本發(fā)明涉及一種基于能譜相似度的特高壓直流輸電線路雷擊故障識別方法，屬于電力系統(tǒng)繼電保護技術領域。

背景技術：

雷擊是造成特高壓輸電線路跳閘的主要原因，其中以直擊雷危害更為嚴重。加之我國特高壓直流輸電線路距離長，分布廣和途經的自然條件復雜惡劣，對輸電線路保護面臨重大考驗。雷擊故障和普通故障各自有特點，如何利用其特點作為暫態(tài)保護的依據(jù)來準確、快速識別各類性質故障是很重要的課題。

目前國內外很多學者對此進行了大量的研究。有的學者針對交流輸電線路直擊雷與短路故障的暫態(tài)特性，其暫態(tài)信號的能量在高、低頻帶上存在差異的規(guī)律提出了識別判據(jù)。然而這種判據(jù)并沒有考慮到雷擊故障較弱的情況從而引起元件誤動的情況，存在誤判的可能。而對于特高壓直流線路的雷電干擾、雷擊故障行波和短路故障的行波波形特征的分析，提出的方法仍難以辨識特高壓直流輸電線路上所發(fā)生的雷擊故障和普通短路故障，特高壓直流線路遭受雷擊時的內在暫態(tài)特性仍有待進一步研究。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種基于能譜相似度的特高壓直流輸電線路雷擊故障識別方法，利用該方法實現(xiàn)提取一套識別雷電干擾、接地故障、反擊故障和繞擊故障的判據(jù)，能夠對各類情況進行準確、快速、有效的識別。

本發(fā)明的技術方案是：一種基于能譜相似度的特高壓直流輸電線路雷擊故障識別方法，當特高壓直流輸電線路電壓發(fā)生波動時，取穩(wěn)定運行時的正極時域波形與其零軸所圍面積和任一故障類型的正極時域波形與其零軸所圍面積的比值，根據(jù)比值大小識別故障和雷擊干擾；若為故障則轉入故障分類的識別，利用小波對附加分量進行小波分解識別，判斷是接地故障還是雷擊故障；若為雷擊故障則轉入繞擊故障與反擊故障識別。

所述方法具體步驟為：

(1)取初始行波5ms內的電壓采樣數(shù)據(jù)進行分析，首先取穩(wěn)定運行時的正極時域波形與其零軸所圍面積，接著取任一故障類型的正極時域波形與其零軸所圍面積，將兩者作比，得到比值k，用比值k進行故障與雷電干擾的識別；

式中，u+(t)為穩(wěn)定運行時的正極電壓；u+(t)為故障時的正極電壓；

其判定標準為：

當k＞1.5時，判定為故障；當k＜1.5時，判定為雷電干擾；

(2)若為故障，則計算與標準能譜矩陣的相似度m1、m2、m3，相似度最大者對應故障類型，從而識別雷擊故障和接地故障；

(3)若為雷擊故障，計算模極大值的差值kk，若kk為正則為反擊故障，若kk為負則為繞擊故障。

所述標準能譜矩陣的相似度選取規(guī)則如下：

(1)截取5ms內的雷擊故障與接地故障的暫態(tài)電壓波形作為特征提取信號，采樣頻率是20khz，對其進行7層分解，得到小波系數(shù)d1(n)～d7(n)；

(2)計算各頻帶能量ej：

式中，j為小波分解的層數(shù)，dj(k)為小波分解后的高頻信號系數(shù)，ej為各頻段內的小波能量和；

得到小波能量譜序列為：

d1頻帶(5khz<f<10khz)能量為e1，d2頻帶(2.5khz<f<5khz)能量為e2，d3頻帶(1.25khz<f<2.5khz)能量為e3，d4頻帶(0.625khz<f<1.25khz)能量為e4，d5頻帶(312.5hz<f<625hz)能量為e5，d6頻帶(156.25hz<f<312.5hz)能量為e6，d7頻帶(78.125hz<f<156.25hz)能量為e7，低頻小波能量頻帶a7(0hz<f<78.125hz)能量為dn為小波變換所取的波段，n＝1-7；

