CN115616332A - 一种基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别方法及系统，属于继电保护领域。方法包括：采集输电线路实测三相电压信号，变换计算线模电压；提取线模电压振荡幅值，若线模电压振荡幅值大于整定值，判定为故障，反之则判定为雷击干扰；构造线模电压偏移量绝对值的均值Uabs‑ave，当Uabs‑ave大于或等于整定值时，判定为雷击故障；反之判定为雷击干扰；基于线模电压振荡幅值和线模电压偏移量绝对值的均值来构建了识别雷击干扰与故障的二个判据，二者进行可拓融合，更加稳定可靠。本发明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、可靠性和灵敏度都较高。
Description
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及一种基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别方法及系统。
背景技术
雷电现象是自然环境中较为常见的一种气象情况，尤其在高原山地地区更为活跃。雷电就其本质来看就是一种强大的电磁脉冲，其具有高电压、大电流的特点。雷云放电时在导线或电气设备上形成雷电过电压，分为直击雷和感应雷过电压。直击雷过电压可能达到很大的幅值，即便是绝缘强度很高的特高压输电线路，仍会因绝缘子的闪络而引起雷击跳闸事故。直击雷故障分为绕击、反击两种，绕击是雷电绕开避雷线直击于输电线上，而反击是雷电直击避雷线上或杆塔上，由千杆塔接地电阻存在，塔顶电位瞬间突增导致绝缘闪络。电压的幅值在某些情况下甚至可以达到几百万伏以上，同样的电流的幅值也能达到几十万安；无论雷击是否造成线路输电线路故障，其中包含的高频分量都会对行波保护和暂态量保护造成影响，只有正确区分雷击闪络与未闪络才能有效避免误动，所以，如何正确判别雷击故障类型，有效区分雷击闪络与未闪络对提升保护稳定性有着积极的意义，同时也是行波保护与暂态量保护所需解决的必要问题。
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干扰，但这种方法受雷电参数影响较大。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故障与雷击干扰情况，但该方法不能适用于所有线路场景。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。现有雷击干扰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干扰识别方法。
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。因此提出了一种基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别方法及系统，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，本发明提出了一种基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别方法，包括如下步骤：
Step1：采集输电线路实测三相电压信号，经过Karenbauer变换得到电压线模和0模分量，具体如式(1)所示：
式中，u 1和u 2表示变换得到的电压线模分量、u 0表示变换得到的0模分量，u a、u b、u c表示A相、B相、C相电压，然后同时或先后进行Step2和Step3，即步骤1执行完毕后可以同时进行Step2和Step3，也可以先进行Step2再进行Step3或者先进行Step3再进行Step2。
Step2：利用短时窗内第一极值点和第二极值点的电压差值构成电压震荡幅值作为判据,若线模电压振荡幅值大于整定值，判定为故障，反之为雷击未故障，具体如式(2)所示：
式中，
为短时窗内线模电压的极值点，
，
为第一极值点与第二极值点，
为极值点位置表示。由大量仿真计算可得出，ξset为电压振荡幅值整定值。当近端故障时，会出现短时窗内无法寻找到极值点或者第二极值点的情况，若前者电压呈振荡趋势，可直接判断为故障，只是凭借电压振荡偏差来识别干扰稳定性较差；为提高稳定性，可再利用短时窗内线模电压偏移量的绝对值作为判据，综合进行判断。
Step3：利用短时窗内线模电压偏移量的绝对值作为判据,若线模电压偏移量的绝对值大于整定值，判定为故障，反之为雷击未故障，具体如式(3)~ (5)所示：
