一種採用濾波器支路電流和主成分分析方法的直流輸電線路故障識別方法與流程
2024-02-04 13:46:15 1
本發明涉及一種採用濾波器支路電流和主成分分析方法的直流輸電線路故障識別方法，屬於電力系統保護技術領域。
背景技術：
目前，直流輸電線路多以行波保護作為快速的主保護，電流差動保護作為慢速的後備保護。行波保護方法主要是通過對電流或者電壓行波信號的處理來得出保護判據。對於信號的獲取，目前大多選取線路單端或雙端所獲得的電流或者電壓行波。但直流系統正常運行時，直流線路側流過幅值很大的負荷電流，當直流系統故障時，與很大的負荷電流相比，故障前後的電流變化不明顯。直流系統的平波電抗器和直流濾波器構成了天然的物理邊界，對高頻分量呈阻滯特性。發生區內故障、區外故障時，濾波器支路量測端得到的高頻分量差異很大。且濾波器支路量測端獲取到的電流僅包含故障分量，不含有正常運行時的負荷電流，能更好反映故障特徵。對於信號的處理，常用基於定量或定性模型的分析方法，定量分析和定性分析方法通常是將系統設定在一個理想狀態，並且給定很多的約束條件，而在實際應用中，往往由於系統的很多不確定因素而造成勿動。PCA是一種基於數據驅動的分析方法，由於其本質是對結果數據分布規律的統計，可避免各種不確定因素對保護動作的幹擾。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種採用濾波器支路電流和主成分分析方法的直流輸電線路故障識別方法，用以解決現行直流保護對遠端高阻靈敏度不足及抗幹擾能力較弱的問題。
本發明的技術方案是：一種採用濾波器支路電流和主成分分析方法的直流輸電線路故障識別方法，首先建立樣本資料庫，沿UHVDC全線長，對於區內故障沿線路設置故障位置，對於區外故障，分別於整流側和逆變側設置故障位置，並由電磁暫態仿真獲得的6個採樣點內濾波器支路電流曲線簇作為樣本數據進行PCA聚類分析，並建立PCA聚類空間，在由PC1和PC2坐標軸構成的PCA聚類空間形成明顯相區分的線路故障和區外故障兩種模態的聚類點簇；其次，啟動元件啟動後，取6個採樣點內極線故障電流數據作為測試樣本，計算測試樣本數據計算PCA聚類空間PC1投影值q1；最後，根據q1是否大於整定值qset，判斷故障位於區內還是區外，UHVDC為特高壓直流輸電。
具體步驟為：
第一步、建立樣本資料庫及其PCA聚類空間：
沿UHVDC全線長，對於區內故障沿線路設置故障位置，對於區外故障，分別於整流側和逆變側設置故障位置，並由電磁暫態仿真獲得的6個採樣點內濾波器支路電流曲線簇作為樣本數據進行PCA聚類分析，建立PCA聚類空間，在由PC1和PC2坐標軸構成的PCA聚類空間形成明顯相區分的線路故障和區外故障兩種模態的聚類點簇；
第二步、獲取測試數據在PCA空間PC1軸上的投影值q1：
啟動元件因故障啟動後，取10個採樣點內極線故障電壓數據作為測試樣本，計算測試樣本數據在步驟1獲得的PCA聚類空間PC1投影值q1；
第三步、根據q1是否大於整定值qset來判別區內故障和區外故障：
即採用式(1)和(2)判斷直流線路區內外故障：
若q1≥qset，判斷為區外故障 (1)
若q1＜qset，判斷為區內故障 (2)。
本發明的原理是：
1、濾波器支路電流行波
平波電抗器和直流濾波器構成了HVDC線路的實體物理邊界(如圖6所示)，其對高頻信號具有阻滯作用。因此，當線路內部故障時，濾波器支路獲取的故障電流由於沒有濾去高頻信號，其波形較為陡峭；當線路外部故障時，由於濾去了高頻信號，濾波器支路獲取的故障電流波形較為平緩。也就是說，線路內部故障的電流波形具有相似性，線路外部故障的電流波形也具有相似性，而線路內部故障與線路外部故障所獲得的故障電流波形具有很大的差異性。
