本发明属于高压直流输电线路维护技术领域，涉高压直流输电线路雷击干扰识别方法，尤其是一种基于S变换的高压直流输电线路雷击干扰识别方法。
背景技术：
特高压直流输电技术起源于20世纪60年代，由于换流设备的发展，高压直流输电技术在世界范围内得到了广泛应用，其具有功率传输稳定、输电容量大、传输效率高、线路自防护能力强、可实现远距离输电等优点，已成为大能源基地电力外送、异步电网互联的重要方式，也是国家发展清洁能源、治理雾霾的重要手段。由于直流输电系统的继电保护水平对电力系统运行的稳定性以及安全性影响最大，因此对于直流输电系统机电保护技术的研究至关重要。
目前运行中的直流输电线路继电保护技术主要由ABB或SIEMENS提供。双极直流输电线路两极电压的极性相反，而雷电多为负极性，因此直流输电线路发生雷击时通常以雷击正极线路为主。直流输电线路主保护配置行波保护，后备保护配置电流纵联差动保护，针对目前保护装置存在无法准确识别雷击干扰的问题，众多学者进行了大量研究，提出了许多有益的方法。
《±800kV特高压直流输电线路单端电气量暂态保护》提出了利用相关度理论识别雷击干扰的方法，利用相关度理论实现雷击识别，保护原理完整且具有绝对的选择性，但易受故障条件的影响，且小波变换尺度固定，时间窗长达10ms，对保护装置的快速动作不利。
《利用电流突变特性的高压直流输电线路纵联保护新原理》提出了一种基于电流突变特性的纵联保护原理，对于直流线路区内外故障时线路两端电流突变方向的差异，构造电流突变的识别判据，从而有效识别区内外故障和雷电干扰。虽然不需要两端数据同步，但高阻故障影响到门槛值的整定。
由此可见，现有关于高压直流输电线路雷击识别的研究，并没有抗干扰性强且灵敏度较高的方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种设计合理、抗干扰性强且灵敏度较高的基于S变换的高压直流输电线路雷击干扰识别方法。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于S变换的高压直流输电线路雷击识别方法，包括以下步骤：
步骤1、在系统整流侧保护安装处实时采集与直流输电线路各极相连的保护元件处的电压；
步骤2、将步骤1所采集的保护元件处的电压滤波后，提取故障后5ms的电压故障分量，并计算得到线模电压；
步骤3、在系统保护安装处对线模电压分量进行S变换，得到其复时频S矩阵，求得100Hz以下频段的S变换暂态能量和GL以及200Hz以上频段的S变换暂态能量和GH，并计算两者的比值k，将k值与雷击干扰识别判据作比较，准确识别该区内扰动为雷击干扰或者为区内故障。
而且，所述步骤3的求线模电压分量100Hz以下频段的S变换暂态能量和GL的计算公式为：
所述步骤3的求线模电压分量200Hz以上频段的S变换暂态能量和GH的计算公式为：
式中，E(m,n)＝abs(Sa[m,n])，Sa[m,n]为信号经S变换得到的复时频S矩阵，E(m,n)表示复时频S矩阵中的每个元素经过求模值得到的模矩阵，其中n为列向量，表示信号在某一时刻的幅频特性；m为行向量，表示信号在某一频率下的时域特性。
而且，所述步骤3的求GH和GL的比值k的计算公式为：
k＝GH/GL
所述步骤3的识别雷击干扰的保护判据门槛值为20，当系统判定为内部扰动后，若k值大于20，则该区内扰动为为雷击干扰，保护不动作；若k值小于20，该区内扰动为区内故障，进而保护动作。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明通过对比雷击干扰、雷击故障以及普通短路故障的不同频段(高频段与低频段的)下S变换暂态能量和含量比值，构造雷击干扰识别判据，准确识别雷击干扰，可靠性强，动作速度快，识别准确且易于工程实现。
2、本发明能够在各种故障初始条件下可靠、快速地识别故障方向，保护在雷击干扰时准确识别，保护不误动；过渡电阻以及故障位置等因素对保护判据几乎没有影响，可靠性、灵敏性高；
