一种暂态量保护的雷击故障识别方法 技术领域：
本发明涉及一种暂态量保护的雷击故障识别方法，属电力系统继电保护技术领域。
背景技术：
十多年以来，随着微电子技术的发展，基于线路故障引起暂态量的保护原理受到了国内外电力工作者的热切关注，掀起了对行波保护和暂态保护的研究高潮，亦已取得了可喜的研究成果(参考文献1-4)。这些保护原理的最大特点是：可以利用故障产生的暂态信号中蕴含的丰富高频分量快速地识别故障，达到快速切除故障的目的。但与此同时，行波保护与暂态保护也将面临更多的高频干扰，雷电冲击就是其中最主要的干扰因素。雷电冲击通常为一单极性脉冲波，上升时间和下降时间都很短，属于高频信号。对于基于工频量的传统保护，雷电所产生的高频分量会作为干扰而滤掉。线路雷害的形成主要是在雷电过电压的作用下，线路绝缘发生闪络，当闪络转变为稳定的工频电弧时，才会引起保护的动作，使断路器跳闸，此时实际上已发生了故障。因此雷电冲击对基于工频量地传统保护影响不大。然而，由于雷电冲击与故障引起的暂态信号都是高频信号，所以行波保护以及暂态保护必须能够正确区分这两种暂态信号。因此，能否正确快速识别雷电干扰是行波保护和暂态保护实用化所必须解决的关键问题之一。
随着对行波保护与暂态保护研究的深入，一些研究者已经开始关注雷电干扰的识别问题，并取得了一定的成果(参考文献5-7)。文献5中识别雷击线路造成故障与不造成故障的方法是：雷击未造成故障时，雷击前后线路电流变化不大，雷击造成故障时，雷击前后线路电流变化较大。这个方法看似正确，但由于行波在母线处的折、反射，即使雷击已经过去，行波过程还将持续一定的时间。这样就存在未造成故障的雷击虽已过去，但其引起的行波还未消失的可能；而且故障后的行波可能过零，这种方法可能把“过零”看作“雷击前后线路电流变化不大”，从而使保护拒动。文献6中的方法只是针对感应雷击，尚未系统解决如何识别雷电干扰的问题，不够全面。文献7利用雷击不造成故障时，行波(暂态)信号中高频分量与低频分量能量比值大，而故障(包括雷击造成故障)时，行波(暂态)信号中高频分量与低频分量能量比值小，这一特征构成雷电波的识别方法。但线路发生雷击导线(绕击)并未引起故障时，行波信号中高频分量与低频分量能量比值也可能比较小，与故障时的情况将难以区别。
参考文献：
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发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种在对雷击线路及故障的电磁暂态特征分析的基础上，通过大量仿真后认定可以正确区分故障的一种暂态量保护的雷击故障识别方法。
1雷击线路与线路故障的电磁暂态特征
雷电冲击作用于输电线路，根据过电压的形成过程可以分为两大类：感应雷和直击雷。本方法主要对直击雷引起的暂态进行分析，采用图1所示的系统，线路杆塔结构与文献6中的相同，对其中的MN线路遭受不同的雷击与故障进行研究，M母线、N母线除了MN线路外还有其它出线。本方法将由故障或雷击造成故障所引起的行波称为故障行波，将雷击未造成故障引起的行波称为非故障行波。
在对雷击导线与线路故障的电磁暂态仿真时，输电线路看作一般的三相传输线系统，且设雷击导线的耐雷水平为20kA。在施行相模变换时，相模变换矩阵T=1111-1001-1-101,]]>它将ABC三相变换为0αβγ分量，其中αβγ为三个线模分量，它们是线性相关的。
发明人也对雷击杆塔、雷击避雷线档距中央、雷击导线造成故障与不造成故障以及线路故障引起的行波过程进行了大量的暂态仿真。其中，雷击杆塔、雷击避雷线档距中央、雷击导线不造成故障的典型行波(故障分量)波形如图2-图4所示。本发明的波形图中，纵轴单位均为kA，横轴单位均为ms。雷击杆塔、雷击避雷线档距中央不造成故障引起的行波，三相的电流波形及大小都比较相近，因此其零模分量较大，而线模分量较小；但雷击导线不造成故障时的行波，雷击相的电流行波比非雷击相的电流行波大得多，波形也不相近。然而它们的共同特点是：三相电流及其各模分量的波形围绕时间轴正负交替变化，并随时间的逝去在不断地衰减与变形。
由于雷击避雷线档距中央将引起强烈电晕，使雷电波的陡度变缓、幅值变小，所以雷击避雷线时的耐雷水平远大于雷击杆塔的耐雷水平。仿真与实际运行均表明，避雷线档距中央一般不会引起绝缘闪络(参考文献8)，因此，本发明中不考虑雷击避雷线档距中央引起故障的情况。当雷击杆塔、雷击导线造成故障以及线路故障时，其典型的波形如图5-图7所示。从图5-图7可得到故障行波的主要特征为：故障相电流行波能量明显大于非故障相，故障相电流行波在较短的时间内(如3ms)，变化趋势总的来说是单调的(增大或减小，与故障合闸角有关)，并可能过零，过零时行波低频分量的能量会比较小。
2故障行波与非故障行波的识别方法
比较故障行波与非故障行波的特征可以看出，由于未造成故障的雷击行波在多次折、反射后最终将衰减为零，所以它的电流行波表现为围绕时间轴正负交替变化；而故障引起的行波在故障后较短时间内变化趋势总的来说是单调的。本发明根据故障与非故障引起的电流行波波形特征的不同，用一条直线对故障后的行波进行线性拟合，根据拟合误差定义了波形一致性系数，通过波形一致性系数的大小来识别故障行波与非故障行波，本方法的具体步骤如下：
