本發(fā)明具體涉及一種基于模糊C均值聚類的電鐵牽引復(fù)雜負(fù)荷情況對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響的分析方法，屬于電氣化鐵路系統(tǒng)自動(dòng)化
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：電氣化鐵路是指采用電力牽引的鐵路,其由于牽引力大、能源消耗小等優(yōu)點(diǎn)而受到世界各國(guó)的廣泛重視。對(duì)于電力系統(tǒng)而言，電力機(jī)車是一個(gè)很大的諧波源，其主要產(chǎn)生三次、五次、七次等奇次諧波電流，通過(guò)鐵路沿線的牽引電網(wǎng)流入電力系統(tǒng)，對(duì)電力系統(tǒng)供電電能質(zhì)量產(chǎn)生較為嚴(yán)重的負(fù)面影響。不同的電氣化鐵路負(fù)荷運(yùn)行情況，如空載、啟動(dòng)、運(yùn)行、停車，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響的區(qū)別十分明顯。因此，需要研究電氣化鐵路不同負(fù)荷運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響，開展有針對(duì)性的電能質(zhì)量管理。本發(fā)明所涉及的基于模糊C均值聚類(FuzzyC-Means，F(xiàn)CM)的電鐵牽引負(fù)荷運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響的分析方法，通過(guò)采集電鐵牽引站電網(wǎng)側(cè)的全功率因數(shù)、電流有效值、電壓有效值、有功功率以及三、五、七次諧波相對(duì)值作為分析變量，針對(duì)牽引站電網(wǎng)側(cè)的每一相監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，采用FCM方法對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，將每一相數(shù)據(jù)自動(dòng)分為空載、啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)四個(gè)類別，并分析四種運(yùn)行情況下的三、五、七次諧波，得到每一相不同運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響。對(duì)于新建線路，可以采用本發(fā)明中的方法，分析其空載、啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)等運(yùn)行情況下對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明利用電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置采集到的不同負(fù)荷運(yùn)行情況下的全功率因數(shù)、電流有效值、電壓有效值、有功功率以及三、五、七次諧波相對(duì)值等數(shù)據(jù)，采用FCM方法對(duì)每一相數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，得到電氣化鐵路每一相空載、啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)等運(yùn)行情況下負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響，實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的分析，為電氣化鐵路運(yùn)行與線路升級(jí)改造中新線路對(duì)電網(wǎng)的沖擊提供理論依據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括如下步驟：(1)采集電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置中的全功率因數(shù)、電流有效值、電壓有效值、有功功率以及三、五、七次諧波相對(duì)值等數(shù)據(jù)，構(gòu)造A相、B相和C相原始數(shù)據(jù)集X1,X2,X3；(2)基于上述原始數(shù)據(jù)集X1,X2,X3，分別采用FCM進(jìn)行訓(xùn)練，得到每相負(fù)荷空載、啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)下的特征參數(shù)，以及每相負(fù)荷不同運(yùn)行狀態(tài)下的三、五、七次諧波。(3)在應(yīng)用階段，基于上述建立的每相負(fù)荷不同運(yùn)行狀態(tài)下的特征參數(shù)以及其三、五、七次諧波，分析新建線路負(fù)荷不同運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。在步驟(1)中，原始數(shù)據(jù)集X1,X2,X3的構(gòu)造應(yīng)包括：采集電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置提供的A\B\C相全功率因數(shù)、A\B\C相電流有效值、A\B\C相電壓有效值、A\B\C相有功功率以及A\B\C相三、五、七次諧波相對(duì)值等數(shù)據(jù)用于分析；在步驟(2)中，首先針對(duì)原始數(shù)據(jù)X1相，采用FCM進(jìn)行分析，具體如下：FCM的目標(biāo)函數(shù)是其中，U是隸屬度矩陣；p是聚類中心矩陣；c是聚類類別數(shù)；n是樣本個(gè)數(shù)；μik∈U是第k個(gè)樣本屬于第i個(gè)類的隸屬度；dik表示樣本xk與第i個(gè)聚類中心pi之間的歐式距離A取為單位矩陣；m∈[1,∞)是模糊加權(quán)指數(shù)，它是為了保證目標(biāo)函數(shù)從硬聚類到模糊聚類推廣的有效性而引入的，其控制著模式在模糊類間的分享程度，m取值越大，得到的聚類結(jié)果越模糊，在要求不高時(shí)通常取m＝2。FCM聚類算法的求解過(guò)程如下：①初始化：設(shè)聚類類別數(shù)為c(2≤c≤n)，設(shè)定迭代停止閥ε和迭代計(jì)數(shù)器b＝0，初始化隸屬度矩陣U(0)。②更新聚類中心矩陣：其中，xk∈X是每一相原始數(shù)據(jù)集中的一個(gè)樣本點(diǎn)；③更新隸屬度矩陣U(b+1)：④判斷是否||U(b)-U(b+1)||＜ε。若是，則算法停止，輸出矩陣U和P；否則，令b＝b+1，轉(zhuǎn)到步驟②繼續(xù)執(zhí)行。其中||·||為某種合適的矩陣范數(shù)。⑤算法迭代停止后，最終得到的隸屬度和聚類中心的形式分別為：FCM在迭代過(guò)程中不斷更新隸屬度和聚類中心，直到滿足設(shè)定的條件為止。接下來(lái)，對(duì)B相數(shù)據(jù)集X2和C相數(shù)據(jù)集X3，進(jìn)行相同操作，得到B相和C相空載、啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)情況下的特征數(shù)據(jù)。