傳統直流輸電線路保護大多是將觀測點放到直流線路側，由直流線路側電流互感器所獲取的電流行波來作為輸入信號進行分析。但直流線路側所獲取的電流包含正常運行時的負荷電流和故障後的電流，對於遠端高阻故障的判別靈敏度不足。而濾波器支路電流只包含故障電流，將其作為輸入信號來分析，準確性和靈敏性便優於直流線路側所獲取的電流信號。直流線路側和濾波器支路所獲取電流(互感器1中的電流進行保護，用點Q來表述)如圖7所示：
當直流線路發生區內故障，量測端Q得到的電流所經過的阻抗就是直流濾波器對地阻抗，當直流線路發生區外故障，量測端Q得到的電流所經過的阻抗是平波電抗器與直流濾波器的串聯。正是由於發生區內故障、區外故障時量測端Q電流所經過的阻抗大小的明顯差異，才導致Q端電流波形在區內故障和區外故障時顯現出較大的形態差別。
2、PCA聚類分析法
PCA實際上是一種數據統計方法，它將一個具有複雜關係的數據集合簡化為用少量的具有代表性特徵的數據集合來表示。從數學上來講，就是通過矩陣變換將原始數據集變換成為一組各維度線性無關的數據集。PCA分析方法的目的就是：(1)找到表徵數據的關鍵特性，稱為「主成分」成分去除冗餘信息；(2)降低數據集的維度。那麼，找到的「主成分」代表性越強，所需的「主成分」就越少，降維效果就越好。
濾波器支路互感器獲得的電流行波信號是離散的時域信號，在數學上表示為一個Xn×波的數據集。n表示n個角度下觀測到的信號，m表示每個信號的採樣點數。PCA聚類的步驟描述如下：
Step 1:將原始數據集X標準化；
<![CDATA[ X * ( x i j * ) = x i j - x j var ( x j ) , i = 1 , 2 , ... , n ; j = 1 , 2 , ... , m - - - ( 1 ) ]]>
其中，var(xj)分別xj的均值和方差。那麼，標準化後的矩陣表示為X*。
Step 2:找到X*的協方差矩陣C，計算協方差矩陣特徵向量ωj特徵值λj，且λ1≥λ2≥λ3…λm
Cωj＝λjωj j＝1,2,2,m (2)
Step3：找出主成分，每個主成分向量tj都是X*的線性組合。
tj＝Xωj,j＝1,2,m (3)
那麼，方差可如下表示為
便是累加的方差值，而選取的主元的個數p取決於φ的值，當達到所需精度時的p值即為所需的主元個數。
PCA認為最大特徵值λj對應的特徵向量ωj包含的信息量最大，即第一主成分為方差最大，第二主成分的方差其次，以此類推……。因此，可以通過忽略小特徵值所對應坐標軸上的向量來降低原始數據集的維度。通常，故障波形數據通過PCA的計算，第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)所含的原始信息量已超過90％。因此在後文中，僅選取PC1和PC2兩個主元即可表示原始數據集。那麼，原始的故障數據集就通過PCA運算映射到了由PC1和PC2構成的二維空間中。通過上文分析可知，由濾波器支路所獲取的區內故障和區外故障電流行波的波形屬於兩種不同的模態，因此包含兩種故障的樣本數據在PC1和PC2構成的二維空間中便聚類成為兩個簇，一個簇代表區內故障，一個簇代表區外故障。
3、基於PCA的高壓直流線路故障識別判據
通過聚類結果找到整定值qset，根據PCA聚類值是否大於整定值qset來判別區內故障和區外故障。即採用式(5)和(6)判斷直流線路區內外故障：