(3)根據(jù)電壓暫態(tài)分量中存在的規(guī)律，計算每種故障情況的10組數(shù)據(jù)的能譜平均值，取d1、d2、d3、d4、d5的能量作為能譜標準矩陣，計算任一故障能譜矩陣與標準矩陣的相似度作為識別判據(jù)，相似度最大者為與之對應的故障；

令ma為待識別故障過電壓經小波變換后的高中頻能譜矩陣；mb為能譜參考矩陣，兩者相似度為sab：

式中，h和w分別是矩陣的列數(shù)和行數(shù)；mb(i,j)為矩陣中第i行和第j列元素的大小，計算得m1為反擊故障標準矩陣的相關度，m2為與繞擊故障的標準矩陣的相關度，m3為與接地故障的標準矩陣的相關度。

所述模極大值選取規(guī)則如下；

小波模極大值即電壓信號經小波變換后的局部極值點，定義為：

|wsf(x)|≤|wsf(x0)|(6)

式中，為小波；wsf(x)是電壓信號f(x)的小波函數(shù)表示；如果在x的某一鄰域范圍內式(e)成立，則x0稱為小波變換的模極大值點，wsf(x0)為小波變換的模極大值；

令kk＝k1-k2(7)

若kk＞0，即可判定為反擊故障；若kk＜0，則判定為繞擊故障，其中，k1為第一個模極大值，k2為第二個模極大值。

本發(fā)明的原理是：

1.直流輸電線路雷擊識別

特高壓直流輸電線路發(fā)生雷電干擾時，電壓波形沿著直流分量上下波動，最后衰減至直流分量；故障電壓在短時間內大幅降落，最后衰減為零。計算5ms內電壓波形跟零軸的面積與以800kv為基值跟零軸的面積的比值，雷電干擾的比值穩(wěn)定在1左右，故障的比值積遠大于1，據(jù)此可以識別雷電干擾和故障。雷擊故障時，由于雷電流中有大量高頻分量，中高頻能量分布突出；短路故障時，電壓瞬間被截斷，能量主要集中在低頻段。利用兩種故障的能譜矩陣存在的差異，計算實際某種故障與標準矩陣的相關度可作為識別雷擊故障和接地故障的識別依據(jù)。反擊故障過程由于有塔頂電位(絕對值)驟增造成的絕緣子閃絡2個過程，經過小波變換后的兩個模極大值正負變化，而繞擊故障的模極大值與之相反。利用模極大值正負值的差異構成識別繞擊故障和反擊故障的依據(jù)。

2.小波變換的基本理論

小波分析在時域和頻域上同時具有良好的局部化性質，能對不同的頻率成分采用逐漸精細的采樣步長，聚焦到信號的任意細節(jié)，這對檢測高頻和低頻信號均有效，為輸電線路故障定位提供了一種更加精細有效的分析方法。

設為一平方可積函數(shù)，若其傅里葉變換ψ(ω)滿足可容許性條件，即：

則稱為一個基本小波，或者小波母函數(shù)。

將小波母函數(shù)進行伸縮和平移，可以得到連續(xù)小波基函數(shù)

式中：a是伸縮因子，或稱為尺度因子；b是平移因子。

對于任意的函數(shù)f(t)∈l2(r)的連續(xù)小波變換(continuouswavelettransform，cwt)為：

式中：表示的共軛。

小波多分辨分析就是將輸入信號序列進行雙通道濾波的過程，濾波器的輸出分別對應于輸入信號的低頻概貌和高頻細節(jié)。利用“二抽取”對每次分解后的低頻部分重復進行下去，即：每一級分解把該級輸入信號分解成一個低頻的粗略逼近和一個高頻的細節(jié)部分，而且每級輸出采樣率都可以再減半。對采樣頻率為fs的離散信號進行多尺度小波變換，則第j尺度對應的是在頻帶[fs/2j+1,fs/2j]的信號。

