一种利用K-Means聚类实现不同拓扑下的保护定值整定计算方法技术

本发明专利技术公开了一种利用K‑Means聚类实现不同拓扑下的保护定值整定计算方法，属于电力系统继电保护整定计算领域。本发明专利技术的方法首先获取电力系统不同拓扑运行下各支路负荷电流，各保护出口短路电流和一般动作时延等数据；然后利用K‑Means算法分别对所有保护聚类和对所有拓扑聚类，得到每个保护所需定值套数和相应每套定值所管辖的拓扑；最后利用现有的线性规划算法求解得到所有保护各个定值区的定值。本发明专利技术能够根据保护自身适应特性确定各个保护所需的最佳定值区数目，在满足定值性能要求的同时能够确保全网最少定值区数目，从而降低误操作风险和减少运维工作量，保障电网安全经济运行。

A protection setting calculation method based on K-means clustering under different topologies

【技术实现步骤摘要】
一种利用K-Means聚类实现不同拓扑下的保护定值整定计算方法
本专利技术属于电力系统继电保护整定计算领域，更具体地，涉及一种利用K-Means聚类实现不同拓扑下的保护定值整定计算方法。
技术介绍
反时限过电流保护因其原理实现简单和成本低廉，目前已被广泛应用于国内外输配电网络中。为保障系统可靠性，安装在输电线路的过电流保护通常与其上游的保护构成主后备保护组。当电网输电线路发生故障时，主保护快速动作于相应断路器以跳开故障线路，一旦主保护因各种原因出现据动后，后备保护将启动以取代主保护的作用来实现故障区域的有效隔离。为实现上述配合，主后备保护组间必然存在一个短时间延时，即整定时间级差。因此，电力系统继电保护整定计算就是在给定整定时间级差约束下，确定所有保护组间的主后备保护动作时序。电力系统是一个实时动态系统，常因稳态运行需求或暂态系统故障而发生网络拓扑改变，也即是运行方式发生变化。新设备保护极性未经过极性测试，无可靠主保护，新设备启动过程中，电网运行方式变化多端，要保证各种方式下故障可以快速可靠切除。为了适应电网运行的不同拓扑，必须在继电保护整定计算时考虑所有可能的运行方式，以使得保护在电网各种运行方式下一旦发生故障时可以准确无误地动作。当前，保护装置基本完全进入微机保护时代，数字过电流得到广泛应用。数字过电流设备允许用户在装置中提前设定多套定值，以适应电网不同的运行方式。然而，设备提供的多套定值数目是极其有限的，远远不及电网不同拓扑的种类数量。目前已有研究实现了利用微机保护装置提供的有限定值区来实现电网不同拓扑下保护整定配合。但是，目前的研究忽略了保护自身适应特性，所得全网总定值区个数较多，潜在提升了误操作风险和增加了运维工作量，不利于电网安全经济运行。
技术实现思路
针对现有技术的以上不足或改进需求，本专利技术提供了一种利用K-Means聚类实现不同拓扑下的保护定值整定计算方法，旨在解决现有数字过电流保护不同拓扑下整定计算中由于忽略保护自身适应特性而带来误操作风险上升和运维工作量增加的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种利用K-Means聚类实现不同拓扑下的保护定值整定计算方法，包括下述步骤：S1：在所考虑各种拓扑下进行电网潮流计算和三相对称短路故障计算，获取该电力系统在不同拓扑运行方式下各支路负荷电流矩阵各保护出口短路电流矩阵和保护一般动作时延矩阵等数据，其中m为拓扑总数，b为支路总数，n为保护总数，为负荷电流矩阵中第i行第j列的负荷电流元素，为短路电流矩阵中第i行第j列的短路电流元素，tij为一般动作时延矩阵中第i行第j列的保护一般动作时延元素，表示实数空间；S2：根据步骤S1获得的短路电流矩阵IF，利用K-Means算法对所有保护进行聚类，得到需要配置k套定值的保护簇其中k＝1,2,...,K，K为数字过电流保护设备所允许配置的最大定值区数目；S3：根据步骤S1获得的保护一般动作时延矩阵TG，利用K-Means算法在各个保护簇中进行网络拓扑聚类，得到配置了k套定值的保护各个定值区所管辖的拓扑簇S4：建立过电流保护优化整定计算模型，结合步骤S1、S2、S3所得数据，利用线性规划算法求解得到所有保护各个定值区的定值。优选地，步骤S1中所述获取保护一般动作时延矩阵TG的步骤具体包括：S1.1：根据保护启动电流略大于最大负荷电流原则选取各个过电流保护启动电流定值IPi，其表达式为：其中i为保护序号，Krel为可靠系数，Krel取1.10～1.30；S1.2：令所有保护时间定值TDS为单位1，即TDSi＝1；S1.3：结合短路电流矩阵数据，求取各个保护在每种拓扑下的一般动作时间，形成一般动作时延矩阵，其计算公式为：其中TDSi和IPi分别为保护i的时间定值和启动电流定值。优选地，步骤S2中利用K-Means算法进行保护聚类的步骤具体包括：S2.1：对短路电流矩阵进行Min-Max标准化处理，使其元素范围在[0,1]内，标准化公式为：其中X为各保护在所有拓扑下的出口短路电流原始数据，即矩阵IF的列向量，表示为为标准化后短路电流数据构成的列向量，即S2.2：选取保护适应性指标RAi为保护聚类指标，RAi定义为所有拓扑下流经每个保护的故障电流的波动率，即：其中S2.3：利用K-Means算法对数据[RA1,RA2,...,RAn]进行聚类，保护类的数量为数字过电流保护设备所允许配置的最大定值区数目K，即优选地，步骤S3中所述拓扑聚类的步骤具体包括：S3.1：选取动作时间均值MVj为拓扑聚类指标，MVj定义为每个拓扑下所有保护一般动作时延的均值，即：S3.2：在每个保护簇中，利用K-Means算法对数据[MV1,MV2,...,MVm]进行聚类，拓扑类的数量为该保护簇需要配置的定值区数目k，即优选地，步骤S4中所述建立过电流保护优化整定计算模型的步骤具体包括：S4.1：选取目标函数为全网所有主保护在所有拓扑下的动作时间之和最小，即：其中tij为保护的动作时间，其动作特性为一般反时限时间-电流曲线，即：S4.2：确定多拓扑下过电流保护整定配合原则：满足上下级保护级差约束，即：g∈G；其中(tp)g、分别表示主保护p和其后备保护bx在拓扑g下的动作时间，CTI为级差，一般取0.3～0.5s；Ωg为拓扑g下的所有保护配合组集，Ω为所有拓扑下的保护配合组集；G为所有考虑的拓扑集；S4.3：设定决策变量TDS的边界约束，即其中分别为保护i的时间定值下限和上限，一般取S4.4：根据保护启动电流略大于最大负荷电流原则选取各个过电流保护的启动电流定值，即其中Krel取1.10～1.30；本专利技术技术方案与现有技术相比，具有下列有益效果：本专利技术研究计及了各个保护对拓扑的适应性，根据保护自身适应特性获得了每个班保护所需的最佳定值区数目，进一步地实现拓扑聚类确定保护每套定值所管辖的拓扑，最后建立过电流保护优化整定计算模型，利用线性规划算法求解得到所有保护各个定值区的定值，该求解结果更有利于实际电力系统各种拓扑运行需求。本专利技术考虑了保护对拓扑的不同适应性，能保证得到最适合每个保护的定值区数目，从而保证全网定值区最佳总数目，进而有效降低了误操作风险和减少了运维工作量，保障电网安全经济运行。附图说明图1为本专利技术利用K-Means聚类实现不同拓扑下的保护定值整定计算方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的利用K-Means算法进行保护聚类的流程示意图；图3为本专利技术实施例提供的利用K-Means算法进行拓扑聚类的流程示意图；图4为本专利技术实施例提供的保护聚类结果示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式所涉及的技术特征只要本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用K-Means聚类实现不同拓扑下的保护定值整定计算方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：在所计及的各种拓扑方式下，对该电力网络进行潮流计算和短路故障计算，获取该电力系统在不同拓扑运行方式下各支路负荷电流矩阵

