CN104898021B - 一种基于k‑means聚类分析的配电网故障选线方法 - Google Patents

一种基于k‑means聚类分析的配电网故障选线方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104898021B
CN104898021B CN201510271056.5A CN201510271056A CN104898021B CN 104898021 B CN104898021 B CN 104898021B CN 201510271056 A CN201510271056 A CN 201510271056A CN 104898021 B CN104898021 B CN 104898021B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mrow
msub
energy
cluster
circuit
Prior art date
Application number
CN201510271056.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104898021A (zh
Inventor
束洪春
高利
Original Assignee
昆明理工大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 昆明理工大学 filed Critical 昆明理工大学
Priority to CN201510271056.5A priority Critical patent/CN104898021B/zh
Publication of CN104898021A publication Critical patent/CN104898021A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104898021B publication Critical patent/CN104898021B/zh

Links

Abstract

本发明涉及一种基于k‑means聚类分析的配电网故障选线方法,具体为沿谐振接地系统中线路设置故障位置,并由电磁暂态仿真获得故障电流曲线簇作为样本数据,选取故障后5ms内的零序电流,采用db小波对其进行6层小波分解,计算出全频带下的暂态零序电流总能量;同时,计算出综合小波能量相对熵,将暂态零序电流总能量及综合小波能量相对熵这两个维度作为表征故障特征的测度,并将其映射到二维平面上;再采用k‑means聚类分析算法计算出上述数据在二维平面上的聚类中心,然后在聚类空间中,故障线路形成一个聚类中心,未故障线路形成一个聚类中心,选线元件故障启动后,取5ms时窗内故障电流数据作为测试样本,并根据测试数据与两类聚类中心的欧氏距离来判断出该线路是否故障。

