基于暂态波形特征的输电线路雷击干扰与故障识别方法

摘要

本发明公开了基于暂态波形特征的输电线路雷击干扰与故障识别方法，所述识别方法包括以下步骤：步骤1：暂态量保护启动判据动作后，采集线路保护安装处各相附加分量电流，并根据Karenbauer变换阵计算地模与线模分量；步骤2：根据暂态地模与线模分量的能量比值判据识别雷击干扰，若判据小于整定值则进行下一步识别；步骤3：对步骤1中各相附加分量电流采用平均值滑动去噪获取主波波形，对主波波形进行拟合，并根据拟合决定系数识别各相线雷击干扰与故障。本发明可准确识别不同类型下的雷击干扰与故障，不受故障初始角、过渡电阻、线路补偿装置等影响，具有较高的灵敏度和可靠性，适用于不同类型的输电线路，为暂态量保护的实用化进程提供有利基础。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统故障识别技术领域，特别是涉及基于暂态波形特征的输电线路雷击干扰与故障识别方法。

背景技术

随着电力电子化电力系统的快速发展，一方面对继电保护速动性提出了更高的要求，另一方面线路FACTS元件及逆变器型电源给传统工频量保护带来了不确定性。暂态量保护由于可以充分利用故障暂态时丰富的故障特征信息，能有效提高保护速度，受到了国内外学者的广泛关注。但暂态量保护数据窗长通常为几毫秒，当输电线路受到雷击干扰时，其暂态过程与故障信号相似，均含有较大的高频成分，极易引发暂态量保护的误判。因此，如何快速正确识别雷击干扰与故障信号是暂态量保护实用化进程中所必须解决的问题。

目前，雷击干扰识别原理主要分为利用暂态高频分量和利用时域波形特征两类。在暂态高频分量方面，由于电流高频分量受线路补偿装置、雷电流幅值、故障条件和CT传变特性等众多因素影响，因此不同频带的选取及相应保护判据缺乏理论依据支撑。在时域波形特征方面，依赖于对行波波头准确捕捉的方法会受到线路结构及串联补偿装置的影响。此外，在一定故障条件下，基于暂态电流单调性的识别方法受到线路工频电源的影响，其识别判据的灵敏度将下降。

因此希望有一种基于暂态波形特征的输电线路雷击干扰与故障识别方法能够解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明公开了基于暂态波形特征的输电线路雷击干扰与故障识别方法，所述识别方法包括以下步骤：

步骤1：暂态量保护启动判据动作后，采集线路保护安装处各相附加分量电流，并根据Karenbauer变换阵计算地模与线模分量；

步骤2：根据暂态地模与线模分量的能量比值判据识别雷击干扰，若判据小于整定值则进行下一步识别；

步骤3：对步骤1中各相附加分量电流采用平均值滑动去噪获取主波波形，对主波波形进行拟合，并根据拟合决定系数识别各相线雷击干扰与故障。

优选地,所述步骤1中各相附加分量电流的计算公式为：

i^*(t)＝i(t)-i(t-T)

式中，i(t)为各相线路实时电流，T为工频周期20ms。

优选地，所述步骤1中根据Karenbauer变换阵计算地模与线模分量的公式为：

式中，线模i_l1、i_l2表示各相之间的电流变化关系，地模i_g表示为各相与大地之间的电流变化关系。

优选地，所述步骤2中暂态地模与线模分量的能量比值采用各自电流平方值进行计算，若比值大于或等于整定值，线路发生雷击干扰；若比值小于整定值，则进行步骤3进一步识别。

优选地,所述步骤3对主波波形进行拟合的具体步骤为：利用50Hz正弦拟合函数中计及电流非周期分量，在暂态过程中将其设为常数，对正弦分量设置最小拟合幅值。

优选地，所述步骤3根据拟合决定系数识别各相线雷击干扰与故障的具体步骤：若所述正弦拟合函数与所述主波的相似度，即决定系数大于整定值，则认为该相线故障，否则认为该相线发生雷击干扰。

本发明提出了基于暂态波形特征的输电线路雷击干扰与故障识别方法，该识别方法通过理论与仿真分析，得出线路故障与雷击干扰的本质差异为：故障暂态波形的整体变化趋势中具有明显的工频正弦特征。据此，采用平均值滑动去噪的方法可获得暂态电流的主波形。提出采用50Hz正弦函数对主波进行拟合，基于拟合决定系数的大小可识别各相线故障。该识别方法可准确识别不同类型下的雷击干扰与故障，不受故障初始角、过渡电阻、线路补偿装置等影响，具有较高的灵敏度和可靠性。适用于不同类型的输电线路，为暂态量保护的实用化进程提供有利基础。

