CN115575783B - 一种交流输电线路多重雷绕击与反击识别方法及系统 - Google Patents

一种交流输电线路多重雷绕击与反击识别方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种交流输电线路多重雷绕击与反击识别方法及系统，属于电力系统继电保护技术领域。多重雷击中输电线路时，每一重可能是绕击或者反击，多重雷绕击和反击对电力系统造成的影响相差甚远，故判别多重雷绕击与反击具有重大意义。由于多重雷绕击与反击交流输电线路产生的电磁暂态机理不同，故其产生的电压暂态信号首波头的相似度存在显著差别，本发明所述方法利用电压故障暂态量首波头数据的相似度来判别多重雷绕击故障与反击故障，经过大量仿真表明该方法简单、有效，完全能够对交流输电线路多重雷绕击与反击故障进行准确识别。本发明所依据的理论基础直观清晰且易于实现，可广泛运用于输电线路的防雷保护。

Description

一种交流输电线路多重雷绕击与反击识别方法及系统
技术领域
本发明涉及一种交流输电线路多重雷绕击与反击识别方法及系统，属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
随着输电线路电压等级的升高，杆塔的高度随之升高，故输电线路遭受雷击的概率也随着增大。雷击对输电线路的影响分为直击雷和感应雷，相比于感应雷，直击雷容易引起跳闸。直击雷分为绕击和反击，绕击是指雷电绕过避雷线击中三相导线，反击是指雷电击中杆塔或避雷线，高幅值雷电流流过杆塔对地阻抗使雷击点电位升高而造成绝缘子闪络，形成雷电过电压。220kV电压等级及以上输电线路雷击跳闸中，绕击是导致跳闸的最主要因素。雷云放电的随机性导致放电主通道分叉等情况，可能存在多次击中输电线路的情况，简称为多重雷。对于多重雷击中输电线路，一旦发生绕击，由于多重雷电流的影响在线路中存在时间相对于单重雷电流更长，故绝缘子特别容易发生闪络，严重威胁输电线路的安全供电。反击现象与接地电阻的大小有关，受土壤电阻率影响，冲击接地电阻较高，因此避雷线耐雷水平有限，若发生绝缘子闪络，受多重雷电流的影响，三相导线不能安全、稳定地输电，后果同样严重。由于多重雷绕击与反击交流输电线路产生的电磁暂态机理不同，导致过电压水平不同，故障电压行波的传播形式也不同，因此准确判断绕击和反击具有重大意义。当前对输电线路雷电绕击与反击故障的判别方法较少且复杂，因此亟需一种简单可靠的方法，能够精确地判别多重雷情况下的绕击与反击，为输电线路的雷击防护分析起到可靠的建设性作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种交流输电线路多重雷绕击与反击识别方法及系统，从新型电力系统智能制造与继电保护的角度出发，解决现有的雷电绕击反击识别技术原理复杂、计算量大、可靠性易受影响等不足之处。
本发明基于识别为多重雷的基础之上，提出通过分析电压故障暂态量首波头相似度的方法，识别雷电绕击和反击，其原理清晰直观、所用电气量较少、信号处理过程简单、判别结果可靠，可为输电线路防雷研究提供简单易行的方案，为输电线路新型继电保护提供可靠的雷击辨识方法。
本发明的技术方案是：一种交流输电线路多重雷绕击与反击识别方法，基于雷电流为单极性的脉冲波，当发生反击时，三相输电线路电压故障暂态量首波头极性相同，但当发生绕击时，三相输电线路被击相电压故障暂态量首波头极性与其余相相反。基于以上原理可知，反击时各相间电压故障暂态量首波头相似度较高，而绕击时各相间电压故障暂态量首波头相似度存在较低的情况，故本发明利用相似度的大小关系来判断每一重雷击的绕击与反击情况。
具体步骤为：
Step1：采集交流输电线路A、B、C相的电压信号；
Step2：提取采集的电压信号中第i重雷击的故障暂态量首波头，i=1,2,…,n；
Step3：计算每重雷击各相间电压故障暂态量首波头数据的相似度；
Step4：取计算结果中的最大值与最小值作商，若商大于等于设定的阈值，则判定为雷电绕击，否则判定为雷电反击。
Step5：重复Step2至Step5，直至第n重雷击的绕击和反击情况判别结束。
Step2中，所述故障暂态量首波头具体为：先找到雷击电压故障暂态量波形前1ms内幅值绝对值最大的点，然后从该点开始向左右两边找到第一次幅值下降到最接近50%幅值绝对值最大点处的点，右边对应的时刻为t 2，左边对应的时刻为t 1，则首波头为时域为[t 1,t 2]对应的电压波形，提取此时间段内的波形数据并存储。
所述Step2中，对于第1到第n重的雷击，通过现有的多重雷击识别技术即可识别重数n。
