CN117783729A - 一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，公开了一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别方法，包括以下步骤：S1、采集输电线路三相电压信号与三相电流信号；S2、利用电流量进行Park变换，获得其交轴分量一段时窗内的能量，当该能量大于整定值时，启动元件动作，从启动时刻开始截取它tms数据。本发明利用三相电压与电流的相位关系构建雷击干扰识别方法，该雷击干扰识别方法在全线长范围内均能识别雷击故障与雷击干扰，且对于不同雷电流幅值有较强的适应性，同时不会误判非雷击故障，无需整定阈值，具有自适应性，且单端即可完成识别，无需数据同步以及数据传输，具有鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体为一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别方法及系统。
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、新能源绿色消纳、可再生能源装机容量不断攀升。但由于东西部地区之间输电距离长、线路地理条件复杂，气象变化剧烈，高原山地环境下雷电活动极不规律，线路受雷击几率较高。雷击输电线路时，雷电流通常为负极性脉冲波，并以行波的形式从雷击点向线路两端传播，由于雷击与故障引起的暂态信号中都含有大量高频分量，对于行波保护和暂态保护而言，必须能够正确识别雷击干扰与雷击故障，从而减少因为雷击干扰引起的保护误动作，因此正确、快速的雷电干扰识别技术对于行波保护和暂态保护的实用化具有重要意义。
目前雷击识别的方法主要有：
1、通过比较雷击和故障前后电流变化量的大小判断是否为雷电干扰，但受雷电参数影响较大；
2、利用小波多分辨分析对交流线路雷击和短路故障时的电流故障分量能量分布和波形进行分析，发现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，雷电干扰与雷击弱故障时的暂态能量主要以高频为主，但仍然较难区分雷电干扰和雷击弱故障；
3、利用过零检测的方法，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，但该方法对于长线路适应性较差；
4、提出利用暂态分量波前、波后陡度的比值不同来识别雷击故障,由于行波陡度受雷击冲击电晕等因素影响较大,尤其是在雷击点与闪络点不一致情况下的有效性还有待进一步讨论。
因此针对上述问题提出一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别方法及系统。
发明内容
基于上述考虑，本发明从交流输电线路稳态运行时的三相电压和三相电流的相位关系入手，分析雷击故障与雷击干扰对于交流输电线路三相电压电流相位关系的影响，利用该相位关系构建雷击干扰识别方法。
本发明通过以下技术方案予以实现：具体包括以下步骤：
S1：采集输电线路三相电压信号与三相电流信号；
S2：利用电流量进行park变换，获得其交轴分量一段时窗内的能量，当该能量大于整定值时，启动元件动作，从启动时刻开始截取它t ms数据；
S3：利用三相电压和三相电流求取相位差，并在滑动时窗长度τ的间隔下分别求取相位差的累加和Kni(i＝1,2,…,5)；
S4：将Kni进行累乘得到KΠn，当KΠn≠Kset时判定为雷击故障；当KΠn＝Kset时，判定为雷击干扰；
S5:若雷击干扰识别方法判定结果为雷击故障且保护元件判定为区内故障则保护动作,否则保护复归。
优选的，采集输电线路三相电压信号或三相电流信号，具体包括：
所述采集线路三相电压信号与三相电流信号应是任意时刻的电流电压信号。
优选的，对所采集的三相电流信号进行Park变换，得到其交轴分量一段时窗内的能量，当该能量大于整定值时，启动元件动作，从启动时刻开始截取t ms数据，具体包括：Adq为直轴分量和交轴分量，Aabc为三相电流分量,Pdq为变换矩阵
Adq＝Pdq.Aabc
id为直轴分量，iq为交轴分量，i0为零轴分量，θ为Ad的相角
ia为a相电流，ib为b相电流，ic为c相电流
