一种基于保护动作识别的配电网电压暂降频次估计方法与流程

1.本发明涉及电压暂降技术领域，具体是一种基于保护动作识别的配电网电 压暂降频次估计方法。


背景技术：

2.电压暂降频次估计，就是评估敏感设备接入节点一年内发生的不同幅值和 持续时间的电压暂降次数，其结果是评估敏感设备受电压暂降扰动程度的重要信 息，可为电压暂降的治理决策提供理论依据。在配电网电压暂降频次估计中，对 电压暂降幅值和持续时间的准确计算十分重要。现有电压暂降频次估计方法都是 单独针对电压暂降幅值或持续时间的影响因素进行研究，分别揭示了电压暂降幅 值和持续时间与频次之间的对应关系。但是，传统电压暂降频次估计法具有一定 缺陷。
3.首先，现有方法较少考虑电压暂降幅值与持续时间之间的关联。事实上， 在配备阶段式保护的配电网中，电压暂降持续时间取决于线路保护的动作情况， 而故障由哪段保护切除(本发明称为保护动作段)由故障电流决定，而故障电流 大小直接决定了电压暂降幅值。因此，在电网某区域内，公共连接点(pcc)的电 压暂降幅值与持续时间之间必然存在一定映射关系，亟需利用一种手段进行挖 掘，以获得可信度更高的电压暂降频次估计结果。其次，在配电网中，用户种类 繁多，电网结构复杂，针对不同区域、不同馈线、用户设置的保护整定值与动作 时间都可能不同，因此，不易详细完整地获取整个配电网各线路的保护配置情况， 这为电压暂降持续时间评估带来了较大困难。最后，传统方法认为保护的范围及 其对应的动作时间是固定的，即固定范围内的故障将由固定的保护段切除。事实 上，随着故障阻抗、故障类型的不同，阶段式继电保护的有效保护范围变化较大。 距离保护i段能保护本线路的80％～90％，但是其范围受故障过渡电阻影响较大。 因此，同一位置的故障，在不同的情况下其持续时间可能不同，这就造成了电压 暂降持续时间估计的误差。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种基于保护动作识别的配电 网电压暂降频次估计方法，其对于电网短路故障导致保护动作引起的电压暂降频 次进行估计，重点解决电压暂降持续时间评估的问题，弥补现有技术对保护动作 情况判断不准确的缺陷和保护配置信息获取的困难。
5.一种基于保护动作识别的配电网电压暂降频次估计方法，包括如下步骤：
6.基于监测数据计算电压暂降幅值和电压暂降持续时间；
7.基于引入轮廓系数的改进k-means算法，对计算的电压暂降幅值和持续时 间进行暂降幅值-持续时间样本聚类，得到各保护阶段内对应的电压暂降幅值-持 续时间的聚类中心与边界；
8.根据聚类结果识别线路保护动作段；
9.基于识别的线路保护动作段估计电压暂降频次。
10.进一步的，基于监测数据计算电压暂降幅值和电压暂降持续时间，具体包 括：
11.基于电压暂降采样数据，采取iec 61000-4-30推荐算法，通过计算电压有效 值得到电压暂降幅值：
[0012][0013]
其中，s为采样点序号，s为采样点数，u表示采样电压；
[0014]
根据国标gb/t 30137-2013中对电压暂降的定义，电压暂降持续时间以电压 幅值低于90％额定电压所持续的时间计算，即：
[0015][0016]
其中fs表示采样频率，ur为额定电压。
[0017]
7、进一步的，所述基于引入轮廓系数的改进k-means算法步骤如下：
[0018]
①
初始化类别数目k和初始聚类中心点，类别数目初始值k取为1；
[0019]
②
计算k个样本和k个初始中心点的距离，按照距离大小进行类划分，形 成k个聚类；
[0020]
③
计算每类中所有对象的平均值，作为k个类别的新聚类中心；
[0021]
④
利用式(8)判断是否收敛，若ε未达到收敛阈值，则重复步骤
②
和步骤
③
； 若ε小于收敛阈值，表明算法收敛，该次聚类结束；
[0022][0023]
式中yy为ek中的样本，ek为ek的聚类中心；
[0024]
⑤
根据式(9)计算轮廓系数ck，评价本次聚类效果，单个样本y的轮廓系数 计算方法如下：
[0025][0026]
其中p1(y)为点y到所属类别中其他点的平均距离，p2(y)为点y到非所属类别 中所有点平均距离的最小值，计算所有样本轮廓系数平均值，则得本次聚类结果 的轮廓系数ck，即
[0027][0028]
⑥
取类别数目k＝k 1，重复执行上述步骤，直到k大于3时，整个聚类算法 结束；
[0029]
⑦
取各次聚类结果中使轮廓系数最大的k值，并将该次聚类结果作为最终的 聚类结果。
