CN104897958A - 一种输电线路雷击类型的辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种输电线路雷击类型的辨识方法，按照国际专利分类表（IPC）划分，属于电技术领域。其目的主要解决传统的依赖于雷电定位的经验辨识方法的测量误差较大、辨识结果不准的问题，为输电线路防雷工作的开展提供新的基础数据支撑。其特征是利用监测终端获取输电线路雷击时刻导线上的电流行波，深入挖掘分析电流行波的电磁暂态特征，分析电流行波的波尾时间、傅里叶频谱、频率的概率分布，最终实现雷击类型的准确辨识。本方法可实现雷击避雷线或杆塔、雷击导线、感应雷的准确区分，将雷击监测从广域的线路走廊具体至线路本体或线路旁，有利于指导差异化防雷工作的开展，此外，测量装置相对于其它雷电活动监测装置，成本低，易安装维护，大大降低了雷击监测成本。

Description

一种输电线路雷击类型的辨识方法

技术领域

本发明涉及电力系统输电线路故障智能诊断领域，特别是输电线路雷击类型辨识领域。

背景技术

随着电力系统的发展,架空输电线路的高度和传输容量都在不断提高,架空输电线路绵延数千公里,经常遭受各种雷电过电压侵袭,引发停电事故。根据电网故障分类统计表明，雷击导致输电线路跳闸故障的比重高达40%～70%，是造成输电线路跳闸的第一原因，也是造成线路非计划停运的第三原因。因此,架空输电线路雷电过电压防护研究是建设超高压电网和智能电网必须研究的重要课题。输电线路雷电过电压从发生机理来看,可以分为感应雷电过电压、绕击雷电过电压(装有避雷线的架空线路，雷击导线)、反击雷电过电压（雷击避雷线或杆塔）。由于3种雷电过电压的发生机理、过程不同,所采取的防护手段也不相同。因此为提高线路耐雷水平，降低雷击跳闸率，我们需要明确雷击类型，以期采取针对性的防治措施，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。

现有输电线路雷击类型辨识主要依赖于雷电定位系统，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，实现对线路走廊雷击活动的监测。雷电定位系统反映的是输电线路宏观宽泛的雷电活动，无法定义具体的某次雷电活动到底是雷击避雷线或杆塔，还是雷击导线，或者是雷击大地。工程实践中为了实现雷击类型的辨识，常借助雷电定位系统的监测数据，通过雷击点距线路本体的距离、雷电流大小猜测可能的雷击形式，但是雷击类型与雷击点距线路本体的距离、雷电流大小没有直接必然的关系，加之雷电定位雷电流测量分散性，测距结果存在一定误差，导致依赖于雷电定位系统的雷击类型辨识精确度很低。

发明内容

本发明方法的目的在于提出一种基于输电线路雷击时刻导线上电流行波的电磁暂态特征，实现输电线路雷击类型的辨识的方法，以期解决传统的依赖于雷电定位经验辨识方法的测量误差较大、辨识结果不准的问题，为输电线路防雷工作的开展提供新的基础数据支撑。

本发明方法要解决以上述技术问题是通过采用如下技术方案实现的：

基于分布式的输电线路监测装置（在输电线路ABC三相导线上每N公里安装电流监测装置，N取15到20），记录雷击时刻导线上的电流行波。

利用电流行波波尾时间进行第1次辨识，提取雷击时刻电流行波波尾时间，首先找到波形的幅值绝对值最大点，取其时间t₁，然后从该点开始找到幅值第一次下降到最大值50%的点，取其时间t₂，电流行波的波尾时间即为T＝t₂-t₁；如果T＜T₁，则该波形可能为雷击避雷线或杆塔行波；如果T₁≤T＜T₂，则该波形为可能感应雷行波；如果T≥T₂，则该行波可能为雷击导线行波。其中，T₁取2微秒，T₂取20微秒。

采用傅里叶频谱分析方法进行第2次辨识，依据傅里叶分析频谱分析的结果，如果该行波包含明显的高于500kHz的分量，则其波形可能为雷击避雷线或杆塔行波；如果该行波包含的频谱不包含明显的高于100kHz的分量，则其波形可能为雷击导线行波；如果该行波包含的频谱包含明显的100kHz的分量，不包含明显的高于500kHz的分量，则其波形可能为感应雷行波。

计算频率的概率分布进行第3次辨识，对第2次辨识结果中得到频谱数据进一步处理，将其视为离散数据，求电流行波频率的概率分布函数，求解表达式为：

$F\left(j\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}P\left(i\right)}{\underset{i=0}{\overset{f_M/2}{\mathrm{\Σ}}}P\left(i\right)}(j=0,\mathrm{\Δf},\mathrm{\Δ}2f...;i=0,\mathrm{\Δf},\mathrm{\Δ}2f...;j)$

其中f_M为采样率，NFFT表示最接近采样总点数的2的整数次幂，电流行波频率在（0～j）区间内所占总频谱概率为F(j)；如果某电流行波的频率成分在0～20kHz范围内的概率满足条件P＜P₁，则该电流行波可能为雷击避雷线或杆塔行波；如果某电流行波率成分在0～20kHz范围内的概率满足条件P≥P₂，则该电流行波可能为雷击导线电流行波；如果某电流行波的频率成分在0～20kHz范围内的概率满足条件P₁≤P＜P₂，则该电流行波可能为感应雷电流行波；其中P₁取值0.1，P₂取值0.3。

综合3次辨识结果,总结分析确定输电线路雷击类型,如果3次辨识中，有至少2次以上的结果表明该波形可能为雷击避雷线或杆塔行波，则该波形为雷击避雷线或杆塔行波；如果3次辨识中，有至少2次以上的结果表明该波形可能为雷击导线行波，则该波形为雷击导线行波；如果3次辨识中，至少有2次以上的结果表明该波形可能为感应雷行波，则该波形为感应雷行波。

相对于现有的依赖于雷电定位系统的经验证辨识方法，本方法具有以下优点：本发明方法通过监测装置采集雷击时刻导线上的电流行波，可实现雷击避雷线或杆塔、雷击导线、感应雷的准确区分，该雷击监测从广域的线路走廊监测到具体的线路本体或线路旁，有利于差异化异防雷工作的开展；经过大量仿真与实测数据验证，本发明方法切实可行，此外电流行波测量装置相对于其它雷电活动监测装置，成本低，易安装维护，大大降低了雷击监测成本。

附图说明

图1输电线路雷击类型辨识方法的步骤流程图。

图2输电线路行波监测装置记录的雷击时刻电流行波例1。

图3输电线路行波监测装置记录的雷击时刻电流行波例2。

图4输电线路行波监测装置记录的雷击时刻电流行波例3。

图5原始雷击时刻电流行波例1经过傅里叶处理后的频谱图。

图6原始雷击时刻电流行波例2经过傅里叶处理后的频谱图。

图7原始雷击时刻电流行波例3经过傅里叶处理后的频谱图。

图8原始雷击时刻电流行波例1、例2、例3频谱概率分布图。

具体实施方式

请参阅图1，图1是本发明一种输电线路雷击类型辨识方法的步骤流程图。

所述定位方法包括以下步骤：

步骤S101（如图1），获取输电线路雷击时电流行波在线监测数据。

本步骤中，监测装置采用罗氏线圈传感器，分布式安装在输电线路的不同位置。优选地，输电线路每隔15到20公里在ABC三相安装电流监测装置，通过装置可以记录到雷击时输电线路上的电流行波波形数据。电流行波记录的时间长度是50微妙，采样频率为10MHz。提取的原始雷击时间电流行波如图2、图3、图4所示。

步骤S102（如图1），利用电流行波波尾时间进行第1次辨识。

本步骤中，提取雷击时刻电流行波波尾时间，其提取方法为首先找到波形的幅值绝对值最大点，取其时间t₁，然后从该点开始找到幅值第一次下降到最大值50%的点，取其时间t₂，电流行波的波尾时间即为T＝t₂-t₁。

因杆塔入地反射，雷击避雷线波形呈现明显短尾波特征，与此同时因相邻杆塔的入地反射叠加，导致雷击避雷线或雷击杆塔的电流行波呈现振荡特征，进一步导致波尾更陡。雷击导线行波未跳闸时，导线上监测电行波的波形特征与原始雷电流波形相似，因而波尾特征没有发生太大的改变；雷击大地，在导线上感应的电流行波，其为感应分量与耦合分量的叠加，感应雷波形中包含大量的雷电流原始波形微分量，因而感应雷波形相对于原始雷击波形其波尾特更缓。

因此，本步骤中利用电流行波的波尾时间进行第1次筛选。如果T＜T₁，则该波形可能为雷击避雷线或杆塔行波；如果T₁≤T＜T₂，则该波形为可能感应雷行波；如果T≥T₂，则该行波可能为雷击导线行波。其中，T₁取2微秒，T₂取20微秒。

对原始雷击时刻电流行波（如图2）进行分析，其幅值绝对值最大点时间为2.10微秒，其第一次下降到50%的点为2.80微秒，该行波的波尾时间为0.7微秒，小于2微秒，则该波形可能为雷击避雷线或杆塔行波。

对原始雷击时刻电流行波（如图3）进行分析，其幅值绝对值最大点时间为4.66微秒，其第一次下降到50%的点为38.34微秒，该行波的波尾时间为33.68，大于20微秒，则该波形可能为雷击导线行波。

对原始雷击时刻电流行波（如图4）进行分析，其幅值绝对值最大点时间为3微秒，其第一次下降到50%的点为5.78微秒，该行波的波尾时间为2.78，大于2微秒，小于20微秒，则该波形可能为感应雷行波。

步骤S103（如图1），采用傅里叶频谱分析方法进行第2次辨识。

本步骤中，考虑到行波下降的陡度与频率有一定关系，采用傅里叶频谱分析法对雷击时刻导线上的电流进行频谱分析。依据傅里叶频谱分析的结果，如果该行波包含明显的高于500kHz的分量，则其波形可能为雷击避雷线或杆塔行波；如果该行波包含的频谱不包含明显的高于100kHz的分量，则其波形可能为雷击导线行波；如果该行波包含的频谱包含明显的100kHz的分量，不包含明显的高于500kHz的分量，则其波形可能为感应雷行波。

对原始雷击时刻电流行波（如图2）进行傅里叶分析，得到频谱（如图5），频谱中发现该波形包含明显的高于500kHz的分量，则其可能为雷击避雷线或杆塔行波。

对原始雷击时刻电流行波（如图3）进行傅里叶分析，得到频谱（如图6），频谱中发现该波形不包含明显的高于100kHz的分量，则其可能为雷击导线行波。

对原始雷击时刻电流行波（如图2）进行傅里叶分析，得到频谱（如图7），频谱中发现该波形包含明显的包含明显的100kHz的分量，不包含明显的高于500kHz的分量，则其可能为感应雷行波。

步骤S104（如图1），计算频率的概率分布进行第3次辨识。

本步骤中，对S103步骤中得到频谱数据进一步处理，将其视为离散数据，求电流行波频率的概率分布函数，求解表达式为：

$F\left(j\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}P\left(i\right)}{\underset{i=0}{\overset{f_M/2}{\mathrm{\Σ}}}P\left(i\right)}(j=0,\mathrm{\Δf},\mathrm{\Δ}2f...;i=0,\mathrm{\Δf},\mathrm{\Δ}2f...;j)$

其中，f_M为采样率,NFFT表示最接近采样总点数的2的整数次幂，待分析的电流行波其频率在（0～j）区间内所占总频谱概率为F(j)。

本步骤中，如果某电流行波的频率成分在0～20kHz范围内的概率满足条件P＜P₁，则该电流行波可能为雷击避雷线或杆塔电流行波；如果某电流行波率成分在0～20kHz范围内的概率满足条件P≥P₂，则该电流行波可能为雷击导线电流行波；如果某电流行波的频率成分在0～20kHz范围内的概率满足条件P₁≤P＜P₂，则该电流行波可能为感应雷电流行波。其中P₁取值0.1，P₂取值0.3。

对原始输电线路雷击电流行波图2、图3、图4进行分析，计算其频率概率分布，并作图如图8所示。从图中可以发现图2电流行波的频率在0～20kHz范围内的概率为0.007，小于0.1，其可能为雷击避雷线或杆塔行波；图3电流行波频率在0～20kHz范围内的概率为0.489，大于0.3，其可能为雷击导线行波；图4中电流行波频率在0～20kHz范围内的概率为0.286，大于0.1，小于0.3，其可能为感应雷行波。

步骤S105，综合3次辨识结果确定输电线路雷击类型。

本步骤中，根据S102、S103、S104得到可能辨识结果，总结分析确定输电线路雷击类型。如果3次辨识中，有至少2次以上的结果表明该波形可能为雷击避雷线或杆塔行波，则该波形为雷击避雷线或杆塔行波；如果3次辨识中，有至少2次以上的结果表明该波形可能为雷击导线行波，则该波形为雷击导线行波；如果3次辨识中，至少有2次以上的结果表明该波形可能为感应雷行波，则该波形为感应雷行波。

图2雷击时刻电流行波中，3次辨识结果均表明该波形可能为雷击避雷线或杆塔行波，则该波形为雷击避雷线或杆塔行波。

图3雷击时刻电流行波中，3次辨识结果均表明该波形可能为雷击导线行波，则该波形为雷击导线行波。

图4雷击时刻电流行波中，3次辨识结果均表明该波形可能为感应雷行波，则该波形为感应雷行波。

输出输电线路雷击的准确类型。

Claims (5)

1.一种输电线路雷击类型的辨识方法,其特征在于基于输电线路雷击时刻导线上电流行波的电磁暂态特征实现雷击类型的辨识，具体包括以下步骤：

获取输电线路雷击时刻电流行波在线监测数据；

利用电流行波的波尾时间进行第1次辨识；

采用傅里叶频谱分析方法进行第2次辨识；

计算频率的概率分布进行第3次辨识；

综合3次辨识结果确定输电线路雷击类型。

2.如权利要求1所述的一种输电线路雷击类型的辨识方法，其特征在于：在步骤利用电流行波的波尾时间进行第1次辨识中，提取雷击时刻电流行波波尾时间，先找到波形的幅值绝对值最大点，取其时间t₁，然后从该点开始找到幅值第一次下降到最大值50%的点，取其时间t₂，电流行波的波尾时间即为T＝t₂-t₁；如果T＜T₁，则该波形可能为雷击避雷线或杆塔行波；如果T₁≤T＜T₂，则该波形为可能感应雷行波；如果T≥T₂，则该行波可能为雷击导线行波；T₁取2微秒，T₂取20微秒。

3.如权利要求1所述的一种输电线路雷击类型的辨识方法，其特征在于：在步骤采用傅里叶频谱分析方法进行第2次辨识中，依据傅里叶频谱分析的结果，如果某一行波包含明显的高于500kHz的分量，则其波形可能为雷击避雷线或杆塔行波；如果某一行波包含的频谱不包含明显的高于100kHz的分量，则其波形可能为雷击导线行波；如果某一行波包含的频谱包含明显的100kHz的分量，不包含明显的高于500kHz的分量，则其波形可能为感应雷行波。

4.如权利要求1所述的一种输电线路雷击类型的辨识方法，其特征在于：在步骤计算频率的概率分布进行第3次辨识中，如果某电流行波的频率成分在0^-20kHz范围内的概率满足条件P＜P₁，则该电流行波可能为雷击避雷线或杆塔行波；如果某电流行波率成分在0^-20kHz范围内的概率满足条件P≥P₂，则该电流行波可能为雷击导线电流行波；如果某电流行波的频率成分在0^-20kHz范围内的概率满足条件P₁≤P＜P₂，则该电流行波可能为感应雷电流行波；P₁取值0.1，P₂取值0.3。

5.如权利要求1所述的一种输电线路雷击类型的辨识方法，其特征在于：在步骤综合3次辨识结果确定输电线路雷击类型中，如果3次辨识中，有至少2次以上的结果表明该波形可能为雷击避雷线或杆塔行波，则该波形为雷击避雷线或杆塔行波；如果3次辨识中，有至少2次以上的结果表明该波形可能为雷击导线行波，则该波形为雷击导线行波；如果3次辨识中，至少有2次以上的结果表明该波形可能为感应雷行波，则该波形为感应雷行波。