CN103675536B - 一种利用瞬时功率和直线拟合的雷击干扰识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用瞬时功率和直线拟合的雷击干扰识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。本发明为当输电线路遭受雷击故障或者雷击干扰时，保护测量装置启动，测得量测端的三相暂态电压和三相暂态电流量，利用测得的数据求取瞬时功率，将瞬时功率在短时窗内进行求和，再将所得到的瞬时功率和曲线进行归一化处理，然后将短时窗内瞬时功率和曲线的第一个采样点与最后一个采样点利用最小二乘拟合成一条直线，求取瞬时功率和曲线与拟合直线之间的信号距离度，通过该信号距离度的大小差异来判别雷击干扰与雷击故障。本发明是基于现有故障测量数据实现故障接地极线路故障测距，不需要高采样率，易于现场实现。

Description

一种利用瞬时功率和直线拟合的雷击干扰识别方法

技术领域

本发明涉及一种利用瞬时功率和直线拟合的雷击干扰识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

特高压输电线路由于具有超远距离、超大容量、低损耗的送电能力,符合我国国情和国家能源发展战略,具有显著的经济效益和社会效益,因此正逐步应用于电力系统中。但是输电线路电压等级如此大幅度的提高,对线路保护的速动性和可靠性提出了更高的要求,因而各种基于故障暂态高频分量和行波的超高速保护方案相继提出,运行资料表明,雷击是造成高压输电线路停电事故的主要原因之一。雷击线路时产生的雷电冲击可能造成线路故障,也可能只产生干扰而不造成故障。但是雷电流以行波的方式在线路上传播,经过折反射,可形成一系列的高频干扰信号,如果不加以辨识,无论是否发展成故障,基于暂态高频分量的保护都可能动作,为了提高此类暂态保护的可靠性,使其早日运用于实际,就必须对雷击线路后是否发生故障进行判别。

当线路遭受雷击时，可以分为两种情况，一种是雷击造成绝缘子闪络，表现为接地故障的特征，可视为雷击故障；另一种是雷击线路时绝缘子未发生闪络，雷电冲击造成的高频暂态行波在线路波阻抗不连续处不断折反射，直到其衰减为零，可视为雷击干扰。未导致故障的雷击可能会造成超高速保护的误动，因此，雷击干扰的识别是超高速保护实用化必须要解决的棘手问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用瞬时功率和直线拟合的雷击干扰识别方法，用以避免行波保护和暂态量保护受到雷击干扰而造成保护误动的问题。

本发明的技术方案是：一种利用瞬时功率和直线拟合的雷击干扰识别方法，当输电线路遭受雷击故障或者雷击干扰时，保护测量装置启动，测得量测端的三相暂态电压和三相暂态电流，利用测得的数据求取瞬时功率，将瞬时功率在短时窗内进行求和，再将所得到的瞬时功率和曲线进行归一化处理，然后将短时窗内瞬时功率和曲线的第一个采样点与最后一个采样点利用最小二乘拟合成一条直线，求取瞬时功率和曲线与拟合直线之间的信号距离度，通过该信号距离度的大小差异来判别雷击干扰与雷击故障。

2、根据权利要求1所述的利用瞬时功率和直线拟合的雷击干扰识别方法，其特征在于所述方法具体步骤如下：

(1)当输电线路遭受雷击故障或者雷击干扰时，保护测量装置启动，利用量测端M处获测得的三相暂态电压u_Mk(k)、三相暂态电流i_Mk(k)通过式(1)求取瞬时功率p(k)：

$p\left(k\right)=\underset{a,b,c}{\Σ}{u}_{Mk}\left(k\right)\·i_{Mk}\left(k\right)---\left(1\right)$

式中，a、b、c分别代表A相、B相和C相，k为采样点；

(2)以输电线路遭受雷击点产生的行波到达量测端的时刻为起点，此时设为零时刻，在1ms时窗内根据式(2)对瞬时功率求和：

$E\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\Σ}}p\left(k\right)---\left(2\right)$

式中，n的取值从0开始取到1ms时窗内的采样点数；

(3)将所得瞬时功率和曲线进行归一化处理，并将1ms时窗内的第一个采样点与最后一个采样点利用最小二乘拟合成一条直线y(n)；

(4)利用式(3)求取瞬时功率和曲线与拟合直线之间的信号距离度Δ；

$\mathrm{\Δ}=\frac{1}{n+1}\left|\underset{n=0}{\overset{n}{\Σ}}\left(E\right(n)-y(n\left)\right)\right|---\left(3\right)$

(5)利用信号距离度Δ的大小，将Δ与Δ_set进行比较来识别雷击干扰与雷击故障：

Δ_set为门槛值，以躲开仿真雷击故障时得到最小信号距离度Δ_min，且躲开仿真雷击干扰时得到的最大信号距离度Δ_max为原则，按式(4)计算，

Δ_set＝(Δ_min+Δ_max)/2 (4)