[0030]
进一步的，根据聚类结果识别线路保护动作段，具体包括：
[0031]
1)识别保护动作级数与各级整定动作时间
[0032]
根据电压暂降持续时间聚类结果，获取线路保护动作级数以及整定动作时 间，其中聚类类别数k即为保护动作级数，每类别的时间维度的聚类中心即为各 级整定动作时间，假设各类别聚类中心为(u
e1
,d
e1
),
…
,(u
ek
,d
ek
)，当k＝1时，馈线 仅安装过电流保护；k＝2时，线路安装二段式保护；k＝3时，线路安装三段式保护； 且各级保护整定的动作时间分
别为d
e1
,
…
,d
ek
；
[0033]
2)计算各级保护动作电压幅值
[0034]
分别找到类别k中电压暂降幅值最大值u
k_max
和类别k 1中的电压暂降幅值 最小值u
k 1_min
，取两者的平均值作为保护k段保护动作电压幅值即
[0035][0036]
进一步的，基于识别的线路保护动作段估计电压暂降频次，具体包括：按 照步骤三计算得到配电网线路的保护动作级数、动作时间和保护动作电压幅值， 利用故障点法进行配电网电压暂降频次估计，即依次确定每个故障点导致的电压 暂降幅值、持续时间和频次。
[0037]
进一步的，利用故障点法进行配电网电压暂降频次估计，具体实施过程为：
[0038]
基于电网短路计算方法计算短路故障导致的配电网电压暂降幅值；
[0039]
利用电网短路计算公式绘制各种故障类型、过渡阻抗下的电压暂降幅值曲线， 根据电压暂降幅值曲线判断各故障点所对应的保护动作段，确定保护动作时间， 从而得到暂降持续时间；
[0040]
依次计算各个故障点导致被评估的pcc点电压暂降的幅值和持续时间后， 在不同幅值和持续时间范围内的电压暂降频次由以下公式计算：
[0041][0042]
其中，β＝1,2,3,4表示故障类型，m1为该线路上符合u
sag
约束条件的故障点数 量，m2为线路设置的故障点数，δ
β
为该线路发生相应故障类型的故障率；z＝1,
…
,nz， nz为zf值选取的个数，u
sag
为电压暂降幅值，d
sag
为电压暂降持续时间，u
min
,u
max
, d
min
,d
max
分别为电压暂降频次表中对应区间的边界值。
[0043]
本发明针对k-means算法在未知类别数时聚类效果差的缺陷，引入轮廓系数 使其自适应确定最优聚类数，在未知线路保护配置情况下，基于电压暂降历史监 测数据与保护动作信息，采用改进k-means聚类算法，对电压暂降幅值-持续时间 进行聚类分析，推断线路保护配置情况，计算保护动作时间与保护动作电压；基 于保护动作识别结果，在考虑不同故障类型和过渡阻抗的情况下实现配电网电压 暂降频次估计，本发明有效解决了配电网电压暂降频次估计中，线路保护配置获 取困难的缺陷，同时避免了传统方法判断保护动作错误的问题，提升了电压暂降 持续时间准确性，使频次估计结果较传统方法更具可信度。
附图说明
[0044]
图1是本发明基于保护动作识别的配电网电压暂降频次估计方法的流程图；
[0045]
图2是不同zf的短路导致的pcc点电压暂降幅值曲线。
具体实施方式
[0046]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明 实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中 的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
请参阅图1，本发明实施例提供一种基于保护动作识别的配电网电压暂降频 次估计方法，主要分为四个步骤，即提取历史电压暂降特征量、基于改进k-means 算法进行暂降幅值-持续时间样本聚类、根据聚类结果识别线路保护动作段以及 基于识别的线路保护动作段估计电压暂降频次，其中每个步骤的详细阐述如下：
[0048]
一、提取历史电压暂降特征量，具体的，基于监测数据计算电压暂降幅值和 电压暂降持续时间。
[0049]
本发明基于电能质量监测终端记录的历史三相电压暂降波形数据，计算均方 根值得到各次电压暂降幅值，并根据gb/t 30137-2013中的定义计算各次暂降的 持续时间，作为电压暂降幅值-持续时间样本集。
[0050]
1)电压暂降幅值
[0051]
基于电压暂降采样数据，采取iec 61000-4-30推荐算法，通过计算电压有效 值得到电压暂降幅值：
[0052][0053]
