CN115494350B - 一种交流输电线路雷击故障识别方法及系统 - Google Patents

一种交流输电线路雷击故障识别方法及系统 Download PDF

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CN115494350B CN202211454464.0A CN202211454464A CN115494350B CN 115494350 B CN115494350 B CN 115494350B CN 202211454464 A CN202211454464 A CN 202211454464A CN 115494350 B CN115494350 B CN 115494350B
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Abstract

本发明公开了一种交流输电线路雷击故障识别方法及系统，属于电力系统继电保护领域。所述方法包括：采集输电线路实测三相电压信号，通过Karenbauer变换计算线模电压；取电压值突变后短时窗内的线模电压，计算线模电压与零轴的Manhattan距离
Figure 109063DEST_PATH_IMAGE002
；构造
Figure 321870DEST_PATH_IMAGE002
的均值
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE004
；将
Figure 965341DEST_PATH_IMAGE004
用作雷击故障识别，当
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE006
时，判定为雷击未故障；当
Figure 523011DEST_PATH_IMAGE008
时，判定为雷击故障。本发明还提供了一种交流输电线路雷击故障识别系统。本发明雷击故障识别方法,适用于各种电压等级的输电线路，抗噪和耐受过渡电阻能力强，受长线路衰耗和避雷器动作等因素影响小，鲁棒性高、可靠性和灵敏度都比较高。

Description

一种交流输电线路雷击故障识别方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及一种交流输电线路雷击故障识别方法及系统。
背景技术
目前经济发展与电力资源分布不匹配的问题仍是我国未来发展面临的主要问题，在“西电东送”战略的大背景下，远距离大容量输电技术不断发展。我国地理条件复杂，线路沿线气象变化剧烈，线路受雷击几率较高。当输电线路发生雷击而造成故障时，行波保护与暂态量保护可通过雷击信号中所含有的高频分量识别故障并切除故障，使电网恢复正常运行。但是当输电线路发生雷击却未造成故障时，雷电未故障信号亦可能对行波保护与暂态量保护产生一定的影响，造成保护误动。因此有效区分雷击闪络与未闪络是行波保护与暂态保护所必须解决的重要问题之一。
通过比较雷击和故障前后电流变化量的大小可以判断是否为雷电故障，但这种方法受雷电参数影响较大。故障行波与雷电波在频率分布上存在差异，利用高低频比值可以识别雷击，但二者在某些频域上特征相似。普通短路故障和雷击引起强故障时暂态能量主要以低频为主，雷电未故障与雷击弱故障时的暂态能量主要以高频为主，利用暂态能量的差异可以区分雷击未故障和雷击强故障，但难以区分雷击未故障和雷击弱故障。利用过零检测的方法，能较为准确的识别短线路场景下的雷击未故障与雷击故障情况，但该方法不能适用于所有线路场景。现有雷击故障识别方法的识别能力受到限制，故需一种输电线路广泛使用、灵敏度及可靠性极高的雷击故障识别方法。
发明内容
本发明所要解决的问题是在输电线路受到雷击未故障，一段时间后恢复稳态运行的状态下保护装置误动作。因此提出了一种输电线路雷击故障识别方法及系统，受长线路衰耗和避雷器动作等因素影响小，鲁棒性高、可靠性和灵敏度都比较高。
为了解决上述问题，本发明提出了一种输电线路雷击故障识别方法，包括如下步骤：
Step1:采集输电线路实测三相电压信号，经过Karenbauer变换得到电压线模，具体如式(1)所示：
Figure 719586DEST_PATH_IMAGE001
(1)
式(1)中，
Figure 357765DEST_PATH_IMAGE002
和/>
Figure 606344DEST_PATH_IMAGE003
表示变换得到的电压线模分量、/>
Figure 735974DEST_PATH_IMAGE004
表示变换得到的0模分量，/>
Figure 19187DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 576071DEST_PATH_IMAGE006
表示A相、B相、C相电压。
Step2:取电压值突变后的短时窗
Figure 561213DEST_PATH_IMAGE007
作为判断区间，/>
Figure 228955DEST_PATH_IMAGE007
取1~2ms。/>
Step3：构造
Figure 366675DEST_PATH_IMAGE007
内线模电压与零轴的Manhattan距离/>
Figure 94460DEST_PATH_IMAGE008
，具体如式（2）所示：
Figure 566898DEST_PATH_IMAGE009
(2)
式(2)中，
Figure 38331DEST_PATH_IMAGE010
