CN111507579B - 一种基于聚类法的全类别电压互感器运行性能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于聚类法的全类别电压互感器运行性能评估方法，解决了现有的电压互感器运行性能评估方法需要额外增加元件和分析设备或者需要采集参量多、方法推广难度大，普适性差的的问题。本发明包括实测不同电压互感器在不同时间点的电压得到每个电压互感器的时序电压向量，数据清洗，计算各个时序电压向量之间的相似度S_K‑L，计算每个电压向量与其他电压向量的平均相似度

得到表征所有电压互感器相互之间的相似度向量

Description

一种基于聚类法的全类别电压互感器运行性能评估方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种基于聚类法的全类别电压互感器运行性能评估方法。

背景技术

电网中的电压互感器的运行状态评估主要是以定期离线停电检修的形式，通过现场测试以及人工分析的方法进行的。该方法存在工作量大、效率低下、故障缺陷发现不及时等弊端，使得电压互感器异常状态的识别、判断时效性差，导致大量电压互感器运行在超检周期状态，从而对电网的安全、可靠、经济运行造成了一定的隐患，而另一方面电压互感器状态异常导致的非计划停电、贸易纠纷甚至安全事故频繁发生，严重影响电力系统的安全可靠和电能计量的公平公正，对国民经济和电力系统造成难以估量的损失。

随着各类先进的传感器以及大数据分析方法的应用，电网系统中已出现多种利用电压互感器二次电压数据评估其运行性能或是诊断故障缺陷的方法，包括以下几种：第一种通过分析从电压互感器接收的两组电压、电流信号，判断电压互感器的运行状况，但是这种方法需要加装一系列的预定元件与分析设备；第二种通过建立电压互感器运行评估数学模型，分析得到电压互感器健康指数并据此进行判断，但该方法需采集的参量繁多，推广应用难度大；第三种通过获取电容式电压互感器的实际电容量，仅适用于电容式电压互感器，不具备普适性。

因此，有必要开发一种相对简单且能适用于全类别电压互感器运行性能评估的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的电压互感器运行性能评估方法需要额外增加元件和分析设备或者需要采集参量多、方法推广难度大，普适性差。

本发明提供了解决上述问题的一种基于聚类法的全类别电压互感器运行性能评估方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于聚类法的全类别电压互感器运行性能评估方法，包括如下步骤：

S1：实时测量M个电压互感器的N个时间点的电压，所述电压互感器位于同一变电站同一电压等级并且相序相同，将测得的电压值按时间先后顺序进行排列，形成M个时序电压向量，每个所述时序电压向量具有N个数据元素，

其中，V₀₁为电压互感器一按时间先后顺序组成的N个原始测量值向量，V_0M为电压互感器M按时间先后顺序组成的N个原始测量值向量；

S2：对S1中的M个时序电压向量进行数据清洗，得到M个清洗后的时序电压向量：

数据清洗的具体方法为：当v_mn满足下列条件时，被认为非正常数据，应当剔除：

v_mn≥(1+k)U或v_mn≤(1-k)U

其中，U为额定电压值，v_mn为原始测量电压值，k为运行电压的波动范围系数，其中，k＝20％。

本发明中的k在常规的电压波动范围为额定电压值的10％，但是考虑事故等情况下的裕度，k取20％。

S3：计算S2中得到的各个时序电压向量之间的相似度S_K-L，其中，K＝{1，2，…，M}，L＝{1，2，…，M}；

相似度S_K-L的计算方法为：在M个时序电压向量中，任意选择两个电压向量为V_K和V_L，v_Ki为电压向量V_K的第i个数据元素，v_Li为电压向量V_L的第i个数据元素，根据公式(1)计算电压向量V_K和V_L的相似度S_K-L，所述公式(1)具体为：

其中，<V_K，V_L>为两电压向量的内积，||V_K||和||V_L||为两电压向量的模，S_K-L∈[0，1]，所述S3中的V_K和V_L，在经过数据清洗后，两个电压向量之中若存在缺失或被剔除的数据，该空值所对应的时间点数据不应包括在内积和模的计算之中。