(1)当输电线路发生故障或遭受雷击，在保护安装处检测到比较大的行波时，行波保护或暂态保护启动并记录下时间为3ms的行波过程；
(2)通过模变换矩阵T=1111-1001-1-101]]>计算零模分量与线模分量；
(3)寻找初始行波的起始位置，对4个模分量0αβγ进行小波变换得到各个尺度下的模极大值，选择d2尺度寻找模极大值的最大值，按照模极大值在时间上出现的先后顺序寻找大于模极大值的最大值0.5倍的模极大值，它对应的时间作为初始行波出现的时刻Tini；
(4)比较零模分量与线模分量初始行波的能量，取各模量初始行波出现的时刻Ti前10μs和后90μs的数据，按Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>计算其各模量行波的能量，式中x(i)表示离散的采样点，N为参与计算能量的采样点总数，零模的能量E0与线模能量最大值E1的比较值K的取值范围是2～5；
(5)寻找初始行波能量最大的线模maero，用于下面的计算；
(6)从线模maero的初始行波开始时刻Tini起，每100μs用式Avr=1NΣi=1Nx(i)]]>计算一次行波的平均值，式中x(i)表示离散的采样点，N为100μs对应的采样点总数，这样可以得到n个平均值Avr(1)，Avr(2)...Avr(n)；
(7)对n个平均值Avr(1)，Avr(2)...Avr(n)用直线y＝ax+b进行拟合，得到a和b；
(8)用式Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>计算n个平均值Avr(1)，Avr(2)...Avr(n)对应的能量Ea；
(9)用式Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>计算n个平均值与拟合直线y＝ax+b差值的能量，即Avr(1)-a-b，Avr(2)-2a-b...Avr(n)-na-b对应的能量Eb，定义Coeff＝(Ea-Eb)/Ea为波形一致性系数，波形一致性系数Coeff的范围为[0，1]；
(10)Coeff＞Kc时所检测到的行波是故障行波，反之为非故障行波，Kc整定为0.4。
本发明与现有技术相比，具有的理论基础较为直观，并通过大量的暂态仿真验证了本方法可靠、有效。本方法适用于一切暂态量保护的雷击干扰快速识别。
附图说明：
图1仿真系统模型
图2雷击杆塔未致故障时，线路l1M端有关电流波形
图3雷击避雷线时，线路l1M端电流波形
图4雷击导线未造成故障时，线路l1M端电流波形
图5雷击杆塔造成故障时，线路l1M端电流波形
图6雷击导线造成故障时，线路l1M端电流波形
图7线路A-G故障时线路l1M端的A相电流波形
具体实施方式：
本方法的具体步骤如下：
(1)当输电线路发生故障或遭受雷击，在保护安装处检测到比较大的行波时，行波保护或暂态保护启动并记录下时间为3ms的行波过程；
(2)通过模变换矩阵T=1111-1001-1-101]]>计算零模分量与线模分量；
(3)寻找初始行波的起始位置，对4个模分量0αβγ进行小波变换得到各个尺度下的模极大值，选择d2尺度寻找模极大值的最大值，按照模极大值在时间上出现的先后顺序寻找大于模极大值的最大值0.5倍的模极大值，它对应的时间作为初始行波出现的时刻Tini；
(4)比较零模分量与线模分量初始行波的能量，取各模量初始行波出现的时刻Ti前10μs和后90μs的数据，按Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>计算其各模量行波的能量，式中x(i)表示离散的采样点，N为参与计算能量的采样点总数，零模的能量E0与线模能量最大值E1的比较值K的取值范围是2～5；当零模的能量E0大于各线模能量最大值E1的K倍时，认为线路遭受感应雷击或发生雷击杆塔，不用进行下面的判断。
(5)寻找初始行波能量最大的线模maero，用于下面的计算；
(6)从线模maero的初始行波开始时刻Tini起，每100μs用式Avr=1NΣi=1Nx(i)]]>计算一次行波的平均值，这样可以得到n个平均值Avr(1)，Avr(2)...Avr(n)。计算平均值一方面对剧烈变化的行波有一定的滤波作用，另一方面把行波采集数据的几千个点(按1MHz采样率计算)减少到几十个点。式中x(i)表示离散的采样点，N为100μs对应的采样点总数，这样可以得到n个平均值Avr(1)，Avr(2)...Avr(n)；
(7)对n个平均值Avr(1)，Avr(2)...Avr(n)用直线y＝ax+b进行拟合，得到a和b；
(8)用式Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>计算n个平均值Avr(1)，Avr(2)...Avr(n)对应的能量Ea；
(9)用式Energy=1NΣi=1Nx2(i)]]>计算n个平均值与拟合直线y＝ax+b差值的能量，即Avr(1)-a-b，Avr(2)-2a-b...Avr(n)-na-b对应的能量Eb，定义Coeff＝(Ea-Eb)/Ea为波形一致性系数，波形一致性系数Coeff的范围为[0，1]；
(10)Coeff＞Kc时所检测到的行波是故障行波，反之为非故障行波，Kc整定为0.4。