專利名稱：雷電波侵入變電站的擾動識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雷電波侵入變電站的擾動識別方法。
背景技術(shù)：
電網(wǎng)實際運行資料顯示，輸電線路故障跳閘有40%以上由雷擊引起，極端情況可 接近80%。近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，外力破壞造成的線路跳間已成為僅次于雷擊 故障的第二大因素，其中以吊車施工等造成的事故居多。對于重合不成功的線路故障，按現(xiàn) 行調(diào)度運行規(guī)程，要求立即強送一次，以盡可能恢復(fù)供電，保證供電可靠性和電網(wǎng)穩(wěn)定。對 于雷擊、污閃、鳥害等自然原因引起的故障，是可以的。但人為原因造成的故障，如果強送合 閘可能危及人身安全，所以有必要對不同原因造成的跳閘予以區(qū)別對待，以便采取不同的 事故處理措施。輸電線路遭受的雷擊，按是否引起故障可分故障性雷擊和非故障性雷擊。其中，故 障性雷擊與普通短路均可作故障處理，非故障性雷擊可視為干擾。雷電干擾可能導(dǎo)致保護 裝置誤動作，還可能侵入變電站，引起系統(tǒng)過電壓，進而影響電網(wǎng)一、二次設(shè)備的性能。針對 雷擊與普通短路故障的識別，國內(nèi)外均開展了研究，并取得了一些有益的成果。文獻1[董杏麗，葛耀中，董新洲.行波保護中雷電干擾問題的對策[J].中國電機 工程學(xué)報，2002，22 (9) :74-78]利用線路遭受雷擊前后電流幅值的變化構(gòu)建判據(jù)，該方法 判別簡單，但線路結(jié)構(gòu)和故障合閘角度對判據(jù)的影響較大。文獻2[Guibin ZOU,Houlei GAO,Ming XU，et al. Identification of lightning strokeand fault in the transient component based protection[C]. APPEEC, March 28-31,2009, Wuhan, China.]利用時間軸上下方暫態(tài)電流積分的相對比值和絕對差構(gòu)造綜 合識別判據(jù)，實現(xiàn)容易，但識別原理易受母線結(jié)構(gòu)的影響，有一定的局限性。文獻3 [王剛，李海峰，趙建倉，等.基于小波多尺度分析的輸電線路直擊雷暫態(tài)識 別[J].中國電機工程學(xué)報，2004，MG) :139-144]利用故障電流附加分量高低頻能量的關(guān) 系構(gòu)成判據(jù)來識別雷擊與普通短路故障，但分析表明，非故障性雷擊與普通短路故障其暫 態(tài)電流的高低頻分量能量的比值十分接近，存在判據(jù)難以確定的問題。文獻4[李海鋒，王剛，趙建倉.輸電線路感應(yīng)雷暫態(tài)特征分析及其識別方法[J]. 中國電機工程學(xué)報，2004，M (3) :114-119.]提出了主要針對感應(yīng)雷的雷擊線路識別方法， 該算法建立的特征量模型復(fù)雜且受雷電流波形變化的影響較大，不易整定判據(jù)。文獻7 [段建東，張保會，郝治國，等.超高壓線路暫態(tài)保護中雷電干擾與短路故障 的識別[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，觀(18) :30-35]提出了時域波形法，其原理是基于故障 性雷電波波前、波尾陡度與非故障性雷擊及普通短路故障存在差異。利用波前和波尾的最 大斜率比作為識別判據(jù)。但故障性雷擊的初始波頭與非故障性雷擊的初始波頭其波形非常 相似，此時判據(jù)也不易整定。文獻11[肖先勇，李逢，鄧武軍.雷擊與短路故障的S變換特征量識別方法[J]. 高電壓技術(shù)，2009，35 ) :817-822.]提出了雷擊與短路故障的S變換特征量識別方法，通過S變換提取時頻等值線和幅值包絡(luò)向量，根據(jù)是否含高頻分量和等值包絡(luò)向量的修正一 階中心矩的正負，實現(xiàn)類型識別，該方法判別相對復(fù)雜。文獻12 [吳昊，肖先勇，沈睿佼.小波能量譜和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法識別雷擊與短路故障 [J].高電壓技術(shù)，2007，33 (10) :64-68]提出基于小波能量譜和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的線路雷擊與短 路故障識別方法。該方法識別正確率雖然較高，但人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需進行大量訓(xùn) 練，運算量大，實用性不強。由此可見，現(xiàn)有關(guān)于雷擊識別的研究，并沒有完全實用有效的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為解決上述問題，提供一種新的雷電波侵入變電站的擾動識別 方法。