CN105182175B - 一种利用极线故障电流曲线簇主成分聚类分析的特高压直流线路全线速动保护方法 - Google Patents

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本发明涉及一种利用极线故障电流曲线簇主成分聚类分析的特高压直流线路全线速动保护方法，属于电力系统继电保护技术领域技术领域。当线路发生故障时，由电磁暂态仿真分别获得线路全长内的故障和正向区外故障下量测端极线电流曲线簇，选取故障前3个采样点、故障后7个采样点作样本数据进行PCA聚类分析。在PCA聚类空间，“线路故障”形成一个聚类中心，“逆变侧”故障形成一个聚类中心，且两者是以q1＝0为界，对于正极线路，即当q1>0为判为线路内部故障，当q1≤0为正向区外故障；对于负极线路，当q1>0为判为正向区外故障，当q1≤0为线路内部故障。当线路发生故障，计算测试样本数据在PC1坐标轴上的投影值，并根据q1值判断故障是否是线路故障。大量仿真实验证明，该方法可靠有效。

Description

一种利用极线故障电流曲线簇主成分聚类分析的特高压直流 线路全线速动保护方法
技术领域
本发明涉及一种利用极线故障电流曲线簇主成分聚类分析的特高压直流线路全线速动保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
目前，现有的直流线路主保护包括行波保护和低电压保护，都利用的是线路的单端信息，往往难以检测并反应线路的高阻接地故障，而作为检测并反应高阻故障的后备保护，对纵联差动保护受控制系统的影响很大，一般起不了后备保护作用。
目前我国已投运的直流输电线路保护主要以变化率和变化量为基础的所谓行波保护、微分欠电压保护、纵联差动保护和低电压保护等。其中行波保护和微分欠电压保护为主保护，动作保护速度快，但易受谐波、雷击、采样值抖动等干扰影响且耐受过渡电阻的能力比较差。易受谐波、雷击、采样值抖动等干扰影响的原因是因为保护算法的鲁棒性差；以电压变化率 du/dt为核心判据的行波保护往往不能检出UHVDC线路远端高阻故障，根本原因是随着过渡电阻的增大和故障距离的增加，使得du/dt减小，于展宽时间内无法有效区分出线路内部高阻接地故障与线路外部故障。而纵联差动保护和低电压保护作为后备保护，动作时限较长。作为高阻故障检测的纵联差动保护是依靠延时来躲过交流系统故障期间暂态响应以保障其不误动，同时，为避免功率调整期间不误动，SIMENS差动保护设计中又增加了闭锁逻辑，故此纵联差动保护出口延时太长，一方面，可能会致使纵联差动保护常常起不到后备保护作用，另一方面，可能会致使直流控制系统保护先动作，引起不必要的直流闭锁事故。
目前对直流线路保护的研究往往关注对现有实际应用的保护判据进行改进，且往往采用单一定值来进行保护整定。由于UHVDC线路输送距离通常较远，线路故障原因很复杂，有如雷击线路致绝缘子闪络、普通短路、鸟害、覆冰、脱冰弹跳、山火故障以及线路对树放电形成的非线性时变高阻故障，往往很难用显式的数学关系来表征和解析这些故障，因此仅仅依靠调整保护定值很难可靠实现全线速动。运行表明，线路故障也存在重复性，往往存在线路相近甚或相同位置常发同类原因的故障之现象。譬如在易受雷击段或易闪杆塔处常发多发雷击闪络之情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述情况，提出一种基于数据驱动的利用极线故障电流曲线簇主成分聚类分析的特高压直流线路全线速动保护方法。
本发明的技术方案是：一种利用极线故障电流曲线簇主成分聚类分析的特高压直流线路全线速动保护方法。当线路发生故障时，由电磁暂态仿真分别获得线路全长内的故障和正向区外故障(包括逆变侧出口故障以及逆变侧交流母线故障)下量测端极线电流曲线簇，选取故障前3个采样点、故障后7个采样点作样本数据进行PCA聚类分析。在PCA聚类空间，“线路故障”形成一个聚类中心，“逆变侧”故障形成一个聚类中心，且两者是以q1＝0为界，对于正极线路，即当q1>0为判为线路内部故障，当q1≤0为正向区外故障；对于负极线路，当 q1>0为判为正向区外故障，当q1≤0为线路内部故障。当线路发生故障，计算测试样本数据在PC1坐标轴上的投影值，并根据q1值判断故障是否是线路故障。大量仿真实验证明，该方法可靠有效。
