專利名稱：一種暫態(tài)量保護(hù)的雷擊故障識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種暫態(tài)量保護(hù)的雷擊故障識(shí)別方法，屬電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
十多年以來，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，基于線路故障引起暫態(tài)量的保護(hù)原理受到了國內(nèi)外電力工作者的熱切關(guān)注，掀起了對(duì)行波保護(hù)和暫態(tài)保護(hù)的研究高潮，亦已取得了可喜的研究成果(參考文獻(xiàn)1-4)。這些保護(hù)原理的最大特點(diǎn)是可以利用故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號(hào)中蘊(yùn)含的豐富高頻分量快速地識(shí)別故障，達(dá)到快速切除故障的目的。但與此同時(shí)，行波保護(hù)與暫態(tài)保護(hù)也將面臨更多的高頻干擾，雷電沖擊就是其中最主要的干擾因素。雷電沖擊通常為一單極性脈沖波，上升時(shí)間和下降時(shí)間都很短，屬于高頻信號(hào)。對(duì)于基于工頻量的傳統(tǒng)保護(hù)，雷電所產(chǎn)生的高頻分量會(huì)作為干擾而濾掉。線路雷害的形成主要是在雷電過電壓的作用下，線路絕緣發(fā)生閃絡(luò)，當(dāng)閃絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的工頻電弧時(shí)，才會(huì)引起保護(hù)的動(dòng)作，使斷路器跳閘，此時(shí)實(shí)際上已發(fā)生了故障。因此雷電沖擊對(duì)基于工頻量的傳統(tǒng)保護(hù)影響不大。然而，由于雷電沖擊與故障引起的暫態(tài)信號(hào)都是高頻信號(hào)，所以行波保護(hù)以及暫態(tài)保護(hù)必須能夠正確區(qū)分這兩種暫態(tài)信號(hào)。因此，能否正確快速識(shí)別雷電干擾是行波保護(hù)和暫態(tài)保護(hù)實(shí)用化所必須解決的關(guān)鍵問題之一。
隨著對(duì)行波保護(hù)與暫態(tài)保護(hù)研究的深入，一些研究者已經(jīng)開始關(guān)注雷電干擾的識(shí)別問題，并取得了一定的成果(參考文獻(xiàn)5-7)。文獻(xiàn)5中識(shí)別雷擊線路造成故障與不造成故障的方法是雷擊未造成故障時(shí)，雷擊前后線路電流變化不大，雷擊造成故障時(shí)，雷擊前后線路電流變化較大。這個(gè)方法看似正確，但由于行波在母線處的折、反射，即使雷擊已經(jīng)過去，行波過程還將持續(xù)一定的時(shí)間。這樣就存在未造成故障的雷擊雖已過去，但其引起的行波還未消失的可能；而且故障后的行波可能過零，這種方法可能把“過零”看作“雷擊前后線路電流變化不大”，從而使保護(hù)拒動(dòng)。文獻(xiàn)6中的方法只是針對(duì)感應(yīng)雷擊，尚未系統(tǒng)解決如何識(shí)別雷電干擾的問題，不夠全面。文獻(xiàn)7利用雷擊不造成故障時(shí)，行波(暫態(tài))信號(hào)中高頻分量與低頻分量能量比值大，而故障(包括雷擊造成故障)時(shí)，行波(暫態(tài))信號(hào)中高頻分量與低頻分量能量比值小，這一特征構(gòu)成雷電波的識(shí)別方法。但線路發(fā)生雷擊導(dǎo)線(繞擊)并未引起故障時(shí)，行波信號(hào)中高頻分量與低頻分量能量比值也可能比較小，與故障時(shí)的情況將難以區(qū)別。
參考文獻(xiàn)[1]葛耀中，董新洲，董杏麗(Ge Yaozhong，Dong Xinzhou，Dong Xingli).測(cè)距式行波距離保護(hù)研究(一)——理論與實(shí)現(xiàn)技術(shù)(Travelling wave-based distance protection with faultlocation).