Uabs(t)=∣u 2(t)∣ (3)
Uabs-ave≥ Uset (5)
式(3)中，Uabs(t)表示t时刻线模电压的绝对值，u 2(t)表示t时刻的线模电压；式(4)为电压偏移量均值计算式，Uabs(ts+k)为(ts+k)时刻线模电压绝对值，k为时窗间隔，取实际值，其中ts相电压突变时刻，N为选取的时窗，Uset为整定值，可根据大量仿真数据计算得出。
Step4：当近端故障时，会出现短时窗内无法寻找到极值点或者第二极值点的情况，只是凭借电压振荡偏差来识别干扰稳定性较差，现将暂态电压振荡幅值和电压偏离量均值两个判据进行可拓融合，建立物元模型，具体如式(6)所示：
式中，V ij =<a ij , b ij >，为线路发生故障或遭受雷击关于特征C j 容许的量域，i=1,2；j=1,2；a ij , b ij 为物元模型矩阵对应元素，可见关于每个特征的量域按照特征的取值分为了两部分，即关于特征C 1的量域为V 11和V 12，关于特征C 2的量域为V 21和V 22，I i 表示线路发生故障或者雷击，R为物元模型；
Step4.1：计算其关联函数，具体如式(7)，(8)所示；
式中β(v ij ,V ij )为点v tj 与V ij 的距离，为实际故障特征值与所确定的量域的位置关系β(v ij ,V′ ij )为点v tj 与V′ ij 的距离，v tj 为雷击干扰或故障时，线模电压对应各特征的实际状态，即实际取值；K ij (v tj )为v tj 关于区间V ij 、V′ ij 的关联函数，V ij 为雷击干扰或故障时，线模电压对应各特征的实际状态值，V′ ij 为根据故障线路的量域及特征确定的节域。
Step4.2：设置关联置信度，具体如式(9)所示。
式中和ω1和ω2为第一极值点与第二极值点出现时刻相应的权重系数，K ij 为简写区间V ij 、V′ ij 的关联函数。
Step4.3：若λ(I i ) ＞0，表明线路在特征C j 条件下在关联置信度内，判定为雷击未故障；若λ(I i ) ≤0，表明线路在特征C j 条件下在关联置信度之外，判定为雷击故障。
本步骤的特点在于雷击干扰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输电线路雷击干扰识别系统，包括：
信号采集模块，用于采集实测三相电压模拟信号，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信号；
数值分析模块，用于根据信号处理模块处理后数据计算出时窗内线模电压振荡幅值及线模电压偏移量绝对值的均值；
可拓融合故障识别模块，用于数值分析模块的计算结果判断雷击未故障和雷击故障；
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电气信号；
所述信号采集模块采用新型传感器测量线路上的多种电气信息；
所述信号采集模块的量测端可以为线路首末端或者需要的位置；
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电压信号转换为数字信号；
所述信号处理模块包括信号降噪单元，用于滤除转换结果的高频噪声；
所述信号处理模块包括存储单元，用于储存信号降噪单元处理后的波形数据；
所述数据分析模块包括相模变换单元，可用于将三相电压模拟信号量变为线模信号量；
所述数据分析模块包括CPU，用于监控、分析、存储信号处理模块传送来的数据；
所述数据分析模块包括故障表征计算单元，根据相模变换单元的数据，计算时窗内线模电压振荡幅值及线模电压偏移量绝对值的均值，具体为：
提取线模电压振荡幅值为特征值
，构造线模电压振荡幅值差判据，若线模电压振荡幅值ξ大于电压振荡幅值整定值ξset，即ξ＞ξset判定为故障，反之为雷击干扰；同时提取短时窗内的线模电压偏移量，构造线模电压偏移量绝对值的均值Uabs-ave判据，当Uabs-ave<Uset时，判定为雷击干扰；当Uabs-ave≥Uset时，判定为雷击故障。
所述可拓融合故障识别模块先建立两判据的物元模型R，再通过物元模型R，计算线模电压振荡幅值差判据及线模电压偏移量绝对值的均值Uabs-ave判据的关联函数，然后通过关联函数设置关联置信度λ(I i )，最后依据λ(I i )的大小识别雷击故障，若λ(I i ) ＞0，判定为雷击未故障；若λ(I i ) ≤0，判定为雷击故障。
本发明的有益效果是：
