CN110380389B - 一种基于二维判断平面的新型混合补偿线路暂态量方向保护方法 - Google Patents

一种基于二维判断平面的新型混合补偿线路暂态量方向保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于二维判断平面的新型混合补偿线路暂态量方向保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。首先，建立样本数据库，沿线路PQ全长设置不同故障距离下故障初相角为正和为负的金属性单相接地故障，获取量测端含故障相的线模故障电流数据；其次，对含故障相的线模电流到达量测端之前的2个采样点，到达量测端之后的18个采样点进行主成分分解(PCA)，以第一主成分PC1和第二主成分PC2形成以“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”为3个聚类簇的二维判断平面；然后，估算测试样本的故障初相角；最后利用测试样本在二维判断平面的投影值与3个聚类簇的聚类中心的欧氏距离的最小值构造方向保护判据。

Description

一种基于二维判断平面的新型混合补偿线路暂态量方向保护 方法
技术领域
本发明涉及一种基于二维判断平面的新型混合补偿线路暂态量方向保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
近年来，电力需求量急剧增长，此外，我国的一次能源分布很不均匀，煤炭和水资源大多分布在西北和西南地区，而电力负荷中心大多集中在沿海地区，因此提高电力系统的输送容量具有十分重要的意义。以统一潮流控制器(UPFC)为代表的柔性交流输电装置(FACTS)在电力系统中得到了广泛应用。UPFC强大的功能虽为电力系统运行带来了极大好处，但也增加了工程造价，因此提出一种含UPFC和固定串补C混合补偿的新型混合补偿线路运行方式。同时，UPFC的接入，使得电网故障过程中的暂态过程变得更加复杂，给电力系统继电保护提出了新的挑战。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于二维判断平面的新型混合补偿线路暂态量方向保护方法，用以解决上述问题。
本发明的技术方案是：一种基于二维判断平面的新型混合补偿线路暂态量方向保护方法，首先，建立样本数据库，沿各段线路全长设置不同故障距离下故障初相角为正和为负的金属性单相接地故障，获取量测端含故障相的线模故障电流数据；其次，对含故障相的线模电流到达量测端之前的2个采样点，到达量测端之后的18个采样点进行主成分分析，得到以第一主成分PC1和第二主成分PC2形成的以“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”为3个聚类簇的二维判断平面；然后，估算测试样本的故障初相角；最后利用测试样本在二维判断平面的投影值与3个聚类簇的聚类中心的欧氏距离的最小值构造方向保护判据，其中，UPFC为统一潮流控制器；
具体步骤为：
Step1：建立历史样本故障数据，沿各段线路全长每隔5千米设置故障，过渡电阻设为0Ω，故障初相角分别为90°，-90°，不考虑母线故障和新型混合补偿装置安装处故障；量测端M获得含故障相的线模故障电流m个历史样本数据，m为历史样本的数目；每条历史样本选取故障电流到达量测端之前的2个采样点，故障电流到达量测端之后的18个采样点，利用历史样本构成m×20的矩阵并进行PCA分解，得到以第一主成分PC1和第二主成分PC2形成的以“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”为3个聚类簇的二维判断平面；
Step2：测试数据的估算故障初相角：
设故障发生时刻为t0，故障前的瞬间，故障点电压为
Figure GDA0003113213750000021
经过τ秒传播至量测端M，此时，t＝t0+τ对应于量测端的电压为
Figure GDA0003113213750000022
故障点电压为
Figure GDA0003113213750000023
将F点与M端之间的线路视为二端口网络，输电线路的参数为：A＝D＝coshγx，B＝Zcsinhγx，
Figure GDA0003113213750000024
则故障点电压为：
Figure GDA0003113213750000025
其中，
Figure GDA0003113213750000026
为量测端电流；
Figure GDA0003113213750000027
则故障初相角为：
θ0＝θ1-ωτ (3)
上式中，τ为电压行波从故障点传播至M端的时间，单位为s，ω为系统频率，单位为rad/s，故障初相角与故障前量测端电压、电流和故障位置均有关系，若采用故障前的量测端电压相角θM来代替故障初相角θ0，则定义两者之间的角度误差为：
θ′＝θM-θ0 (4)
Step3：根据测试数据的故障初相角，计算测试数据与二维判断平面“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”3个聚类簇聚类中心的欧氏距离；
若故障初相角θ0∈(0°,90°]，则以90°的故障历史样本形成的PCA空间求聚类中心；
若故障初相角θ0∈[-90°,0°)，则以-90°的故障历史样本形成的PCA空间求聚类中心；
欧氏距离的计算公式为：
Figure GDA0003113213750000031
式中，n表示所采用的主成分投影值的个数，这里n＝2，即q1和q2；Nj为不同故障情况的PCA空间聚类中心；q'k为测试数据在PCA空间中的投影值；q1和q2为第一主成分PC1和第二主成分PC2在3个聚类簇的二维判断平面的投影值；
Step4：利用计算所得距离中的最小值，构成方向元件判别式并进行故障方向判别；