在步驟(3)中，對(duì)于新建線路，分析其每一相負(fù)荷空載、啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)情況下對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，主要包括三、五、七次諧波等影響情況。本發(fā)明的特點(diǎn)在于：針對(duì)采集到的反映電鐵牽引負(fù)荷不同運(yùn)行狀態(tài)下的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，利用FCM作為電能質(zhì)量的分析工具，得到不同運(yùn)行狀態(tài)下的每一相的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、三次諧波、五次諧波、七次諧波的特征值。在建模過(guò)程中，對(duì)每一相數(shù)據(jù)分別分析，減少工況組合數(shù)量，提高分類的準(zhǔn)確度。本發(fā)明具有以下效果：作為一種基于數(shù)據(jù)的電鐵牽引負(fù)荷不同運(yùn)行狀態(tài)下的電網(wǎng)電能質(zhì)量分析方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷不同運(yùn)行狀態(tài)下的電網(wǎng)電能質(zhì)量的聚類分析，從而指導(dǎo)電氣化鐵路線路改建與擴(kuò)建對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，實(shí)現(xiàn)線路改建前的理論分析，更好地未電氣化鐵路的規(guī)劃與運(yùn)行提供輔助服務(wù)。附圖說(shuō)明下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明：圖1為本發(fā)明提供的基于FCM的電鐵牽引負(fù)荷運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響分析方法流程圖；圖2為A相電鐵牽引負(fù)荷空載下的三、五、七次諧波情況；圖3為A相電鐵牽引負(fù)荷啟動(dòng)下的三、五、七次諧波情況；圖4為A相電鐵牽引負(fù)荷運(yùn)行下的三、五、七次諧波情況；圖5為A相電鐵牽引負(fù)荷剎車下的三、五、七次諧波情況。具體實(shí)施方式下面結(jié)合說(shuō)明書附圖和實(shí)施范例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)闡述。本發(fā)明提供了一種基于改進(jìn)高斯混合模型的電鐵牽引負(fù)荷電能質(zhì)量分布特性計(jì)算分析方法，其流程如圖1所示，包括以下步驟：步驟1:本實(shí)施范例結(jié)合某電鐵牽引站電網(wǎng)側(cè)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，采集10000組A相數(shù)據(jù)，主要包括電流有效值、電壓有效值、全功率因數(shù)、有功功率、三次諧波、五次諧波和七次諧波等(如表1所示)，形成數(shù)據(jù)集X1。表1電鐵牽引負(fù)荷電網(wǎng)A相電能質(zhì)量監(jiān)控變量序號(hào)變量名序號(hào)變量名1A相電流有效值2A相電壓有效值3A相全功率因數(shù)4A相有功功率5A相電流三次諧波相對(duì)值6A相電流五次諧波相對(duì)值7A相電流七次諧波相對(duì)值步驟2：基于A相10000*7的原始數(shù)據(jù)集X1，采用FCM進(jìn)行訓(xùn)練，得到負(fù)荷空載、啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)下的特征參數(shù)，以及負(fù)荷不同運(yùn)行狀態(tài)下的三、五、七次諧波，具體如下：(1)設(shè)聚類類別數(shù)為c(2≤c≤n，n是樣本個(gè)數(shù))，設(shè)定迭代停止閥ε和迭代計(jì)數(shù)器b＝0，初始化隸屬度矩陣U(0)。(2)更新聚類中心矩陣：(3)更新隸屬度矩陣U(b+1)：(4)判斷是否||U(b)-U(b+1)||＜ε。若是，則算法停止，輸出矩陣U和P；否則，令b＝b+1，轉(zhuǎn)到步驟②繼續(xù)執(zhí)行。其中||·||為某種合適的矩陣范數(shù)。(5)算法迭代停止后，最終得到的隸屬度和聚類中心的形式分別為：表2是基于模糊C均值聚類的A相電鐵牽引負(fù)荷電能質(zhì)量不同運(yùn)行狀態(tài)特征數(shù)據(jù)。表2基于模糊C均值聚類的A相電鐵牽引負(fù)荷電能質(zhì)量不同運(yùn)行狀態(tài)特征數(shù)據(jù)模型參數(shù)數(shù)值A(chǔ)相電流有效值[-0.1107,0.8340,0.8122,-0.5278]A相電壓有效值[130752,130727,130993,131126]A相全功率因數(shù)[-0.1107,0.8340,0.8122,-0.5278]A相有功功率[59741,4391781,2212181,-2036105]A相三次諧波有效值[6.2472,3.5004,6.5778,6.0389]A相五次諧波有效值[3.3764,1.6990,3.1443,4.3297]A相七次諧波有效值[2.4476,0.5427,1.6872,1.6038]從表格中我們可以看出A相數(shù)據(jù)被分為四類，分別是空載、啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)情況，并給出了A相各個(gè)運(yùn)行情況下的電流有效值均值、電壓有效值均值、全功率因數(shù)均值、有功功率均值、三次諧波有效值均值、五次諧波有效值均值、七次諧波有效值均值，即為A相各運(yùn)行工況下的特征值。圖2、圖3和圖4為A相各運(yùn)行工況下的三、五、七次諧波。對(duì)B相原始數(shù)據(jù)集和C相原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行相同操作，可得到B相各個(gè)運(yùn)行情況下的電流有效值均值、電壓有效值均值、全功率因數(shù)均值、有功功率均值、三次諧波有效值均值、五次諧波有效值均值、七次諧波有效值均值，以及C相各個(gè)運(yùn)行情況下的電流有效值均值、電壓有效值均值、全功率因數(shù)均值、有功功率均值、三次諧波有效值均值、五次諧波有效值均值、七次諧波有效值均值。步驟3：在應(yīng)用階段，對(duì)于新建線路，分析其各相負(fù)荷空載、啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)情況下，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，主要包括三、五、七次諧波等影響情況。以上實(shí)施范例僅用于幫助理解本發(fā)明的核心思想，不能以此限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，凡事依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上所作的任何改動(dòng)，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3