1. 在有噪声的情况下，电压振荡幅值不受噪声影响，该雷击干扰识别元件抗噪能力强。
2.利用线模电压偏移量构造判据，受长线路衰减影响小，该识别方法稳定，可靠。
3.负极性雷电绕击造成的过电压小，其主要表现为欠压，避雷器等防护设备对雷击干扰识别影响小。
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为本发明实施例1线路首端处仿真结果图，其中(a)为提取线模电压振荡幅值仿真图，(b)为提取线模电压偏移量仿真图；
图4为本发明实施例1线路末端处仿真结果图，其中(a)为提取线模电压振荡幅值仿真图，(b)为提取线模电压偏移量仿真图；
图5为本发明实施例2线路首端处仿真结果图，其中(a)为提取线模电压振荡幅值仿真图，(b)为提取线模电压偏移量仿真图；
图6为本发明实施例2线路末端处仿真结果图，其中(a)为提取线模电压振荡幅值仿真图，(b)为提取线模电压偏移量仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例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。
本实施例采用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干扰、绕击故障进行测试，通过大量的仿真分析得到ξset的值取200kv，Uset的值取70kv。具体的实施设计步骤如下：
Step1：采集输电线路实测三相电压信号，经过Karenbauer变换得到电压线模和0模分量，具体如式(1)所示：
式中，u 1和u 2表示变换得到的电压线模分量、u 0表示变换得到的0模分量，u a、u b、u c表示A相、B相、C相电压，然后同时或先后进行Step2和Step3，即步骤1执行完毕后可以同时进行Step2和Step3，也可以先进行Step2再进行Step3或者先进行Step3再进行Step2。
Step2：利用短时窗内第一极值点和第二极值点的电压差值构成电压震荡幅值作为判据,若线模电压振荡幅值大于整定值，判定为故障，反之为雷击未故障，具体如式(2)所示：
式中，
为短时窗内线模电压的极值点，
，
为第一极值点与第二极值点，
为极值点位置表示。由大量仿真计算可得出，ξset为电压振荡幅值整定值。
Step3：利用短时窗内线模电压偏移量的绝对值作为判据,若线模电压偏移量的绝对值大于整定值，判定为故障，反之为雷击未故障，具体如式(3)~ (5)所示：
Uabs(t)=∣u 2(t)∣ (3)
Uabs-ave≥ Uset (5)
式(3)中，Uabs(t)表示t时刻线模电压的绝对值，u 2(t)表示t时刻的线模电压；式(4)为电压偏移量均值计算式，Uabs(ts+k)为(ts+k)时刻线模电压绝对值，k为时窗间隔，取实际值，其中ts相电压突变时刻，N为选取的时窗，Uset为整定值，可根据大量仿真数据计算得出。
Step4：将暂态电压振荡幅值和电压偏离量均值两个判据进行可拓融合，
建立物元模型，具体如式(6)所示：
式中，V ij =<a ij , b ij >为线路发生故障或遭受雷击关于特征C j 容许的量域i=1,2；j=1,2；a ij , b ij 为物元模型矩阵对应元素。可见关于每个特征的量域按照特征的取值分为了两部分，即关于特征C 1的量域为V 11和V 12，关于特征C 2的量域为V 21和V 22，Ii表示线路发生故障或者雷击，R为物元模型；
Step4.1：计算其关联函数，具体如式(7)，(8)所示；
式中β(v ij ,V ij )为点v tj 与V ij 的距离，为实际故障特征值与所确定的量域的位置关系β(v ij ,V′ ij )为点v tj 与V′ ij 的距离，v tj 为雷击干扰或故障时，线模电压对应各特征的实际状态，即实际取值；K ij (v tj )为v tj 关于区间V ij 、V′ ij 的关联函数，V ij 为雷击干扰或故障时，线模电压对应各特征的实际状态值，V′ ij 为根据故障线路的量域及特征确定的节域。
Step4.2：设置关联置信度，具体如式(9)所示。
式中和ω1和ω2为第一极值点与第二极值点出现时刻相应的权重系数，K ij 为简写区间V ij 、V′ ij 的关联函数，根据仿真得知，从故障时刻开始，0.8ms之内会出现第一、第二极值点，取总时窗2ms，故电压振荡幅值特征的权重为ω1=0.8/2=0.4；电压偏离量特征的权重为ω2=1.2/2=0.6；
