一种利用极线电压行波自适应的雷击干扰识别方法

摘要

本发明涉及一种利用极线电压行波自适应的雷击干扰识别方法，属于电力系统直流输电线路继电保护技术领域。线路每隔10km进行仿真遍历，得到雷击导线和避雷线情况下雷击干扰和雷击故障的电压波形曲线并投影在PCA空间，根据其分布不同构造PCA的雷击干扰识别元件。当线路受到雷击时，将测得的极线电压曲线投影在PCA空间，并利用欧氏距离度量测试数据在PCA投影与仿真获得的样本曲线簇在PCA空间聚类中心之间的距离d

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用极线电压行波进行主成分分析的雷击干扰识别方法，属于电力系统 直流输电线路继电保护技术领域。

背景技术

通常，雷电对高压、超高压输电线路有危害的是雷电直接落雷在线路的情形，即直击雷。 雷电直击HVDC线路致使线路绝缘子闪络则称线路发生雷击故障；如果雷击线路未致使线路 绝缘子闪络，即所谓雷击线路未故障。线路雷击未故障在线路落雷点注入的雷电流浪涌，对 线路继电保护而言，就系雷击干扰。一般而言，雷击干扰对基于行波或短时窗暂态量的保护 影响很大，而对利用长时窗故障暂态量采样值的保护影响较小，尤其对有硬件滤波再由软件 做DFT提取工频量的保护影响甚小。未致线路绝缘子闪络的雷电浪涌，对线路继电保护而言， 在雷击之后短时窗内线路上存在很大的瞬态能量扰动，对于无延时环节情况下且采用短时窗 故障数据的继电保护，无论其采样率如何高与低，都有影响。

直流输电线路现有行波保护采样率为10kHz，且展宽5个采样间隔判断，系短时窗暂态 量保护，却未考虑雷击干扰，也未配置雷击干扰识别元件，理论上存在雷击干扰导致行波保 护误启误判的风险，运行经验也表明，HVDC线路雷击干扰有时会造成现有行波主保护误判 误响应的情形。因此我们提倡直流输电线路应当配置雷击干扰识别元件，且正极线路和负极 线路分设，独立配置其雷击干扰识别元件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种利用极线电压行波自适应的雷击干扰识别方法，用 以解决上述问题。

本发明的技术方案是：一种利用极线电压行波自适应的雷击干扰识别方法，搭建直流线路 的电磁暂态仿真模型，对线路每隔10km进行仿真遍历，由电磁暂态仿真得到雷击导线和避 雷线情况下雷击干扰和雷击故障的电压波形曲线簇，并采用主成分分析提取特征，映射到PCA 空间，根据其分布不同构造PCA的雷击干扰识别元件。当线路受到雷击时，将测得的极线电 压曲线投影在PCA空间，并利用欧氏距离度量测试数据在PCA投影与仿真获得的样本曲线 簇在PCA空间聚类中心之间的距离d_min，通过d_min的取值来判别雷击干扰和雷击故障。

具体步骤如下：

(1)构建历史样本数据空间，得到样本在PCA空间的投影分布图。对线路每隔10km 进行仿真遍历，分别设置雷击导线干扰、雷击导线故障、雷击避雷线干扰和雷击避雷线故障 四种情况，采样率1MHz，得到极线电压波形曲线簇并进行PCA聚类，得到四种情况下样本 在PCA空间的投影分布图，从结果可以看出雷击故障和雷击干扰分布在PCA空间左右两侧。

(2)分别计算雷击导线干扰、雷击导线故障、雷击避雷线干扰和雷击避雷线故障四种情 况下PCA空间上各类情况下的聚类中心坐标

$N_j(q_1,q_2)=\frac{1}{m_j}\{\underset{k=1}{\overset{m_j}{\Sigma }}{q}_{1j}\left(k\right),\underset{k=1}{\overset{m_j}{\Sigma }}{q}_{2j}\left(k\right)\},j=1,2,3---\left(1\right)$

式(1)中m_j分别表示四种情况下量测端极线电压在PCA空间中投影的点数。

(3)当线路受到雷击时，将测试数据1ms时窗内的极线电压投影在PCA空间，得到测 试数据在PC₁轴和PC₂的投影值(q′₁,q′₂)。

(4)采用欧氏距离来度量当前测试数据投影与各点簇中心的距离。

$d_j(f,N_j)=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(q_k^{\prime }-q_k)}^2}---\left(2\right)$

式(2)中k表示所采用主成分投影值的个数，这里k＝2，即(q′₁,q′₂)。N_j为四种情况聚类 点簇的中心。

(5)根据计算所得的所有距离d_j中的最小值，得到基于PCA聚类分析和欧氏距离的雷 击干扰判别式

d_min＝min(d₁,d₂,d₃,d₄)(3)

上式中，d₁、d₂、d₃和d₄定义为测试数据在PCA投影与四种雷击情况形成的电压曲线簇 在PCA聚类中心之间的距离。d₁定义为测试数据投影与雷击避雷线故障电压曲线簇在PCA 空间聚类中心之间的距离，d₂定义为测试数据投影与雷击导线故障电压曲线簇在PCA聚类中 心之间的距离，d₃定义为测试数据投影与雷击避雷线干扰电压曲线簇在PCA聚类中心之间的 距离，d₄定义为测试数据投影与雷击导线干扰电压曲线簇在PCA聚类中心之间的距离；