经过Park变换得到交轴分量后，可通过计算得到差分运算式定义的Cdif在一段时窗内的能量ξdif
cdif(k)＝iq(k)-iq(k-1)
式中iq(k)表示交轴分量iq的第k个采样点，Cdif(k)表示iq能量增量Cdif的第k个值，表示一定时窗内的采样点数。
同时将计算得到的能量值作为启动判据与整定值进行比较
ξdif(k)≥Eset
优选的，利用三相电压和三相电流求取相位差，并在固定的滑动时窗长度的间隔下分别求取相位差的累加和Kni(i＝1,2,…,5)，具体包括：三相电压和三相电流相位差求取通过以下公式：
选取滑动时窗长度为τms，即每间隔τms计算一次，记为Kni(i＝1,2,3,…,10)，即Kn1表示保护启动后第一个τms时窗内的相位差累加和，Kn2表示保护启动后第二个τms时窗内的相位差累加和，Kni的计算式如下：
优选的，将Kni进行累乘得到KΠn，当KΠn≠Kset时，判定为雷击故障；当KΠn＝Kset时，判定为雷击干扰；具体包括：
KΠn的计算公式如下:
KΠn＝Kni×Kn(i+1)×Kn(i+2)×Kn(i+3)×Kn(i+4)
KΠn表示连续5个计算值Kni的乘积
优选的，若雷击干扰识别方法判定结果为雷击故障且保护元件判定为区内故障则保护动作,否则保护复归；具体包括：
当能量ξdif(k)大于整定值Eset时，保护元件启动，通过保护元件的分析计算判断故障位置；若雷击干扰识别方法判定结果为雷击故障且保护元件判定为区内故障则保护动作，否则保护复归。
本发明还公开了一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别系统，包括：
信号采集模块：用于采集线路的电压与电流信号；
信号处理模块：用于对所采集数据进行处理与存储；
数值计算模块：用于计算交直轴分量、故障表征量、突变量的值；
故障启动模块：起始突变能量，比较起始突变能量与整定值的大小；
故障判别模块：用于判断故障发生的位置；
雷击识别模块：用于检测区分雷击故障与雷击干扰。
优选的，信号采集模块具体包括：
电压电流变送单元：用于变换互感器二次侧的电压电流信号为行波装置A/D采集的信号。
优选的，信号处理模块具体包括：
A/D转换单元：用于将电压电流模拟量信号转换成数字信号；
数据存储单元：将电压电流信号存储成录波数据文件，并存储于本地存储器
优选的，数值计算模块具体包括：
交直轴分量计算单元：用于对采集的信号进行Park变换得到交直轴分量；
故障表征量选择单元：用于对各种形式的故障表征量进行选择，进行差分计算，构建其增量；
突变量计算单元：利用对增量计算得到增量在一段时窗内的能量为突变能量。
优选的，故障启动模块用于比较起始突变能量与整定值的大小。
优选的，故障判别模块具体包括：
保护计算单元：用于对经过派克变换后的数据进行计算分析；
判别单元：根据计算结果，判别故障位置。
优选的，雷击识别模块具体包括：
相位差计算单元：用于计算本端电压电流相位差的累加和Kni以及连续5个计算值Kni的乘积；
比较判别单元：根据计算值KΠn是否等于Kset，判别雷击故障与雷击干扰。
本发明的原理：
利用三相电压与电流的相位关系构建雷击干扰识别方法，在交流输电线路中，线路正常运行时，三相电压与电流保持一定的相位差；当发生雷击故障时，三相电压与电流不再保持一定的相位差，且随着时间的增加，这个电压电流相位差的畸变程度越来越大，通过一定时窗内计算其电压电流相位差的累加和，可以得到一个较大的值Kni；当输电线路发生雷击干扰时，其电压电流相位差仅在雷击发生时刻发生改变，不再保持一定的相位差，而随后将会恢复，此时，在一定时窗内计算其电压电流相位差的累加和Kni，计算连续5个Kni的乘积KΠn等于Kset，借此构建雷击干扰识别判据。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明的雷击干扰识别方法不受到非雷击故障的影响，不会将非雷击故障判别为雷击干扰，从而造成保护拒动，且不受过渡电阻，故障位置，故障角的影响，无需整定阈值，具有自适应性。
2.本发明的雷击干扰识别方法在全线长范围内均能识别雷击故障与雷击干扰，且对于不同雷电流幅值有较强的适应性，单端即可完成识别，无需数据同步以及数据传输。