輸電線路發(fā)生故障后，故障信號的頻率特性隨時間變化而變化，小波變換有等距特性，故障信號的小波變換保持能量守恒，能量在時域和小波域是相等的。經小波多分辨分析可以得到分布在不同頻帶的故障信號，各頻帶信號的能量包含豐富的故障信息，可用于故障定位。

現(xiàn)定義某尺度下的信號小波能量為該尺度小波變換系數(shù)平方沿時間軸的積分，表達式如下：

式中：ej為第j層信號小波能量；n為時窗數(shù)據(jù)寬度；wj(k)為第j層小波變換系數(shù)。則離散小波變換的小波能量譜序列為

e＝[e1,e2,…,ej,…](12)

小波能量譜反映了故障信號各個尺度的能量水平，低尺度下的信號小波能量代表高頻信號小波能量，而高尺度下的信號小波能量代表低頻信號小波能量。

本發(fā)明的有益效果是：

1、提取一套識別雷電干擾、接地故障、反擊故障和繞擊故障的判據(jù)，能夠對各類情況進行準確、快速、有效的識別。

2、識別方法能夠排除大部分的干擾，減少誤識別的概率。

3、識別方法效率高，提高了線路保護的可靠性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的故障識別方法的原理框圖；

圖2是本發(fā)明基于pscad/emtdc電磁暫態(tài)仿真平臺建立±800kv直流輸電線路仿真圖；

圖3是本發(fā)明兩極電壓波形圖，其中圖a為反擊未故障時，圖b為繞擊未故障時，圖c為繞擊故障時，圖d為反擊未故障時；

圖4是本發(fā)明普通短路故障兩極電壓波形放大圖；

圖5是本發(fā)明雷擊故障與普通短路故障的高中頻能譜圖，a為反擊故障，b為繞擊故障，c為普通短路故障；

圖6是本發(fā)明反擊、繞擊故障零模分量模極大值圖，a為反擊故障零模分量模極大值圖，b為繞擊故障零模分量模極大值圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1：一種基于能譜相似度的特高壓直流輸電線路雷擊故障識別方法，當特高壓直流輸電線路電壓發(fā)生波動時，取穩(wěn)定運行時的正極時域波形與其零軸所圍面積和任一故障類型的正極時域波形與其零軸所圍面積的比值，根據(jù)比值大小識別故障和雷擊干擾；若為故障則轉入故障分類的識別，利用小波對附加分量進行小波分解識別，判斷是接地故障還是雷擊故障；若為雷擊故障則轉入繞擊故障與反擊故障識別。

所述方法具體步驟為：

(1)取初始行波5ms內的電壓采樣數(shù)據(jù)進行分析，首先取穩(wěn)定運行時的正極時域波形與其零軸所圍面積，接著取任一故障類型的正極時域波形與其零軸所圍面積，將兩者作比，得到比值k，用比值k進行故障與雷電干擾的識別；

式中，u+(t)為穩(wěn)定運行時的正極電壓；u+(t)為故障時的正極電壓；

其判定標準為：

當k＞1.5時，判定為故障；當k＜1.5時，判定為雷電干擾；

(2)若為故障，則計算與標準能譜矩陣的相似度m1、m2、m3，相似度最大者對應故障類型，從而識別雷擊故障和接地故障；

(3)若為雷擊故障，計算模極大值的差值kk，若kk為正則為反擊故障，若kk為負則為繞擊故障。

所述標準能譜矩陣的相似度選取規(guī)則如下：

(1)截取5ms內的雷擊故障與接地故障的暫態(tài)電壓波形作為特征提取信號，采樣頻率是20khz，對其進行7層分解，得到小波系數(shù)d1(n)～d7(n)；