該方法利用適合于分析非平穩(wěn)信號的S變換技術(shù)進行擾動信號的特征提取，根據(jù)不 同擾動情形下，暫態(tài)電壓信號的主要諧波次數(shù)及其對應(yīng)的幅值大小以及基波電壓的跌落差 異構(gòu)建識別判據(jù)，其方法簡便，靈敏度高，識別準(zhǔn)確，易于工程實現(xiàn)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種雷電波侵入變電站的擾動識別方法，它的過程為(1)實時監(jiān)測母線電壓信號；(2)對擾動時的電壓信號進行S變換，建立電壓信號的模時頻矩陣；(3)利用模時頻矩陣計算基波幅值、主要諧波次數(shù)以及主要諧波的最大幅值；以 母線電壓基波幅值的下降與否作為判斷故障和非故障雷擊或其它干擾的依據(jù)；以主要諧波 次數(shù)及其對應(yīng)的幅值大小作為判斷是否遭受雷擊的依據(jù)A 若母線電壓基波幅值下降，同時主要諧波次數(shù)及其對應(yīng)的幅值較大，則為故障 性雷擊；B:若母線電壓基波幅值下降，但主要諧波次數(shù)及其對應(yīng)的幅值較小，則為普通故 障；C:若母線電壓基波幅值未下降，但主要諧波次數(shù)及其對應(yīng)的幅值增大，則為非故
障雷擊；D 若母線電壓基波幅值未下降，但主要諧波次數(shù)的幅值較小，則為其它干擾。所述步驟(3)中，具體的判斷依據(jù)為1)以公式Utc < Ic1Ue作為識別故障以及非故障性雷擊或者其它擾動的判據(jù)，式中， υΦ為所監(jiān)測的母線基波電壓的標(biāo)么值，Φ為A相、B相和C相；Ue為母線額定電壓的標(biāo)么 值，也即等于1屯是電壓跌落系數(shù)，根據(jù)電壓等級和線路長度設(shè)定；若此式成立，則判別為 故障，否則視為非故障性雷擊或者其它擾動；2)以公式Ι^^Π^^作為判斷是否遭受雷擊的依據(jù)，式中，η為信號的主要諧波次
數(shù)；un是主要諧波次數(shù)所對應(yīng)幅值的標(biāo)么值；1 為可靠系數(shù)。因為一般噪聲、開關(guān)操作等擾 動信號的幅值較小，而雷擊產(chǎn)生的信號幅值較大，通過設(shè)定可靠系數(shù)可對二者進行有效區(qū) 分。本發(fā)明采用了 S變換理論S變換是基于小波變換和短時傅里葉變換的一種可逆時頻分析方法。由Mockwell 等學(xué)者于 1996 年首次提出，見文獻 13[Stockwell R C, Mansinba L, Low R P. Localization ofthe complex spectrum :the S transform[J]. IEEE Trans, on Signals Proceeding,1996,44(4) :998-1001]。對于信號h (t)的一維連續(xù)S變換定義如下S(t, f)=廠 h(f) J^ exp(-(r~^ ^ ) ^{-jlnft)dt(1)
^co 2其一維連續(xù)逆變換為
/ οο /·οοh(t) = S(t, f)dr exp(j.2;rft)dt(2)
J —00 J —00式中τ為時間，表示高斯窗在時間軸的位置；f為頻率；j為虛部單位。S變換是連續(xù)小波變換的“相位修正”，局部化所使用的高斯窗可以平移，因此信號 經(jīng)S變換后時頻譜的分辨率與頻率(即尺度)有關(guān)，具有很強的時間和頻率分辨能力。信號h(t)的S變換函數(shù)與傅立葉變換函數(shù)H(f)存在如下關(guān)系S(Tj) = Γ H{a+/)exp(-^^)exp(y2mr)i/ (3 )
J-OOP這樣S變換就可利用快速傅里葉變換實現(xiàn)快速計算。ShRT](k = 0，l，2，...，N-l)是以T為采樣間隔對連續(xù)時間信號h (t)進行采樣 得到的離散時間序列，由此可得該序列的離散傅立葉變換為令式(3)中的f = η/ΝΤ, τ = iT得的離散S變換
γ ι CVT- η 、 Tj^m + n^ r 2π2πι2、 ( .2ππιΙ、(5)~—
m=0“采樣序列h [kT]經(jīng)S變換后得到一個復(fù)時頻矩陣，對其求模后得到模時頻矩陣。模 時頻矩陣的行向量為某一頻率成分的幅值隨時間的變化，列向量為某一時間對應(yīng)的各頻率 成分的幅值。因此，可利用S變換技術(shù)獲取信號的模時頻矩陣，進而在時域和頻域內(nèi)提取擾 動信號的波形特征，并根據(jù)特征差異構(gòu)建識別判據(jù)。本發(fā)明的識別原理為1母線暫態(tài)電壓波形特征的提取無論變電站母線還是與之相連的輸電線路，在發(fā)生雷擊或普通短路故障后的暫態(tài) 過程中，母線電壓的波形均發(fā)生變化，由此可實時監(jiān)測母線電壓信號，實現(xiàn)雷電是否入侵變 電站的識別。圖la、圖lb、圖lc、圖Id為圖4所示仿真模型中，線路MN分別發(fā)生A相接地 短路、AB相間短路、A相非故障雷擊以及A相故障性雷擊時，母線M上A相電壓的相應(yīng)波形 圖。采用S變換技術(shù)對上述四種典型波形進行處理，并用MATLAB畫出模時頻等值線， 得到圖2a、圖2b所示對應(yīng)的波形圖。圖中，波形的顏色深淺代表信號某個頻率成分的幅值大小，顏色越深表明該頻率 成分的幅值越大。圖加和圖2b中，顏色最深的位置接近OkHz附件，也即基波幅值最大，而 其它頻率成分(或者稱諧波)對應(yīng)的幅值非常?。粓D2c所示，基波成分對應(yīng)的幅值較大，同