Step4.3：若λ(I i ) ＞0，表明线路在特征C j 条件下在关联置信度内，判定为雷击未故障；若λ(I i ) ≤0，表明线路在特征C j 条件下在关联置信度之外，判定为雷击故障。
根据实施例1仿真结果可知，当500kv电压等级线路遭受雷击故障时电压振荡幅值为447.395kv；线路遭受雷击干扰时，电压振荡幅值为154.917kv，结果符合判据；500kv电压等级线路遭受雷击故障Uabs-ave为75.3192 kv，干扰Uabs-ave为69.9297kv，结果符合判据；据可拓学融合判据，雷击故障时λ为2.341，雷击干扰时λ为-1.924，结果符合判据。
实施例2：
110kV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，有效识别雷击干扰和雷击故障，能减少保护误动，提高输电可靠性。
本实施例采用PSCAD搭建110kv输电仿真模型，线路全长300km，电压等级为110kv，采样率为200kHZ，以线路全长范围内首端和末端发生绕击干扰、绕击故障进行测试，通过大量的仿真分析得到ξset的值取200kv，Uset的值取60kv，具体的实施设计步骤与实施例1相同。
根据实施例2仿真结果可知，当110kv电压等级线路遭受雷击故障时电压振荡幅值为296.835kv；线路遭受雷击干扰时，电压振荡幅值为189.441kv，结果符合判据；110kv电压等级线路遭受雷击故障Uabs-ave为90.321kv，干扰Uabs-ave为49.954kv，结果符合判据；据可拓学融合判据，雷击故障时λ为1.543，雷击干扰时λ为-0.681，结果符合判据。
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 (10)
1.一种基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
Step1: 采集输电线路实测三相电压信号，计算线模电压，然后同时或先后进行Step2和Step3；
Step2:提取线模电压振荡幅值特征值ξ，构造线模电压振荡幅值差判据，若线模电压振荡幅值ξ大于电压振荡幅值整定值ξset，即ξ＞ξset判定为故障，反之为雷击干扰；
Step3: 提取短时窗内的线模电压偏移量，构造线模电压偏移量绝对值的均值Uabs-ave判据，当Uabs-ave<Uset时，判定为雷击干扰；当Uabs-ave≥Uset时，判定为雷击故障，Uset为电压偏移量绝对值均值整定值；
Step4:将线模电压振荡幅值和线模电压偏离量绝对值的均值两个判据进行可拓融合：
Step4.1:建立上述两判据的物元模型R；
Step4.2:通过物元模型R，计算上述两判据的关联函数，并通过关联函数设置关联置信度λ(I i )；
Step4.3:若λ(I i )≥0，判定为雷击未故障；若λ(I i )＜0，判定为雷击故障。
2.根据权利要求1所述的基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别方法，其特征在于，Step1中，采集输电线路实测三相电压信号，经过Karenbauer变换得到电压线模和0模分量，具体如式(1)所示：
式中，u 1和u 2表示变换得到的电压线模分量、u 0表示变换得到的0模分量，u a、u b、u c表示A相、B相、C相电压。
3.根据权利要求1所述的基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别方法，其特征在于，Step2中，利用短时窗内第一极值点和第二极值点的电压差值构成电压震荡幅值作为判据,若线模电压振荡幅值大于电压振荡幅值整定值ξset，判定为故障，反之为雷击未故障，具体如式(2)所示：
式中，
为短时窗内线模电压的极值点，
，
为第一极值点与第二极值点，
为极值点位置表示。
4.根据权利要求1所述的基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别方法，其特征在于：Step3中，利用短时窗内线模电压偏移量的绝对值作为判据,若线模电压偏移量的绝对值的均值大于电压偏移量绝对值均值整定值Uset，判定为故障，反之为雷击未故障，具体如式(3)~ (5)所示：
Uabs(t)=∣u 2(t)∣ (3)
Uabs-ave≥ Uset (5)
式(3)中，Uabs(t)表示t时刻线模电压的绝对值，u 2(t)表示t时刻的线模电压；式(4)为电压偏移量均值计算式，Uabs(ts+k)为(ts+k)时刻线模电压绝对值，k为时窗间隔，取实际值，其中ts相电压突变时刻，N为选取的时窗，Uset为整定值。