Description

一种基于k-means聚类分析的配电网故障选线方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于k-means聚类分析的配电网故障选线方法,属于电力系统故 障选线技术领域。
背景技术
[0002] 随着配网的规模不断地壮大,线路的不断增多,电缆线路与缆线混合线路的数量 也在不断的增多,当发生单相故障时,接地电容电流也随之增大,长时间带故障运行,使弧 光接地引起的系统过电压过高,电弧难以自行灭,若不能及时排除故障,将损坏设备,重则 引起电厂机组停运,工艺流程中断等恶性事故,破坏系统的安全运行。
[0003] 长期以来,由于故障电流微弱,故障电弧不稳定等原因,中性点经消弧线圈接地系 统的单相接地故障使用稳态量进行选线常有误选漏选的现象产生。谐振接地系统发生故障 后,其暂态过程一般在1〜2个工频周期就结束了,进入稳态过程后,其故障馈线与健全线路 的稳态零模电流的幅值受消弧线圈的影响都很小。消弧线圈主要补偿故障馈线的稳态零序 电流,对故障引起的电磁暂态过程中零序暂态电流的影响较小,基本上不受消弧线圈补偿 动作的影响;就算在相电压过零点瞬间发生接地故障,也会有明显的暂态过程。基于暂态信 号的幅值远大于稳态信号的幅值这一特点,使用暂态信号选线克服了因故障电流微弱而造 成的漏选问题,具有一定的快速性和灵敏性,因此,利用暂态量来进行选线具有一定的研究 意义。从当前小电流接地选线装置的运行来看,许多地区的选线装置选线正确率很低,这充 分说明了故障选线问题的复杂性及新方法研究的必要性。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是利用k-means聚类分析对谐振接地系统单相接地故障 进行仿真判断,能够减少现场运行维护人员分析故障录波的工作量,且选线准确率较高,能 够满足电力系统安全运行的要求,进而提出一种基于k-means聚类分析的配电网故障选线 方法。
[0005] 本发明的技术方案是:一种基于k-means聚类分析的配电网故障选线方法,:沿谐 振接地系统中线路设置故障位置,并由电磁暂态仿真获得故障电流曲线簇作为样本数据, 选取故障后5ms内的零序电流,采用db小波对其进行6层小波分解,计算出全频带下的暂态 零序电流总能量;同时,计算出综合小波能量相对熵,将暂态零序电流总能量及综合小波能 量相对熵这两个维度作为表征故障特征的测度,并将其映射到二维平面上;再采用k-means 聚类分析算法计算出上述数据在二维平面上的聚类中心,然后在聚类空间中,故障线路形 成一个聚类中心,未故障线路形成一个聚类中心,选线元件故障启动后,取5ms时窗内故障 电流数据作为测试样本,并根据测试数据与两类聚类中心的欧氏距离来判断出该线路是否 故障。
[0006] 具体步骤为:
[0007] (a)沿谐振接地系统中线路设置故障位置,并由电磁暂态仿真获得故障电流曲线 簇作为样本数据,选取故障后5ms内的零序电流,采用db小波对其进行6层小波分解,计算出 全频带下的暂态零序电流总能量:其中暂态零序电流能量定义为:对于正交小波变换,变换 后各尺度的能量可直接由其单支重构后的小波系数的平方得到,即
Figure CN104898021BD00051
[0009] 在式⑴中,j = l,2,3……6为小波分解的层数;
[0010] 现假设谐振接地系统中有m条线路,则第i条线路,在所有尺度下的总能量为:
Figure CN104898021BD00052
[0012] 在式⑵中,i = l,2,3……m为谐振接地系统中出线数;
[0013] 计算各条线路小波分解能量最大的第4尺度下的能量和为:
Figure CN104898021BD00053
[0015] 式中,k = 1,2,…,N,N为采样点个数,对于I OkHz采样率下,5ms时窗内采样点个数N =50;其中i = 1,2,3……m为谐振接地系统中出线数,则所有出线在第4尺度的暂态零序电 流总能量为:
Figure CN104898021BD00054
[0017]由此可得到第i条线路在第4尺度下的暂态零序电流能量与所有线路暂态零序电 流总能量之比为:
Figure CN104898021BD00055
[0019]根据式(2)〜(5)计算第1条线路第4尺度下的暂态零序电流能量与所有线路暂态 零序电流总能量之比为
Figure CN104898021BD00056
—,根据相对熵理论,定义小波能量相对熵为: Vl 4
Figure CN104898021BD00057
[0021]根据式⑹,定义第i条线路相对于第1条线路的综合小波能量相对熵为:
Figure CN104898021BD00058
[0023] ⑹根据式(1)〜⑺计算得到故障线路和非故障线路的全频带下的暂态零序电流 总能量Ei (i = 1,2,3……m)和综合小波能量相对熵Mi (i = 1,2,3……m),并将其映射到以综 合小波能量相对熵为横轴暂态零序电流总能量为纵轴的二维平面上,采用k-means聚类分 析方法计算出未故障线路的聚类中心Cl= ΦοΙ,ΜοΙ)和故障线路中心C2= (Ε〇2,Μ〇2);
[0024] (c)选线元件故障启动后,取5ms时窗内故障电流数据作为测试样本,并根据(a)中 ⑴〜⑺式得到E1/和M1/,并根据测试数据的E1和M1与两类聚类中心C1和C2的欧氏距离来判 断出故障线路;
[0025]即:
Figure CN104898021BD00061
[0027] 式中,s = I,2; Ci为未故障线路中心;C2为故障线路中心;di表示测试样本与未故障 线路中心&的距离,山表示测试样本与故障线路中心&的距离;
[0028] (d)比较cb和d2,确定故障线路:
[0029] 若CUn = Cl1,该线路未故障,
[0030] 若dmin = d2,该线路故障。