表示t时刻线模电压与零轴的Manhattan距离，/>
Figure 30558DEST_PATH_IMAGE011
表示t时刻的线模电压。
Step4:计算
Figure 929243DEST_PATH_IMAGE012
的均值/>
Figure 639710DEST_PATH_IMAGE013
，具体如式（3）所示：
Figure 632943DEST_PATH_IMAGE014
(3)
式(3)中，
Figure 745256DEST_PATH_IMAGE013
表示/>
Figure 814843DEST_PATH_IMAGE012
的均值，/>
Figure 12606DEST_PATH_IMAGE015
为电压突变时刻，/>
Figure 812459DEST_PATH_IMAGE016
为短时窗/>
Figure 779278DEST_PATH_IMAGE017
结束时刻，
Figure 285346DEST_PATH_IMAGE018
。
Step5: 将
Figure 704826DEST_PATH_IMAGE013
与整定值进行比较，当/>
Figure 321752DEST_PATH_IMAGE013
大于或等于整定值，判定为雷击故障；当/>
Figure 392345DEST_PATH_IMAGE013
小于整定值，判定为雷击未故障。具体如式(4)所示：
Figure 803735DEST_PATH_IMAGE019
(4)
式(4)中，
Figure 976090DEST_PATH_IMAGE020
为整定值。
本方法的雷击故障识别元件依靠单端量完成识别，无需信号传输。
本发明还公开了一种交流输电线路雷击故障识别系统，包括：
信号采集模块，用于采集实测三相电压模拟量信号，进而获取暂态量信息；
信号处理模块，用于处理信号采集模块获取的三相电压模拟量信号；
数值分析模块，用于将信号处理模块处理后的数据转换为线模分量，然后计算时窗内线模电压与零轴的Manhattan距离
Figure 865549DEST_PATH_IMAGE021
及其均值/>
Figure 806960DEST_PATH_IMAGE022
；
雷击故障识别模块，用于依据
Figure 638519DEST_PATH_IMAGE022
与整定值/>
Figure 32591DEST_PATH_IMAGE023
的大小关系，判断雷击未故障和雷击故障，当/>
Figure 991320DEST_PATH_IMAGE024
时，判定为雷击未故障；当/>
Figure 521658DEST_PATH_IMAGE025
时，判定为雷击故障。
所述信号采集模块配置于输电线路多个采集终端，获取输电线路多个时域内的三相电压模拟量信号。
具体地，所述信号处理模块包括：
模数转换单元，用于将采集到的三相电压模拟量信号转换为数字信号；
信号降噪单元，用于滤除转换结果的高频噪声；
存储单元，用于储存波形数据。
具体地，所述数值分析模块包括：
CPU：用于存储信号处理模块传来的数据；
相模变换单元：将CPU存储的数据进行Karenbauer变换转换为线模分量；
故障表征计算单元：计算时窗内线模电压与零轴的Manhattan距离
Figure 524118DEST_PATH_IMAGE021
及其均值
Figure 671066DEST_PATH_IMAGE022
。
本发明有以下有益效果：
1.在有噪声的情况下，电压振荡幅值不受噪声影响，该雷击故障识别元件抗噪能力强。
2.利用线模电压与零轴距离构造判据，受长线路衰减影响小，该识别方法稳定，可靠。
3.本发明不受雷电参数影响，与传统的依靠电流相似度识别雷击故障的方法对比如表1所示，利用电流相似度判别雷击故障在不同雷电参数下整定值难以确定，而本发明方法在不同雷电参数下整定值容易确定且稳定。
表1
Figure 167906DEST_PATH_IMAGE027
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在没有实施创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明流程图；
图2为本发明系统图；
图3为本发明实例1线路首端处仿真结果图；
图4为本发明实例1线路末端处仿真结果图；
图5为本发明实例2线路首端处仿真结果图；
图6为本发明实例2线路末端处仿真结果图；
图7为本发明实例3线路首端处仿真结果图；
图8为本发明实例3线路末端处仿真结果图。
具体实施方式
下面结合本发明中的具体实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：如图1-8所示，一种输电线路雷击故障识别方法，包括如下步骤：
Step1:采集输电线路实测三相电压信号，经过Karenbauer变换得到电压线模，具体如式(1)所示：
Figure 83909DEST_PATH_IMAGE028
(1)
式(1)中，
Figure 742424DEST_PATH_IMAGE029
和/>
Figure 376668DEST_PATH_IMAGE030
表示变换得到的电压线模分量、/>
Figure 663817DEST_PATH_IMAGE031
表示变换得到的0模分量，/>
Figure 434327DEST_PATH_IMAGE032
、/>
Figure 263743DEST_PATH_IMAGE033
表示A相、B相、C相电压。