若q1≥qset，判斷為區外故障 (5)
若q1＜qset，判斷為區內故障 (6)。
本發明的有益效果是：不僅耐受過渡電阻能力很強，而且準確性高，可避免各種不確定因素對保護動作的幹擾。
附圖說明
圖1是本發明實施例雲廣±800kV直流輸電系統結構圖；
圖2是本發明實施例中仿真的正極故障電流曲線簇圖；
圖3是本發明實施例中仿真的區外故障電流曲線簇圖；
圖4是本發明實施例中仿真的區內故障、區外故障PCA聚類分析結果圖；
圖5是本發明利用PCA的高壓直流線路區內、區外故障識別測試聚類結果圖；
圖6是本發明HVDC線路的實體物理邊界圖；
圖7是本發明濾波器支路量測端線路圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式，對本發明作進一步說明。
一種採用濾波器支路電流和主成分分析方法的直流輸電線路故障識別方法，首先建立樣本資料庫，沿UHVDC全線長，對於區內故障沿線路設置故障位置，對於區外故障，分別於整流側和逆變側設置故障位置，並由電磁暫態仿真獲得的6個採樣點內濾波器支路電流曲線簇作為樣本數據進行PCA聚類分析，並建立PCA聚類空間，在由PC1和PC2坐標軸構成的PCA聚類空間形成明顯相區分的線路故障和區外故障兩種模態的聚類點簇；其次，啟動元件啟動後，取6個採樣點內極線故障電流數據作為測試樣本，計算測試樣本數據計算PCA聚類空間PC1投影值q1；最後，根據q1是否大於整定值qset，判斷故障位於區內還是區外，UHVDC為特高壓直流輸電。
具體步驟為：
第一步、建立樣本資料庫及其PCA聚類空間：
沿UHVDC全線長，對於區內故障沿線路設置故障位置，對於區外故障，分別於整流側和逆變側設置故障位置，並由電磁暫態仿真獲得的6個採樣點內濾波器支路電流曲線簇作為樣本數據進行PCA聚類分析，建立PCA聚類空間，在由PC1和PC2坐標軸構成的PCA聚類空間形成明顯相區分的線路故障和區外故障兩種模態的聚類點簇；
第二步、獲取測試數據在PCA空間PC1軸上的投影值q1：
啟動元件因故障啟動後，取10個採樣點內極線故障電壓數據作為測試樣本，計算測試樣本數據在步驟1獲得的PCA聚類空間PC1投影值q1；
第三步、根據q1是否大於整定值qset來判別區內故障和區外故障：
即採用式(1)和(2)判斷直流線路區內外故障：
若q1≥qset，判斷為區外故障 (1)
若q1＜qset，判斷為區內故障 (2)。
實施例1：建立如附圖1所示的以雲廣±800kV特高壓直流輸電系統作為仿真模型。整流側和逆變側的交流側無功補償容量分別為3000和3040Mvar，每極換流單元由2個12脈衝換流器串聯組成，直流輸電線路全長為1500km。線路兩側裝有400mH的平波電抗器，直流濾波器為12/24/36三調諧濾波器。現假設正極線路距Q端1002km發生接地故障，過渡電阻為10Ω，且設qset＝-1。
根據第一步建立樣本資料庫及其PCA聚類空間：將沿UHVDC全線長範圍內設置的故障和設置的區外整流側故障和逆變側故障，並由電磁暫態仿真獲得的6個採樣點內濾波器支路電流曲線簇作為樣本數據進行PCA聚類分析，建立PCA聚類空間，在由PC1和PC2坐標軸構成的PCA聚類空間形成明顯相區分的線路故障和區外故障兩種模態的聚類點簇；根據第二步。得到測試數據在PCA空間PC1軸上的投影值q1＝-1.8933；根據第三步可知，q1-1判斷出故障位於保護區外。
以上結合附圖對本發明的具體實施方式作了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。