[0031] 本发明的有益效果是:
[0032] (1)本方法是基于数据驱动的一种选线方法,不需要高采样率,易于现场实现。
[0033] (2)相比较其他测距算法,该方法容错性较高,且受过渡电阻的影响较小。
附图说明
[0034] 图1为谐振接地系统仿真模型。
[0035] 图2为故障线路与未故障线路样本数据利用k-means聚类分析方法得到的聚类中 心。
[0036] 图3实施例1的聚类结果。
[0037] 图4实施例2的聚类结果。
[0038] 图5实施例3的聚类结果。
具体实施方式
[0039] 实施例1:现沿架空线每隔2km,电缆线路每隔Ikm选取故障点,过渡电阻为20 Ω,故 障初相角为90°的条件下形成318个故障样本数据。数据长度为5ms。现假设I1距离M端Ikm处 发生A相接地故障,故障初相角为10°,过渡电阻为20 Ω。
[0040] (I) k-means聚类分析方法得到的两类聚类中心,分别为未故障中心C1、故障中心 C2。其中C1= (4.476,0.2806),C2= (15.347,3.1574)。分析结果如图2所示·
[0041] (2)将测试数据利用dblO小波分解后,计算出其暂态零序电流能量及综合小波相 对能量熵,根据测试数据与两类聚类中心的欧氏距离来判断出故障线路。
[0042] 即
Figure CN104898021BD00062
[0044] 式中,Ci为未故障线路中心;C2为故障线路中心;(Cji,Cj2)表不的是Ci,C2的坐标;di 表示测试样本与未故障中心&的距离,d2表示测试样本与故障中心&的距离,j = 1,2。
[0045] (3)线路1与两类聚类中心的欧氏距离分别为= 线路2 与两类聚类中心的欧氏距离分别为(1:=1.75,(12 = 12.98,(12)(^;线路3与两类聚类中心的 欧氏距离分别为= = 线路4与两类聚类中心的欧氏距离分别为Cl1 = 1.50,d2 = 12.74,d2>di;线路5与两类聚类中心的欧氏距离分别为di = 1.00,d2 = 10.40,d2 >d1;线路6与两类聚类中心的欧氏距离分别为(^ = 1.44,(12 = 12.68,(12)(^据此得出故障 线路为线路1。
[0046] 实施例2:现沿架空线每隔2km,电缆线路每隔Ikm选取故障点,过渡电阻为20 Ω,故 障初相角为90°的条件下形成318个故障样本数据。数据长度为5ms。现假设I1距离M端14km 处发生A相接地故障,故障初相角为90°,过渡电阻为200 Ω。
[0047] (I) k-means聚类分析方法得到的两类聚类中心,分别为未故障中心C1、故障中心 C2。其中C1= (4.476,0.2806),C2= (15.347,3.1574)。分析结果如图2所示·
[0048] (2)将测试数据利用dblO小波分解后,计算出其暂态零序电流能量及综合小波相 对能量熵,根据测试数据与两类聚类中心的欧氏距离来判断出故障线路。
[0049] 即
Figure CN104898021BD00071
[0051] 式中,C1为未故障线路中心;C2为故障线路中心;(Cjl,Cj2)表示的是C1,(:2的坐标;Cl1 表示测试样本与未故障中心&的距离,d2表示测试样本与故障中心&的距离,j = 1,2。
[0052] (3)线路1与两类聚类中心的欧氏距离分别为(^=10.05,(12 = 3.11,(124^;线路2 与两类聚类中心的欧氏距离分别为= 线路3与两类聚类中心的 欧氏距离分别为(^ = 1.95,(12 = 9.48,(12)(^线路4与两类聚类中心的欧氏距离分别为Cl1 = 1.87,d2 = 13.11,d2>di;线路5与两类聚类中心的欧氏距离分别为di = 0.92,d2 = 10.48,d2 >d1;线路6与两类聚类中心的欧氏距离分别为(^ = 1.39,(12 = 12.63,(1:^(^据此得出故障 线路为线路1。
[0053] 实施例3:现沿架空线每隔2km,电缆线路每隔Ikm选取故障点,过渡电阻为20 Ω,故 障初相角为90°的条件下形成318个故障样本数据。数据长度为5ms。现假设I2距离M端3km处 发生A相接地故障,故障初相角为30°,过渡电阻为20 Ω。
[0054] (I) k-means聚类分析方法得到的两类聚类中心,分别为未故障中心C1、故障中心 C2。其中C1= (4.476,0.2806),C2= (15.347,3.1574)。分析结果如图2所示·
[0055] (2)将测试数据利用dblO小波分解后,计算出其暂态零序电流能量及综合小波相 对能量熵,根据测试数据与两类聚类中心的欧氏距离来判断出故障线路。
[0056] 即
Figure CN104898021BD00072
[0058] 式中,C1为未故障线路中心;C2为故障线路中心;(Cjl,Cj2)表示的是C1,(:2的坐标;Cl1 表示测试样本与未故障中心&的距离,d2表示测试样本与故障中心&的距离,j = 1,2。
[0059] (3)线路1与两类聚类中心的欧氏距离分别为(11 = 2.00,(12 = 9.43,(12>(11;线路2与 两类聚类中心的欧氏距离分别为山=8.74,(12 = 3.52,(12<(11;线路3与两类聚类中心的欧氏 距离分别为(1: = 0.28,(12=11.39,(12)1;线路4与两类聚类中心的欧氏距离分别为Ch = 1.60,(12 = 12.82,(12>(11;线路5与两类聚类中心的欧氏距离分别为(11 = 0.84,(12 = 10.56,(12 >d1;线路6与两类聚类中心的欧氏距离分别为(^ = 1.59,(12 = 9.73,(10(^据此得出故障线 路为线路2。
[0060] 以上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 (1)

