获得的1ms时窗内的含故障相的线模电流数据进行主成分分析，根据样本数据在第一主成分（PC1）轴上的投影q 1的正、负来区别正向故障与反向故障。本发明所涉及的含故障相的线模电流主成分聚类分析方向保护不仅能可靠地区别正向、反向故障，而且也能区分正向故障位于SSSC元件的左侧，还是右侧，可以可靠识别故障区段。由此提出的判据对于正、反向故障性质的识别将具有很高的可靠性。

Description

一种带静止同步串联补偿器输电线路的电流暂态量主成分聚 类分析方向保护方法
技术领域
本发明涉及一种带静止同步串联补偿器输电线路的电流暂态量主成分聚类分析方向保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
近年来，由于大量FACTS设备在电网中的应用，使得电网故障的暂态过程也日趋复杂化，对继电保护提出了更高的要求。在含FACTS元件的系统中，由于FACTS元件的控制参数可能依系统的不同运行工况而发生变化，故障产生的谐波和暂态分量，其幅值和频率也会依不同的元件和故障位置而变化，不仅给传统保护的整定带来困难，甚至给传统的保护理论也提出了挑战。
静止同步串联补偿器是一种常见的FACTS设备，它的装设使得线路参数发生变化，进而破坏线路阻抗的均匀性，故障期间改变线路的结构，增加了继电保护系统判断故障的难度。在SSSC投入并处于容性补偿方式时，补偿元件起到类似串联电容补偿的效果，此时行波在补偿安装处的折反射情况：对于高频分量，其频率越高，透射系数越大，反射作用越弱，而对低频则具有较小的透射系数和较大的反射系数。
针对带静止同步串联补偿器设备的线路故障识别难的问题，我们提出了基于含故障相电流暂态量主成分聚类分析方向保护。当带静止同步串联补偿器（SSSC）的输电线路发生故障时，量测端获得的故障暂态电流时域波形变化方向在正向、反向故障情况时恰好相反，使得获得的历史故障电流样本数据具有较大的差异，经主成分聚类分析分解后可得到较好的聚类结果，由此提出的判据对于正、反向故障性质的识别将具有很高的精度。而且对于正向故障位于SSSC左侧还是右侧也能准确判断。线路两侧的方向继电器对故障性质的准确判断，可靠地闭锁区外故障，动作区内故障，对进一步提高电网的稳定运行能力具有着重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种带静止同步串联补偿器输电线路的电流暂态量主成分聚类分析方向保护方法，用以解决带静止同步串联补偿器设备的线路故障识别难的问题。
本发明的技术方案是：一种带静止同步串联补偿器输电线路的电流暂态量主成分聚类分析方向保护方法，当带静止同步串联补偿器的输电线路发生故障时，对线路量测端获得的1ms时窗内的含故障相的线模电流数据进行主成分分析，根据样本数据在第一主成分（PC1）轴上的投影q1的正、负来区别正向故障与反向故障：首先估计故障初始角，当故障初始角介于0°到90°之间时，若投影值q1的符号为正，则判为正向故障，若投影值q1的符号为负，则判为反向故障；当故障初始角介于-90°到0°之间时，若投影值q1的符号为负，则判为正向故障，若投影值q1的符号为正，则判为反向故障。
所述方法具体步骤为：
第一步、静止同步串联补偿器安装在输电线路中点，利用仿真数据形成历史样本：故障初始相角分别设为90°和-90°的情况下，沿输电线路全长设置29个反向位置的单相金属性接地故障，28个正向位置的单相金属性接地故障，其中于量测端M和静止同步串联补偿器安装点之间设置14个故障，于静止同步串联补偿器安装点之后设置14个故障；
第二步、将量测端M获得的初始故障角分别为90和-90°的57条含故障相的线模电流仿真样本数据进行预处理，截取每条样本故障前0.5ms时窗的数据和故障后1ms时窗的数据；
第三步、对第二步得到的预处理数据进行主成分分析，构建由第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）为轴形成的主成分聚类空间；
第四步、当含静止同步串联补偿器的输电线路发生故障时，得量测端M获得对应的含故障相的线模电流样本，根据量测端M获得的故障电压相位得到故障初始相角，根据初始相角范围，将该故障样本投入相对应的主成分聚类空间中，得到其在第一主成分（PC1）轴上的投影值q1；
第五步、根据权利要求书中步骤四所得的投影值q1的正负判断故障方向，具体的判据如式（1）~（4）所示：
当故障初相角时，
若sign（q1）=1，则判为正向故障 （1）
若sign（q1）=-1，则判为反向故障 （2）
当故障初相角时，
若sign（q1）=-1，则判为正向故障 （3）
若sign（q1）=1，则判为反向故障 （4）
所述采样率为20kHz，数据预处理时，时窗为故障前0.5ms和故障后1ms。