Step2:取电压值突变后的短时窗
Figure 119703DEST_PATH_IMAGE034
作为判断区间，/>
Figure 473193DEST_PATH_IMAGE034
取1~2ms。
Step3：构造
Figure 832630DEST_PATH_IMAGE034
内线模电压与零轴的Manhattan距离/>
Figure 98526DEST_PATH_IMAGE035
，具体如式（2）所示：
Figure 441783DEST_PATH_IMAGE036
(2)
式(2)中，
Figure 84117DEST_PATH_IMAGE037
表示t时刻线模电压与零轴的Manhattan距离，/>
Figure 812907DEST_PATH_IMAGE038
表示t时刻的线模电压。
Step4:计算
Figure 515284DEST_PATH_IMAGE039
的均值/>
Figure 80258DEST_PATH_IMAGE040
，具体如式（3）所示：
Figure 526283DEST_PATH_IMAGE041
(3)
式(3)中，
Figure 860312DEST_PATH_IMAGE040
表示/>
Figure 982858DEST_PATH_IMAGE039
的均值，/>
Figure 35127DEST_PATH_IMAGE042
为电压突变时刻，/>
Figure 19264DEST_PATH_IMAGE043
为短时窗/>
Figure 473379DEST_PATH_IMAGE044
结束时刻，
Figure 517558DEST_PATH_IMAGE045
。
Step5: 将
Figure 322703DEST_PATH_IMAGE046
与整定值进行比较，当/>
Figure 85430DEST_PATH_IMAGE046
大于或等于整定值，判定为雷击故障；当/>
Figure 659631DEST_PATH_IMAGE047
小于整定值，判定为雷击未故障。具体如式(4)所示：
Figure 609132DEST_PATH_IMAGE048
(4)
式(4)中，
Figure 635994DEST_PATH_IMAGE049
为整定值，根据具体情况，由大量的仿真分析得到。
本方法的雷击故障识别元件依靠单端量完成识别，无需信号传输。
本发明还公开了一种交流输电线路雷击故障识别系统，包括：
信号采集模块，用于采集实测三相电压模拟量信号，进而获取暂态量信息；
信号处理模块，用于处理信号采集模块获取的三相电压模拟量信号；
数值分析模块，用于将信号处理模块处理后的数据转换为线模分量，然后计算时窗内线模电压与零轴的Manhattan距离
Figure 227512DEST_PATH_IMAGE039
及其均值/>
Figure 639908DEST_PATH_IMAGE040
；
雷击故障识别模块，用于依据
Figure 25890DEST_PATH_IMAGE040
与整定值/>
Figure 805627DEST_PATH_IMAGE049
的大小关系，判断雷击未故障和雷击故障，当/>
Figure 669678DEST_PATH_IMAGE050
时，判定为雷击未故障；当/>
Figure DEST_PATH_IMAGE051
时，判定为雷击故障。
所述信号采集模块配置于输电线路多个采集终端，获取输电线路多个时域内的三相电压模拟量信号。
具体地，所述信号处理模块包括：
模数转换单元，用于将采集到的三相电压模拟量信号转换为数字信号；
信号降噪单元，用于滤除转换结果的高频噪声；
存储单元，用于储存波形数据。
具体地，所述数值分析模块包括：
CPU：用于存储信号处理模块传来的数据；
相模变换单元：将CPU存储的数据进行Karenbauer变换转换为线模分量；
故障表征计算单元：计算时窗内线模电压与零轴的Manhattan距离
Figure 687313DEST_PATH_IMAGE039
及其均值
Figure 493463DEST_PATH_IMAGE040
。
本发明适用于各种电压等级的线路，图2是本发明所述的系统图。下面具体实例中，本发明选取了几种不同的电压等级线路不同雷击位置验证本发明的可靠性和适用性。其中，几种情况包括：500kV交流输电线路不同雷击位置、220kV交流输电线路不同雷击位置、110kV交流输电线路不同雷击位置。
实例1：
500kV交流输电线路属于超高压输电线路，输电容量大，往往将建设在边远山区的发电厂的电力输送到负荷中心，因此输电线路长，导线经过的地形及遇到的气象环境复杂，线路受雷击几率较高。
本实例采用PSCAD搭建500kV输电仿真模型，线路全长300km，电压等级为500kV，采样率为200kHZ，以线路全长范围内首端和末端发生绕击未故障、绕击故障进行测试，通过大量的仿真分析得到
Figure 494917DEST_PATH_IMAGE049
的值取70kV。
经本发明的识别方法可得：实例1首端故障
Figure 428238DEST_PATH_IMAGE040
为75.3192，首端未故障/>
Figure 300379DEST_PATH_IMAGE040
为69.9297；
实例1末端故障
Figure 293743DEST_PATH_IMAGE040
为73.7883，末端未故障/>
Figure 516914DEST_PATH_IMAGE040
为69.9297。结果符合判据。