5.根据权利要求1所述的基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别方法，其特征在于，Step4具体包括：
Step4.1：将线模电压振荡幅值和线模电压偏离量绝对值的均值两个判据进行可拓融合，建立物元模型，具体如式(6)所示：
式中，V ij =<a ij , b ij >，为线路发生故障或遭受雷击关于特征C j 容许的量域，i=1,2；j=1,2；a ij , b ij 为物元模型矩阵对应元素，可见关于每个特征的量域按照特征的取值分为了两部分，即关于特征C 1的量域为V 11和V 12，关于特征C 2的量域为V 21和V 22，I i 表示线路发生故障或者雷击，R为物元模型；
Step4.2：通过物元模型求取参数V ij ，计算两判据的关联函数，具体如式(7)，(8)所示；
式中β(v ij ,V ij )为点v tj 与V ij 的距离，为实际故障特征值与所确定的量域的位置关系β(v ij ,V′ ij )为点v tj 与V′ ij 的距离，v tj 为雷击干扰或故障时，线模电压对应各特征的实际状态，即实际取值；K ij (v tj )为v tj 关于区间V ij 、V′ ij 的关联函数，V ij 为雷击干扰或故障时，线模电压对应各特征的实际状态值，V′ ij 为根据故障线路的量域及特征确定的节域；
设置关联置信度，具体如式(9)所示：
式中和ω1和ω2为第一极值点与第二极值点出现时刻相应的权重系数，K ij 为简写区间V ij 、V′ ij 的关联函数；
Step4.3：若λ(I i ) ＞0，表明线路在特征C j 条件下在关联置信度内，判定为雷击未故障；若λ(I i ) ≤0，表明线路在特征C j 条件下在关联置信度之外，判定为雷击故障。
6.一种基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别系统，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，用于根据信号处理模块处理后数据提取线模电压振荡幅值特征值
及短时窗内的线模电压偏移量，分别构造线模电压振荡幅值差判据及线模电压偏移量绝对值的均值Uabs-ave判据；
可拓融合故障识别模块，用于将数值分析模块构建的两个判据进行可拓融合，进而判断雷击未故障和雷击故障。
7.根据权利要求6所述的基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别系统，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所述的基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别系统，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；
存储模块单元，用于储存信号降噪单元处理后的波形数据。
9.根据权利要求6所述的基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别系统，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送来的数据；
相模变换单元：将CPU存储的数据进行Karenbauer变换转换为0模和线模分量；
故障表征计算单元：根据相模变换单元的数据，提取线模电压振荡幅值为特征值
，构造线模电压振荡幅值差判据，若线模电压振荡幅值ξ大于电压振荡幅值整定值ξset，即ξ＞ξset判定为故障，反之为雷击干扰；同时提取短时窗内的线模电压偏移量，构造线模电压偏移量绝对值的均值Uabs-ave判据，当Uabs-ave<Uset时，判定为雷击干扰；当Uabs-ave≥Uset时，判定为雷击故障。
10.根据权利要求6所述的基于可拓融合的交流输电线路雷击干扰识别系统，其特征在于，可拓融合故障识别模块先建立两判据的物元模型R，再通过物元模型R，计算线模电压振荡幅值差判据及线模电压偏移量绝对值的均值Uabs-ave判据的关联函数，然后通过关联函数设置关联置信度λ(I i )，最后依据λ(I i )的大小识别雷击故障，若λ(I i ) ＞0，判定为雷击未故障；若λ(I i ) ≤0，判定为雷击故障。
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