3、本发明所提方法为单端量保护，仅需要在整流侧完成计算与判断，原理简单、清楚，抗干扰性强且易于工程实现，具有较高的实用价值。
附图说明
图1(a)是本发明的雷击干扰下线模电压的S变换暂态能量和分布图；
图1(b)是本发明的短路故障下线模电压的S变换暂态能量和分布图；
图1(c)是本发明的雷击故障下线模电压的S变换暂态能量和分布图；
图2是本发明的S变换暂态能量和比值随故障距离变换的拟合曲线图；
图3是本发明的溪洛渡—浙西±800kV特高压直流输电线路模型图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
本发明公开了一种基于S变换的高压直流输电线路雷击识别方法，包括以下步骤：
步骤1、在系统整流侧保护安装处实时采集与直流输电线路各极相连的保护元件处的电压；
步骤2、将步骤1所采集的保护元件处的电压滤波后，提取故障后5ms的电压故障分量，并计算得到线模电压；
步骤3、在系统保护安装处对线模电压分量进行S变换，得到其复时频S矩阵，求得100Hz以下频段的S变换暂态能量GL以及200Hz以上频段的S变换暂态能量GH，并计算两者的比值k，将k值与雷击干扰识别判据作比较，准确识别该区内扰动为雷击干扰或者为区内故障。
所述步骤3的求线模电压分量100Hz以下频段的S变换暂态能量和GL的计算公式为：
所述步骤3的求线模电压分量200Hz以上频段的S变换暂态能量和GH的计算公式为：
式中，E(m,n)＝abs(Sa[m,n])，Sa[m,n]为信号经S变换得到的复时频S矩阵，E(m,n)表示复时频S矩阵中的每个元素经过求模值得到的模矩阵，其中n为列向量，表示信号在某一时刻的幅频特性；m为行向量，表示信号在某一频率下的时域特性。
在本实施例中，通过对故障后提取的暂态电压进行S变换，考虑到雷击干扰以及雷电波的衰减时间，时间窗选取为5ms，采样频率为100kHz。信号经S变换后分解为501×500的复时频矩阵，矩阵每行的频率间隔为100Hz，最高频率为50kHz；
所述步骤3的求GH和GL的比值k的计算公式为：
k＝GH/GL (3)
在本实施例中，所述步骤3中，识别雷击干扰的保护判据门槛值为20，当系统判定为内部扰动后，若k值大于20，则该区内扰动为为雷击干扰，保护不动作；若k值小于20，该区内扰动为区内故障，进而保护动作。
在本实施例中，所述步骤3的直流输电线路雷击干扰识别原理为：
双极直流输电线路两极电压的极性相反，而雷电多为负极性，因此直流输电线路发生雷击时通常以雷击正极线路为主。由于雷电波本身为高频单极性脉冲波，其高频分量丰富，而低频分量弱；但是线路发生短路故障时，故障行波中含有大量的低频分量。由此,可根据雷击与短路故障时的这种特性差异，对线模电压进行S变换，利用S矩阵分解出不同频段的暂态能量和，得到雷击干扰、短路故障以及故障性雷击的S变换暂态能量差异，构造雷击识别判据，从而准确识别雷击干扰。
以距整流站300km时发生雷击干扰、短路故障以及故障性雷击为例，提取三种情形下的线模电压在不同频段的S变换暂态能量和如图3所示，雷电流的幅值为15kA，短路故障的过渡电阻为100Ω，故障性雷击的过渡电阻为50Ω。图中除第一个频段的宽度为100Hz外，其余频段的宽度均为2kHz。
如图1(a)所示，线路发生雷击干扰时，由于输电线路波阻抗连续，雷电波并没有发生折射或截断，因此输电线路中100Hz以下的低频分量含量较低，而200Hz以上频段的S变换暂态能量和占比较大。由图1(b)可知，线路发生短路故障时，100Hz以下的低频含量大幅增加，而200Hz以上的暂态能量含量明显低于雷击干扰时的对应值。当线路发生故障性雷击时，暂态行波信号由雷击和故障点的电压突变叠加产生，暂态信号应兼具雷击和短路时的特征。图1(c)显示，200Hz以上频段的暂态能量以及低频分量都略高于短路故障时的对应值，但是低频分量远高于雷击干扰时的对应值。
