CN104865502A - 一种基于s变换的直流输电线路雷击类型辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于S变换的直流输电线路雷击类型辨识方法，确定雷击输电线路本体类型，即区分雷击导线、雷击避雷线和雷击杆塔。本发明是以监测输电线路导线中行波电流频率—能量关系为基础的辨识方法，具体做法为：获取输电线路行波电流波形数据；对行波电流数据进行S变换分析，根据频率—能量分布分析行波电流频率特征，寻找主频带区间的上、下限频率；确定主频带的上限频率为辨识雷击类型的特征量；比较行波电流主频带上限频率是否小于38500Hz、大于67500Hz或者处于这两个辨识阈值范围内，从而辨识行波电流的雷击类型。与现有技术相比较，本发明物理概念清晰，判断思路明确，可有效辨识雷击行波电流信号的类型。

Description

一种基于S变换的直流输电线路雷击类型辨识方法

技术领域

本发明涉及电力系统雷电在线监测技术领域，更具体地说，涉及一种基于S变换的直流输电线路雷击类型辨识方法。

背景技术

雷电是引起输电线路跳闸的主要原因之一，严重地影响了电网的安全稳定运行。目前电力系统主要依赖雷电定位系统得到输电线路走廊的雷电活动情况。雷电定位系统作为一种广域雷电测量系统，针对二维地理平面而设计，其原理是利用雷击对地闪络的空间电磁场信号，而不是直接监测输电线路遭受雷击后沿线路传递的线路信号，因此给出的输电线路雷击次数仅是针对线路走廊而言，反映的是输电线路走廊宏观的雷电分布，且雷电定位系统存在着一定的定位和测量误差，因而尚无法得到雷直接击中输电线路的确切次数，更无法确定雷击中的是输电线路中的导线、避雷线还是杆塔。

监测雷击输电线路的基础数据，获取线路遭受雷击的次数，辨别雷击输电线路的类型(是导线、避雷线还是杆塔)，对于探索输电线路科学的防雷对策、检验防雷设计和改造是否合理有效、提高线路的防雷能力有着重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于S变换的直流输电线路雷击类型辨识方法，可直接判定雷击输电线路的类型，为防雷改造提供直接基础的数据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于S变换的直流输电线路雷击类型辨识方法，所述方法根据监测输电线路导线中传播的行波电流的S变换频率—能量分布特性，提取行波特征频率，确定主频带并以其上限频率作为特征量，设定判断阈值进行雷击输电线路具体类型辨识，具体包括以下步骤：

S1、获取雷击输电线路行波电流监测数据，在输电线路导线上或者在变电站内安装行波电流监测装置，当输电线路发生电磁扰动时会触发监测装置，记录到行波电流数据。

S2、分析典型雷击输电线路行波电流数据的电磁暂态特征，根据输电线路行波电流监测设备的硬件噪声频率范围，确定S变换结果中所期望的频率间隔为待分析行波采样点频率间隔的4倍(记为freqsamplingrate＝4)，可极大程度地减少硬件噪声对行波信号的甚高频干扰，并实现简单滤波的效果。根据能量集中的原则，在S变换过程中，改变调节因子factor(该调节因子是通过调节高斯窗宽度来影响时频分辨率的。)对S变换频率—能量分布的影响不明显，故调节因子固定为1。

S3、采用以上参数设置对行波电流数据进行S变换，获得该行波的时频矩阵，标记为ST。将行波电流数据时间点数标记为L，采样频率标记为sp，那么ST为sp×L的矩阵，其中行数sp表示频率，列数L表示时间点，ST的值表示在该频率该时刻点下的幅值。通过计算矩阵ST在每一行下的整个时间长度上的有效值获得S变换的频率—能量分布曲线。

S4、计算S变换的频率—能量分布中的能量最大值A_max，计算频率—能量分布曲线中的所有峰值及其所在频率。将所有峰值大于40％×A_max提取出来，将其中峰值所在的最小频率fre_min和最大频率fre_max认为是该行波的主频带。