分别展示雷击首端、末端处时，输电线路首端及末端的电压线模分量情况，首端发生绕击未故障、绕击故障时仿真结果如附图3所示。末端发生绕击未故障、绕击故障时仿真结果如附图4所示。
实例1，具有如下效果：
1、对于类似500kV线路的较长线路，现有的微机量启动元件当距离某一端较近时发生故障，将导致另一端保护安装处感受到的故障信息及其微弱，本实例完美地解决了这一问题。
2、仿真结果见附图3和附图4所示。
实例2：
220kV输电线路是高压输电线路中重要的电压等级线路，其供电可靠性直接影响到电能输送的稳定及安全，雷击故障是高压输电线路的主要故障，有效识别雷击未故障和雷击故障，能减少保护误动，提高输电可靠性。
本实例采用PSCAD搭建220kV输电仿真模型，线路全长100km，电压等级为220kV，采样率为200kHZ，以线路全长范围内距首端及末端发生绕击未故障、绕击故障进行测试，通过大量的仿真分析得到
Figure 237614DEST_PATH_IMAGE049
的值取50kV。
经本发明的识别方法可得：实例2首端故障
Figure 495420DEST_PATH_IMAGE040
为65.4797，首端未故障/>
Figure 394106DEST_PATH_IMAGE040
为29.9283；
实例2末端故障
Figure 104573DEST_PATH_IMAGE040
为64.498，末端未故障/>
Figure 379697DEST_PATH_IMAGE040
为32.021。结果符合判据。
分别展示雷击首端、末端处时，输电线路首端及末端的电压线模分量情况，首端发生绕击未故障、绕击故障时仿真结果如附图5所示。末端发生绕击未故障、绕击故障时仿真结果如附图6所示。
实例2，具有如下效果：
1、220kV输电线路分布广泛，采用本发明雷击故障识别方法判别雷击故障不受雷击参数影响，能有效判别雷击未故障与雷击故障。
2、本实例解决了类似220kV输电线路的中等线路雷击故障识别问题。
3、仿真结果见附图5和附图6所示。
实例3：
110kV输电线路是我国高压输电线路网架中最常见的线路，是地区电网之间重要的联络线。随着电网建设的规模和数量不断增大，对110kV输电线路的可靠性提出了更高的要求。
本实例采用PSCAD搭建110kV输电仿真模型，线路全长80km，电压等级为110kV，采样率为200kHZ，以线路全长范围内距首端及末端发生绕击未故障、绕击故障进行测试，通过大量的仿真分析得到
Figure 492009DEST_PATH_IMAGE049
的值取60kV。
经本发明的识别方法可得：实例3首端故障
Figure 813794DEST_PATH_IMAGE040
为903.2076，首端未故障/>
Figure 11557DEST_PATH_IMAGE040
为49.9545；实例3末端故障/>
Figure 824792DEST_PATH_IMAGE040
为70.4908，末端未故障/>
Figure 57190DEST_PATH_IMAGE040
为55.7459。结果符合判据。
分别展示雷击首端、末端处时，输电线路首端及末端的电压线模分量情况，首端发生绕击未故障、绕击故障时仿真结果如附图7所示。末端发生绕击未故障、绕击故障时仿真结果如附图8所示。
实例3，具有如下效果：
1、本实例解决了类似110kV输电线路的短线路雷击故障识别问题。
2、仿真结果见附图7和附图8所示。
上面结合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做出各种变化。

Claims (9)

1.一种交流输电线路雷击故障识别方法，其特征在于：包括如下步骤：
Step1: 采集输电线路实测三相电压信号，计算线模电压；
Step2: 取电压值突变后的短时窗
Figure DEST_PATH_IMAGE001
作为判断区间；
Step3：构造
Figure 791195DEST_PATH_IMAGE001
内线模电压与零轴的Manhattan距离
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
Step4：计算
Figure 273123DEST_PATH_IMAGE002
的均值
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
Step5: 根据
Figure 328804DEST_PATH_IMAGE003
的大小判断雷击是否造成故障，当
Figure DEST_PATH_IMAGE004
时，判定为雷击未故障；当
Figure DEST_PATH_IMAGE005
时，判定为雷击故障，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为整定值；
构造
Figure DEST_PATH_IMAGE007
内线模电压与零轴的Manhattan距离
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，具体如式（2）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
(2)
式(2)中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表示t时刻线模电压与零轴的Manhattan距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示t时刻的线模电压。