V_K和V_L两个电压向量相似度越低，则S_K-L越接近于0；当V_K和V_L相似度越高，则S_K-L越接近于1；当V_K＝V_L时，S_K-L＝1。

S4：根据S3中得到的相似度S_K-L计算出第K个电压向量V_K与其他电压向量的平均相似度

得到表征所有电压互感器相互之间的相似度向量

所述电压向量V_K与其他电压向量的平均相似度

根据公式(2)计算得到，所述公式(2)具体为：

其中，L≠K,所述

所述

越接近于1，则表示电压互感器K的测量值与其它电压互感器的测量值的相似程度越高；反之，

越接近于0，则表示电压互感器K的测量值与其它电压互感器的测量值的相似程度越低。

S5：设定告警阈值，将S4中得到的电压向量的平均相似度

进行排序，并与所述告警阈值进行比较，小于告警阈值的

所对应的电压互感器评估为运行性能明显劣化的电压互感器，认为电压互感器K存在缺陷或故障，应及时申请停电检修。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过电力系统已有渠道获取电压互感器二次电压数据进行分析和判断，在线评估电压互感器综合运行性能，能精准筛选出同一变电站中计量性能异常、出现故障的电压互感器，使设备的维修和更换与停电计划、检修计划更好地配合，有效减少非计划停电带来的经济损失，辅助电压互感器误差现场试验的开展，该方法适用于不同类别的电压互感器的运行性能的综合评估，适用范围广，对确保电力设备的稳定运行，提高电网的可靠性以及电能计量的公正性具有重要意义。

2、本发明基于电压数据并且采用聚类法进行电压互感器的综合性能评估，可靠性高，且方法相对简单，不需要额外增加元件和分析设备，推广性好。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在本实例中，电压原始数据为四川省某500kV变电站的运行数据，具体包括十条500kV线路、两段500kV母线以及两台主变压器高压侧的A相电压互感器的电压运行数据，电压互感器包含电磁式电压互感器和电容式电压互感器，电压运行数据采集时间从2017年1月1日至2018年9月17日，每小时一个采集点，共15000个采集点，采集的电压运行数据如下表1所示。

表1电压运行数据记录表

1、将1#主变高压侧电压互感器电压时序数据向量定义为V₀₁，2#主变高压侧电压互感器电压时序数据时序向量定义为V₀₂，I母上电压互感器对应的时序电压向量为V₀₃和V₀₄，依次类推，线路1-10电压互感器对应的时序电压向量定义为V₀₅、V₀₆、V₀₇、V₀₈、V₀₉、V₁₀、V₁₁、V₁₂、V₁₃和V₁₄，形成14个具有15000个数据元素的时序电压向量如下：

2、对步骤1中得到的14个时序电压向量进行数据清洗。500kV额定相电压为U＝288.67kV，原始测量电压为v_mn。当v_mn满足下列条件时，被认为非正常数据，应当剔除：

v_mn≥(1+k)U或v_mn≤(1-k)U

其中，k为运行电压的波动范围系数，500kV允许的电压波动范围为额定电压的10％，考虑事故等情况下的裕度，可考虑k取20％。即当v_mn满足下列条件时，被认为非正常数据，应当剔除：

v_mn≥346.41或v_mn≤230.94

由此得到14个清洗后的时序电压向量，形成新的14个具有14616个数据元素的时序电压向量：

3、计算步骤2中得到的各个时序电压向量之间的相似度。例如，步骤2得到的两个电压向量V₁和V₃，v_1i为电压向量V₁的第i个元素，v_3i为电压向量V₃的第i个元素，则电压向量V₁和V₃的相似度S_1-3可以由下式计算得到：