具体步骤如下：
第一步、在直流输电线路中，利用仿真数据形成历史样本：在正向线路故障情况下，沿输电线路MN设置300个的正向线路金属性接地故障，以及6个正向区外故障(包括逆变侧出口故障和逆变侧交流系统故障)。
第二步、将仿真获得的306条故障电流仿真样本数据进行归一化处理，即选取每条样本数据中故障行波到达量测端前3个采样点和故障行波到达量测端后7个采样点的数据进行归一化处理。
第三步、对上述归一化处理后的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、当直流线路发生故障时，得量测端所获得的故障行波到达前3个采样点和后7 个采样点的极线电流数据，经过数据归一化处理，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中所得的投影值q1来判断故障为线路故障还是正向区外故障，具体的判据如式(1)～(4)所示：
在正极线路下，
若q1>0，则判为线路内部故障 (1)
若q1≤0，则判为正向区外故障 (2)
在负极线路下，
若q1<0，则判为线路内部故障 (3)
若q1>0，则判为正向区外故障。 (4)
3.本发明中采样率为10kHz，数据预处理时，时窗为故障前0.3ms和故障后0.7ms。
本发明的原理是：由整流侧和逆变侧配置的方向元件可以构成基于PCA聚类分析的直流线路方向比较式纵联保护，加速HVDC线路后备保护，它需要借助通信通道。现阐述基于直流线路边界频率特性并利用单端故障极线电流曲线簇进行PCA聚类分析的全线速动保护，其目标是区别正向区内(线路内部)故障与正向区外(逆变侧)故障。
主成分分析(PCA)是一种聚类分析方法，其目的在于建立一种归类方法，将一批样本数据，按其在“特征上的疏密程度”进行分析，使得同一类之内的样本数据的相似度到达最大，而不同类之间的差异性达到最大。数学原理上PCA聚类分析是通过对数据坐标的平移和旋转，使得簇类内部的任意两个样本数据之间有较高的相似度，而属于不同簇类的两个样本数据间具有较高的差异度。当直流发生线路故障和正向区外故障，可以视为不同簇类的两个样本数据，这样采用模式识别的思路可以实现故障类型的识别。
本发明的有益效果是：
(1)保护判据采用是否大于零构建，简洁可靠，毋需整定保护定值，较传统的保护，其自适应的能力较强。
(2)本发明所涉及的极线故障电流曲线簇进行主成分聚类分析全线速动保护不仅能可靠地区别正向故障的线路故障和正向区外故障，而且能够实现直流线路方向比较式纵联保护，加速高压直流输电线路的后备保护。
附图说明
图1为实施例1、2、3中±800kV直流输电线路的仿真系统图；
图2为实施例1、2、3中±800kV直流输电线路故障分量网络图；
图3为正向故障下正极线路量测端的故障电流曲线簇；
图4为正向故障下正极线路量测端的故障电流曲线簇样本数据聚类形成的主成分聚类分析空间；
图5为正向故障下负极线路量测端的故障电流曲线簇；
图6为正向故障下负极线路量测端的故障电流曲线簇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：±800kV直流输电线路的仿真系统图及故障分量网络图分别如图1、2所示。其线路参数如下：线路全长1500km，整流侧接地极线路全长109km，逆变侧接地极线路全长 80km。故障位置：正极线路故障，MN段距M端120km处发生故障。接地阻抗50Ω，采样率为10kHz。
(1)根据说明书中的步骤一至步骤三构建极线故障电流主成分聚类分析空间；
(2)根据说明书中的步骤四将故障样本投入主成分聚类空间中，得到其在第一主成分 (PC1)轴上的投影值q1为3.6451；