若Δ>Δ_set，则判为雷击干扰；

若Δ≤Δ_set，则判为雷击故障。

本发明的原理是：当输电线路遭受雷击故障的情况下，可视为其故障分量网络存在附加电源，并且这两个附加电源都将向两端输送能量，在短时窗1ms内，线路终端将一直吸收能量，其瞬时功率极性始终为负；当输电线路遭受雷击未故障的情况下，由于没有入地大电流通道，雷击造成的行波将在线路上不断折反射直至衰减消失，量测端检测到的瞬时功率值将趋近于零。此时其瞬时功率和曲线也将呈现不同的特征，在雷击故障时，瞬时功率和曲线近似为一条直线，这是由于终端始终在吸收能量(主要由接地故障时附加电源产生)，其吸收的能量始终保持为增长状态；而雷击干扰时，终端元件在开始阶段吸收能量，持续时间大约在50μs左右，之后由于吸收和释放的功率将达到一个平衡点，能量在总体态势上基本保持不变。

本发明的有益效果是：

(1)本方法是基于现有故障测量数据实现故障接地极线路故障测距，不需要高采样率，易于现场实现。

(2)本方法引入电压量，根据雷击输电线路故障和未故障情况下的功率流向和功率变化规律差异构建雷击干扰判据，大量仿真结果表明，本方法具有较高的可靠性。

(3)本方法利用三相暂态电压、三相暂态电流量，判别雷击干扰之前不需先判断遭受雷击的是哪一相。

附图说明

图1为本发明实施例1、2、3中的输电线路仿真系统图；

图2为本发明实施例1中利用量测端电压、电流量计算得到的瞬时功率曲线；

图3为本发明实施例1中计算得到的功率和曲线；

图4为本发明实施例1中将所得瞬时功率和曲线进行归一化处理后的曲线和拟合直线；

图5为本发明实施例2中利用量测端电压、电流量计算得到的瞬时功率曲线；

图6为本发明实施例2中计算得到的功率和曲线；

图7为本发明实施例2中将所得瞬时功率和曲线进行归一化处理后的曲线和拟合直线；

图8为本发明实施例3中利用量测端电压、电流量计算得到的瞬时功率曲线；

图9为本发明实施例3中计算得到的功率和曲线；

图10为本发明实施例3中将所得瞬时功率和曲线进行归一化处理后的曲线和拟合直线；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种利用瞬时功率和直线拟合的雷击干扰识别方法，其特征在于：当输电线路遭受雷击故障或者雷击干扰时，保护测量装置启动，测得量测端的三相暂态电压和三相暂态电流，利用测得的数据求取瞬时功率，将瞬时功率在短时窗内进行求和，再将所得到的瞬时功率和曲线进行归一化处理，然后将1ms时窗内瞬时功率和曲线的第一个采样点与最后一个采样点利用最小二乘拟合成一条直线，求取瞬时功率和曲线与拟合直线之间的信号距离度，通过该信号距离度的大小差异来判别雷击干扰与雷击故障。

所述方法具体步骤如下：

(1)当输电线路遭受雷击故障或者雷击干扰时，保护测量装置启动，利用量测端M处获测得的三相暂态电压u_Mk(k)、三相暂态电流i_Mk(k)通过式(1)求取瞬时功率p(k)：

$p\left(k\right)=\underset{a,b,c}{\Σ}{u}_{Mk}\left(k\right)\·i_{Mk}\left(k\right)---\left(1\right)$

式中，a、b、c分别代表A相、B相和C相，k为采样点；

(2)以输电线路遭受雷击点产生的行波到达量测端的时刻为起点，此时设为零时刻，在1ms时窗内根据式(2)对瞬时功率求和：

$E\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\Σ}}p\left(k\right)---\left(2\right)$

式中，n的取值从0开始取到1ms时窗内的采样点数；

(3)将所得瞬时功率和曲线进行归一化处理，并将1ms时窗内的第一个采样点与最后一个采样点利用最小二乘拟合成一条直线y(n)；

(4)利用式(3)求取瞬时功率和曲线与拟合直线之间的信号距离度Δ；

$\mathrm{\Δ}=\frac{1}{n+1}\left|\underset{n=0}{\overset{n}{\Σ}}\left(E\right(n)-y(n\left)\right)\right|---\left(3\right)$

(5)利用信号距离度Δ的大小，将Δ与Δ_set进行比较来识别雷击干扰与雷击故障：

Δ_set为门槛值，以躲开仿真雷击故障时得到最小信号距离度Δ_min，且躲开仿真雷击干扰时得到的最大信号距离度Δ_max为原则，按式(4)计算，

Δ_set＝(Δ_min+Δ_max)/2 (4)

若Δ>Δ_set，则判为雷击干扰；

若Δ≤Δ_set，则判为雷击故障。

实施例1：如图1所示的500kV输电线路仿真系统模型，被保护线路为MN，线路长度L_PM＝150km，L_MN＝150km，L_NQ＝220km，采样率为250kHz。现假设在线路MN上距M端60km处遭受雷电绕击，绝缘子发生闪络。利用量测端M获得的三相暂态电压u_Mk(k)、三相暂态电流i_Mk(k)按式(1)求取瞬时功率p(k)，功率曲线如图2所示；

