一种输电线路保护特性识别及电压暂降持续时间估计方法技术

本发明专利技术公开了一种输电线路保护特性识别及电压暂降持续时间估计方法，首先根据样本区间均值标准差对线路保护类型进行识别，进而提出一种基于马氏距离和K近邻算法优化的DBSCAN聚类方法，对线路保护动作时间特性进行精确计算，最后提出了基于保护动作特性计算结果的电压暂降持续时间估计方法，为电能质量研究者在实际工程中评估电网电压暂降频次和风险提供极为重要的数据支撑，减少主观假设和对其他系统的依赖性，弥补现有评估技术实施困难和误差大的缺陷。随着目前电能质量监测器和故障记录器等监测设备价格愈发便宜和应用愈发广泛，该方法的适用性将不断提高。方法的适用性将不断提高。方法的适用性将不断提高。

【技术实现步骤摘要】
一种输电线路保护特性识别及电压暂降持续时间估计方法


[0001]本专利技术涉及电压暂降评估
，具体为一种输电线路保护特性识别及电压暂降持续时间估计方法。

技术介绍

[0002]电压暂降会引起敏感设备跳闸，造成巨大的工业损失。电压暂降频次估计是解决电压暂降问题的重要前提。在电压暂降频次估计中，主要关心的是电压暂降的两个单事件特征，一个是电压幅值，另一个是持续时间。准确的电压暂降幅值和持续时间估计结果是计算敏感设备和工业过程跳闸概率、评估敏感用户受影响程度与经济损失、计算站点电能质量指标和评估风电机低压穿越性能的关键依据之一。对于电压暂降幅值的估计，现有的研究已较为成熟。然而，在电压暂降持续时间的估计方面，面临诸多缺陷和挑战。
[0003]在现有电压暂降持续时间的评估中，均是利用已知的保护特性、故障位置计算保护动作时间，以此估计电压暂降持续时间，但是这类方法存在一些不足之处。首先，仅利用故障位置计算保护动作时间是不准确的。这是因为保护的触发是根据故障电气量来决定的，而故障电气量不仅取决于故障位置，还与故障阻抗、故障类型、电网运行方式等因素相关，因此用现有方法估计保护动作时间会造成一定误差；第二，现有方法通过主观假设线路的保护配置信息均为已知量在实际工程中是难以实现的。这是因为保护系统和电能质量系统之间是不一样的系统，其间存在障碍，没有直接的数据连接。若电能质量人员手动将保护系统的数据采集到电能质量系统中，费时、不方便、易出错；第三，从保护系统得到的保护动作时间特性可能无法准确描述实际情况。一方面是由于操纵机构的不确定性导致实际动作时间与整定时间有差异，另一方面，电压电流互感器在保护用绕组上的精度相对测量用绕组的精度较低，因此用保护系统的数据计算动作时间可能产生一定偏差。
[0004]此外，对于只有电能质量数据的工程人员来说，通过挖掘电能质量历史监测数据来计算保护动作时间特性来评估电压暂降持续时间是可行的。目前，变电站中安装了大量的电能质量监测仪，记录了高精度的电压/电流波形，保存了丰富的、可访问的历史故障数据。基于电能质量数据驱动，识别保护类型和保护动作时间特性，计算保护动作时间，从而可建立更为可靠的电压暂降持续时间评估模型。
[0005]术语解释：
[0006]电压暂降：国际电气与电子工程师协会(IEEE)将电压暂降(voltage sag)定义为供电电压有效值快速下降到0.1～0.9p.u.，持续时间为0.5个周波至1min的电能质量现象。
[0007]电压暂降幅值：电压暂降过程中的三相电压均方根值最小值。
[0008]电压暂降持续时间：电压暂降事件过程中，电压幅值小于等于电压暂降阈值(电压额定标幺值的0.9倍)的持续时间。
[0009]矩形暂降：电压暂降过程中，最低电压幅值不随着时间变化的电压暂降事件。其电压有效值随时间变化的波形图大致呈矩形。
[0010]多级暂降：电压暂降过程中，由于故障进一步发展、两端保护动作不一致等因素的
影响，最低电压幅值随着时间产生阶段性变化的电压暂降事件。其电压有效值随时间变化的波形图呈阶梯状。
[0011]保护动作时间：从保护继电器检测故障到保护动作机构操作切除故障的时间间隔。
[0012]保护动作时间特性：保护动作时间与故障电气量之间的函数关系，由人为整定。
[0013]故障电气量(Fault Electrical Quantity，FEQ)：电力系统发生短路故障时，继电保护系统所检测的一系列电气变量，包括电流、电压、测量阻抗等。