S5、对雷击输电线路导线、避雷线或杆塔这三种类型下的典型行波进行S变换的频率—能量分析，获得其主频带区间的上、下限频率范围。比较三种类型下的主频带上、下限频率分布情况，确定以主频带的频率上限作为区分雷击类型的判断条件，取38500Hz作为雷击导线和杆塔的判断阈值线，取67500Hz作为雷击避雷线和杆塔的判断阈值线。若行波电流主频带上限频率小于38500Hz，电磁扰动为雷击输电线路导线；若行波电流频率大于67500Hz，电磁扰动是雷击输电线路避雷线；否则电磁扰动是雷击杆塔。

实施本发明的基于S变换的直流输电线路雷击类型辨识方法，具有以下有益效果：

本发明根据监测输电线路导线中传播的行波电流的S变换频率—能量分布特性，提取行波特征频率，确定主频带并以其上限频率作为特征量，设定判断阈值进行雷击输电线路具体类型(雷击导线、避雷线或杆塔)辨识。本发明为雷击特性分析、防雷设计和改造提供有效的依据，提高输电线路雷击故障定位的准确度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明基于S变换的直流输电线路雷击类型辨识方法的流程图；

图2是输电线路行波监测装置记录的典型雷击导线波形；

图3是雷击导线波形经过S变换的频率-能量分布图；

图4是输电线路行波监测装置记录的典型雷击杆塔波形；

图5是雷击杆塔波形经过S变换的频率-能量分布图；

图6是输电线路行波监测装置记录的典型雷击避雷线波形；

图7是雷击避雷线波形经过S变换的频率-能量分布图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

请参阅图1，本发明基于S变换的直流输电线路雷击类型辨识方法具体实施流程如下：

步骤S1，获得雷击输电线路行波电流监测数据。

在输电线路相导线上或者在变电站内安装行波电流监测装置，当输电线路发生电磁扰动时会触发监测装置，记录到行波电流数据。

步骤S2，进行典型雷击行波电流数据的预分析，设置S变换参数。

对典型雷击输电线路行波电流数据进行预分析，从而确定S变换参数。根据线路故障记录分析典型雷击导线、雷击杆塔和雷击避雷线的行波电流的电磁暂态特征，确定不同雷击类型的时域特征，估计频率特征，确定监测设备的硬件噪声频率范围。结合S变换算法，确定可有效剔除硬件噪声高频干扰的参数频率间隔freqsamplingrate＝4。间隔参数freqsamplingrate是可调的，可根据分析行波电流的电磁暂态时域特征和输电线路行波电流监测设备的硬件噪声频率特征来调整。分析行波电流的电磁暂态特征是要不失真的保留的，而监测设备的硬件噪声特征是要剔除的。结合当前的行波电流采集频率，可计算合适的S变换频率间隔参数freqsamplingrate值。根据能量集中的原则，在S变换过程中，改变调节因子factor，该调节因子是通过调节高斯窗宽度来影响时频分辨率的。对S变换频率—能量分布的影响不明显，故调节因子固定设置为1。

步骤S3，雷击行波电流数据的S变换及其频率—能量分布分析。

对导入的待辨识行波电流数据进行S变换，获得表示时频特征的矩阵ST。计算ST每行数据的有效值作为该频率下的能量，得S变换频率—能量分布向量，向量记为ST_energy。

$ST\_enery\left(i\right)=\sqrt{\frac{1}{L}\underset{j=1}{\overset{L}{\Σ}}{({\mathrm{ST}}_{i,j}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{ST}}_i})}^2}$

步骤S4，计算行波电流数据的主频带区间的上、下限频率。

以S变换的频率—能量分布中的能量ST_enery最大值A_max的40％作为确定主频带的能量阈值线。通过二阶微分计算频率—能量分布曲线的峰值。将大于阈值线的峰值所在的最小频率fre_min和最大频率fre_max认为是该行波的主频带的上、下限频率。

步骤S5，比较待辨识行波电流主频带的上限频率和判断阈值38500kHz、67500Hz的关系，判断雷击类型。若行波电流主频带上限频率小于38500Hz，电磁扰动为雷击输电线路导线；若行波电流主频带上限频率大于67500Hz，电磁扰动是雷击输电线路避雷线；否则电磁扰动是雷击输电线路杆塔。