  1. I. 一种基于k-means聚类分析的配电网故障选线方法,其特征在于:沿谐振接地系统中 线路设置故障位置,并由电磁暂态仿真获得故障电流曲线簇作为样本数据,选取故障后5ms 内的零序电流,采用db小波对其进行6层小波分解,计算出全频带下的暂态零序电流总能 量;同时,计算出综合小波能量相对熵,将暂态零序电流总能量及综合小波能量相对熵这两 个维度作为表征故障特征的测度,并将其映射到二维平面上;再采用k-means聚类分析算法 计算出上述数据在二维平面上的聚类中心,然后在聚类空间中,故障线路形成一个聚类中 心,未故障线路形成一个聚类中心,选线元件故障启动后,取5ms时窗内故障电流数据作为 测试样本,并根据测试数据与两类聚类中心的欧氏距离来判断出该线路是否故障; 具体步骤为: (a)沿谐振接地系统中线路设置故障位置,并由电磁暂态仿真获得故障电流曲线簇作 为样本数据,选取故障后5ms内的零序电流,采用db小波对其进行6层小波分解,计算出全频 带下的暂态零序电流总能量:其中暂态零序电流能量定义为:对于正交小波变换,变换后各 尺度的能量可直接由其单支重构后的小波系数的平方得到,即
    Figure CN104898021BC00021
    在式⑴中,j = l,2,3……6为小波分解的层数; 现假设谐振接地系统中有m条线路,则第i条线路,在所有尺度下的总能量为:
    Figure CN104898021BC00022
    在式⑵中,i = 1,2,3……m为谐振接地系统中出线数; 计算各条线路小波分解能量最大的第4尺度下的能量和为:
    Figure CN104898021BC00023
    式中,k=l,2,…,N,N为采样点个数,对于IOkHz采样率下,5ms时窗内采样点个数N = 50;其中i = l,2,3……m为谐振接地系统中出线数,则所有出线在第4尺度的暂态零序电流 总能量为:
    Figure CN104898021BC00024
    由此可得到第i条线路在第4尺度下的暂态零序电流能量与所有线路暂态零序电流总 能量之比为:
    Figure CN104898021BC00025
    根据式(2)〜(5)计算第1条线路第4尺度下的暂态零序电流能量与所有线路暂态零序 电流总能量之比为
    Figure CN104898021BC00026
    ,根据相对熵理论,定义小波能量相对熵为:
    Figure CN104898021BC00027
    根据式(6),定义第i条线路相对于第1条线路的综合小波能量相对熵为:
    Figure CN104898021BC00031
    ⑹根据式(1)〜⑺计算得到故障线路和非故障线路的全频带下的暂态零序电流总能 量Ei (i = 1,2,3……m)和综合小波能量相对熵Mi (i = 1,2,3……m),并将其映射到以综合小 波能量相对熵为横轴暂态零序电流总能量为纵轴的二维平面上,采用k-means聚类分析方 法计算出未故障线路的聚类中心Cl= ΦοΙ,ΜοΙ)和故障线路中心C2= (Ε〇2,Μ〇2); (C)选线元件故障启动后,取5ms时窗内故障电流数据作为测试样本,并根据(a)中(1) 〜⑺式得到E1IPM1/,并根据测试数据的EjPM1与两类聚类中心(^和(:2的欧氏距离来判断 出故障线路; 即:
    Figure CN104898021BC00032
    式中,s= I,2;Ci为未故障线路中心;C2为故障线路中心;di表示测试样本与未故障线路 中心&amp;的距离,山表示测试样本与故障线路中心&amp;的距离; (d)比较di和d2,确定故障线路: 若dmin = dl,该线路未故障, 若dmin = d2,该线路故障。
CN201510271056.5A 2015-05-25 2015-05-25 一种基于k‑means聚类分析的配电网故障选线方法 CN104898021B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510271056.5A CN104898021B (zh) 2015-05-25 2015-05-25 一种基于k‑means聚类分析的配电网故障选线方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510271056.5A CN104898021B (zh) 2015-05-25 2015-05-25 一种基于k‑means聚类分析的配电网故障选线方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104898021A CN104898021A (zh) 2015-09-09
CN104898021B true CN104898021B (zh) 2018-03-06