其中，s为采样点序号，s为采样点数，u表示采样电压。
[0054]
2)电压暂降持续时间
[0055]
根据国标gb/t 30137-2013中对电压暂降的定义，电压暂降持续时间以电压 幅值低于90％额定电压所持续的时间计算，即：
[0056][0057]
其中fs表示采样频率，ur为额定电压。
[0058]
二、基于改进k-means算法进行暂降幅值-持续时间样本聚类
[0059]
本发明对传统k-means算法进行改进，并对基于电压暂降监测数据计算的 电压暂降幅值和持续时间数据进行二维聚类，得到各保护阶段内对应的电压暂降 幅值-持续时间的聚类中心与边界。
[0060]
k-means聚类算法采用欧氏距离作为相似性测度，并以误差平方和为聚类准 则。传统k-means算法在聚类开始前需指定类别数目k，然而，在继电保护配置 未知的情况下，无法事先确定线路安装了几段保护。因此，本发明对k-means 聚类算法进行改进，使其自动判别最优聚类数目k。由于配电网线路故障的保护 动作段可包括保护i段动作、保护ii段动作、保护iii段动作和保护拒动，因此 持续时间应分别集中在t1、t2、t3的附近，并可能包含极少数的远大于t3的值。
[0061]
改进后的k-means算法步骤如下：
[0062]
①
初始化类别数目k和初始聚类中心点，类别数目初始值k取为1；
[0063]
②
计算k个样本和k个初始中心点的距离，按照距离大小进行类划分，形 成k个聚类。
[0064]
③
计算每类中所有对象的平均值，作为k个类别的新聚类中心。
[0065]
④
利用式(8)判断是否收敛。若ε未达到收敛阈值，则重复步骤
②
和步骤
③
； 若ε小于收敛阈值，表明算法收敛，该次聚类结束。
[0066][0067]
式中yy为ek中的样本，ek为ek的聚类中心；
[0068]
⑤
根据式(9)计算轮廓系数ck，评价本次聚类效果，单个样本y的轮廓系数 计算方法如下：
[0069][0070]
其中p1(y)为点y到所属类别中其他点的平均距离，p2(y)为点y到非所属类别 中所有点平均距离的最小值，计算所有样本轮廓系数平均值，则可得本次聚类结 果的轮廓系数ck，即
[0071][0072]
⑥
取类别数目k＝k 1，重复执行上述步骤，直到k大于3时，整个聚类算法 结束。
[0073]
⑦
取各次聚类结果中使轮廓系数最大的k值，并将该次聚类结果作为最终的 聚类结果。
[0074]
三、根据聚类结果识别线路保护动作段
[0075]
1)识别保护动作级数与各级整定动作时间
[0076]
根据电压暂降持续时间聚类结果，可获取线路保护动作级数以及整定动作时 间。其中，聚类类别数k即为保护动作级数，每类别的时间维度的聚类中心即为 各级整定动作时间。假设各类别聚类中心为(u
e1
,d
e1
),
…
,(u
ek
,d
ek
)，当k＝1时，馈 线仅安装了过电流保护；k＝2时，线路安装二段式保护；k＝3时，线路安装了三段 式保护；且各级保护整定的动作时间分别为d
e1
,
…
,d
ek
。
[0077]
2)计算各级保护动作电压幅值
[0078]
基于以上分析可知，辐射型配电网中，pcc点电压暂降幅值在一定区间内 所对应的保护动作段是唯一的，因此，需判定各聚类类别在电压幅值维度上的边 界，便得到各保护动作段所对应的电压暂降幅值范围，即保护动作电压幅值u
siag
、 和
[0079]
本发明采取计算边界均值的方法判定电压暂降幅值边界。为获取保护k段电 压暂降幅值，首先，分别找到类别k中电压暂降幅值最大值u
k_max
和类别k 1中 的电压暂降幅值最小值u
k 1_min
，取两者的平均值作为保护k段保护动作电压幅 值即
[0080][0081]
四、基于识别的线路保护动作段估计电压暂降频次
[0082]
按照步骤三计算得到配电网线路的保护动作级数、动作时间和保护动作电压 幅值，利用故障点法进行配电网电压暂降频次估计，即依次确定每个故障点导致 的电压暂降
幅值、持续时间和频次。
[0083]
1)电压暂降幅值估计
[0084]
本发明基于电网短路计算方法计算短路故障导致的配电网电压暂降幅值，其 计算公式如下：
[0085]
当线路i-j上发生三相短路f时，设f点距离线路首端i的距离标幺值为l， 则f点距线路末端j的距离为(1-l)，zf为故障过渡阻抗，在考虑不同短路过渡电 阻的影响下，被评估节点m(pcc点)电压暂降幅值公式可由下式表示：
[0086][0087]