所述Step3中，计算每重雷击各相间电压故障暂态量首波头数据的相似度使用Tanimoto系数，具体为：
Tanimoto系数又称为广义Jaccard系数，可以度量两组电压故障暂态量首波头数据的相似性，同时在二元属性情况下归约成Jaccard系数。
先对各相间电压故障暂态量首波头数据U 1和U 2取绝对值后进行归一化处理，首波头数据U 1取绝对值后即为U 1序列，首波头数据U 2取绝对值后即为U 2序列：
Figure 181362DEST_PATH_IMAGE001
Figure 567344DEST_PATH_IMAGE002
其中，U 1={U 11,U 12, …,U 1n }，U 2={U 21,U 22, …,U 2n }，U 1i 为U 1序列内的第i个点，U 2i 为U 2序列内的第i个点，U * 1i 为归一化处理后的序列U * 1内的第i个点，U * 2i 为归一化处理后的序列U * 2内的第i个点，max(max(·))为求取最大值函数；
根据上述归一化处理后的各相间电压故障暂态量首波头数据U 1和U 2计算Tanimoto相似度T(U * 1,U * 2)，其公式如下：
Figure 81502DEST_PATH_IMAGE003
其中，U * 1和U * 2为各相间电压故障暂态量首波头数据，是两个有n个元素的一维向量，
Figure 945553DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 494346DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 785650DEST_PATH_IMAGE006
，由于取了绝对值，T(U * 1,U * 2)的取值范围为[0,1]。
所述Step4具体为：找出两组各相间电压故障暂态量首波头数据Tanimoto相似度计算结果的最大值T(U * 1,U * 2) max 与最小值T(U * 1,U * 2) min ，并进行判定；
若
Figure 787104DEST_PATH_IMAGE007
，则判定为雷电绕击。
若
Figure 454846DEST_PATH_IMAGE008
，则判定为雷电反击。
一种交流输电线路多重雷绕击与反击识别系统，包括：
数据采集模块：用于采集三相电压信号；
数据提取模块：用于提取每重雷击中各相电压故障暂态量首波头数据；
数据计算模块：用于计算每重雷击各相间电压故障暂态量首波头数据的相似度；
绕击与反击判别模块：用于根据计算结果的最大值和最小值之比与阈值的比较结果构造判据，来判别绕击与反击，从第一重雷击开始，重复判别至最后一重雷击结束。
所述数据采集模块包括：
数据采集单元：用于采集互感器二次侧输出的电压模拟信号；
数模转换单元：用于将电压模拟信号转换成数字信号；
存储启动单元：用于判断数字信号是否大于设定的启动阈值，若是，则读取启动时间并存储数据。
所述数据提取模块包括：
多重雷击判别单元：用于判别雷击重数n并及存储记录；
数据提取单元：用于提取采集的电压信号中每重雷击的故障暂态量首波头，所存储的每一重雷击对应数据中前1ms内，电压幅值绝对值最大的点对应时刻假设为t，则t之前的50%幅值绝对值最大点处的点为t 1，t之后的50%幅值绝对值最大点处的点为t 2，提取t 1~t 2时间段内的数据进行存储。
所述数据计算模块包括：
数值计算单元：用于计算每重雷击各相间电压故障暂态量首波头数据的Tanimoto相似度并记录结果。
所述反击判别模块包括：
绕击与反击判别单元：用于从第1重雷击开始，根据Tanimoto相似度计算结果的最大值和最小值之比与阈值的比较结果判别雷电绕击与反击，并记录判别结果，重复判别直至第n重雷击结束。
本发明的有益效果是：
1、本发明针对多重雷场景，采用简单清晰且易于实现的原理识别每一重雷击的绕击故障与反击故障，具有实际工程应用意义。
2、本发明能够可靠识别反击故障与绕击故障，具有很强的鲁棒性，不受多重雷击干扰或故障的影响，不受多重雷击同一相或不同相以及避雷线的影响。
3、Tanimoto相似度可描述两组向量的相关性，相比于其他相似度计算方法，能够避免数据集为二元变量无法计算的问题，并且可计算多元数据之间的相似度，其计算过程简单且快速，对应系统单元灵敏性好、成本低。
4、本发明仅仅采集故障电压首波头进行数据计算，CVT（电容式电压互感器）不但能克服雷击跳闸导致的采集信息缺失问题，而且数据通信量小，对通信通道的要求低，极大降低了通信延时的影响。
附图说明