(3)根据说明书中的步骤五对故障样本在PC1轴上的投影q1值的进行符号判断，对照图3，图4显示的故障样本为线路故障。
实施例2：±800kV直流输电线路的仿真系统图及故障分量网络图分别如图1、2所示。其线路参数如下：线路全长1500km，整流侧接地极线路全长109km，逆变侧接地极线路全长 80km。故障位置：正极线路逆变侧出口故障。接地阻抗10Ω，采样率为10kHz。
(1)根据说明书中的步骤一至步骤三构建极线故障电流主成分聚类分析空间；
(2)根据说明书中的步骤四将故障样本投入主成分聚类空间中，得到其在第一主成分 (PC1)轴上的投影值q1为-1.3014；
(3)根据说明书中的步骤五对故障样本在PC1轴上的投影q1值的进行符号判断，对照图3，图4显示的故障样本为正向区外故障。
实施例3：±800kV直流输电线路的仿真系统图及故障分量网络图分别如图1、2所示。其线路参数如下：线路全长1500km，整流侧接地极线路全长109km，逆变侧接地极线路全长 80km。故障位置：负极线路故障，MN段距M端750km处发生故障。接地阻抗50Ω，采样率为10kHz。
(1)根据说明书中的步骤一至步骤三构建极线故障电流主成分聚类分析空间；
(2)根据说明书中的步骤四将故障样本投入主成分聚类空间中，得到其在第一主成分 (PC1)轴上的投影值q1为1.9257；
(3)根据说明书中的步骤五对故障样本在PC1轴上的投影q1值的进行符号判断，对照图3，图4显示的故障样本为线路内部故障。
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 (3)

1.一种利用极线故障电流曲线簇主成分聚类分析的特高压直流线路全线速动保护方法，其特征在于：当线路发生故障时，由电磁暂态仿真分别获得线路全长内的故障和正向区外故障下量测端极线电流曲线簇，选取故障前3个采样点、故障后7个采样点作样本数据进行PCA聚类分析；在PCA聚类空间，“线路内部故障”形成一个聚类中心，“正向区外故障”故障形成一个聚类中心，且两者是以q1＝0为界，q1为样本数据在PC1坐标轴上的投影值；当线路发生故障，计算测试样本数据在PC1坐标轴上的投影值q1，并根据q1值判断故障是否是线路故障，对于正极线路，即当q1>0为判为线路内部故障，当q1≤0为正向区外故障；对于负极线路，当q1>0为判为正向区外故障，当q1≤0为线路内部故障。
2.根据权利要求1所述的利用极线故障电流曲线簇主成分聚类分析的特高压直流线路全线速动保护方法，其特征在于具体步骤为：
第一步、在直流输电线路中，利用仿真数据形成历史样本：在正向线路故障情况下，沿输电线路MN设置300个的正向线路金属性接地故障，以及6个正向区外故障；
第二步、将仿真获得的306条故障电流仿真样本数据进行归一化处理，即选取每条样本数据中故障行波到达量测端前3个采样点和故障行波到达量测端后7个采样点的数据进行归一化处理；
第三步、对上述归一化处理后的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、当直流线路发生故障时，得量测端所获得的故障行波到达前3个采样点和后7个采样点的极线电流数据，经过数据归一化处理，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、根据步骤四中所得的投影值q1来判断故障为线路故障还是正向区外故障，具体的判据如式(1)～(4)所示：
在正极线路下：
若q1>0，则判为线路内部故障 (1)
若q1≤0，则判为正向区外故障 (2)
在负极线路下：
若q1≤0，则判为线路内部故障 (3)
若q1>0，则判为正向区外故障。 (4)
3.根据权利要求2所述的利用极线故障电流曲线簇主成分聚类分析的特高压直流线路全线速动保护方法，其特征在于：所述采样率为10kHz，数据预处理时，时窗为故障前0.3ms和故障后0.7ms。
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