(2)計算各頻帶能量ej：

式中，j為小波分解的層數(shù)，dj(k)為小波分解后的高頻信號系數(shù)，ej為各頻段內的小波能量和；

得到小波能量譜序列為：

d1頻帶(5khz<f<10khz)能量為e1，d2頻帶(2.5khz<f<5khz)能量為e2，d3頻帶(1.25khz<f<2.5khz)能量為e3，d4頻帶(0.625khz<f<1.25khz)能量為e4，d5頻帶(312.5hz<f<625hz)能量為e5，d6頻帶(156.25hz<f<312.5hz)能量為e6，d7頻帶(78.125hz<f<156.25hz)能量為e7，低頻小波能量頻帶a7(0hz<f<78.125hz)能量為dn為小波變換所取的波段，n＝1-7；

(3)根據(jù)電壓暫態(tài)分量中存在的規(guī)律，計算每種故障情況的10組數(shù)據(jù)的能譜平均值，取d1、d2、d3、d4、d5的能量作為能譜標準矩陣，計算任一故障能譜矩陣與標準矩陣的相似度作為識別判據(jù)，相似度最大者為與之對應的故障；

令ma為待識別故障過電壓經小波變換后的高中頻能譜矩陣；mb為能譜參考矩陣，兩者相似度為sab：

式中，h和w分別是矩陣的列數(shù)和行數(shù)；mb(i,j)為矩陣中第i行和第j列元素的大小，計算得m1為反擊故障標準矩陣的相關度，m2為與繞擊故障的標準矩陣的相關度，m3為與接地故障的標準矩陣的相關度。

所述模極大值選取規(guī)則如下；

小波模極大值即電壓信號經小波變換后的局部極值點，定義為：

|wsf(x)|≤|wsf(x0)|(6)

式中，為小波；wsf(x)是電壓信號f(x)的小波函數(shù)表示；如果在x的某一鄰域范圍內式(e)成立，則x0稱為小波變換的模極大值點，wsf(x0)為小波變換的模極大值；

令kk＝k1-k2(7)

若kk＞0，即可判定為反擊故障；若kk＜0，則判定為繞擊故障，其中，k1為第一個模極大值，k2為第二個模極大值。

實施例2：仿真模型如圖2所示，采用云廣±800kv直流輸電系統(tǒng)參數(shù)，雙極線路輸送容量為5000mw，整流側和逆變側的無功補償容量分別為3000和4000mvar，每極換流單元為2個12脈動的換流器組成。直流濾波器為12/24/36三調諧濾波器。

(1)取初始行波5ms內的電壓采樣數(shù)據(jù)進行分析，將穩(wěn)定運行的正極時域波形與其零軸所圍面積與任一故障類型的正極時域波形與其零軸所圍面積作比值k，用這個比值進行故障與雷電干擾的識別。

式中，u+(t)為穩(wěn)定運行時的正極電壓；u+(t)為故障時的正極電壓。

為提高識別準確性，設定k＝1.5k＝1.5作為故障與雷電干擾的識別判據(jù)，即，當k＞1.5時，判定為故障；當k＜1.5時，判定為雷電干擾。

(2)若為故障，則計算與標準能譜矩陣的相似度m1、m2、m3，相似度最大者對應故障類型，從而識別雷擊故障和接地故障。

(3)若為雷擊故障，計算模極大值的差值kk，若kk為正則為反擊故障，若為負則為繞擊故障。

本發(fā)明利用pscad/emtdc電磁暫態(tài)仿真軟件對云廣±800kv直流輸電模型進行大量仿真。仿真考慮了雷擊干擾和不同故障類型，以及不同故障距離和過渡電阻的情況，表1統(tǒng)計了不同條件下雷擊干擾的仿真識別結果，大量的仿真結果表明這些判據(jù)的有效性。

表1仿真結果

以上結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。