图1是本发明方法的步骤流程图；
图2是本发明的系统图；
图3是本发明的输电系统模型图；
图4是本发明的绕击与反击示意图；
图5是本发明的多重雷电流波形图；
图6是本发明的3重雷故障下的三相电压波形图；
图7是本发明的第1重雷反击故障时A、B相故障电压波形图；
图8是本发明的第1重雷反击故障时A、C相故障电压波形图；
图9是本发明的第1重雷反击故障时B、C相故障电压波形图；
图10是本发明的第2重雷绕击故障时A、B相故障电压波形图；
图11是本发明的第2重雷绕击故障时A、C相故障电压波形图；
图12是本发明的第2重雷绕击故障时B、C相故障电压波形图；
图13是本发明的第3重雷绕击故障时A、B相故障电压波形图；
图14是本发明的第3重雷绕击故障时A、C相故障电压波形图；
图15是本发明的第3重雷绕击故障时B、C相故障电压波形图。
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。
当输电线路发生雷击故障时，利用本发明所述方法和系统可以准确识别雷电绕击与反击，图1和图2分别为所述方法流程图和系统结构图。输电线路雷电绕击与反击示意图如图4所示。
实施例1：本实施例在EMTDC上搭建110kV输电线路模型，输电系统模型如图3所示，线路杆塔仿真采用多波阻抗模型，线路全长110km，模拟多重雷电流采用双指数模型，多重雷电流波形如图5所示，采样率设置为100kHz。
具体步骤为：
Step1：通过站端行波采集装置分别采集交流输电线路的A、B、C三相电压信号；
Step2：提取采集的电压信号中第i重雷击的故障暂态量首波头，i=1,2,3，依赖现有技术识别雷击重数为3；在距站端40km处分别发生幅值为16kA、14 kA和11kA的3重雷击，第1重为反击，发生于1.406s，第2重为绕击（B相），第3重为绕击（C相），第2重雷击和第1重雷击之间间隔20ms，第3重雷击和第2重雷击之间间隔15ms；第1重雷击和第2重雷击近似发生于同一点，第3重雷击与第1重和第2重雷击之间相隔1km，绕击与反击示意图如图4所示。其中第1重雷击为反击故障，导致A相绝缘子闪络，第2重雷击为绕击B相故障，导致B相绝缘子闪络，第3重雷击为绕击C相故障，导致C相绝缘子闪络，3重雷故障下的三相电压波形图如图6所示。提取各相首波头，先找到雷击电压故障暂态量波形前1ms内幅值绝对值最大的点，然后从该点开始向左右两边找到第一次幅值下降到50%幅值绝对值最大点处的点，右边对应的时刻为t 2，左边对应的时刻为t 1，提取时域为[t 1,t 2]上对应的电压波形作为首波头数据。第1重雷击的A、B、C相的首波头为时域[1.40612,1.40617]上分别对应的电压波形数据；
Step3：计算每重雷击各相间电压故障暂态量首波头数据的Tanimoto相似度；
Tanimoto系数可以度量两组电压故障暂态量首波头数据的相似性，同时在二元属性情况下归约成Jaccard系数。
Tanimoto相似度的计算包括：
Step3.1：对各相间电压故障暂态量首波头数据U 1和U 2取绝对值；
Step3.2：对取绝对值后的各相间电压故障暂态量首波头数据U 1和U 2后进行归一化处理，其公式如下：
Figure 374259DEST_PATH_IMAGE009
Figure 836464DEST_PATH_IMAGE010
其中U 1={U 11,U 12, …,U 1n }，U 2={U 21,U 22, …,U 2n }，U 1i 为U 1序列（首波头数据U 1取绝对值后即为U 1序列）内的第i个点，U 2i 为U 2序列（首波头数据U 2取绝对值后即为U 2序列）内的第i个点。U * 1i 为归一化处理后的序列U * 1内的第i个点，U * 2i 为归一化处理后的序列U * 2内的第i个点，max(max(·))为求取最大值函数。
Step3.3：根据上述归一化处理后的各相间电压故障暂态量首波头数据U 1和U 2计算Tanimoto相似度T(U * 1,U * 2)，其公式如下：
Figure 325214DEST_PATH_IMAGE011
其中U * 1和U * 2为各相间电压故障暂态量首波头数据，是两个有n个元素的一维向量，
Figure 796647DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 788874DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 953139DEST_PATH_IMAGE006