式(7)中和分别表示m点和故障点f的故障前电压，z
mf
表示被评估 节点m点与故障点f之间的互阻抗，z
ff
表示故障点的自阻抗，分别由以下公式计 算：
[0088][0089]
其中z
im
和z
jm
分别是线路首端节点i与线路末端节点j和被评估节点m之间 的互阻抗，z
ii
、z
jj
和z
ij
分别为节点i、j的自阻抗和互阻抗，z
ij
为线路ij的单位 长度阻抗。
[0090]
当故障f为不对称短路时，则需利用对称分量法，将各序阻抗代入式(8)中求 出故障点各序自阻抗与互阻抗，再进行电压暂降幅值计算。当f点发生单相故障 时，以a相为参考相，则被评估点m各相电压暂降幅值由下式计算：
[0091][0092]
其中α＝e
j120
°
为旋转因子，上标(0),(1),(2)表示零序、正序和负序，和分别为节点m和故障点f的故障前电压。当f点发生两相相间故障时，有：
[0093][0094]
当f点发生两相接地故障时，有：
[0095][0096]
式中，
[0097][0098]
2)电压暂降持续时间估计
[0099]
在步骤三中已计算得到了pcc点各级保护动作电压幅值，则可以利用电网 短路计算公式绘制各种故障类型、过渡阻抗下的电压暂降幅值曲线，将该曲线与 已知的和进行比较，判断各故障点所对应的保护动作段，确定保 护动作时间，从而得到暂降持续时间。在不同zf下，绘制配电网某位置发生短 路时的pcc点电压暂降幅值曲线如图2所示。可见，根据电压暂降幅值曲线， 能够清晰地判定线路不同位置发生故障时所对应的保护动作段，并得到暂降持续 时间。
[0100]
若保护动作级数为1，则说明该线路配置的为过电流保护，其动作时间为t1， 则电压暂降持续时间估计为：
[0101][0102]
若保护动作级数为2，则说明该线路配置的为二段式保护，设保护i段和保 护ii段整定的动作时间分别为t1和t2，则电压暂降持续时间估计为：
[0103][0104]
若保护动作级数为3，则说明该线路配置的为三段式保护，设保护i段、保 护ii段和保护iii段整定的动作时间分别为t1，t2和t3，那么由不同保护动作段 切除的故障导致的电压暂降持续时间可由下式计算：
[0105][0106]
式(12)-(14)中，当电压暂降幅值大于最高的那段动作电压幅值，说明保护在 该故障下不动作，那么暂降持续时间d
sag
可用一随机值t
rand
表示。t
rand
为服从正 态分布的随机生成值，正态分布的参数为：期望μ＝0.3，方差ζ2＝0.05。
[0107]
3)电压暂降频次估计
[0108]
依次计算各个故障点导致被评估的pcc点电压暂降的幅值和持续时间后， 在不同幅值和持续时间范围内的电压暂降频次由以下公式计算：
[0109][0110]
其中，β＝1,2,3,4表示故障类型，m1为该线路上符合u
sag
约束条件的故障点 数量，m2为线路设置的故障点数，δ
β
为该线路发生相应故障类型的故障率； z＝1,
…
,nz，nz为zf值选取的个数，本发明针对变化的过渡电阻值，结合实际运 行情况和工程应用，选取zf＝[0,100]范围内的nz组数值。u
sag
为电压暂降幅值， d
sag
为电压暂降持续时间，u
min
,u
max
,d
min
,d
max
分别为电压暂降频次表中对应区间 的边界值。
[0111]
本发明具有如下特点和效果：
[0112]
1、本发明提出了一种基于改进k-means算法的配电网电压暂降频次估计方 法，针对k-means算法在未知类别数时聚类效果差的缺陷，引入轮廓系数使其自 适应确定最优聚类数，从而达到识别线路保护动作段的目的；
[0113]
2、本发明所提方法有效解决了配电网电压暂降频次估计中，线路保护配置 获取困难的缺陷。在未知线路继电保护配置的情况下，本发明与传统假设保护方 案的方法相比，能在暂降持续时间上获得更接近于实际情况的评估结果；
[0114]
3、本发明进行了不同过渡阻抗下的电压暂降频次估计，利用各级保护动作 电压，有效地判断继电保护的动作情况，避免了传统方法判断保护动作错误的问 题，提升了电压暂降持续时间准确性，使频次估计结果较传统方法更具可信度。
[0115]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的 变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该 以权利要求的保护范围为准。