3.本发明利用三相电压与电流的相位关系构建雷击干扰识别方法，该雷击干扰识别方法在全线长范围内均能识别雷击故障与雷击干扰，且对于不同雷电流幅值有较强的适应性，同时不会误判非雷击故障，无需整定阈值，具有自适应性，且单端即可完成识别，无需数据同步以及数据传输，具有鲁棒性。
附图说明
图1为本发明提供的基于行波暂态保护的雷击干扰识别方法的操作步骤图；
图2为本发明提供的基于行波暂态保护的雷击干扰识别方法的流程示意图；
图3为本发明提供的基于行波暂态保护的雷击干扰识别系统的功能框图；
图4为RTDS测试平台与交流输电线路示意图；
图5为本发明实施例1线路绕击干扰电压电流相位差图；
图6为本发明实施例2线路绕击故障电压电流相位差图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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没有做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-图5所示，本发明实施例提供实施例在RTDS实时数模混合测试平台搭建220kV输电线路测试模型，测试采样率为20kHz，根据我国已投入运行的220kV特高压试验示范工程的三角排列的线路参数和线路型号搭建输电线路模型，测试平台如图4所示。
雷电流选用负极性2.6/50μs双指数波，雷电流的幅值取15kA，避雷器采用金属氧化物模型，绝缘子采用压控开关实现。
在线路80km处发生绕击干扰进行测试，展示雷击时输电线路的电压电流相位差情况。具体实施步骤为：
(1)采集线路实时三相电压信号与三相电流信号；
(2)对所采集的三相电流信号进行Park变换，得到其交轴分量一段时窗内的能量，当该能量大于整定值时，启动元件动作，从启动时刻开始截取5ms数据，Adq为直轴分量和交轴分量，Aabc为三相电流分量，Pdq为变换矩阵
Adq＝Pdq.Aabc
id为直轴分量，iq为交轴分量，i0为零轴分量，θ为Ad的相角
ia为a相电流，ib为b相电流，ic为c相电流
经过Park变换得到交轴分量后，可通过计算得到差分运算式定义的Cdif在一段时窗内的能量ξdif
cdif(k)＝iq(k)-iq(k-1)
式中iq(k)表示交轴分量iq的第k个采样点，Cdif(k)表示iq能量增量Cdif的第k个值，表示一定时窗内的采样点数。
同时将计算得到的能量值作为启动判据与整定值进行比较
ξdif(k)≥Eset
(3)利用三相电压和三相电流求取相位差，并在滑动时窗长度τ＝1ms的间隔下分别求取相位差的累加和Kni(i＝1,2,…,5)；
选取滑动时窗长度为τ＝1ms，即每间隔1ms计算一次，记为Kni(i＝1,2,3,…,10)，即Kn1表示保护启动后第1ms的相位差累加和，Kn2表示保护启动后第2ms的相位差累加和，Kni的计算式如下：
(4)将Kni进行累乘得到KΠn，当KΠn≠Kset时，判定为雷击故障；当KΠn＝Kset时，判定为雷击干扰；
KΠn的计算公式如下：
KΠn＝Kni×Kn(i+1)×Kn(i+2)×Kn(i+3)×Kn(i+4)
KΠn表示连续5个计算值Kni的乘积
(5)若雷击干扰识别方法判定结果为雷击故障且保护元件判定为区内故障则保护动作，否则保护复归；
依据仿真结果可知，当交流输电线路80km处发生雷击干扰时，电压电流相位差仅在雷击初始时刻发生改变，相位差发生突变后一定时窗内Kni其连续恒定地近似为稳态时的值，此时，选取连续的5个Kni进行累乘，其KΠn＝Kset，判断为线路发生雷击干扰。满足判据要求，线路两端的雷击干扰识别方法能够准确的识别雷击情况。
实施例2：
如图1-图4和图6所示，在RTDS实时数模混合测试平台搭建220kV输电线路测试模型，测试采样率为20kHz，根据我国已投入运行的220kV特高压试验示范工程的三角排列的线路参数和线路型号搭建输电线路模型，测试平台如图4所示。
雷电流选用负极性2.6/50μs双指数波，雷电流的幅值取50kA，避雷器采用金属氧化物模型，绝缘子采用压控开关实现。
在线路80km处发生绕击故障进行测试，展示雷击时输电线路的电压电流相位差情况。具体实施步骤为：
(1)采集线路实时三相电压信号与三相电流信号；
(2)对所采集的三相电流信号进行Park变换，得到其交轴分量一段时窗内的能量，当该能量大于整定值时，启动元件动作，从启动时刻开始截取5ms数据，Adq为直轴分量和交轴分量，Aabc为三相电流分量,Pdq为变换矩阵