電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of electric power system).2002，26(6)34-40[2]Johns A T，Aggarwal R K，Bo Z Q.Non-unit protection technique for EHV transmissionsystems based on fault-generated noise，Part1signal measurement.IEEE ProceedingsGeneration，Transmission and Distribution，1994，141(2)133-140. Johns A T，Aggarwal R K，Bo Z Q.Non-unit protection technique for EHV transmissionsystems based on fault-generated noise，Part1signal processing.IEEE Proceedings Generation，Transmission and Distribution，1994，141(2)141-147. 哈恒旭，張保會(huì)，呂志來(Ha Hengxu，Zhang Baohui，Lu Zhilai，etc).等超高壓輸電線路新型單端超高速保護(hù)研究(A novel ultra-high speed non-unit protection for EHV transmissionline). 董杏麗，葛耀中，董新洲(Dong Xingli，Ge Yaozhong，Dong Xinzhou).行波保護(hù)中雷電干擾問題的對(duì)策(Effect of lightning on protection based on travelling waves).中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings ofthe CSEE).2002，22(9)74-78[6]李海鋒，王鋼，趙建倉(Li Heifeng，Wang Gang，Zhao Jiancang).輸電線路感應(yīng)雷擊暫態(tài)特性分析及其識(shí)別方法(Study on characteristics and identification of transients ontransmission lines caused by indirect lightning stroke).中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of theCSEE).2004，24(3)114-119[7]王鋼，李海鋒，趙建倉等(Wang Gang，Li Heifeng，Zhao Jiancang，etc).基于小波多尺度的輸電線路直擊雷暫態(tài)識(shí)別(Identification of transients on transmission lines caused bydirect lightning strokes based on multiresolution signal decomposition).中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings ofthe CSEE).2004，24(4)139-144[8]張緯鈸，何金良，高玉明(Zhang Weibo，He Jinlinag，Gao Yuming).過電壓防護(hù)及絕緣配合(Prevention from over voltage and insulation coordination)。北京清華大學(xué)出版社(BeijingTsinghua press)，2002

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種在對(duì)雷擊線路及故障的電磁暫態(tài)特征分析的基礎(chǔ)上，通過大量仿真后認(rèn)定可以正確區(qū)分故障的一種暫態(tài)量保護(hù)的雷擊故障識(shí)別方法。
1雷擊線路與線路故障的電磁暫態(tài)特征雷電沖擊作用于輸電線路，根據(jù)過電壓的形成過程可以分為兩大類感應(yīng)雷和直擊雷。本方法主要對(duì)直擊雷引起的暫態(tài)進(jìn)行分析，采用圖1所示的系統(tǒng)，線路桿塔結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)6中的相同，對(duì)其中的MN線路遭受不同的雷擊與故障進(jìn)行研究，M母線、N母線除了MN線路外還有其它出線。本方法將由故障或雷擊造成故障所引起的行波稱為故障行波，將雷擊未造成故障引起的行波稱為非故障行波。
在對(duì)雷擊導(dǎo)線與線路故障的電磁暫態(tài)仿真時(shí)，輸電線路看作一般的三相傳輸線系統(tǒng)，且設(shè)雷擊導(dǎo)線的耐雷水平為20kA。在施行相模變換時(shí)，相模變換矩陣T=1111-1001-1-101,]]>它將ABC三相變換為0αβγ分量，其中αβγ為三個(gè)線模分量，它們是線性相關(guān)的。