【技术特征摘要】
1.一种利用K-Means聚类实现不同拓扑下的保护定值整定计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在所计及的各种拓扑方式下，对该电力网络进行潮流计算和短路故障计算，获取该电力系统在不同拓扑运行方式下各支路负荷电流矩阵各保护出口短路电流矩阵和保护一般动作时延矩阵数据，其中m为拓扑总数，b为支路总数，n为保护总数，为负荷电流矩阵中第i行第j列的负荷电流元素，为短路电流矩阵中第i行第j列的短路电流元素，tij为一般动作时延矩阵中第i行第j列的保护一般动作时延元素，表示实数空间；
S2：根据步骤S1获得的短路电流矩阵IF，利用K-Means算法对所有保护进行聚类，得到需要配置k套定值的保护簇其中k＝1,2,...,K，K为数字过电流保护设备所允许配置的最大定值区数目；
S3：根据步骤S1获得的保护一般动作时延矩阵TG，利用K-Means算法在各个保护簇中进行网络拓扑聚类，得到配置了k套定值的保护各个定值区所管辖的拓扑簇
S4：建立过电流保护优化整定计算模型，结合步骤S1、S2、S3所得数据，利用线性规划算法求解得到所有保护各个定值区的定值。


2.根据权利要求1所述的整定计算方法，其特征在于，步骤S1中所述获取保护一般动作时延矩阵TG的步骤具体包括：
S1.1：根据保护启动电流略大于最大负荷电流原则选取各个过电流保护启动电流定值IPi，其表达式为：其中i为保护序号，Krel为可靠系数，Krel取1.10～1.30；
S1.2：令所有保护时间定值TDS为单位1，即TDSi＝1；
S1.3：结合短路电流矩阵数据，求取各个保护在每种拓扑下的一般动作时间，形成一般动作时延矩阵，其计算公式为：其中TDSi和IPi分别为保护i的时间定值和启动电流定值。


3.根据权利要求1所述的整定计算方法，其特征在于，步骤S2中所述保护聚类的步骤具体包括：
S2.1：对短路电流矩阵进行Min-Max标准化处理，使其元素范围在[0,1]内，标准化...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈朝晖，漆家炜，张静伟，张弛，郑茂然，李捷，田德良，李银红，
申请(专利权)人：中国南方电网有限责任公司，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：广东;44