同理，可以计算出每只电压互感器与其它电压互感器电压运行数据的相似度，结果如下表2所示：

表2各电压互感器的电压向量之间的相似度

4、计算每个电压向量与其他电压向量的平均相似度。例如，电压向量V₁与其他电压向量的平均相似度

为：

以此类推，可以计算出每只电压互感器的电压测量值向量与其它电压互感器的测量值向量的平均相似度

其中

得到表征所有电压互感器相互之间相似度的向量：

5、设定告警阈值为0.98，将步骤4中得到的电压测量数据相似度向量

中的数据进行排序，得到

小于告警阈值，说明线路10电压互感器的运行参数测量值与其它电压互感器的测量值相似度较低，初步判断该电压互感器的运行性能已经发生了明显劣化，存在故障。

6、在进行停电验证时，先后对以上线路进行了误差测试，结果显示线路10电压互感器在额定电压、额定负荷下比值差超差，达到-0.431％，超出规程允许范围；其余电压互感器均在合格范围内。因此，验证表明本发明可基于对电压互感器运行特征的聚类分析，评估电压互感器的运行性能，判断电压互感器的故障缺陷，及时安排停电检修。

上述应用实例表明二次电压测量值在电压互感器运行性能评估中的应用能敏锐地发现全类别在运电压互感器性能异常缺陷故障。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于聚类法的全类别电压互感器运行性能评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：实时测量M个电压互感器的N个时间点的电压，所述电压互感器位于同一变电站同一电压等级并且相序相同，将测得的电压值按时间先后顺序进行排列，形成如下M个时序电压向量，每个所述时序电压向量具有N个数据元素，

其中，V ₀₁为电压互感器一按时间先后顺序组成的N个原始测量值向量，V _0M 为电压互感器M按时间先后顺序组成的N个原始测量值向量；

S2：对S1中的M个时序电压向量进行数据清洗，得到M个清洗后的时序电压向量：

S3：计算S2中得到的各个时序电压向量之间的相似度

，其中，K = {1，2，…，M}，L ={1，2，…，M}；

S4：根据S3中得到的相似度

计算出第K个电压向量V _K 与其他电压向量的平均相似度

，得 到表征所有电压互感器相互之间的相似度向量

：

S5：设定告警阈值，将S4中得到的电压向量的平均相似度

进行排序，并与所述告警阈值进行比较，小于告警阈值的

所对应的电压互感器评估为运行性能明显劣化的电压互感器。

2.根据权利要求1所述的一种基于聚类法的全类别电压互感器运行性能评估方法，其特征在于，在所述步骤S2中数据清洗的具体方法为：当

满足下列条件时，被认为非正常数据，应当剔除：

其中，U为额定电压值，

为原始测量电压值，k为运行电压的波动范围系数，其中，k=10%～20%。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于聚类法的全类别电压互感器运行性能评估方法，其特征在于，所述S3中相似度

的计算方法为：在M个时序电压向量中，任意选择两个电压向量为V _K 和V _L ，v _Ki 为电压向量V _K 的第i个数据元素，v _Li 为电压向量V _L 的第i个数据元素，根据公式（1）计算电压向量V _K 和V _L 的相似度

，所述公式（1）具体为：

其中，

为两电压向量的内积，

和

为两电压向量的模，

，所述S3中的V _K 和V _L ，在经过数据清洗后，两个电压向量之中若存在缺失或被剔除的数据，该空值所对应的时间点数据不应包括在内积和模的计算之中，V _K 和V _L 两个电压向量相似度越低，则

越接近于0；当V _K 和V _L 相似度越高，则

越接近于1；当V _K = V _L 时，

。

4.根据权利要求3所述的一种基于聚类法的全类别电压互感器运行性能评估方法，其特征在于，所述电压向量V _K 与其他电压向量的平均相似度

根据公式（2）计算得到，所述公式（2）具体为：

（2）

其中，

，所述

，所述

越接近于1，则表示电压互感器K的测量值与其它电压互感器的测量值的相似程度越高；反之，

越接近于0，则表示电压互感器K的测量值与其它电压互感器的测量值的相似程度越低。