判别式为：
dmin＝(d1,d2,d3) (6)
判断依据为：
Figure GDA0003113213750000032
本发明的有益效果是：
1、保护判据采用欧氏距离的最小值构成，不需要设置阈值，适应性较强。
2、该方法采用判断平面构造保护判据，克服了单一整定值在复杂条件下哪一可靠判断的缺点。
附图说明
图1是本发明新型混合补偿线路仿真模型图，图中P、M、N、Q为母线编号，新型混合补偿装置安装在线路MN段的线路中间E处；
图2是本发明输电线路二端口网络图；
图3是本发明故障初相角为90°时，量测端M侧获得的含故障的线模电流曲线簇图；
图4是本发明故障初相角为90°时，量测端M侧历史样本数据聚类形成的PCA空间图；
图5是本发明故障初相角为-90°时，量测端M侧获得的含故障的线模电流曲线簇图；
图6是本发明故障初相角为-90°时，量测端M侧历史样本数据聚类形成的PCA空间图。
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：某220kV新型混合补偿线路仿真模型如图1所示；其线路参数如下：PM段线路全长100km，MN段线路全长150km,其中UPFC+C补偿装置安装在距M端75km处，NQ段线路全长120km。固定串补C取20.5μF。采样频率为20kHz。现设线路PM段距离M端56km处发生接地故障，故障初相角为-75°，过渡电阻为10Ω。
Step1：建立历史样本故障数据，沿线路PM全长设置19个故障位置，沿线路MN全长设置28个故障位置，于M侧和UPFC安装点之间(UPFC左侧)设置14个故障位置，于UPFC右侧设置14个故障位置。过渡电阻设为0Ω，故障初相角分别为90°，-90°；量测端M获得含故障相的线模故障电流47个历史样本数据。每条历史样本选取故障电流到达量测端之前的2个采样点，故障电流到达量测端之后的18个采样点，利用历史样本构成47×20的矩阵并进行PCA分解，以第一主成分PC1和第二主成分PC2形成以“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”为3个聚类簇的二维判断平面，如图4，图6所示；
Step2：估算测试数据的故障初相角为-69.01°；
Step3：根据测数据的故障初相角，计算测试数据与二维判断平面“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”3个聚类簇聚类中心的欧氏距离：
由故障初相角θ0∈[-90°,0°)，则以-90°的故障历史样本形成的PCA空间求聚类中心，则“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”3个聚类簇聚类中心为(1.4812,-0.3593)、(-4.4114,-0.3151)、(-0.4324,-0.0094)；
测试样本在PC1坐标轴和PC2坐标轴上的投影为(0.8877,-0.5008)，其到3个聚类簇聚类中心的欧氏距离分别为d1＝0.6101、d2＝5.3024、d3＝1.4086；
Step4：利用计算所得距离中的最小值，构成方向元件判别式并进行故障方向判别：
由dmin＝d1，结合式(7)的判据可判断为发生反向故障。
实施例2：某220kV新型混合补偿线路仿真模型如图1所示；其线路参数如下：PM段线路全长100km，MN段线路全长150km,其中UPFC+C补偿装置安装在距M端75km处，NQ段线路全长120km。固定串补C取20.5μF。采样频率为20kHz。现设线路MN段距离M端48km(UPFC左侧)处发生接地故障，故障初相角为-45°，过渡电阻为50Ω。
Step1：建立历史样本故障数据，沿线路PM全长设置19个故障位置，沿线路MN全长设置28个故障位置，于M侧和UPFC安装点之间(UPFC左侧)设置14个故障位置，于UPFC右侧设置14个故障位置。过渡电阻设为0Ω，故障初相角分别为90°，-90°；量测端M获得含故障相的线模故障电流47个历史样本数据。每条历史样本选取故障电流到达量测端之前的2个采样点，故障电流到达量测端之后的18个采样点，利用历史样本构成47×20的矩阵并进行PCA分解，以第一主成分PC1和第二主成分PC2形成以“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”为3个聚类簇的二维判断平面，如图4，图6所示；
Step2：估算测试数据的故障初相角为-46.79°；
Step3：根据测数据的故障初相角，计算测试数据与二维判断平面“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”3个聚类簇聚类中心的欧氏距离：
由故障初相角θ0∈[-90°,0°)，则以-90°的故障历史样本形成的PCA空间求聚类中心，则“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”3个聚类簇聚类中心为(1.4812,-0.3593)、(-4.4114,-0.3151)、(-0.4324,-0.0094)；
测试样本在PC1坐标轴和PC2坐标轴上的投影为(-2.2458,-0.1538)，其到3个聚类簇聚类中心的欧氏距离分别为d1＝3.7327、d2＝2.1716、d3＝1.8191；
Step4：利用计算所得距离中的最小值，构成方向元件判别式并进行故障方向判别：
由dmin＝d3，结合式(7)的判据可判断为发生正向故障。
实施例3：某220kV新型混合补偿线路仿真模型如图1所示；其线路参数如下：PM段线路全长100km，MN段线路全长150km,其中UPFC+C补偿装置安装在距M端75km处，NQ段线路全长120km。固定串补C取20.5μF。采样频率为20kHz。现设线路MN段距离M端83km(UPFC右侧)处发生接地故障，故障初相角为70°，过渡电阻为50Ω。