附图说明

图1是500kV系统仿真模型图原理图。

图2是非雷击故障附加分量电路图。

图3是非雷击故障电流示意图；其中，(a)为A相接地短路故障附加分量电流图，(b)为A相接地短路故障模电流图，(c)为AB相接地短路故障模电流图，(d)为AB相接地短路故障模电流图。

图4是雷击干扰附加分量电路图；

图5是雷击干扰电流示意图；其中，(a)为雷击避雷线附加分量电流图，(b)为雷击杆塔模量电流图，(c)为雷击导线附加分量电流图，(d)为雷击导线模量电流图；

图6是雷击故障附加分量电路图；

图7是雷击干扰电流示意图；其中，(a)为雷击导线附加分量电流(A相闪络)图，(b)为雷击导线模量电流(A相闪络)图，(c)为雷击杆塔附加分量电流(AB相闪络)图，(d)为雷击杆塔模量电流(AB相闪络)图；

图8是不同雷击故障下故障相附加分量电流；其中，(a)为主波穿越0轴图，(b)为主波曲率半径较小图；

图9是雷击干扰与故障识别流程图；

图10是不同类型非雷击故障下主波拟合图；其中，(a)为A相经500Ω过渡电阻接地故障图，(b)为ABC三相短路故障图；

图11是90km处不同类型雷击干扰下主波拟合图；其中，(a)为雷击避雷线干扰图，(b)为雷击A相导线图；

图12是不同类型雷击故障下主波拟合图；其中，(a)为雷击导线后A相闪络图，(b)为雷击杆塔后AB相闪络图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

本发明提出一种基于暂态波形特征的雷击干扰与故障识别方法。

该识别方法为凸显雷击干扰与线路故障的特征差异，消除负荷及系统运行方式的影响，选用各相电流附加分量进行研究。此外，通过Karenbauer变换阵将各相附加分量解耦，分解为线模和地模分量。对于不同相间故障，取线模中的最大值进行计算。当启动判据启动后，根据地模与线模能量比值判据可识别部分雷击干扰。采用平均值滑动去噪的方法获得各相线暂态电流的整体变化趋势，并通过50Hz正弦函数对其进行波形拟合，根据拟合决定系数的大小识别线路雷击干扰与故障。

各相电流附加分量的计算公式为：

i^*(t)＝i(t)-i(t-T)

式中，i(t)为各相线路实时电流，T为工频周期20ms。

线模和地模分量的计算公式为：

式中，线模i_l1、i_l2表示各相之间的电流变化关系，地模i_g表示为各相与大地之间的电流变化关系。

本发明提出基于暂态波形特征的雷击干扰与故障识别方法的基本原理为：

1、为分析雷击干扰与故障特征差异，以图1所示500kV系统仿真模型为例。其中，输电线路采用频域相关模型，顶端架设两根避雷线。线路两侧装有金属氧化物避雷器，杆塔采用多波阻抗模型，母线对地电容为0.01μF，绝缘子串采用伏秒积模型。根据我国防雷规程建议，雷电流采用标准2.6/50μs负极性双指数波形，计算方式如下：

式中，I_L表示雷电流幅值，λ₁、λ₂分别表示波前和半峰值时间。雷电通道波阻抗Z₀取为300Ω。

2、当发生非雷击故障时，故障相附加分量电路如图2所示，i_M和i_N为线路两侧电流。线路分布电容电流由i_C统一表示，i_f为故障支路电流，满足如下等式：

i_M(t)+i_N(t)＝i_f(t)+i_C(t)

在图2初始零状态电路中，M侧暂态电流i_M可分为强迫分量和自由振荡分量。其中，强迫分量与故障工频电压源E_f有关，自由振荡分量反映了线路中磁场与电场间的能量交换，与故障行波在线路中的折反射传播有关。由图3(a)和图3(c)可得，对于故障相，E_f将激励产生幅值较大的工频电流，并由于故障行波的折反射而附加有幅值较低的高频振荡分量。因此，故障相在整体变化趋势中呈现为工频正弦波形。非故障相由于相间耦合，受到故障相高频分量的影响，暂态阶段主要表现为在0轴附近高频振荡的特征。如图3(b)，当发生非接地故障时，由于不存在对地通路，地模分量几乎为0。如图3(d)，当发生接地故障时，故障支路电流流经大地，使得线模分量与地模分量的差异不明显。