本发明的原理是：当带静止同步串联补偿器的输电线路发生故障时，对线路量测端获得的1ms时窗内的含故障相的线模电流数据进行主成分分析，根据样本数据在第一主成分（PC1）轴上的投影q1的正、负来区别正向故障与反向故障：首先估计故障初始角，当故障初始角介于0°到90°之间时，若投影值q1的符号为正，则判为正向故障，若投影值q1的符号为负，则判为反向故障；当故障初始角介于-90°到0°之间时，若投影值q1的符号为负，则判为正向故障，若投影值q1的符号为正，则判为反向故障。
本发明的有益效果是：
（1）正向故障和反向故障情况下，量测端获得的1ms短时窗内故障暂态电流时域波形变化方向相反，由此组成的样本数据经PCA分解后可得到较好的聚类结果，能很好的表现不同故障下的差异。由此提出的判据对于正、反向故障性质的识别将具有很高的可靠性。
（2）本发明所涉及的含故障相的线模电流主成分聚类分析方向保护不仅能可靠地区别正向、反向故障，而且也能区分正向故障位于SSSC元件的左侧，还是右侧，可以可靠识别故障区段。
附图说明
图1是本发明研究的输电线路：图中，G1、G2为两侧系统的发电机，T1、T2为两侧的变压器，P、M、N、Q为系统的母线，CE为母线对地的杂散电容，R1、R2为线路两侧的继电器，F11、F12为仿真中设置的正向故障，分别处于SSSC与母线M、N之间，F2、F3分别为仿真中设置的反向、正向故障，分别处于线路PM、线路NQ上。SSSC为线路中静止同步补偿器的安装位置（考虑到补偿效果，仿真中SSSC安装与线路MN的中点处）；
图2是本发明初始故障角为90°时量测端M获得的线模电流波形曲线束；
图3是本发明初始故障角为90°时量测端M端获得的由57条故障电流样本数据聚类形成的主成分聚类分析空间；
图4是本发明初始故障角为时量测端M获得的线模电流波形曲线束；
图5是本发明初始故障角为时量测端M端获得的由57条故障电流样本数据聚类形成的主成分聚类分析空间；
图6是本发明实施例3中线路MN上F11（距M端63km处）故障时M端获得故障电流样本数据聚类形成的主成分聚类分析空间；
图7是本发明实施例3中线路MN上F12（距M端97km处）故障时M端获得故障电流样本数据聚类形成的主成分聚类分析空间；
图8是本发明实施例4中线路PM上F2（距M端13km处）故障时M端获得故障电流样本数据聚类形成的主成分聚类分析空间。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：一种带静止同步串联补偿器输电线路的电流暂态量主成分聚类分析方向保护方法，当带静止同步串联补偿器的输电线路发生故障时，对线路量测端获得的1ms时窗内的含故障相的线模电流数据进行主成分分析，根据样本数据在第一主成分（PC1）轴上的投影q1的正、负来区别正向故障与反向故障：首先估计故障初始角，当故障初始角介于0°到90°之间时，若投影值q1的符号为正，则判为正向故障，若投影值q1的符号为负，则判为反向故障；当故障初始角介于-90°到0°之间时，若投影值q1的符号为负，则判为正向故障，若投影值q1的符号为正，则判为反向故障。
所述方法具体步骤为：
第一步、静止同步串联补偿器安装在输电线路中点，利用仿真数据形成历史样本：故障初始相角分别设为90°和-90°的情况下，沿输电线路全长设置29个反向位置的单相金属性接地故障，28个正向位置的单相金属性接地故障，其中于量测端M和静止同步串联补偿器安装点之间设置14个故障，于静止同步串联补偿器安装点之后设置14个故障；
第二步、将量测端M获得的初始故障角分别为90和-90°的57条含故障相的线模电流仿真样本数据进行预处理，截取每条样本故障前0.5ms时窗的数据和故障后1ms时窗的数据；
第三步、对第二步得到的预处理数据进行主成分分析，构建由第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）为轴形成的主成分聚类空间；
第四步、当含静止同步串联补偿器的输电线路发生故障时，得量测端M获得对应的含故障相的线模电流样本，根据量测端M获得的故障电压相位得到故障初始相角，根据初始相角范围，将该故障样本投入相对应的主成分聚类空间中，得到其在第一主成分（PC1）轴上的投影值q1；
第五步、根据权利要求书中步骤四所得的投影值q1的正负判断故障方向，具体的判据如式（1）~（4）所示：
当故障初相角时，
若sign（q1）=1，则判为正向故障 （1）
若sign（q1）=-1，则判为反向故障 （2）
当故障初相角时，
若sign（q1）=-1，则判为正向故障 （3）
若sign（q1）=1，则判为反向故障 （4）
所述采样率为20kHz，数据预处理时，时窗为故障前0.5ms和故障后1ms。
实施例2：500kV含静止同步串联补偿器的线路如图1所示。其线路参数如下：线路全长PM段150km，MN段150km，NQ端220km。故障位置：MN段距M端63km处发生单相接地故障。接地阻抗0Ω，故障时刻0.474s，初始故障角-90°，采样率为20kHz。