技术实现思路

[0014]针对上述问题，本专利技术的目的在于从数据驱动的角度出发，利用电能质量监测数据的丰富性、高精度和高可用性，提出一种线路保护动作时间特性识别和电压暂降持续时间评估方法，为电能质量研究者在实际工程中评估电网电压暂降频次和风险提供极为重要的数据支撑，减少主观假设和对其他系统的依赖性，弥补现有评估技术实施困难和误差大的缺陷。技术方案如下：
[0015]一种输电线路保护特性识别及电压暂降持续时间估计方法，包括以下步骤：
[0016]步骤1：识别线路保护类型
[0017]根据历史监测数据计算各次故障事件下的故障电气量和保护动作时间t
oc
，然后根据零序电流识别故障类型，并计算FEQ
‑
t
oc
区间均值标准差以识别保护类型；
[0018]步骤2：计算保护动作时间特性
[0019]基于优化的基于密度的噪声空间聚类算法对某保护类型对应的t
oc
‑
FEQ样本进行聚类，然后根据聚类结果，计算保护动作时间特性方程；
[0020]步骤3：评估电压暂降持续时间
[0021]遍历全网线路所有故障点，根据故障类型、故障位置确定所需计算的故障电气量，计算故障电气量后，将其代入相应保护类型的保护动作时间特性方程，计算出线路首端和末端的保护动作时间，最后根据线路首端和末端的保护动作时间评估出电压暂降持续时间。
[0022]进一步的，所述步骤1具体包括：
[0023]步骤1.1：基于历史监测数据计算故障电气量和保护动作时间t
oc
[0024]根据三相电压电流录波数据计算故障发生时的4项故障电气量：相间测量阻抗Z
P
、接地测量阻抗Z
G
、故障电流I
f
和零序电流I0；并根据电压幅值变化情况计算保护动作时间t
oc
：
[0025][0026]式中，f
s
为采样频率，N
ev
为该故障事件的录波采样点总数，n为采样点序号，U
sag
(n)为采样点n处的电压暂降幅值；
[0027]步骤1.2：确定故障类型
[0028]通过零序电流I0识别故障类型，具体为：
[0029][0030]其中，I
unb
是保护安装处下游线路两相故障产生的最大不平衡电流，按下式计算：
[0031][0032]式中，和分别为下游线路出口发生两相故障时，保护安装处的三相故障电流；
[0033]重复上述步骤1.1和步骤1.2，直到所有线路的保护所切除的所有故障事件均计算完毕；
[0034]步骤1.3：识别线路保护类型：根据计算特定故障类型下，各故障电气量与保护动作时间t
oc
的映射情况，判断该保护响应的是何种故障电气量，进而识别出保护类型。
[0035]更进一步的，其特征在于，所述步骤1.3具体包括：
[0036]步骤1.3.1：计算FEQ
‑
t
oc
区间均值标准差
[0037]所述算FEQ
‑
t
oc
区间为根据故障电气量数值划分出的区间，即将故障电气量在故障样本值的范围内平均划分为M个区间，则第m个区间的保护动作时间样本标准差表示为计算公式如下所示：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种输电线路保护特性识别及电压暂降持续时间估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：识别线路保护类型根据历史监测数据计算各次故障事件下的故障电气量和保护动作时间t
oc
，然后根据零序电流识别故障类型，并计算FEQ
‑
t
oc
区间均值标准差以识别保护类型；步骤2：计算保护动作时间特性基于优化的基于密度的噪声空间聚类算法对某保护类型对应的t
oc
‑
FEQ样本进行聚类，然后根据聚类结果，计算保护动作时间特性方程；步骤3：评估电压暂降持续时间遍历全网线路所有故障点，根据故障类型、故障位置确定所需计算的故障电气量，计算故障电气量后，将其代入相应保护类型的保护动作时间特性方程，计算出线路首端和末端的保护动作时间，最后根据线路首端和末端的保护动作时间评估出电压暂降持续时间。2.根据权利要求1所述的输电线路保护特性识别及电压暂降持续时间估计方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：步骤1.1：基于历史监测数据计算故障电气量和保护动作时间t