由此可利用200Hz以上频段的S变换暂态能量和与100Hz以下频段的S变换暂态能量和的比值构成雷击识别判据k＝GH/GL，显然当发生雷击干扰时，k的值将较大，反之则较小。由上例可得这三种情况的k值分别为36.407，1.690和2.633，可见雷击干扰与短路故障和雷击故障的区分度较为明显。为确定门槛值，在线路全长范围内设置雷击干扰与雷击故障，两者均考虑最不利于保护动作的情况，雷击干扰的雷电波幅值为5kA，雷击故障的雷电波幅值为30kA，过渡电阻为300Ω。
如图2所示，在最不利于保护动作的情况下，雷击故障时k均小于20，雷电干扰时k均大于20，因此，k的门槛值设为20。当系统判定为内部扰动后，若k值大于20，则为雷击干扰，保护不动作；若k值小于20，则为区内故障，并由故障极识别元件识别故障极。
本发明的系统整流侧的保护安装处对于雷击干扰的方法为：系统启动判据启动后，由保护安装处首先完成对两极电压故障分量的数据采样，并进行线模变换得到5ms线模电压分量。利用该线模电压分量进行S变换求k值，若k>20，说明该区内扰动为雷击干扰，保护不动作，若k<20，说明该区内扰动为区内故障，进而保护动作。
利用PSCAD构建输电线路仿真模型，对所提方法进行仿真验证：
1)建立模型
仿真模型根据±800kV溪洛渡—浙西特高压直流输电线路实际参数，利用PSCAD搭建了双极直流输电系统仿真模型，整流站与逆变站均采用双12脉波换流阀；线路采用依频模型，6分裂，输送容量为7500MW，直流线路全长约1728km。
模型中设置不同位置的直流线路区内外故障以及雷击，以测试所提保护的性能。本发明采样频率为100kHz，S变换的数据窗为5ms，保护位于整流侧。
2)区内故障仿真
a、保护安装出口处极-地故障。在距整流站5km处设置正极接地故障F1，即极1接地故障，过渡电阻考虑了0.01，100，300Ω三种情况。仿真结果如表1所示。
由表1数据可知，雷击识别判据k均小于门槛值20，即判断为区内故障，判别结果准确。
表1F1点故障时保护安装处的仿真结果
b、直流线路末端极-地故障。在距逆变站5km处设置负极接地故障F2，即极2接地故障，过渡电阻仍考虑0.01，100，300Ω。仿真结果如表2所示。
表2 F2点故障时保护安装处的仿真结果
由表2数据可知，三种过渡电阻状态下雷击识别判据k均小于门槛值20，判断为区内故障，判别结果准确。
c、直流线路极-极故障。在直流线路中点处设置极-极故障F3，过渡电阻为0.01Ω。仿真结果见表3。
由表3数据可知，区内外故障识别判据和雷击识别判据可判断为区内故障，判别结果准确。
表3 F3点故障时保护安装处的仿真结果
d、区内故障影响因素分析。设置负极线路(极2)区内故障，综合考察不同故障距离、不同过渡电阻对保护判据的影响。故障条件及仿真结果见表4。
表4负极线路故障时保护安装处的仿真结果
由表4数据可知：①在不同故障距离、不同过渡电阻的情况下，识别判据均能做出正确判断；②对于同一类型的故障，不同过渡电阻下计算得出的S变换暂态能量和不同，但其对判据不受影响。
3)雷击干扰与雷击故障仿真
在正极直流输电线路的末端F4距逆变站5km处设置不同初始条件下的雷击干扰和雷击故障，其中，雷击故障的过渡电阻为300Ω。保护安装处的计算结果如表5所示。
4点雷击干扰与雷击故障时保护安装处的仿真结果
由表5数据可知，在不同雷电流的干扰下，区内外故障识别元件正确识别为区内扰动，雷击识别判据均大于门槛值20，均能正确识别为雷击干扰，保护不动作；若雷击线路引起故障，经雷击识别元件判断后，结果为区内故障，判别结果准确。
本发明通过对高压直流输电线路电压暂态量的S变换分析，提出了一种利用S变换提取线模电压特定频段下的S变换暂态能量和，进而构造雷击干扰识别判据，准确识别雷击干扰的方法，仿真结果表明，本文所提方法不受过渡电阻以及故障距离等因素的影响，数据窗时间较短，可在线路单端实现直流输电线路的雷击识别。
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。