Adq＝Pdq.Aabc
id为直轴分量，iq为交轴分量，i0为零轴分量，θ为Ad的相角；
ia为a相电流，ib为b相电流，ic为c相电流；
经过Park变换得到交轴分量后，可通过计算得到差分运算式定义的Cdif在一段时窗内的能量ξdif
cdif(k)＝iq(k)-iq(k-1)
式中iq(k)表示交轴分量iq的第k个采样点，Cdif(k)表示iq能量增量Cdif的第k个值，表示一定时窗内的采样点数。
同时将计算得到的能量值作为启动判据与整定值进行比较
ξdif(k)≥Eset。
(3)利用三相电压和三相电流求取相位差，并在滑动时窗长度τ＝1ms的间隔下分别求取相位差的累加和Kni(i＝1,2,…,5)；
选取滑动时窗长度为τ＝1ms，即每间隔1ms计算一次，记为Kni(i＝1,2,3,…,10)，即Kn1表示保护启动后第1ms的相位差累加和，Kn2表示保护启动后第2ms的相位差累加和，Kni的计算式如下：
(4)将Kni进行累乘得到KΠn，当KΠn≠Kset时，判定为雷击故障；当KΠn＝Kset时，判定为雷击干扰；
KΠn的计算公式如下：
KΠn＝Kni×Kn(i+1)×Kn(i+2)×Kn(i+3)×Kn(i+4)
KΠn表示连续5个计算值Kni的乘积。
(5)若雷击干扰识别方法判定结果为雷击故障且保护元件判定为区内故障则保护动作，否则保护复归；
依据仿真结果可知，当交流输电线路80km处发生雷击故障时，其电压电流相位差发生较大改变，且随着时间的增加，变化幅度越大，相位差发生突变后一定时窗内其Kni一直不恢复至稳态时的值，此时，选取连续的5个Kni进行累乘，其KΠn≠Kset，判断为线路发生雷击故障；满足判据要求，线路两端的雷击干扰识别方法能够准确的识别雷击情况。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (12)
1.一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、采集输电线路三相电压信号与三相电流信号；
S2、利用电流量进行Park变换，获得其交轴分量一段时窗内的能量，当该能量大于整定值时，启动元件动作，从启动时刻开始截取它tms数据；
S3、利用三相电压和三相电流求取相位差，并在滑动时窗长度τ的间隔下分别求取相位差的累加和Kni(i＝1,2,3,…,10)；
S4、将Kni进行累乘得到KΠn，当KΠn≠Kset时判定为雷击故障，当KΠn＝Kset时判定为雷击干扰；
S5、若雷击干扰识别方法判定结果为雷击故障且保护元件判定为区内故障则保护动作，否则保护复归。
2.根据权利要求1所述的一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别方法，其特征在于：所述S1中，采集线路三相电压信号与三相电流信号无高采样率要求，与面向的保护元件适配即可。
3.根据权利要求1所述的一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别方法，其特征在于：所述S2具体包括：
a、利用Park变换得到交轴分量，公式为：
Adq＝Pdq.Aabc
其中，Adq为直轴分量和交轴分量，Aabc为三相电流分量，Pdq为变换矩阵；
id为直轴分量，iq为交轴分量，i0为零轴分量，θ为Ad的相角；
ia为a相电流，ib为b相电流，ic为c相电流；
b、经过Park变换得到交轴分量后，可通过计算得到差分运算式定义的Cdif在一段时窗内的能量ξdif，公式为：
cdif(k)＝iq(k)-iq(k-1)
其中，iq(k)表示交轴分量iq的第k个采样点，Cdif(k)表示iq能量增量Cdif的第k个值，ΔKEN表示一定时窗内的采样点数，同时将计算得到的能量值作为启动判据与整定值进行比较ξdif(k)≥Eset。
4.根据权利要求3中所述的一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别方法，其特征在于步骤：所述S3具体包括：
a1、对三相电压和三相电流相位差进行求取，公式为：