oc
根据三相电压电流录波数据计算故障发生时的4项故障电气量：相间测量阻抗Z
P
、接地测量阻抗Z
G
、故障电流I
f
和零序电流I0；并根据电压幅值变化情况计算保护动作时间t
oc
：U
sag
(n)≤0.95p.u.式中，f
s
为采样频率，N
ev
为该故障事件的录波采样点总数，n为采样点序号，U
sag
(n)为采样点n处的电压暂降幅值；步骤1.2：确定故障类型通过零序电流I0识别故障类型，具体为：其中，I
unb
是保护安装处下游线路两相故障产生的最大不平衡电流，按下式计算：式中，和分别为下游线路出口发生两相故障时，保护安装处的三相故障电流；重复上述步骤1.1和步骤1.2，直到所有线路的保护所切除的所有故障事件均计算完毕；步骤1.3：识别线路保护类型：根据计算特定故障类型下，各故障电气量与保护动作时间t
oc
的映射情况，判断该保护响应的是何种故障电气量，进而识别出保护类型。3.根据权利要求2所述的输电线路保护特性识别及电压暂降持续时间估计方法，其特征在于，所述步骤1.3具体包括：步骤1.3.1：计算FEQ
‑
t
oc
区间均值标准差所述算FEQ
‑
t
oc
区间为根据故障电气量数值划分出的区间，即将故障电气量在故障样本值的范围内平均划分为M个区间，则第m个区间的保护动作时间样本标准差表示为计算
公式如下所示：将所有区间的平均标准差记为样本区间均值标准差计算公式如下所示：式中，t
s
是第m个间隔中的第s个保护动作时间样本，n
m
是第m个间隔中的样本数，是第m个间隔中样本的平均保护动作时间；对于一台断路器切除的相间故障样本，计算I
f
‑
t
oc
以及Z
P
‑
t
oc
两种故障电气量的样本区间均值标准差对于一台断路器切除的接地故障样本，计算I0‑
t
oc
以及Z
G
‑
t
oc
两种故障电气量的样本区间均值标准差重复此步骤，直到所有线路断路器的FEQ
‑
t
oc
区间均值标准差计算完毕；步骤1.3.2：识别线路保护类型根据样本区间均值标准差计算结果，当某故障电气量对应的样本区间均值标准差更小时，说明该断路器响应的是该故障电气量，则该断路器配置的保护类型判断如下：被相应的故障电气量为相间测量阻抗Z
P
时，保护类型为相间距离保护；被相应的故障电气量为接地测量阻抗Z
G
时，保护类型为接地距离保护；被相应的故障电气量为故障电流I
f
时，保护类型为相间电流保护；被相应的故障电气量为零序电流I0时，保护类型为零序电流保护。4.根据权利要求1所述的输电线路保护特性识别及电压暂降持续时间估计方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：步骤2.1：基于K近邻法得到—最佳聚类半径R和最小邻域样本数P，然后对t
oc
‑
FEQ样本进行聚类，得到聚类数和最优聚类结果；步骤2.2：计算保护动作时间特性方程步骤2.2.1：计根据聚类簇数对保护动作特性进行初步判定：聚类簇数为1时为反时限保护；聚类簇数为2时为二段式保护；聚类簇数为3时为三段式保护；聚类簇数为4时为四段式保护；步骤2.2.2：计算反时限保护动作时间特性方程：基于最小二乘法对反时限保护的特性曲线进行拟合，具体为，用幂方程的形式t＝σX
δ
+ω进行最小二乘拟合；其中，t为保护动作时间，X为故障电气量，σ、δ和ω为拟合参数；步骤2.2.3：计算阶段式保护动作时间特性方程：当聚类簇数为1且保护动作时间t
oc
相近，或聚类数大于1时，利用聚类中心和聚类边界计算保护动作时间特性方程；设每个簇的保护动作时间中心是T
ω
，ω＝1,2,3,4，每个簇中的故障电气量最大值和最小值分别为和则保护动作时间特性方程t
oc

【专利技术属性】
技术研发人员：汪颖，李顺祎，肖先勇，胡文曦，陈韵竹，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：