發(fā)明人也對(duì)雷擊桿塔、雷擊避雷線檔距中央、雷擊導(dǎo)線造成故障與不造成故障以及線路故障引起的行波過程進(jìn)行了大量的暫態(tài)仿真。其中，雷擊桿塔、雷擊避雷線檔距中央、雷擊導(dǎo)線不造成故障的典型行波(故障分量)波形如圖2-圖4所示。本發(fā)明的波形圖中，縱軸單位均為kA，橫軸單位均為ms。雷擊桿塔、雷擊避雷線檔距中央不造成故障引起的行波，三相的電流波形及大小都比較相近，因此其零模分量較大，而線模分量較??；但雷擊導(dǎo)線不造成故障時(shí)的行波，雷擊相的電流行波比非雷擊相的電流行波大得多，波形也不相近。然而它們的共同特點(diǎn)是三相電流及其各模分量的波形圍繞時(shí)間軸正負(fù)交替變化，并隨時(shí)間的逝去在不斷地衰減與變形。
由于雷擊避雷線檔距中央將引起強(qiáng)烈電暈，使雷電波的陡度變緩、幅值變小，所以雷擊避雷線時(shí)的耐雷水平遠(yuǎn)大于雷擊桿塔的耐雷水平。仿真與實(shí)際運(yùn)行均表明，避雷線檔距中央一般不會(huì)引起絕緣閃絡(luò)(參考文獻(xiàn)8)，因此，本發(fā)明中不考慮雷擊避雷線檔距中央引起故障的情況。當(dāng)雷擊桿塔、雷擊導(dǎo)線造成故障以及線路故障時(shí)，其典型的波形如圖5-圖7所示。從圖5-圖7可得到故障行波的主要特征為故障相電流行波能量明顯大于非故障相，故障相電流行波在較短的時(shí)間內(nèi)(如3ms)，變化趨勢(shì)總的來說是單調(diào)的(增大或減小，與故障合閘角有關(guān))，并可能過零，過零時(shí)行波低頻分量的能量會(huì)比較小。
2故障行波與非故障行波的識(shí)別方法比較故障行波與非故障行波的特征可以看出，由于未造成故障的雷擊行波在多次折、反射后最終將衰減為零，所以它的電流行波表現(xiàn)為圍繞時(shí)間軸正負(fù)交替變化；而故障引起的行波在故障后較短時(shí)間內(nèi)變化趨勢(shì)總的來說是單調(diào)的。本發(fā)明根據(jù)故障與非故障引起的電流行波波形特征的不同，用一條直線對(duì)故障后的行波進(jìn)行線性擬合，根據(jù)擬合誤差定義了波形一致性系數(shù)，通過波形一致性系數(shù)的大小來識(shí)別故障行波與非故障行波，本方法的具體步驟如下(1)當(dāng)輸電線路發(fā)生故障或遭受雷擊，在保護(hù)安裝處檢測(cè)到比較大的行波時(shí)，行波保護(hù)或暫態(tài)保護(hù)啟動(dòng)并記錄下時(shí)間為3ms的行波過程；(2)通過模變換矩陣T=1111-1001-1-101]]>計(jì)算零模分量與線模分量；(3)尋找初始行波的起始位置，對(duì)4個(gè)模分量0αβγ進(jìn)行小波變換得到各個(gè)尺度下的模極大值，選擇d2尺度尋找模極大值的最大值，按照模極大值在時(shí)間上出現(xiàn)的先后順序?qū)ふ掖笥谀O大值的最大值0.5倍的模極大值，它對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為初始行波出現(xiàn)的時(shí)刻Tini；(4)比較零模分量與線模分量初始行波的能量，取各模量初始行波出現(xiàn)的時(shí)刻Ti前10μs和后90μs的數(shù)據(jù)，按Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>計(jì)算其各模量行波的能量，式中x(i)表示離散的采樣點(diǎn)，N為參與計(jì)算能量的采樣點(diǎn)總數(shù)，零模的能量E0與線模能量最大值E1的比較值K的取值范圍是2～5；(5)尋找初始行波能量最大的線模maero，用于下面的計(jì)算；(6)從線模maero的初始行波開始時(shí)刻Tini起，每100μs用式Avr=1NΣi=1Nx(i)]]>計(jì)算一次行波的平均值，式中x(i)表示離散的采樣點(diǎn)，N為100μs對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)總數(shù)，這樣可以得到n個(gè)平均值A(chǔ)vr(1)，Avr(2)...Avr(n)；(7)對(duì)n個(gè)平均值A(chǔ)vr(1)，Avr(2)...Avr(n)用直線y＝ax+b進(jìn)行擬合，得到a和b；(8)用式Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>計(jì)算n個(gè)平均值A(chǔ)vr(1)，Avr(2)...Avr(n)對(duì)應(yīng)的能量Ea；(9)用式Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>計(jì)算n個(gè)平均值與擬合直線y＝ax+b差值的能量，即Avr(1)-a-b，Avr(2)-2a-b...Avr(n)-na-b對(duì)應(yīng)的能量Eb，定義Coeff＝(Ea-Eb)/Ea為波形一致性系數(shù)，波形一致性系數(shù)Coeff的范圍為