，由于取了绝对值，T(U * 1,U * 2)的取值范围为[0,1]。
本实施例通过matlab编程计算Tanimoto相似度，在第1重雷击中，A相和B相间的Tanimoto相似度T 1(U * A,U * B)=0.6434；A相和C相间的Tanimoto相似度T 1(U * A,U * C)=0.5049；B相和C相间的Tanimoto相似度T 1(U * B,U * C)=0.4439；
Step4：在第1重雷击中，取计算结果中Tanimoto相似度的最大值T 1(U * A,U * B)与最小值T 1(U * B,U * C)，计算
Figure 929185DEST_PATH_IMAGE012
，得
Figure 673150DEST_PATH_IMAGE013
判定为雷电反击。
Step5：第2重雷击的A、B、C相的首波头为时域[1.40812,1.40815]上分别对应的电压波形数据；在第2重雷击中，A相和B相间的Tanimoto相似度T 2(U * A,U * B)=0.4105；A相和C相间的Tanimoto相似度T 2(U * A,U * C)=0.8102；B相和C相间的Tanimoto相似度T 2(U * B,U * C)=0.2433；在第2重雷击中，Tanimoto相似度的最大值为T 2(U * A,U * C)，最小值为T 2(U * B,U * C)，计算
Figure 51042DEST_PATH_IMAGE014
判定为雷电绕击。
第3重雷击的A、B、C相的首波头为时域[1.40963,1.40966]上分别对应的电压波形数据；在第3重雷击中，A相和B相间的Tanimoto相似度T 3(U * A,U * B)=0.5819；A相和C相间的Tanimoto相似度T 3(U * A,U * C)=0.4057；B相和C相间的Tanimoto相似度T 3(U * B,U * C)=0.2981；在第2重雷击中，Tanimoto相似度的最大值为T 3(U * A,U * B)，最小值为T 3(U * B,U * C)，计算
Figure 120629DEST_PATH_IMAGE015
，判定为雷电绕击。
本实施例中，T set 设置为1.68。第1重雷击故障时各相间电压波形图分别如图7、图8和图9所示；第2重雷击故障时各相间电压波形图分别如图10、图11和图12所示；第3重雷击故障时各相间电压波形图分别如图13、图14和图15所示；从图中可直观地看出各相间电压故障暂态量首波头的相似度，其计算结果与判别结果汇总于表1。
Figure 318392DEST_PATH_IMAGE017
表1
由表中结果结合附图，以及其余大量仿真结果表明，本发明除了实施例中的输电线路电压等级，对现有的其他输电线路电压等级均能准确、快速地判断直击雷故障类型，因此本发明对于实际工程应用具有建设性作用。
实施例2：如图2所示，一种交流输电线路多重雷绕击与反击识别系统，包括：
数据采集模块：用于采集三相电压信号；
数据提取模块：用于提取每重雷击中各相电压故障暂态量首波头数据；
数据计算模块：用于计算每重雷击各相间电压故障暂态量首波头数据的相似度；
绕击与反击判别模块：用于根据计算结果的最大值和最小值之比与阈值的比较结果构造判据，来判别绕击与反击，从第一重雷击开始，重复判别至最后一重雷击结束。
所述数据采集模块包括：
数据采集单元：用于采集互感器二次侧输出的电压模拟信号；
数模转换单元：用于将电压模拟信号转换成数字信号；
存储启动单元：用于判断数字信号是否大于设定的启动阈值，若是，则读取启动时间并存储数据。
所述数据提取模块包括：
多重雷击判别单元：用于判别雷击重数n并及存储记录；
数据提取单元：用于提取采集的电压信号中每重雷击的故障暂态量首波头，所存储的每一重雷击对应数据中前1ms内，电压幅值绝对值最大的点对应时刻假设为t，则t之前的50%幅值绝对值最大点处的点为t 1，t之后的50%幅值绝对值最大点处的点为t 2，提取t 1~t 2时间段内的数据进行存储。
所述数据计算模块包括：
数值计算单元：用于计算每重雷击各相间电压故障暂态量首波头数据的Tanimoto相似度并记录结果。
所述反击判别模块包括：
绕击与反击判别单元：用于从第1重雷击开始，根据Tanimoto相似度计算结果的最大值和最小值之比与阈值的比较结果判别雷电绕击与反击，并记录判别结果，重复判别直至第n重雷击结束。
以上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 (7)

1.一种交流输电线路多重雷绕击与反击识别方法，其特征在于：