3、图4为雷击干扰时的附加分量电路，无论是绕击导线还是通过耦合作用至线路，各相线均相当于注入一个近似双指数曲线的电流激励源i_L，电流满足如下等式：

i_M(t)+i_N(t)＝-i_L(t)+i_C(t)

此时M侧电流i_M主要受到雷电波在线路上传播特性的影响，表现为电流行波在线路两侧发生折、反射，并逐渐衰减至零。如图5所示，在雷击干扰下，由于雷电波在线路之间的折反射，M侧各相电流表现为在0轴附近高频振荡衰减的形式，且正负轴含量基本相同。其波动频率与线路长度呈负相关，衰减速度与线路分布参数以及线路两侧折反射系数相关。当发生感应雷击时，由于雷击点到线路各相的距离基本相同，各相暂态附加电流波形相似，由式可得地模分量远大于线模分量。当发生雷击杆塔或雷击避雷线时，在电磁耦合作用下，各相线路的感应电流变化规律与幅值大体相同，使其绝大部分流经地模网络，线模分量几乎为0。当发生雷绕击线路时，雷击相(本实施例中为A相)电流明显大于其他相的感应电流，且与其他相电流变化方向相反。此时电流主要流经线模网络，使得线模分量大于地模分量。

4、雷击故障主要指线路绝缘子串两侧电势差超过其耐受电压而发生冲击闪络，并转化为稳定的故障。如图6所示，线路电流满足如下等式：

i_M(t)+i_N(t)＝-i_L(t)+i_C(t)+i_f(t)

从雷击到发生冲击闪络时间通常为几微秒，进而转化为稳定的工频电弧时间也仅在几十微秒以内。因此M侧电流i_M兼具有雷击干扰和故障工频变化的双重特征。从图7可以看出，在故障暂态初始，各相电流与雷击干扰时的波形具有一定相似度，因此难以从频谱含量上进行区分。然而从整体变化趋势中可以看出，故障相电流由于存在故障工频电源，依然具有明显的50Hz正弦特征，这是与雷击干扰本质上的差异。非故障相由于相间耦合作用，表现为在0轴附近的高频振荡。对于不同类型的雷击闪络故障，暂态时线模与地模分量之间的含量差异不明显，不存在地模分量远大于线模分量的情况。

5、根据上述分析，线路发生雷击干扰与线路故障时暂态电流具有以下特征：

1)只有当线路发生感应雷击、雷击避雷线和雷击杆塔三种雷击干扰时，暂态电流附加分量中地模分量显著大于线模分量；其他情况下，地模分量与线模分量差异不明显。

2)当线路发生非雷击故障或雷击故障时，故障相附加分量电流整体表现为约50Hz正弦变化特征，且幅值较大；非故障相附加分量电流整体表现为在0轴附近高频振荡的趋势。

3)当线路发生雷击干扰时，各相附加分量电流均表现为在0轴附近高频振荡趋势。

6、当线路暂态量保护启动判据启动后，设当前时刻t＝0，地模与线模能量比值判据J计算为：

式中，n为当前第n个采样时刻，M为数据窗长，取为2ms。J_set为判据整定值，当J>J_set时，认为线路发生雷击干扰为感应雷击、雷击避雷线或雷击杆塔之一。按照雷击线路出口杆塔闪络进行整定，J_set取为5。当J<J_set时，需要做进一步识别判定。

考虑到对于雷击干扰或非故障相，其暂态附加分量电流表现为在0轴附近的高频振荡，且变化规律由于电场与磁场之间的能量交换，基本关于0轴对称。因此，平均值滑动去噪的方法可消去各相电流中的高频分量，能较为准确的体现出暂态电流的整体变化趋势。将平均值化后的电流波形称为“主波”，主波的计算方法如下：

式中，x_n分别为n时刻的主波值与实际值，D表示平均去噪窗长，根据采样频率，实施例中取为1.5ms。如图8所示，主波波形能较好的表征暂态电流的整体变化趋势，基本不受雷电流等高频分量的影响。

设置50Hz正弦函数对主波进行波形拟合，并计算拟合结果对实际主波的拟合优度，即决定系数(R-square)。可有效检测出波形中是否含有工频故障特征，其中拟合函数如式所示：

y_i＝Asin(2π×50t_i+θ)+B

式中，B表示暂态电流非周期分量大小，设置最小拟合幅值A_min＝0.001。决定系数是通过计算回归平方和与残差平方和来衡量拟合回归函数对暂态主波变化规律的解释程度，与波形自身大小无关。决定系数计算方式如下：