；(10)Coeff＞Kc時(shí)所檢測(cè)到的行波是故障行波，反之為非故障行波，Kc整定為0.4。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的理論基礎(chǔ)較為直觀，并通過大量的暫態(tài)仿真驗(yàn)證了本方法可靠、有效。本方法適用于一切暫態(tài)量保護(hù)的雷擊干擾快速識(shí)別。


圖1仿真系統(tǒng)模型圖2雷擊桿塔未致故障時(shí)，線路l1M端有關(guān)電流波形圖3雷擊避雷線時(shí)，線路l1M端電流波形圖4雷擊導(dǎo)線未造成故障時(shí)，線路l1M端電流波形圖5雷擊桿塔造成故障時(shí)，線路l1M端電流波形圖6雷擊導(dǎo)線造成故障時(shí)，線路l1M端電流波形圖7線路A-G故障時(shí)線路l1M端的A相電流波形
具體實(shí)施例方式本方法的具體步驟如下(1)當(dāng)輸電線路發(fā)生故障或遭受雷擊，在保護(hù)安裝處檢測(cè)到比較大的行波時(shí)，行波保護(hù)或暫態(tài)保護(hù)啟動(dòng)并記錄下時(shí)間為3ms的行波過程；(2)通過模變換矩陣T=1111-1001-1-101]]>計(jì)算零模分量與線模分量；(3)尋找初始行波的起始位置，對(duì)4個(gè)模分量0αβγ進(jìn)行小波變換得到各個(gè)尺度下的模極大值，選擇d2尺度尋找模極大值的最大值，按照模極大值在時(shí)間上出現(xiàn)的先后順序?qū)ふ掖笥谀O大值的最大值0.5倍的模極大值，它對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為初始行波出現(xiàn)的時(shí)刻Tini；(4)比較零模分量與線模分量初始行波的能量，取各模量初始行波出現(xiàn)的時(shí)刻Ti前10μs和后90μs的數(shù)據(jù)，按Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>計(jì)算其各模量行波的能量，式中x(i)表示離散的采樣點(diǎn)，N為參與計(jì)算能量的采樣點(diǎn)總數(shù)，零模的能量E0與線模能量最大值E1的比較值K的取值范圍是2～5；當(dāng)零模的能量E0大于各線模能量最大值E1的K倍時(shí)，認(rèn)為線路遭受感應(yīng)雷擊或發(fā)生雷擊桿塔，不用進(jìn)行下面的判斷。
(5)尋找初始行波能量最大的線模maero，用于下面的計(jì)算；(6)從線模maero的初始行波開始時(shí)刻Tini起，每100μs用式Avr=1NΣi=1Nx(i)]]>計(jì)算一次行波的平均值，這樣可以得到n個(gè)平均值A(chǔ)vr(1)，Avr(2)...Avr(n)。計(jì)算平均值一方面對(duì)劇烈變化的行波有一定的濾波作用，另一方面把行波采集數(shù)據(jù)的幾千個(gè)點(diǎn)(按1MHz采樣率計(jì)算)減少到幾十個(gè)點(diǎn)。式中x(i)表示離散的采樣點(diǎn)，N為100μs對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)總數(shù)，這樣可以得到n個(gè)平均值A(chǔ)vr(1)，Avr(2)...Avr(n)；(7)對(duì)n個(gè)平均值A(chǔ)vr(1)，Avr(2)...Avr(n)用直線y＝ax+b進(jìn)行擬合，得到a和b；(8)用式Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>計(jì)算n個(gè)平均值A(chǔ)vr(1)，Avr(2)...Avr(n)對(duì)應(yīng)的能量Ea；(9)用式Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>計(jì)算n個(gè)平均值與擬合直線y＝ax+b差值的能量，即Avr(1)-a-b，Avr(2)-2a-b...Avr(n)-na-b對(duì)應(yīng)的能量Eb，定義Coeff＝(Ea-Eb)/Ea為波形一致性系數(shù)，波形一致性系數(shù)Coeff的范圍為