2.根据权利要求1所述的一种交流输电线路雷击故障识别方法，其特征在于：采集输电线路实测三相电压信号，经过Karenbauer变换得到电压线模，具体如式(1)所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
(1)
式(1)中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure DEST_PATH_IMAGE014
表示变换得到的电压线模分量、
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示变换得到的0模分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示A相、B相、C相电压。
3.根据权利要求1所述的一种交流输电线路雷击故障识别方法，其特征在于：Step2中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
取1~2ms。
4.根据权利要求1所述的一种交流输电线路雷击故障识别方法，其特征在于，计算
Figure DEST_PATH_IMAGE018
的均值
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，具体如式（3）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
(3)
式(3)中，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表示
Figure DEST_PATH_IMAGE022
的均值，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为电压突变时刻，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为短时窗
Figure DEST_PATH_IMAGE025
结束时刻，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
。
5.根据权利要求1所述的一种交流输电线路雷击故障识别方法，其特征在于，将
Figure DEST_PATH_IMAGE027
与整定值进行比较，当
Figure DEST_PATH_IMAGE028
大于或等于整定值，判定为雷击故障；当
Figure 471683DEST_PATH_IMAGE027
小于整定值，判定为雷击未故障，具体如式(4)所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
(4)。
6.一种交流输电线路雷击故障识别系统，其特征在于：包括：
信号采集模块，用于采集实测三相电压模拟量信号，进而获取暂态量信息；
信号处理模块，用于处理信号采集模块获取的三相电压模拟量信号；
数值分析模块，用于将信号处理模块处理后的数据转换为线模分量，然后计算时窗内线模电压与零轴的Manhattan距离
Figure DEST_PATH_IMAGE030
及其均值
Figure DEST_PATH_IMAGE031
；
雷击故障识别模块，用于依据
Figure 490586DEST_PATH_IMAGE031
与整定值
Figure DEST_PATH_IMAGE032
的大小关系，判断雷击未故障和雷击故障，当
Figure DEST_PATH_IMAGE033
时，判定为雷击未故障；当
Figure DEST_PATH_IMAGE034
时，判定为雷击故障；
构造
Figure 420496DEST_PATH_IMAGE007
内线模电压与零轴的Manhattan距离
Figure 319182DEST_PATH_IMAGE008
，具体如式（2）所示：
Figure 295228DEST_PATH_IMAGE009
(2)
式(2)中，
Figure 163827DEST_PATH_IMAGE010
表示t时刻线模电压与零轴的Manhattan距离，
Figure 541719DEST_PATH_IMAGE011
表示t时刻的线模电压。
7.根据权利要求6所述的一种交流输电线路雷击故障识别系统，其特征在于，所述信号采集模块配置于输电线路多个采集终端，获取输电线路多个时域内的三相电压模拟量信号。
8.根据权利要求6所述的一种交流输电线路雷击故障识别系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：
模数转换单元，用于将采集到的三相电压模拟量信号转换为数字信号；
信号降噪单元，用于滤除转换结果的高频噪声；
存储单元，用于储存波形数据。
9.根据权利要求6所述的一种交流输电线路雷击故障识别系统，其特征在于，所述数值分析模块包括：
CPU：用于存储信号处理模块传来的数据；
相模变换单元：将CPU存储的数据进行Karenbauer变换转换为线模分量；
故障表征计算单元：计算时窗内线模电压与零轴的Manhattan距离
Figure DEST_PATH_IMAGE035
及其均值
Figure DEST_PATH_IMAGE036
。
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