式中，M为数据窗长，取为3ms。R²在0-1区间取值。当R²接近1时表示主波波形具有明显的50Hz正弦变化规律；当R²接近0时表示主波与拟合波形具有较大的差异，基本不含有50Hz正弦变化成分。根据雷击闪络与非雷击故障发生在线路出口处进行整定，R²_set设为0.9，当R²>R²_set取时，判为线路故障；当R²<R²_set时，判为雷击干扰。

7、设计雷击识别方案如图9所示。图9中，雷击干扰I为感应雷击、雷击避雷线或杆塔，雷击干扰II为雷击导线等干扰。其中判据J仅需2ms窗长，计算复杂度较小，可识别部分雷击干扰；判据R²计算复杂度较大，需要3ms窗长，可全面识别各种故障类型。

为验证所提综合识别方法的性能，以图1系统为例，在PSCAD/EMTDC中进行电磁暂态仿真，对不同雷击类型、雷电流幅值大小以及故障条件等进行分析,采样频率设为100kHz。

对于非雷击故障，设置不同短路故障类型对识别判据性能进行检验，对于发生概率较大的单相接地故障，分析不同过渡电阻的影响。故障发生时，A相、B相、C相电流初始角分别约为120°、0°、-120°，故障位置距离M侧90km，计算结果如表1所示。

表1不同类型非雷击故障下仿真结果

由表1可以看出，当发生不同非雷击故障类型时，暂态电流地模与线模分量的比值判据J明显小于整定值5，不会发生误判。结合图10可知，如ABC三相短路时，暂态电流仅在0轴附近变化，使得主波含量不明显，但判据R²为0.97，依然可识别为故障相。因此，基于波形拟合计算的决定系数判据R²可不受过渡电阻及故障初始角的影响，能准确识别各故障相。非故障相R²判据最大为0.55，识别方案具有较好的灵敏度。

对于线路发生雷击干扰，考虑500kV线路耐雷水平，设置雷击杆塔和避雷线的雷电流幅值为150kA，雷绕击导线时幅值为15kA。在不同类型雷击及位置下，计算结果如表2所示。

表2不同类型雷击干扰下仿真结果

由表2可得，在线路不同位置发生雷击杆塔或雷击避雷线时，附加地模分量均明显大于线模分量，判据J最小值为9.41，能在第一时间准确识别雷击干扰。从图11可以看出，在不同类型的雷击干扰下，线路附加分量表现为高频振荡变化，主波含量很低且与50Hz正弦波形的差异度较大。因此，在不同类型的雷击干扰下，判据R²均远小于整定值，不会出现误判。

针对雷击杆塔或者雷击导线致使绝缘闪络发生故障的情况，分别对单相、两相、三相闪络类型进行仿真分析。对于雷击杆塔闪络与雷击导线闪络的情况，雷电流幅值分别设置为250kA和25kA，计算结果如表3所示。

表3不同类型雷击故障下仿真结果

由表3可得，在不同类型雷击闪络故障下，由于雷电流冲击较为明显，暂态地模与线模分量的比值出现一定差异，但均明显小于整定值J_set。由图12可知，故障相电流经过平均值滑动去噪后，基本可消除雷电流的高频振荡影响，使具有50Hz正弦变化的波形特征凸显出来。在不同雷击故障类型下，判据R2最小值为0.94，而非故障相与50Hz正弦规律差异明显。因此，所提识别方案能准确可靠地识别雷击故障相。

避雷器、冲击电晕、线路补偿装置以及电流互感器传变特性对本发明所提识别判据的影响分析如下：

1)避雷器：经仿真分析，避雷器导通时，仅有幅值较高且波形较陡的部分雷电流流过避雷器。对于雷击干扰I，各相线避雷器中的电流变化基本相同，对地模与线模分量的比值不产生影响。

2)冲击电晕：暂态行波在线路传播时产生的冲击电晕使雷电波的波头峰值明显降低且波头的时间被延长，但对波形整体变化趋势无影响。

3)线路补偿装置：线路补偿装置UPFC、SSSC元件的串联侧由于变压器漏抗、桥臂电感等因素在暂态过程中可等效为电感，因此仅对雷电波中的高频分量存在抑制作用。

4)互感器传变特性：在10倍额定电流时，采用5TPE级电子式互感器的复合误差小于5％，不具有饱和问题且能准确跟踪信号幅值的突变。

综上所述，由于所提识别判据中主要是对主波整体波形，即3ms时窗内的低频成分进行分析，因此不会受到上述因素的影响，可适用于不同输电线路。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。