(6)根据测试数据在PCA投影与仿真获得的样本曲线簇在PCA空间聚类中心之间的距 离d_min的取值，来判别雷击干扰、雷击故障。根据雷击干扰测量数据和雷击故障测量数据在 PCA空间的分布是不同的构成雷击干扰识别的判据如下式：

若d_min＝d₁或d_min＝d₂，则判断为雷击故障(4)

若d_min＝d₃或d_min＝d₄，则判断为雷击干扰(5)

本发明的有益效果是：

(1)本方法是基于现有仿真数据实现雷击干扰的判别，毋需整定值，判据具有自适应的 特点

(2)本测距方法利用量测的极线电压实现雷击干扰判别，易于提取，判别方法简单。

附图说明

图1为本发明直流输电线路仿真系统示意图。

图2为本发明雷击干扰与雷击故障下电压行波曲线簇在PCA空间的聚类结果，PC₂/kA 为纵坐标投影值/千安，PC₁/kA为横坐标投影值/千安。

图3为雷击正极输电线路闪络情况下其量测端电压曲线簇，u/kV为电压/千伏，t/ms为时 间/毫秒。

图4为雷击正极输电线路未闪络情况下其量测端电压曲线簇，u/kV为电压/千伏，t/ms 为时间/毫秒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种利用极线电压行波自适应的雷击干扰识别方法，对线路每隔10km进行仿真遍历， 得到雷击导线和避雷线情况下雷击干扰和雷击故障的电压波形曲线并投影在PCA空间，根据 其分布不同构造PCA的雷击干扰识别元件。当线路受到雷击时，将测得的极线电压曲线投影 在PCA空间，并利用欧氏距离度量测试数据在PCA投影与仿真获得的样本曲线簇在PCA空 间聚类中心之间的距离d_min，通过d_min的取值来判别雷击干扰和雷击故障。

判别方法的具体步骤如下：

搭建直流线路的电磁暂态仿真模型，线路全长1500km，整流侧接地极线路全长109km， 逆变侧接地极线路全长80km。对线路每隔10km进行仿真遍历，由电磁暂态仿真得到雷击导 线和避雷线情况下雷击干扰和雷击故障的电压波形曲线簇，并采用主成分分析提取特征，映 射到PCA空间，得到雷击导线干扰、雷击导线故障、雷击避雷线干扰和雷击避雷线故障四种 情况下在PCA空间上的聚类中心，分别为N₁(q₁,q₂)、N₂(q₁,q₂)、N₃(q₁,q₂)和N₄(q₁,q₂)。

实施例1：±800kV直流输电线路的仿真系统如图1所示。正极线路距离M端550km处 发生雷击避雷线未故障。

根据上述步骤(3)，将测试数据1ms时窗内的极线电压投影在PCA空间，得到测试数据 在PC₁轴和PC₂的投影值(q′₁,q′₂)。

根据步骤(4)得到测试数据的投影值(q′₁,q′₂)与各个聚类中心N₁(q₁,q₂)、N₂(q₁,q₂)、N₃(q₁,q₂) 和N₄(q₁,q₂)的欧氏距离分别为d₁＝4.9617×10⁴，d₂＝4.0782×10⁴，d₃＝3.2984×10⁴，d₄＝446.8166。 根据步骤(5)和步骤(6)，得到d_min＝d₄，可以判断出该为雷击干扰。

实施例2：±800kV直流输电线路的仿真系统如图1所示。正极线路距离M端980km处 发生雷击避雷线未故障。

根据上述步骤(3)，将测试数据1ms时窗内的极线电压投影在PCA空间，得到测试数据 在PC₁轴和PC₂的投影值(q′₁,q′₂)。

根据步骤(4)得到测试数据的投影值(q′₁,q′₂)与各个聚类中心N₁(q₁,q₂)、N₂(q₁,q₂)、N₃(q₁,q₂) 和N₄(q₁,q₂)的欧氏距离分别为d₁＝2.2249×10⁴，d₂＝1.1328×10⁴，d₃＝4.4948×10⁴，d₄＝2.9831×10⁴。 根据步骤(5)和步骤(6)，得到d_min＝d₂，可以判断出该为雷击故障。

实施例3：±800kV直流输电线路的仿真系统如图1所示。正极线路距离M端120km处 发生雷击避雷线未故障。

根据上述步骤(3)，将测试数据1ms时窗内的极线电压投影在PCA空间，得到测试数据 在PC₁轴和PC₂的投影值(q′₁,q′₂)。

根据步骤(4)得到测试数据的投影值(q′₁,q′₂)与各个聚类中心N₁(q₁,q₂)、N₂(q₁,q₂)、N₃(q₁,q₂) 和N₄(q₁,q₂)的欧氏距离分别为d₁＝4.7967×10⁴，d₂＝4.007×10⁴，d₃＝100.7772，d₄＝3.5452×10³。 根据步骤(5)和步骤(6)，得到d_min＝d₃，可以判断出该为雷击干扰。