Family

ID=54030795

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510271056.5A CN104898021B (zh) 2015-05-25 2015-05-25 一种基于k‑means聚类分析的配电网故障选线方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104898021B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105158612B (zh) * 2015-09-15 2018-04-06 昆明理工大学 一种利用极线电压行波自适应的雷击干扰识别方法
JP2017224283A (ja) * 2016-06-09 2017-12-21 株式会社島津製作所 ビッグデータ解析方法及び該解析方法を利用した質量分析システム
CN106370981B (zh) * 2016-09-30 2019-03-26 中国石油化工股份有限公司 一种基于模糊聚类分析的配电网故障线路选线方法
CN108414872A (zh) * 2018-02-05 2018-08-17 西安理工大学 一种用于电厂统调动力源系统的接地故障检测方法
CN109307824B (zh) * 2018-09-18 2020-11-03 福州大学 一种基于聚类的配电网单相接地故障区段定位方法
CN110350492B (zh) * 2019-06-19 2020-08-04 华北电力大学 适用于含upfc输电线路的方向纵联暂态量保护方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101162838A (zh) * 2007-11-29 2008-04-16 昆明理工大学 一种利用小波包分解和相关分析的小电流接地系统故障选线方法
CN101242097A (zh) * 2008-03-11 2008-08-13 昆明理工大学 利用零模电流测后模拟的小电流接地系统故障选线方法
CN101546906A (zh) * 2009-05-05 2009-09-30 昆明理工大学 利用s变换能量相对熵的配电网故障选线方法
CN101545943A (zh) * 2009-05-05 2009-09-30 昆明理工大学 利用小波能量相对熵的配电网缆-线混合线路故障选线方法
CN103941163A (zh) * 2014-05-12 2014-07-23 福州大学 利用模糊k均值聚类的谐振接地系统故障选线方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2985613A4 (en) * 2013-03-29 2017-05-17 Beijing Inhand Networks Technology Co., Ltd. Method and system for detecting and locating single-phase ground fault on low current grounded power-distribution network

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101162838A (zh) * 2007-11-29 2008-04-16 昆明理工大学 一种利用小波包分解和相关分析的小电流接地系统故障选线方法
CN101242097A (zh) * 2008-03-11 2008-08-13 昆明理工大学 利用零模电流测后模拟的小电流接地系统故障选线方法
CN101546906A (zh) * 2009-05-05 2009-09-30 昆明理工大学 利用s变换能量相对熵的配电网故障选线方法
CN101545943A (zh) * 2009-05-05 2009-09-30 昆明理工大学 利用小波能量相对熵的配电网缆-线混合线路故障选线方法
CN103941163A (zh) * 2014-05-12 2014-07-23 福州大学 利用模糊k均值聚类的谐振接地系统故障选线方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于聚类分析和相关分析的故障选线方法;李彩林等;《电力学报》;20140228;第29卷(第1期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN104898021A (zh) 2015-09-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bahmanyar et al. A comparison framework for distribution system outage and fault location methods
Du et al. On-line estimation of transmission line parameters, temperature and sag using PMU measurements
CN103308823B (zh) 一种配电网单相断线不接地故障定位方法
CN103344875B (zh) 谐振接地系统单相接地故障分类选线方法
Lotfifard et al. Voltage sag data utilization for distribution fault location
CN101459334B (zh) 电力系统故障信息获取方法
CN102520315B (zh) 基于行波多尺度信息的输电线路故障单端定位方法
CN103809082B (zh) 一种基于线模行波突变的配电网单相接地故障的测距方法
CN102928704B (zh) 一种变电站接地网腐蚀故障点智能诊断方法
US20150073735A1 (en) Method for adaptive fault location in power system networks
Lin et al. An algorithm for locating faults in three-terminal multisection nonhomogeneous transmission lines using synchrophasor measurements
Suonan et al. A novel fault-location method for HVDC transmission lines
CN102200563B (zh) 一种基于定位函数幅值特性线路单相接地故障单端测距方法
CN105137281B (zh) 一种基于单端电气量及暂态行波综合特征分析的混合线路故障点定位方法
CN105842583B (zh) 基于故障相电压和电流突变量的配网单相接地区段定位方法
CN103592571A (zh) 一种实现小电流接地系统单相接地故障的选线方法
CN103424669B (zh) 一种利用故障馈线零序电流矩阵主成分分析第一主成分的选线方法
CN101232176B (zh) 基于暂态行波的中性点非有效接地配电系统故障定位方法
CN102565626A (zh) 小电流接地故障区段在线定位方法及其系统
Mamiş et al. Transmission lines fault location using transient signal spectrum
CN106547990B (zh) 特高压直流换流阀塔阀层集成宽频等效电路模型的建模方法
CN102074937B (zh) 模型自适应输电线路故障测距方法
CN104267310B (zh) 一种基于扰动功率方向的电压暂降源定位方法
CN103245883A (zh) 一种基于暂态零序电流时频特征向量的配电网故障选线方法
CN103197202B (zh) 一种基于三相突变电流分量特征频带内小波系数相关分析的配网故障选线方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
C06 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C10 Entry into substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant