CN107329046B - 基于模量分析的直流架空线雷击识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于模量分析的直流架空线雷击识别方法，包括：步骤一、直流架空线中行波保护启动后，采集40μs电流数据，计算线模、地模电流故障分量；步骤二、判断是否单极接地故障和双极故障；步骤三、判断是否雷击避雷线、雷击杆塔未故障和感应雷击；步骤四、判断雷击导线并故障和雷击杆塔闪络。本发明方法简单、可靠。大量仿真计算表明，本发明提出的雷击识别方法，判据正确、有效，不仅能够区分雷击干扰与故障，还能准确判断雷击类型和线路故障类型，兼顾故障识别和雷击识别双重功能。

Description

基于模量分析的直流架空线雷击识别方法

技术领域

本发明涉及线路保护技术领域，特别涉及一种基于模量分析的直流架空线雷击识别方法。

背景技术

我国幅员辽阔、能源与负荷呈逆向分布，决定了大容量直流输电在我国具有广阔的应用前景。近年来，柔性直流输电以其优良的特性在孤岛送电、分布式能源接入和直流配电网方面获得了较多应用。直流架空线作为最重要的能量传输途径，工作环境恶劣、故障概率高。目前，在大容量直流架空线输电系统中，行波保护以其快速性获得了广泛应用且越来越不可替代。由于利用暂态信号，高频干扰是影响行波保护可靠性的最主要因素，而雷击则是最主要的高频干扰。

雷击干扰是影响行波保护可靠性的关键因素，进而影响直流系统安全可靠运行。近年来，众多学者提出了很多雷击识别的方法，主要集中在利用小波分析的角度和积分的角度进行探索。比如在小波分析的基础上提取高、低频段能量比识别非故障性雷击或者利用波形相关性分析进行故障性雷击的判别。再比如通过积分方式判断雷击性质。这些方法总是面临两大问题，一是毫秒级的时间窗，而且较大的计算量，导致其在实际工程应用中不尽如人意。究其根源，在于这些方法过多注重数学工具的运用，而忽视了雷击过程背后的物理本质。因此，一种简单的，直接利用雷击物理过程本身进行雷击判别的识别原理亟待提出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于模量分析的直流架空线雷击识别方法，以解决现有直流输电线路行波保护易受雷击干扰的问题。本发明首先建立了雷电流的双指数数学模型，并在 PSCAD软件下搭建了不忽略避雷线的直流输电杆塔多波阻抗模型；通过仿真雷击直流线路的不同位置，获得不同雷击情况下的单端电流数据；在分析雷击物理过程的基础上，对仿真数据进行模量分析，判别具体的雷击类型，识别雷击干扰。本方法通过对单端电流在不同模量下变化特征的分析，能够方便、全面、准确的区分雷击故障和雷击干扰，以及雷击干扰的具体类型，对行波保护抗干扰能力的提升具有重要意义。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于模量分析的直流架空线雷击识别方法，包括以下步骤：

步骤一、直流架空线中行波保护启动后，采集40μs电流数据，计算线模、地模电流故障分量；

步骤二、判断是否单极接地故障和双极故障；

步骤三、判断是否雷击避雷线、雷击杆塔未故障和感应雷击；

步骤四、判断雷击导线并故障和雷击杆塔闪络。

进一步的，步骤二具体包括：

计算I1_max和k_ratio，若满足式(6)，则进一步判断是否满足式(3)，如满足式(3)则判定为极间故障，如果不满足式(3)则为单极故障；排出雷击，保护出口；如不满足式(6)则进入步骤三；

其中，I1_max为线模电流故障分量极大值；k₁按照最严重故障在启动后40μs内的上升幅值整定；k_ratio为40μs数据窗内地模电流故障分量极大值与线模电流故障分量极大值的比值； k_{2_1}按照最小雷击避雷线整定；

k_ratio≤k_{2_2} (3)

k_{2_2}按照线路末端极间故障整定。

进一步的，步骤三具体包括：

若变化率判据满足式(2)，则判定为发生以上三种雷击情况之一；如果不满足式(2)进入步骤四；

k_ratio>k_{2_1} (2)。

进一步的，步骤四具体包括：

计算行波保护启动后20μs内每一点的dI1/dt，搜寻突变点；若满足式(4)，则雷击导线并引起故障；若不满足式(4)进一步判断是否满足式(5)，如果满足式(5)且突变时刻晚于行波保护启动时刻2μs以上，则判定为雷击杆塔并闪络；其余情况认为雷击导线未发生故障；

dI1/dt≤k₃ (4)

k₃按照线路末端最小雷击线路未故障时变化率整定。

dI1/dt≥k₄ (5)

k₄按照线路末端杆塔在最大耐电流值雷击下变化率整定。

首先本发明利用PSCAD/EMTDC对各类型雷击及故障进行仿真，以研究其暂态特征。不同雷击类型及故障的模量特征总结如下：

a)雷击杆塔未故障、雷击避雷线档距中央和感应雷击都是通过电磁耦合在导线中感应出雷电流，具有相似的特征：地模电流故障分量上升快、幅值高，线模电流故障分量变化小、幅值低。

b)雷击杆塔发生绝缘子闪络：线模电流故障分量先维持不变再突然增大且幅值较高，地模电流故障分量雷击后一直连续变化且幅值高于线模故障分量。

c)雷击输电线路并故障：在绝缘击穿时刻，线模和地模电流故障分量会有断崖式下跌，线模电流故障分量变化更为剧烈。

d)线路故障：微秒级数据窗内，线模和地模电流故障分量变化平缓且幅值低。

雷击识别方案：

a)幅值判据。取行波保护启动后40μs数据，求得线模电流故障分量极大值，记为I1_max，若满足

|I1_max|>k₁ (1)

则判定为发生雷击。因此，k₁按照最严重故障在启动后40μs内的上升幅值整定，取3.5kA。

b)幅值比判据。计算40μs数据窗内地模电流故障分量极大值与线模电流故障分量极大值的比值，记为k_ratio。若满足

k_ratio>k_{2_1} (2)

则判定为雷击避雷线或雷击杆塔或感应雷击。因此，k_{2_1}按照最小雷击避雷线整定，取5.5。若满足

k_ratio≤k_{2_2} (3)

则判定为发生极间故障。因此，k_{2_2}按照线路末端极间故障整定，取0.05。

c)变化率判据。依次计算启动后20μs数据窗内每一点线模电流故障分量的变化率，记为 dI1/dt。若满足

dI1/dt≤k₃ (4)

则判定为雷击导线发生故障。因此，k₃按照线路末端最小雷击线路未故障时变化率整定，取-3.3×106kA/s。

若满足

dI1/dt≥k₄ (5)

则雷击杆塔并发生绝缘子闪络。因此，k₄按照线路末端杆塔在最大耐电流值雷击下变化率整定，取4.75×106kA/s。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明着眼于雷击物理过程，不需要复杂的数学工具和计算，通过分析不同雷击类型及故障下模量电流的特征即可实现雷击识别。原理简单，实现方便，计算量小，只需进行一次模量变换。本发明方法简单、可靠。大量仿真计算表明，本发明提出的雷击识别方法，判据正确、有效，不仅能够区分雷击干扰与故障，还能准确判断雷击类型和线路故障类型，兼顾故障识别和雷击识别双重功能。

附图说明

图1为柔直输电系统模型简图；

图2为本发明一种基于模量分析的直流架空线雷击识别方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对雷击识别方案进行进一步说明：

本发明提供一种基于模量分析的直流架空线雷击识别方法，以解决现有直流输电线路行波保护易受雷击干扰的问题。本发明首先建立了雷电流的双指数数学模型，并在PSCAD软件下搭建了不忽略避雷线的直流输电杆塔多波阻抗模型；通过仿真雷击直流线路的不同位置，获得不同雷击情况下的单端电流数据；在分析雷击物理过程的基础上，对仿真数据进行模量分析，判别具体的雷击类型，识别雷击干扰。本方法通过对单端电流在不同模量下变化特征的分析，能够方便、全面、准确的区分雷击故障和雷击干扰，以及雷击干扰的具体类型，对行波保护抗干扰能力的提升具有重要意义。

请参阅图1和图2所示，本发明一种基于模量分析的直流架空线雷击识别方法，包括以下步骤：

步骤一、直流架空线中行波保护启动，采集40μs电流数据，计算线模、地模电流故障分量；

步骤二、判断是否单极接地故障和双极故障；计算I1_max和k_ratio，若满足式(6)，则进一步判断是否满足式(3)，如满足式(3)则判定为极间故障，如果不满足式(3)则为单极故障；排除 雷击，保护出口；如不满足式(6)则进入步骤三；

其中，I1_max为线模电流故障分量极大值；k₁按照最严重故障在启动后40μs内的上升幅值整定，取3.5kA；k_ratio为40μs数据窗内地模电流故障分量极大值与线模电流故障分量极大值的比值；k_{2_1}按照最小雷击避雷线整定，取5.5kA；

k_ratio≤k_{2_2} (3)

k_{2_2}按照线路末端极间故障整定，取0.05；

步骤三、判断是否雷击避雷线、雷击杆塔未故障和感应雷击；若变化率判据满足式(2)，则判定为发生以上三种雷击情况之一；如果不满足式(2)进入步骤四；

k_ratio>k_{2_1} (2)

步骤四、判断雷击导线并故障和雷击杆塔闪络；计算行波保护启动后20μs内每一点的 dI1/dt，搜寻突变点；若满足式(4)，则雷击导线并引起故障；若不满足式(4)进一步判断是否满足式(5)，如果满足式(5)且突变时刻晚于行波保护启动时刻2μs以上，则判定为雷击杆塔并闪络。其余情况认为雷击导线未发生故障。

dI1/dt≤k₃ (4)

k₃按照线路末端最小雷击线路未故障时变化率整定，取-3.3×10⁶kA/s。

dI1/dt≥k₄ (5)

k₄按照线路末端杆塔在最大耐电流值雷击下变化率整定，取4.75×10⁶kA/s。

仿真验证：

仍以图1所示系统进行电磁暂态仿真计算，以验证本发明提出的雷电识别方案的性能。在仿真验证中，雷电流取1.2/50μs波形，综合考虑了不同距离下单极金属性接地故障、单极过渡电阻接地故障、极间故障及各种雷击情况。表1为不同雷击情况下雷电流幅值。仿真结果如表 2所示。

仿真结果中数字含义如下：0-行波保护未启动；1-单极故障；2-极间故障；3-雷击导线并故障；4-雷击导线未故障；5-雷击避雷线/雷击杆塔/感应雷击；6-雷击杆塔并闪络；括号内为接地电阻值。由表2可知，行波保护在高过渡电阻接地故障时无法启动，而一旦行波保护启动，雷电识别方案不仅能够有效识别出线路故障和雷电干扰，还能够准确区分雷击和故障类型。仿真结果表明，本发明提出的雷击识别方案有效、可靠。

表1不同雷击情况下雷电流幅值

表2不同距离下不同雷击及故障情况仿真结果

Claims (3)

1.基于模量分析的直流架空线雷击识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、直流架空线中行波保护启动后，采集40μs电流数据，计算线模、地模电流故障分量；

步骤二、判断是否单极接地故障和双极故障；

步骤三、判断是否雷击避雷线、雷击杆塔未故障和感应雷击；

步骤四、判断雷击导线并故障和雷击杆塔闪络；

步骤二具体包括：

计算I1_max和k_ratio，若满足式(6)，则进一步判断是否满足式(3)，如满足式(3)则判定为极间故障，如果不满足式(3)则为单极故障；排除 雷击，保护出口；如不满足式(6)则进入步骤三；

其中，I1_max为线模电流故障分量极大值；k₁按照最严重故障在启动后40μs内的上升幅值整定；k_ratio为40μs数据窗内地模电流故障分量极大值与线模电流故障分量极大值的比值；k_{2_1}按照最小雷击避雷线整定；

k_ratio≤k_{2_2} (3)

k_{2_2}按照线路末端极间故障整定。

2.根据权利要求1所述的基于模量分析的直流架空线雷击识别方法，其特征在于，步骤三具体包括：

若变化率判据满足式(2)，则判定为发生以上三种雷击情况之一；如果不满足式(2)进入步骤四；

k_ratio>k_{2_1} (2)。

3.根据权利要求2所述的基于模量分析的直流架空线雷击识别方法，其特征在于，步骤四具体包括：

计算行波保护启动后20μs内每一个采样点线模电流故障分量的变化率dI1/dt，搜寻突变点；若满足式(4)，则雷击导线并引起故障；若不满足式(4)进一步判断是否满足式(5)，如果满足式(5)且突变时刻晚于行波保护启动时刻2μs以上，则判定为雷击杆塔并闪络；其余情况认为雷击导线未发生故障；

dI1/dt≤k₃ (4)

k₃按照线路末端最小雷击线路未故障时变化率整定；

dI1/dt≥k₄ (5)

k₄按照线路末端杆塔在最大耐电流值雷击下变化率整定。