b1、选取滑动时窗长度为τms，即每间隔τms计算一次，记为Kni(i＝1,2,3,…,10)，即表示保护启动后第一个τms时窗内的Kn1相位差累加和，Kn2表示保护启动后第二个τms时窗内的相位差累加和，其中对Kni进行计算，公式为：
5.根据权利要求4中所述的一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别方法，其特征在于步骤：所述S4具体包括：对KΠn进行计算，公式为:
KΠn＝Kni×Kn(i+1)×Kn(i+2)×Kn(i+3)×Kn(i+4)
其中，KΠn表示连续5个计算值Kni的乘积。
6.根据权利要求5中所述的一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别方法，其特征在于步骤：所述S5具体包括：
当能量ξdif(k)大于整定值Eset时，保护元件启动，通过保护元件的分析计算判断故障位置；
若雷击干扰识别方法判定结果为雷击故障且保护元件判定为区内故障则保护动作,否则保护复归。
7.一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别系统，其特征在于，包括：
信号采集模块，用于采集线路的电压与电流信号；
信号处理模块，用于对所采集数据进行处理与存储；
数值计算模块，用于计算交直轴分量、故障表征量、突变量的值；
故障启动模块，用于比较起始突变能量与整定值的大小；
故障判别模块，用于判断故障发生的位置；
雷击识别模块，用于检测区分雷击故障与雷击干扰。
8.根据权利要求7中所述的一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别系统，其特征在于：所述信号采集模块具体包括：
电压电流变送单元：用于变换互感器二次侧的电压电流信号为行波装置A/D采集的信号。
9.根据权利要求7中所述的一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别系统，其特征在于：所述信号处理模块具体包括：
A/D转换单元：用于将电压电流模拟量信号转换成数字信号；
数据存储单元：将电压电流信号存储成录波数据文件，并存储于本地存储器。
10.根据权利要求7中所述的一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别系统，其特征在于：所述数值计算模块具体包括：
交直轴分量计算单元：用于对采集的信号进行Park变换得到交直轴分量；
故障表征量选择单元：用于对各种形式的故障表征量进行选择，进行差分计算，构建其增量；
突变量计算单元：利用对增量计算得到增量在一段时窗内的能量为突变能量。
11.根据权利要求7中所述的一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别系统，其特征在于：所述故障判别模块具体包括：
保护计算单元：用于对经过park变换后的数据进行计算分析；
判别单元：根据计算结果，判别故障位置。
12.根据权利要求7中所述的一种面向行波暂态量保护的雷击干扰识别系统，其特征在于：所述雷击识别模块具体包括：
相位差计算单元：用于计算本端电压电流相位差的累加和Kni以及连续5个计算值Kni的乘积；
比较判别单元：根据计算值KΠn是否等于Kset，判别雷击故障与雷击干扰。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118191516A (zh) * | 2024-05-15 | 2024-06-14 | 昆明理工大学 | 一种交流输电线路雷击故障识别方法 |
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2023
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118191516A (zh) * | 2024-05-15 | 2024-06-14 | 昆明理工大学 | 一种交流输电线路雷击故障识别方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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