5時諧波成分對應(yīng)的幅值也較大；而圖2d中，基波成分對應(yīng)的幅值有所下降，但諧波成分對 應(yīng)的幅值較大。觀察母線電壓波形圖Ia至圖Id和圖加至圖2d，可以總結(jié)出當(dāng)線路遭受不同擾動 后其暫態(tài)電壓波形特征具有以下差異(1)當(dāng)發(fā)生普通短路時，故障相母線電壓會跌落，高次諧波含量少且幅值很小；(2)當(dāng)發(fā)生故障性雷擊時，母線電壓中的基波分量跌落，高次諧波含量豐富且幅值 很大；(3)當(dāng)發(fā)生非故障性雷擊時，母線電壓高次諧波含量豐富且幅值很大，但基波幅值 不會跌落。由此可知，信號經(jīng)過S變換后得到的時頻等值線圖，能夠很好地反映不同擾動信 號在時域和頻域內(nèi)的特征，根據(jù)不同工況下母線暫態(tài)電壓波形的特征差異，可構(gòu)造雷擊與 普通短路故障的識別判據(jù)。2判據(jù)的構(gòu)建對S變換后獲到的模時頻矩陣進行計算，可得表1所示的數(shù)據(jù)。表1不同擾動時模時頻矩陣對應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種雷電波侵入變電站的擾動識別方法，其特征是，它的過程為(1)實時監(jiān)測母線電壓信號；(2)對擾動時的電壓信號進行S變換，建立電壓信號的模時頻矩陣；(3)利用模時頻矩陣計算基波幅值、主要諧波次數(shù)以及主要諧波的最大幅值；以母線 電壓基波幅值的下降與否作為判斷故障和非故障雷擊或其它干擾的依據(jù)；以主要諧波次數(shù) 及其對應(yīng)的幅值大小判斷是否有雷電波侵入變電站的依據(jù)A 若母線電壓基波幅值下降，同時主要諧波次數(shù)及其對應(yīng)的幅值較大，則為故障性雷擊；B 若母線電壓基波幅值下降，但主要諧波次數(shù)及其對應(yīng)的幅值較小，則為普通故障； C 若母線電壓基波幅值未下降，但主要諧波次數(shù)及其對應(yīng)的幅值增大，則為非故障雷擊；D 若母線電壓基波幅值未下降，但主要諧波次數(shù)的幅值較小，則為其它干擾。
2.如權(quán)利要求1所述的雷電波侵入變電站的擾動識別方法，其特征是，所述步驟(3) 中，具體的判斷依據(jù)為1)以公式Utc< Ic1Ue作為故障和非故障性雷擊或者其它擾動的識別判據(jù)，式中，υφ為 所監(jiān)測的母線基波電壓的標(biāo)么值，Φ為A相、B相和C相禮是母線額定電壓的標(biāo)么值，也 即等于1屯是電壓跌落系數(shù)，根據(jù)電壓等級和線路長度設(shè)定；若此式成立，則判別為故障， 否則視為非故障性雷擊或者其它擾動；2)以公式為變電站是否有雷電波侵入的判斷依據(jù)，式中，η是信號的主要諧波次數(shù);Un為主要諧波次數(shù)所對應(yīng)幅值的標(biāo)么值；1 為可靠系數(shù)。因為一般噪聲、開關(guān)操 作等擾動信號的幅值較小，而雷擊產(chǎn)生的信號幅值較大，通過設(shè)定可靠系數(shù)可對二者進行 有效區(qū)分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新的雷電波侵入變電站的擾動識別方法，它的過程為(1)實時監(jiān)測母線電壓信號；(2)對故障時的電壓信號進行S變換，建立電壓信號的模時頻矩陣；(3)利用模時頻矩陣計算基波幅值、主要諧波次數(shù)以及主要諧波的最大幅值；以母線電壓基波幅值的下降與否作為判斷故障和非故障雷擊或其它干擾的依據(jù)；以主要諧波次數(shù)及其對應(yīng)的幅值大小判斷是否遭受雷擊的依據(jù)。它利用適合于分析非平穩(wěn)信號的S變換技術(shù)進行擾動信號的特征提取，根據(jù)不同擾動情形下，暫態(tài)電壓信號的主要諧波次數(shù)及其對應(yīng)的幅值大小以及基波電壓的跌落差異構(gòu)建識別判據(jù)，其方法簡便，靈敏度高，識別準(zhǔn)確，易于工程實現(xiàn)。
文檔編號G01R19/165GK102135560SQ20111004320
公開日2011年7月27日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月23日
發(fā)明者王明軍, 鄒貴彬, 高厚磊 申請人:山東大學(xué)