以输电线路遭受雷击点产生的行波到达量测端的时刻为起点，此时设为零时刻，在1ms时窗内根据式(2)对瞬时功率求和，本例中n的取值从0到20，得到功率和曲线如图3所示；

将所得瞬时功率和曲线进行归一化处理，并将1ms时窗内的第一个采样点与最后一个采样点利用最小二乘拟合成一条直线y(n)，归一化曲线与拟合直线如图4所示；

按式(3)求取瞬时功率和曲线与拟合直线之间的信号距离度Δ＝0.0956；由于Δ值小于0.2，故判为雷击故障。

实施例2：如图1所示的500kV输电线路仿真系统模型，被保护线路为MN，线路长度L_PM＝150km，L_MN＝150km，L_NQ＝220km，采样率为250kHz。现假设在线路MN上距M端60km处遭受雷击，绝缘子未发生闪络。利用量测端M获得的三相暂态电压u_Mk(k)、三相暂态电流i_Mk(k)按式(1)求取瞬时功率p(k)，功率曲线如图5所示；

以输电线路遭受雷击点产生的行波到达量测端的时刻为起点，此时设为零时刻，在1ms时窗内根据式(2)对瞬时功率求和，本例中n的取值从0到20，得到功率和曲线如图6所示；

将所得瞬时功率和曲线进行归一化处理，并将1ms时窗内的第一个采样点与最后一个采样点利用最小二乘拟合成一条直线y(n)，归一化曲线与拟合直线如图7所示；

按式(3)求取瞬时功率和曲线与拟合直线之间的信号距离度Δ＝0.3741；由于Δ值大于0.2，故判为雷击干扰。

实施例3：如图1所示的500kV输电线路仿真系统模型，被保护线路为MN，线路长度L_PM＝150km，L_MN＝150km，L_NQ＝220km，采样率为250kHz。现假设在线路MN上距M端60km处遭受雷电反击，绝缘子发生闪络。利用量测端M获得的三相暂态电压u_Mk(k)、三相暂态电流i_Mk(k)按式(1)求取瞬时功率p(k)，功率曲线如图8所示；

以输电线路遭受雷击点产生的行波到达量测端的时刻为起点，此时设为零时刻，在1ms时窗内根据式(2)对瞬时功率求和，本例中n的取值从0到20，得到功率和曲线如图9所示；

将所得瞬时功率和曲线进行归一化处理，并将1ms时窗内的第一个采样点与最后一个采样点利用最小二乘拟合成一条直线y(n)，归一化曲线与拟合直线如图10所示；

按式(3)求取瞬时功率和曲线与拟合直线之间的信号距离度Δ＝0.0771；由于Δ值小于0.2，故判为雷击故障。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种利用瞬时功率和直线拟合的雷击干扰识别方法，其特征在于：当输电线路遭受雷击故障或者雷击干扰时，保护测量装置启动，测得量测端的三相暂态电压和三相暂态电流，利用测得的数据求取瞬时功率，将瞬时功率在短时窗内进行求和，再将所得到的瞬时功率和曲线进行归一化处理，然后将短时窗内瞬时功率和曲线的第一个采样点与最后一个采样点利用最小二乘拟合成一条直线，求取瞬时功率和曲线与拟合直线之间的信号距离度，通过该信号距离度的大小差异来判别雷击干扰与雷击故障；

具体步骤如下：

(1)当输电线路遭受雷击故障或者雷击干扰时，保护测量装置启动，利用量测端M处获测得的三相暂态电压u_Mk(k)、三相暂态电流i_Mk(k)通过式(1)求取瞬时功率p(k)：

$p\left(k\right)=\underset{a,b,c}{\Σ}{u}_{Mk}\left(k\right)\·i_{Mk}\left(k\right)---\left(1\right)$

式中，a、b、c分别代表A相、B相和C相，k为采样点；

(2)以输电线路遭受雷击点产生的行波到达量测端的时刻为起点，此时设为零时刻，在1ms时窗内根据式(2)对瞬时功率求和：

$E\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\Σ}}p\left(k\right)---\left(2\right)$

式中，n的取值从0开始取到1ms时窗内的采样点数；

(3)将所得瞬时功率和曲线进行归一化处理，并将1ms时窗内的第一个采样点与最后一个采样点利用最小二乘拟合成一条直线y(n)；

(4)利用式(3)求取瞬时功率和曲线与拟合直线之间的信号距离度Δ；

$\mathrm{\Δ}=\frac{1}{n+1}\left|\underset{n=0}{\overset{n}{\Σ}}\right(E\left(n\right)-y\left(n\right)\left)\right|---\left(3\right)$

(5)利用信号距离度Δ的大小，将Δ与Δ_set进行比较来识别雷击干扰与雷击故障：

Δ_set为门槛值，以躲开仿真雷击故障时得到最小信号距离度Δ_min，且躲开仿真雷击干扰时得到的最大信号距离度Δ_max为原则，按式(4)计算，

Δ_set＝(Δ_min+Δ_max)/2 (4)

若Δ>Δ_set，则判为雷击干扰；

若Δ≤Δ_set，则判为雷击故障。