（1）根据说明书中的步骤一至步骤三构建不同初始故障角主成分聚类分析空间，M端获得初始故障角分别为90°、-90°的故障电流样本数据聚类形成的主成分聚类分析空间如3、图5所示；
（2）根据说明书中的步骤四将故障样本投入响应初始故障角的主成分聚类空间中，得到其在第一主成分(PC1)轴上的投影值q1；
（3）根据说明书中的步骤五对故障样本在PC1轴上的投影值的进行符号判断，对照图5，图6显示的故障样本(故障点F11)对于继电器R1而言为正方向故障。
实施例3：500kV含静止同步串联补偿器的线路如图1所示。其线路参数如下：线路全长PM段150km，MN段150km，NQ端220km。接地阻抗10Ω，故障时刻0.4715s，初始故障角-30°，数据采样率为20kHz。MN段距M端97km处发生单相接地故障。
（1）根据说明书中的步骤一至步骤三构建不同初始故障角主成分聚类分析空间，M端获得初始故障角分别为90°、-90°的故障电流样本数据聚类形成的主成分聚类分析空间如3、图5所示；
（2）根据说明书中的步骤四将故障样本投入响应初始故障角的主成分聚类空间中，得到其在第一主成分(PC1)轴上的投影值q1；
（3）根据说明书中的步骤五对故障样本在PC1轴上的投影值的进行符号判断，对照图5，图7显示的故障样本(故障点F12)对于继电器R1而言为正方向故障。。
实施例4：500kV含静止同步串联补偿器的线路如图1所示。其线路参数如下：线路全长PM段150km，MN段150km，NQ端220km。接地阻抗0.1Ω，故障时刻0.464s，初始故障角90°，数据采样率为20kHz。PM段距M端13km处发生单相接地故障。
（1）根据说明书中的步骤一至步骤三构建不同初始故障角主成分聚类分析空间，M端获得初始故障角分别为90°、-90°的故障电流样本数据聚类形成的主成分聚类分析空间如3、图5所示；
（2）根据说明书中的步骤四将故障样本投入响应初始故障角的主成分聚类空间中，得到其在第一主成分(PC1)轴上的投影值q1；
（3）根据说明书中的步骤五对故障样本在PC1轴上的投影值的进行符号判断，对照图3，图8显示的故障样本(故障点F2)对于继电器R1而言为反方向故障。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种带静止同步串联补偿器输电线路的电流暂态量主成分聚类分析方向保护方法，其特征在于：当带静止同步串联补偿器的输电线路发生故障时，对线路量测端获得的1ms时窗内的含故障相的线模电流数据进行主成分分析，根据样本数据在第一主成分(PC1)轴上的投影q1的正、负来区别正向故障与反向故障：首先估计故障初始角，当故障初始角介于0°到90°之间时，若投影值q1的符号为正，则判为正向故障，若投影值q1的符号为负，则判为反向故障；当故障初始角介于-90°到0°之间时，若投影值q1的符号为负，则判为正向故障，若投影值q1的符号为正，则判为反向故障；
具体步骤为：
第一步、静止同步串联补偿器安装在输电线路中点，利用仿真数据形成历史样本：故障初始相角分别设为90°和-90°的情况下，沿输电线路全长设置29个反向位置的单相金属性接地故障，28个正向位置的单相金属性接地故障，其中于量测端M和静止同步串联补偿器安装点之间设置14个故障，于静止同步串联补偿器安装点之后设置14个故障；
第二步、将量测端M获得的初始故障角分别为90和-90°的57条含故障相的线模电流仿真样本数据进行预处理，截取每条样本故障前0.5ms时窗的数据和故障后1ms时窗的数据；
第三步、对第二步得到的预处理数据进行主成分分析，构建由第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)为轴形成的主成分聚类空间；
第四步、当含静止同步串联补偿器的输电线路发生故障时，量测端M获得对应的含故障相的线模电流样本，根据量测端M获得的故障电压相位得到故障初始相角，根据初始相角范围，将该故障样本投入相对应的主成分聚类空间中，得到其在第一主成分(PC1)轴上的投影值q1；
第五步、根据权利要求书中步骤四所得的投影值q1的正负判断故障方向，具体的判据如式(1)～(4)所示：
当故障初相角θ0∈(0°,90°]时，
若sign(q1)＝1，则判为正向故障 (1)
若sign(q1)＝-1，则判为反向故障 (2)
当故障初相角θ0∈[-90°,0°)时，
若sign(q1)＝-1，则判为正向故障 (3)
若sign(q1)＝1，则判为反向故障 (4)。
2.根据权利要求1所述的带静止同步串联补偿器输电线路的电流暂态量主成分聚类分析方向保护方法，其特征在于：所述采样率为20kHz，数据预处理时，时窗为故障前0.5ms和故障后1ms。
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