一種基于k均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，該方法首先將供電臂上僅有一輛高鐵運行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分離出，然后利用高鐵的運行時間、電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計值作為樣本數(shù)據(jù)歸一化后，進行K均值聚類，最終獲取不同車型的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類。本發(fā)明根據(jù)高鐵牽引站電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供了一種簡便快捷的將某供電臂上僅有一輛高鐵運行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進行分離的方法；利用K均值聚類算法，完成了針對高鐵車型的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分類；不僅為研究某類型高鐵運行過程中給電網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題提供了基礎(chǔ)。還可針對各種工況進行電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類，為進一步細化高鐵負荷的電能質(zhì)量特性分析提供基礎(chǔ)。
【專利說明】—種基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高鐵的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，提供涉及一種基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高速鐵路以節(jié)能、環(huán)保、高效、安全、舒適、快捷、準(zhǔn)時等特點在我國迅猛發(fā)展，其正日新月異的改變著人們的出行和生活。然而高速鐵路機車功率大、行車速度高，給擔(dān)負其供電任務(wù)的沿線電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來了一定的影響。
[0003]我國高速鐵路采用交-直-交大功率機車、高速度(最高運行速度350km / h以上)、高密度(最小追蹤間隔3min)、大編組(最大16輛編組)的運營模式；高速鐵路特別是京滬高速鐵路的運輸模式采取高速列車和跨線列車混跑的模式，這決定者高速鐵路牽引負荷的特殊性和復(fù)雜性。電氣化高速鐵路機車屬于非線性和沖擊性負荷，其給電網(wǎng)主要帶來負序和諧波等電能質(zhì)量影響；同時不同車型的機車運行時引起電網(wǎng)的電能質(zhì)量特性不同，特別是諧波特性。這些不僅對電網(wǎng)中其它設(shè)備造成不利影響，而且對自身運行的穩(wěn)定性和可靠性構(gòu)成威脅。電氣化鐵道的電力機車為波動性很大的大功率單相整流負荷，而且由于列車在運行過程中的加速、惰行、制動的各種狀態(tài)，以及線路坡度、彎道半徑、氣象條件、司機操作等因素以及供電臂上列車數(shù)量的變化，牽引負荷隨機波動。因此，在進行電能計量的分析時，必須充分考慮到電力機車的負荷特性。采用不同的交-直電力機車，其產(chǎn)生的諧波含量不同。為了進一步研究某車型投運后的電能質(zhì)量特性，評估其給電網(wǎng)帶來的影響，本發(fā)明提出了一種針對車型對電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分類研究的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提出一種基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，該方法首先將供電臂上僅有一輛高鐵運行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分離出，然后利用高鐵的運行時間、電能質(zhì)量指標(biāo)及其統(tǒng)計值作為樣本數(shù)據(jù)歸一化后，進行K均值聚類，最終獲取不同車型的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類。該發(fā)明為進一步研究某車型投運后的電能質(zhì)量特性，評估其給電網(wǎng)帶來的影響，進而為電網(wǎng)采取積極的應(yīng)對措施提供了基礎(chǔ)。
[0005]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]一種基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，該方法包括如下步驟:
[0007](I)通過在線的電能質(zhì)量監(jiān)測儀獲取高鐵牽引站的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)；
[0008](2)依據(jù)有車運行時的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)以及高鐵在供電臂的運行時間，篩選出供電臂上僅有一輛車運行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)；
[0009](3)針對供電臂上僅有一輛車運行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，計算出一輛高鐵的運行時間和電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計值；
[0010](4)將步驟(3)中的運行時間和電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計值作為樣本數(shù)據(jù)，并進行歸一化處理；
[0011](5)對進行歸一化處理后的樣本數(shù)據(jù)進行K均值聚類，以獲取不同車型的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類。
[0012]進一步地，步驟(1)中，所述高鐵牽引站的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)包括電壓偏差、電流、負序電流、頻率偏差、有功功率、無功功率、電量、諧波、間諧波、相角、電壓波動與閃變、三相不平衡度、電壓暫升、電壓暫降和電壓短時中斷等。
[0013]進一步地，步驟(2)中，所述有車運行時的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)包括有功功率、負序電流和相角等。
[0014]進一步地，步驟(2)中，所述篩選出供電臂上僅有一輛車運行時的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)包括下述步驟:
[0015](a)當(dāng)有車運行時的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)同時大于預(yù)設(shè)閥值時，則視為供電臂有車的時刻，將供電臂有車的時刻由前到后進行排序得到有車時段的時間序列；
[0016](b)根據(jù)有車時間序列，計算出各連續(xù)有車時段的時間長度；
[0017](C)判斷各連續(xù)有車時段的時間長度與最短通行時間的大小，對連續(xù)有車時段進行劃分；
[0018](d)判斷各連續(xù)有車時段的時間長度與最長通行時間的大小，將連續(xù)有車時段劃分為多輛車運行的有車時段和僅有一輛車運行的有車時段，進而得出供電臂上僅有一輛車運行時的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。
[0019]進一步地,步驟(3)中，所述電能質(zhì)量指標(biāo)包括有功功率、無功功率、電流、負序電流、以及諧波的含量和次數(shù)等；所述電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計值包括電能質(zhì)量指標(biāo)的最大值、最小值、均值和方差等。
[0020]進一步地，步驟(3)中，所述一輛高鐵的運行時間根據(jù)所述僅有一輛車運行時的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)所對應(yīng)的起、止時刻的差值絕對值獲得；