参阅图2和图3，其中图3是图2数据的S变换的频率—能量分布图，fre_max＝30000Hz<38500Hz，因此图2为雷击导线数据。

参阅图4和图5，其中图5是图4数据的S变换的频率—能量分布图，38500Hz<fre_max＝47000Hz<67500Hz，因此图4为雷击杆塔数据。

参阅图6和图7，其中图7是图6数据的S变换的频率—能量分布图，fre_max＝88000Hz>67500Hz，因此图6记录的行波电流数据是雷击避雷线数据。

本发明的还提供了一个具体实施例的计算过程如下：

1.将待辨识行波电流数据(这里取雷击导线行波信号)进行S变换得ST。

其中，ST的行表示频率，记为st_frequencies；列表示时间，记为st_times。

st_frequencies＝[0 3333.3 6666.7 …… 1000000]_1×301

st_times＝[0 0.0000005 0.000001 …… 0.0012]_1×2400

2.计算ST每行数据的有效值作为该频率下的能量，得S变换频率—能量分布向量，向量记为ST_energy。

$ST\_enery\left(i\right)=\sqrt{\frac{1}{L}\underset{j=1}{\overset{L}{\&Sigma;}}{({\mathrm{ST}}_{i,j}-\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{ST}}_i})}^2}$

$ST\_enery={\left[\begin{array}{c}0.0000\\ 14.5433\\ 67.5152\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ 1.9220\end{array}\right]}_{301\&times;1}$

3.以S变换的频率—能量分布中的能量ST_enery最大值A_max的40％作为确定主频带的能量阈值线。

A_max＝82.6687

40％×A_max＝33.0675

4.通过二阶微分计算频率—能量分布曲线的峰值。将大于阈值线的峰值所在的最小频率fre_min和最大频率fre_max认为是该行波的主频带的上、下限频率。如图3所示。

fre_min＝6667Hz

fre_max＝30000Hz

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于S变换的直流输电线路雷击类型辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获得雷击输电线路行波电流监测数据；

S2、进行典型雷击行波电流数据的预分析，设置S变换参数；

S3、进行S变换及其频率—能量分布分析；

S4、计算主频带区间的上、下限频率；

S5、比较待辨识行波电流主频带的上限频率和辨识阈值关系，判断雷击类型。

2.根据权利要求1所述的基于S变换的直流输电线路雷击类型辨识方法，其特征在于，所述步骤S2包括：分析行波电流的电磁暂态时域特征和输电线路行波电流监测设备的硬件噪声频率范围，确定可剔除硬件高频干扰并进行简单滤波效果的S变换频率间隔参数freqsamplingrate设置。

3.根据权利要求2所述的基于S变换的直流输电线路雷击类型辨识方法，其特征在于，所述S变换频率间隔参数freqsamplingrate＝4，影响时频分辨率的S变换调节因子factor＝1。

4.根据权利要求1所述的基于S变换的直流输电线路雷击类型辨识方法，其特征在于，所述步骤S3包括：对导入的待辨识行波电流数据进行S变换，获得表示时频特征的矩阵ST，计算上述矩阵ST每行数据的有效值作为该频率下的能量，得到S变换频率—能量分布关系。

5.根据权利要求1所述的基于S变换的直流输电线路雷击类型辨识方法，其特征在于，所述步骤S4包括：划分属于主频带的能量阈值线，采用二阶微分计算频率—能量分布曲线的峰值；将大于阈值的峰值所在的最小频率fre_min和最大频率fre_max认为是该行波的主频带的上、下限频率，所述阀值为S变换的频率—能量分布中的能量最大值A_max的40％。

6.根据权利要求1所述的基于S变换的直流输电线路雷击类型辨识方法，其特征在于，所述步骤S5包括：比较行波电流主频带的上限频率是否小于38500Hz、大于67500Hz或者处于这两个辨识阈值范围内，若行波电流主频带上限频率小于38500Hz，电磁扰动是雷击输电线路导线；若行波电流主频带上限频率大于67500Hz，电磁扰动是雷击输电线路避雷线；否则电磁扰动是雷击输电线路杆塔。