Step1：采集交流输电线路A、B、C相的电压信号；
Step2：提取采集的电压信号中第i重雷击的故障暂态量首波头，i=1,2,…,n；
Step3：计算每重雷击各相间电压故障暂态量首波头数据的相似度；
Step4：取计算结果中的最大值与最小值作商，若商大于等于设定的阈值，则判定为雷电绕击，否则判定为雷电反击；
Step5：重复Step2至Step5，直至第n重雷击的绕击和反击情况判别结束；
Step2中，所述故障暂态量首波头具体为：先找到雷击电压故障暂态量波形前1ms内幅值绝对值最大的点，然后从该点开始向左右两边找到第一次幅值下降到50%幅值绝对值最大点处的点，右边对应的时刻为t2，左边对应的时刻为t1，则首波头为时域为[t1,t2]对应的电压波形，提取此时间段内的波形数据并存储；
所述Step3中，计算每重雷击各相间电压故障暂态量首波头数据的相似度使用Tanimoto系数，具体为：
先对各相间电压故障暂态量首波头数据U1和U2取绝对值后进行归一化处理，首波头数据U1取绝对值后即为U1序列，首波头数据U2取绝对值后即为U2序列：
Figure QLYQS_1
；
Figure QLYQS_2
；
其中，U1={U11,U12, …,U1n}，U2={U21,U22, …,U2n}，U1i为U1内的第i个点，U2i为U2序列内的第i个点，U* 1i为归一化处理后的序列U* 1内的第i个点，U* 2i为归一化处理后的序列U* 2内的第i个点，max(max(·))为求取最大值函数；
根据上述归一化处理后的各相间电压故障暂态量首波头数据U1和U2计算Tanimoto系数T(U* 1,U* 2)，其公式如下：
Figure QLYQS_3
；
其中，U* 1和U* 2为各相间电压故障暂态量首波头数据，是两个有n个元素的一维向量，
Figure QLYQS_4
，
Figure QLYQS_5
，
Figure QLYQS_6
，由于取了绝对值，T(U* 1,U* 2)的取值范围为[0,1]。
2.根据权利要求1所述的交流输电线路多重雷绕击与反击识别方法，其特征在于，所述Step4具体为：找出两组各相间电压故障暂态量首波头数据Tanimoto系数计算结果的最大值T(U* 1,U* 2)max与最小值T(U* 1,U* 2)min，并进行判定：
若
Figure QLYQS_7
，则判定为雷电绕击；
若
Figure QLYQS_8
，则判定为雷电反击。
3.用于实现权利要求1中所述方法的一种交流输电线路多重雷绕击与反击识别系统，其特征在于，包括：
数据采集模块：用于采集三相电压信号；
数据提取模块：用于提取每重雷击中各相电压故障暂态量首波头数据；
数据计算模块：用于计算每重雷击各相间电压故障暂态量首波头数据的相似度；
绕击与反击判别模块：用于根据计算结果的最大值和最小值之比与阈值的比较结果构造判据，来判别绕击与反击，从第一重雷击开始，重复判别至最后一重雷击结束。
4.根据权利要求3所述的交流输电线路多重雷绕击与反击识别系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：
数据采集单元：用于采集互感器二次侧输出的电压模拟信号；
数模转换单元：用于将电压模拟信号转换成数字信号；
存储启动单元：用于判断数字信号是否大于设定的启动阈值，若是，则读取启动时间并存储数据。
5.根据权利要求3所述的交流输电线路多重雷绕击与反击识别系统，其特征在于，所述数据提取模块包括：
多重雷击判别单元：用于判别雷击重数n并及存储记录；
数据提取单元：用于提取采集的电压信号中每重雷击的故障暂态量首波头，所存储的每一重雷击对应数据中前1ms内，电压幅值绝对值最大的点对应时刻假设为t，则t之前的50%幅值绝对值最大点处的点为t1，t之后的50%幅值绝对值最大点处的点为t2，提取t1~t2时间段内的数据进行存储。
6.根据权利要求3所述的交流输电线路多重雷绕击与反击识别系统，其特征在于，所述数据计算模块包括：
数值计算单元：用于计算每重雷击各相间电压故障暂态量首波头数据的Tanimoto系数并记录结果。
7.根据权利要求3所述的交流输电线路多重雷绕击与反击识别系统，其特征在于，所述绕击与反击判判别模块包括：
绕击与反击判别单元：用于从第1重雷击开始，根据Tanimoto系数计算结果的最大值和最小值之比与阈值的比较结果判别雷电绕击与反击，并记录判别结果，重复判别直至第n重雷击结束。
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