；(10)Coeff＞Kc時(shí)所檢測(cè)到的行波是故障行波，反之為非故障行波，Kc整定為0.4。
權(quán)利要求
1.一種暫態(tài)量保護(hù)的雷擊故障識(shí)別方法，其特征在于根據(jù)故障與非故障引起的電流行波波形特征的不同，用一條直線對(duì)故障后的行波進(jìn)行線性擬合，根據(jù)擬合誤差定義了波形一致性系數(shù)，通過波形一致性系數(shù)的大小來識(shí)別故障行波與非故障行波，本方法的具體步驟如下(1)當(dāng)輸電線路發(fā)生故障或遭受雷擊，在保護(hù)安裝處檢測(cè)到比較大的行波時(shí)，行波保護(hù)或暫態(tài)保護(hù)啟動(dòng)并記錄下時(shí)間為3ms的行波過程；(2)通過模變換矩陣T=1111-1001-1-101]]>計(jì)算零模分量與線模分量；(3)尋找初始行波的起始位置，對(duì)4個(gè)模分量0αβγ進(jìn)行小波變換得到各個(gè)尺度下的模極大值，選擇d2尺度尋找模極大值的最大值，按照模極大值在時(shí)間上出現(xiàn)的先后順序?qū)ふ掖笥谀O大值的最大值0.5倍的模極大值，它對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為初始行波出現(xiàn)的時(shí)刻Tini；(4)比較零模分量與線模分量初始行波的能量，取各模量初始行波出現(xiàn)的時(shí)刻Ti前10μs和后90μs的數(shù)據(jù)，按Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>計(jì)算其各模量行波的能量，式中x(i)表示離散的采樣點(diǎn)，N為參與計(jì)算能量的采樣點(diǎn)總數(shù)，零模的能量E0與線模能量最大值E1的比較值K的取值范圍是2～5；(5)尋找初始行波能量最大的線模maero，用于下面的計(jì)算；(6)從線模maero的初始行波開始時(shí)刻Tini起，每100μs用式Avr=1NΣi=1Nx(i)]]>計(jì)算一次行波的平均值，式中x(i)表示離散的采樣點(diǎn)，N為100μs對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)總數(shù)，這樣可以得到n個(gè)平均值A(chǔ)vr(1)，Avr(2)...Avr(n)；(7)對(duì)n個(gè)平均值A(chǔ)vr(1)，Avr(2)…Avr(n)用直線y＝ax+b進(jìn)行擬合，得到a和b；(8)用式Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>計(jì)算n個(gè)平均值A(chǔ)vr(1)，Avr(2)…Avr(n)對(duì)應(yīng)的能量Ea；(9)用式Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>計(jì)算n個(gè)平均值與擬合直線y＝ax+b差值的能量，即Avr(1)-a-b，Avr(2)-2a-b...Avr(n)-na-b對(duì)應(yīng)的能量Eb，定義Coeff＝(Ea-Eb)/Ea為波形一致性系數(shù)，波形一致性系數(shù)Coeff的范圍為
；(10)Coeff＞Kc時(shí)所檢測(cè)到的行波是故障行波，反之為非故障行波，Kc整定為0.4。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種暫態(tài)量保護(hù)的雷擊故障識(shí)別方法，屬電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明根據(jù)故障與非故障引起的電流行波波形特征的不同，用一條直線對(duì)故障后的行波進(jìn)行線性擬合，根據(jù)擬合誤差定義了波形一致性系數(shù)，通過波形一致性系數(shù)的大小來識(shí)別故障行波與非故障行波。本發(fā)明的理論基礎(chǔ)較為直觀，并通過大量的暫態(tài)仿真驗(yàn)證了本方法可靠、有效。而且該方法適用于一切暫態(tài)量保護(hù)的雷擊干擾快速識(shí)別。
文檔編號(hào)H02H3/22GK1585222SQ200410022669
公開日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月29日
發(fā)明者束洪春, 司大軍, 劉志堅(jiān), 邱革非, 孫向飛, 唐嵐 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)