[0021]假設(shè)電能質(zhì)量指標(biāo)P按時間排列的向量為P，P=[p(l)，p(2),..., p(i),...,P(n)]，其中P(i)和P(n)分別為第i和n個采樣時刻的電能質(zhì)量指標(biāo)，則所述電能質(zhì)量指
標(biāo)指標(biāo)P的最大值為Pmax=Hiax(P)、最小值為Pmin=Hiin(?)、平均值為
【權(quán)利要求】
1.一種基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: (1)通過在線的電能質(zhì)量監(jiān)測儀獲取高鐵牽引站的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)； (2)依據(jù)有車運行時的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)以及高鐵在供電臂的運行時間，篩選出供電臂上僅有一輛車運行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)； (3)針對供電臂上僅有一輛車運行的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，計算出一輛高鐵的運行時間和電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計值； (4)將步驟(3)中的運行時間和電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計值作為樣本數(shù)據(jù)，并進行歸一化處理； (5)對進行歸一化處理后的樣本數(shù)據(jù)進行K均值聚類，以獲取不同車型的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(1)中，所述高鐵牽引站的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)包括電壓偏差、電流、負序電流、頻率偏差、有功功率、無功功率、電量、諧波、間諧波、相角、電壓波動與閃變、三相不平衡度、電壓暫升、電壓暫降和電壓短時中斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(2)中，所述有車運行時的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)包括有功功率、負序電流和相角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(2)中，所述篩選出供電臂上僅有一輛車運行時的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)包括下述步驟: (a)當(dāng)有車運行時的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)`據(jù)同時大于預(yù)設(shè)閥值時，則視為供電臂有車的時亥IJ，將供電臂有車的時刻由前到后進行排序得到有車時段的時間序列； (b)根據(jù)有車時間序列，計算出各連續(xù)有車時段的時間長度； (c)判斷各連續(xù)有車時段的時間長度與最短通行時間的大小，對連續(xù)有車時段進行劃分； (d)判斷各連續(xù)有車時段的時間長度與最長通行時間的大小，將連續(xù)有車時段劃分為多輛車運行的有車時段和僅有一輛車運行的有車時段，進而得出供電臂上僅有一輛車運行時的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(b)中，計算出各連續(xù)有車時段的時間長度包括如下步驟: 判斷有車時間序列中相鄰兩時刻中后一時刻與前一時刻的時間差是否大于IOs ； 如<10s，則進入與后一時刻的下一時刻進行判斷； 如> 10s，則將前一時刻視為該連續(xù)有車時段的終止時刻，將后一時刻視為下一連續(xù)有車時段的起始時刻，以此確定出各連續(xù)有車時段的時間長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(C)中，對連續(xù)有車時段進行劃分包括如下步驟: 判斷各連續(xù)有車時段的時間長度與最短通行時間的大??； 如>最短通行時間，表示該連續(xù)有車時段是完整的； 如< 最短通行時間，則將該連續(xù)有車時段與后一連續(xù)有車時段形成新的連續(xù)有車時段，直至該新的連續(xù)有車時段的時間長度大于或等于最短通行時間為止。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(d)中，將所述連續(xù)有車時段劃分為多輛車運行的有車時段和僅有一輛車運行的有車時段包括如下步驟: 判斷各連續(xù)有車時段的時間長度與最長通行時間的大?。? 如>最長通行時間，則認(rèn)為是多輛車運行的有車時段； 如<最長通行時間，則認(rèn)為是僅有一輛車運行的有車時段，該時段對應(yīng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)即為僅有一輛車運行時的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(3)中，所述電能質(zhì)量指標(biāo)包括有功功率、無功功率、電流、負序電流、以及諧波的含量和次數(shù)；所述電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計值包括電能質(zhì)量指標(biāo)的最大值、最小值、均值和方差。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(3)中，所述一輛高鐵的運行時間根據(jù)所述僅有一輛車運行時的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)所對應(yīng)的起、止時刻的差值絕對值獲得； 假設(shè)電能質(zhì)量指標(biāo)P按時間排列的向量為P，P= [p (I), P (2),...，p(i)，...，p(n)]，其中P(i)和P(n)分別為第i和η個采樣時刻的電能質(zhì)量指標(biāo)，則所述電能質(zhì)量指標(biāo)指標(biāo)P的最大值為Pmax=Hiax (P)、最小值為Pmin=Hiin(P)、平均值為
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(4)中，將一輛高鐵的運行時間和電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計值映射到[0，+1]區(qū)間，設(shè)定V產(chǎn)(X' i,lX'i,M)是第i個樣本數(shù)據(jù)，具共M個特征值，通過下式對樣本數(shù)據(jù)進行歸一化計算:

11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于K均值的高鐵電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)分類方法，其特征在于，步驟(5)中，對進行歸一化處理后的樣本數(shù)據(jù)進行K均值聚類的方法包括如下步驟: (a)依據(jù)車型將僅有一輛車運行時的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分為四類，所述車型包括高速列車8編組、高速列車16編組、中速列車8編組和中速列車16編組； (b)隨機選取初始化聚類中心Vi(I)； 其中，?=1,2, *..,4, i表示類的序號；1表示初始迭代運算次數(shù)； (c)逐個將待聚類的樣本數(shù)據(jù)(X1,X2,..., Xj,..., Xn)按照下述最小距離規(guī)則分配給4個聚類中心中的某一個Vi (t)，所述最小距離規(guī)則為: 計算第j個樣本數(shù)據(jù)Xj與4個聚類中心Vi (t)，i=l，2，…，4的距離cKX^Via))，i=l,2，3，4，若(!(XjiVi (t))最小，則Xj為第i類，記為X' j ； 其中，和Xn表示第j和N個樣本數(shù)據(jù)；t表示迭代運算次數(shù)，初始為I ;i表示類的序號，i=l, 2,…,4 ；(d)通過下式計算4個新的聚類中心:
【文檔編號】G01R31/00GK103777091SQ201310676852
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】楊岑玉, 王同勛, 周勝軍, 談萌, 楊柳 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院