一種利用極線故障電流曲線簇主成分聚類分析的特高壓直流線路全線速動保護方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用極線故障電流曲線簇主成分聚類分析的特高壓直流線路全線速動保護方法，屬于電力系統繼電保護技術領域。
【背景技術】
[0002]目前，現有的直流線路主保護包括行波保護和低電壓保護，都利用的是線路的單端信息，往往難以檢測并反應線路的高阻接地故障，而作為檢測并反應高阻故障的后備保護，對縱聯差動保護受控制系統的影響很大，一般起不了后備保護作用。
[0003]目前我國已投運的直流輸電線路保護主要以變化率和變化量為基礎的所謂行波保護、微分欠電壓保護、縱聯差動保護和低電壓保護等。其中行波保護和微分欠電壓保護為主保護，動作保護速度快，但易受諧波、雷擊、采樣值抖動等干擾影響且耐受過渡電阻的能力比較差。易受諧波、雷擊、采樣值抖動等干擾影響的原因是因為保護算法的魯棒性差；以電壓變化率du/dt為核心判據的行波保護往往不能檢出UHVDC線路遠端高阻故障，根本原因是隨著過渡電阻的增大和故障距離的增加，使得du/dt減小，于展寬時間內無法有效區分出線路內部高阻接地故障與線路外部故障。而縱聯差動保護和低電壓保護作為后備保護，動作時限較長。作為高阻故障檢測的縱聯差動保護是依靠延時來躲過交流系統故障期間暫態響應以保障其不誤動，同時，為避免功率調整期間不誤動，SHffiNS差動保護設計中又增加了閉鎖邏輯，故此縱聯差動保護出口延時太長，一方面，可能會致使縱聯差動保護常常起不到后備保護作用，另一方面，可能會致使直流控制系統保護先動作，引起不必要的直流閉鎖事故。
[0004]目前對直流線路保護的研究往往關注對現有實際應用的保護判據進行改進，且往往采用單一定值來進行保護整定。由于UHVDC線路輸送距離通常較遠，線路故障原因很復雜，有如雷擊線路致絕緣子閃絡、普通短路、鳥害、覆冰、脫冰彈跳、山火故障以及線路對樹放電形成的非線性時變高阻故障，往往很難用顯式的數學關系來表征和解析這些故障，因此僅僅依靠調整保護定值很難可靠實現全線速動。運行表明，線路故障也存在重復性，往往存在線路相近甚或相同位置常發同類原因的故障之現象。譬如在易受雷擊段或易閃桿塔處常發多發雷擊閃絡之情況。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是針對上述情況，提出一種基于數據驅動的利用極線故障電流曲線簇主成分聚類分析的特高壓直流線路全線速動保護方法。
[0006]本發明的技術方案是:一種利用極線故障電流曲線簇主成分聚類分析的特高壓直流線路全線速動保護方法。當線路發生故障時，由電磁暫態仿真分別獲得線路全長內的故障和正向區外故障(包括逆變側出口故障以及逆變側交流母線故障)下量測端極線電流曲線簇，選取故障前3個采樣點、故障后7個采樣點作樣本數據進行PCA聚類分析。在PCA聚類空間，“線路故障”形成一個聚類中心，“逆變側”故障形成一個聚類中心，且兩者是以Q1 =O為界，對于正極線路，即當qi>0為判為線路內部故障，當qi< O為正向區外故障；對于負極線路，當qi>0為判為正向區外故障，當qi< O為線路內部故障。當線路發生故障，計算測試樣本數據在PC1坐標軸上的投影值，并根據q ^直判斷故障是否是線路故障。大量仿真實驗證明，該方法可靠有效。
[0007]具體步驟如下：
[0008]第一步、在直流輸電線路中，利用仿真數據形成歷史樣本：在正向線路故障情況下，沿輸電線路麗設置300個的正向線路金屬性接地故障，以及6個正向區外故障（包括逆變側出口故障和逆變側交流系統故障）。
[0009]第二步、將仿真獲得的306條故障電流仿真樣本數據進行歸一化處理，即選取每條樣本數據中故障行波到達量測端前3個采樣點和故障行波到達量測端后7個采樣點的數據進行歸一化處理。
[0010]第三步、對上述歸一化處理后的數據進行主成分分析，構建由第一主成分（PC1)和第二主成分（PC2)為軸形成的主成分聚類空間。
[0011]第四步、當直流線路發生故障時，得量測端所獲得的故障行波到達前3個采樣點和后7個采樣點的極線電流數據，經過數據歸一化處理，將該故障樣本投入相對應的主成分聚類空間中，得到其在第一主成分（PC1)軸上的投影值q1;
[0012]第五步、根據權利要求書中步驟四中所得的投影值^來判斷故障為線路故障還是正向區外故障，具體的判據如式⑴?⑷所示：
[0013]在正極線路下，
[0014]若^>0，則判為線路內部故障 （I)
[0015]若qi<0，則判為正向區外故障 （2)
[0016]在負極線路下，
[0017]若^〈0，則判為線路內部故障 （3)
[0018]若qAO，則判為正向區外故障。 （4)
[0019]3.本發明中采樣率為10kHz，數據預處理時，時窗為故障前O. 3ms和故障后O. 7ms。
[0020]本發明的原理是：由整流側和逆變側配置的方向元件可以構成基于PCA聚類分析的直流線路方向比較式縱聯保護，加速HVDC線路后備保護，它需要借助通信通道。現闡述基于直流線路邊界頻率特性并利用單端故障極線電流曲線簇進行PCA聚類分析的全線速動保護，其目標是區別正向區內（線路內部）故障與正向區外（逆變側）故障。
[0021]主成分分析（PCA)是一種聚類分析方法，其目的在于建立一種歸類方法，將一批樣本數據，按其在“特征上的疏密程度”進行分析，使得同一類之內的樣本數據的相似度到達最大，而不同類之間的差異性達到最大。數學原理上PCA聚類分析是通過對數據坐標的平移和旋轉，使得簇類內部的任意兩個樣本數據之間有較高的相似度，而屬于不同簇類的兩個樣本數據間具有較高的差異度。當直流發生線路故障和正向區外故障，可以視為不同簇類的兩個樣本數據，這樣采用模式識別的思路可以實現故障類型的識別。
[0022]本發明的有益效果是：
[0023](I)保護判據采用是否大于零構建，簡潔可靠，毋需整定保護定值，較傳統的保護，其自適應的能力較強。
[0024](2)本發明所涉及的極線故障電流曲線簇進行主成分聚類分析全線速動保護不僅能可靠地區別正向故障的線路故障和正向區外故障，而且能夠實現直流線路方向比較式縱聯保護，加速高壓直流輸電線路的后備保護。
【附圖說明】
[0025]圖I為實施例1、2、3中±800kV直流輸電線路的仿真系統圖；
[0026]圖2為實施例1、2、3中±800kV直流輸電線路故障分量網絡圖；