Step1：建立历史样本故障数据，沿线路PM全长设置19个故障位置，沿线路MN全长设置28个故障位置，于M侧和UPFC安装点之间(UPFC左侧)设置14个故障位置，于UPFC右侧设置14个故障位置。过渡电阻设为0Ω，故障初相角分别为90°，-90°；量测端M获得含故障相的线模故障电流47个历史样本数据。每条历史样本选取故障电流到达量测端之前的2个采样点，故障电流到达量测端之后的18个采样点，利用历史样本构成47×20的矩阵并进行PCA分解，以第一主成分PC1和第二主成分PC2形成以“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”为3个聚类簇的二维判断平面，如图4，图6所示；
Step2：估算测试数据的故障初相角为78.59°；
Step3：根据测数据的故障初相角，计算测试数据与二维判断平面“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”3个聚类簇聚类中心的欧氏距离：
由故障初相角θ0∈(0°,90°]，则以90°的故障历史样本形成的PCA空间求聚类中心，则“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”3个聚类簇聚类中心为(-1.4955,0.3611)、(4.4051,0.3160)、(0.4201,0.0072)；
测试样本在PC1坐标轴和PC2坐标轴上的投影为(0.4045,-0.1087)，其到3个聚类簇聚类中心的欧氏距离分别为d1＝1.9572、d2＝4.0231、d3＝0.1169；
Step4：利用计算所得距离中的最小值，构成方向元件判别式并进行故障方向判别：
由dmin＝d3，结合式(7)的判据可判断为发生正向故障。
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)

1.一种基于二维判断平面的新型混合补偿线路暂态量方向保护方法，其特征在于：首先，建立样本数据库，沿各段线路全长设置不同故障距离下故障初相角为正和为负的金属性单相接地故障，获取量测端含故障相的线模故障电流数据；其次，对含故障相的线模电流到达量测端之前的2个采样点，到达量测端之后的18个采样点进行主成分分析，得到以第一主成分PC1和第二主成分PC2形成的以“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”为3个聚类簇的二维判断平面；然后，估算测试样本的故障初相角；最后利用测试样本在二维判断平面的投影值与3个聚类簇的聚类中心的欧氏距离的最小值构造方向保护判据，其中，UPFC为统一潮流控制器；
具体步骤为：
Step1：建立历史样本故障数据，沿各段线路全长每隔5千米设置故障，过渡电阻设为0Ω，故障初相角分别为90°，-90°，不考虑母线故障和新型混合补偿装置安装处故障；量测端M获得含故障相的线模故障电流m个历史样本数据，m为历史样本的数目；每条历史样本选取故障电流到达量测端之前的2个采样点，故障电流到达量测端之后的18个采样点，利用历史样本构成m×20的矩阵并进行PCA分解，得到以第一主成分PC1和第二主成分PC2形成的以“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”为3个聚类簇的二维判断平面；
Step2：测试数据的估算故障初相角：
设故障发生时刻为t0，故障前的瞬间，故障点电压为
Figure FDA0003113213740000011
经过τ秒传播至量测端M，此时，t＝t0+τ对应于量测端的电压为
Figure FDA0003113213740000012
故障点电压为
Figure FDA0003113213740000013
将F点与M端之间的线路视为二端口网络，输电线路的参数为：A＝D＝coshγx，B＝Zcsinhγx，
Figure FDA0003113213740000014
则故障点电压为：
Figure FDA0003113213740000015
其中，
Figure FDA0003113213740000016
为量测端电流；
Figure FDA0003113213740000021
则故障初相角为：
θ0＝θ1-ωτ (3)
上式中，τ为电压行波从故障点传播至M端的时间，单位为s，ω为系统频率，单位为rad/s，故障初相角与故障前量测端电压、电流和故障位置均有关系，若采用故障前的量测端电压相角θM来代替故障初相角θ0，则定义两者之间的角度误差为：
θ′＝θM-θ0 (4)
Step3：根据测试数据的故障初相角，计算测试数据与二维判断平面“线路PM段故障”、“线路MN段UPFC左侧故障”、“线路MN段UPFC右侧故障”3个聚类簇聚类中心的欧氏距离；
若故障初相角θ0∈(0°,90°]，则以90°的故障历史样本形成的PCA空间求聚类中心；
若故障初相角θ0∈[-90°,0°)，则以-90°的故障历史样本形成的PCA空间求聚类中心；
欧氏距离的计算公式为：
Figure FDA0003113213740000022
式中，n表示所采用的主成分投影值的个数，即q1和q2；Nj为不同故障情况的PCA空间聚类中心；q’k为测试数据在PCA空间中的投影值；q1和q2为第一主成分PC1和第二主成分PC2在3个聚类簇的二维判断平面的投影值；
Step4：利用计算所得距离中的最小值，构成方向元件判别式并进行故障方向判别；
判别式为：
dmin＝(d1,d2,d3) (6)
判断依据为：
Figure FDA0003113213740000023
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