专利名称：雷电波侵入变电站的扰动识别方法
技术领域：
本发明涉及一种雷电波侵入变电站的扰动识别方法。
背景技术：
电网实际运行资料显示，输电线路故障跳闸有40%以上由雷击引起，极端情况可 接近80%。近年来，随着社会经济的快速发展，外力破坏造成的线路跳间已成为仅次于雷击 故障的第二大因素，其中以吊车施工等造成的事故居多。对于重合不成功的线路故障，按现 行调度运行规程，要求立即强送一次，以尽可能恢复供电，保证供电可靠性和电网稳定。对 于雷击、污闪、鸟害等自然原因引起的故障，是可以的。但人为原因造成的故障，如果强送合 闸可能危及人身安全，所以有必要对不同原因造成的跳闸予以区别对待，以便采取不同的 事故处理措施。输电线路遭受的雷击，按是否引起故障可分故障性雷击和非故障性雷击。其中，故 障性雷击与普通短路均可作故障处理，非故障性雷击可视为干扰。雷电干扰可能导致保护 装置误动作，还可能侵入变电站，引起系统过电压，进而影响电网一、二次设备的性能。针对 雷击与普通短路故障的识别，国内外均开展了研究，并取得了一些有益的成果。文献1[董杏丽，葛耀中，董新洲.行波保护中雷电干扰问题的对策[J].中国电机 工程学报，2002，22 (9) :74-78]利用线路遭受雷击前后电流幅值的变化构建判据，该方法 判别简单，但线路结构和故障合闸角度对判据的影响较大。文献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.]利用时间轴上下方暂态电流积分的相对比值和绝对差构造综 合识别判据，实现容易，但识别原理易受母线结构的影响，有一定的局限性。文献3 [王刚，李海峰，赵建仓，等.基于小波多尺度分析的输电线路直击雷暂态识 别[J].中国电机工程学报，2004，MG) :139-144]利用故障电流附加分量高低频能量的关 系构成判据来识别雷击与普通短路故障，但分析表明，非故障性雷击与普通短路故障其暂 态电流的高低频分量能量的比值十分接近，存在判据难以确定的问题。文献4[李海锋，王刚，赵建仓.输电线路感应雷暂态特征分析及其识别方法[J]. 中国电机工程学报，2004，M (3) :114-119.]提出了主要针对感应雷的雷击线路识别方法， 该算法建立的特征量模型复杂且受雷电流波形变化的影响较大，不易整定判据。文献7 [段建东，张保会，郝治国，等.超高压线路暂态保护中雷电干扰与短路故障 的识别[J].电力系统自动化，2004，观(18) :30-35]提出了时域波形法，其原理是基于故障 性雷电波波前、波尾陡度与非故障性雷击及普通短路故障存在差异。利用波前和波尾的最 大斜率比作为识别判据。但故障性雷击的初始波头与非故障性雷击的初始波头其波形非常 相似，此时判据也不易整定。文献11[肖先勇，李逢，邓武军.雷击与短路故障的S变换特征量识别方法[J]. 高电压技术，2009，35 ) :817-822.]提出了雷击与短路故障的S变换特征量识别方法，通过S变换提取时频等值线和幅值包络向量，根据是否含高频分量和等值包络向量的修正一 阶中心矩的正负，实现类型识别，该方法判别相对复杂。文献12 [吴昊，肖先勇，沈睿佼.小波能量谱和神经网络法识别雷击与短路故障 [J].高电压技术，2007，33 (10) :64-68]提出基于小波能量谱和神经网络的线路雷击与短 路故障识别方法。该方法识别正确率虽然较高，但人工神经网络结构复杂，需进行大量训 练，运算量大，实用性不强。由此可见，现有关于雷击识别的研究，并没有完全实用有效的方法。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种新的雷电波侵入变电站的扰动识别 方法。该方法利用适合于分析非平稳信号的S变换技术进行扰动信号的特征提取，根据不 同扰动情形下，暂态电压信号的主要谐波次数及其对应的幅值大小以及基波电压的跌落差 异构建识别判据，其方法简便，灵敏度高，识别准确，易于工程实现。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种雷电波侵入变电站的扰动识别方法，它的过程为(1)实时监测母线电压信号；(2)对扰动时的电压信号进行S变换，建立电压信号的模时频矩阵；(3)利用模时频矩阵计算基波幅值、主要谐波次数以及主要谐波的最大幅值；以 母线电压基波幅值的下降与否作为判断故障和非故障雷击或其它干扰的依据；以主要谐波 次数及其对应的幅值大小作为判断是否遭受雷击的依据A 若母线电压基波幅值下降，同时主要谐波次数及其对应的幅值较大，则为故障 性雷击；B:若母线电压基波幅值下降，但主要谐波次数及其对应的幅值较小，则为普通故 障；C:若母线电压基波幅值未下降，但主要谐波次数及其对应的幅值增大，则为非故
障雷击；D 若母线电压基波幅值未下降，但主要谐波次数的幅值较小，则为其它干扰。所述步骤(3)中，具体的判断依据为1)以公式Utc < Ic1Ue作为识别故障以及非故障性雷击或者其它扰动的判据，式中， υΦ为所监测的母线基波电压的标么值，Φ为A相、B相和C相；Ue为母线额定电压的标么 值，也即等于1屯是电压跌落系数，根据电压等级和线路长度设定；若此式成立，则判别为 故障，否则视为非故障性雷击或者其它扰动；2)以公式Ι^^Π^^作为判断是否遭受雷击的依据，式中，η为信号的主要谐波次
数；un是主要谐波次数所对应幅值的标么值；1 为可靠系数。因为一般噪声、开关操作等扰 动信号的幅值较小，而雷击产生的信号幅值较大，通过设定可靠系数可对二者进行有效区 分。本发明采用了 S变换理论S变换是基于小波变换和短时傅里叶变换的一种可逆时频分析方法。由Mockwell 等学者于 1996 年首次提出，见文献 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]。对于信号h (t)的一维连续S变换定义如下S(t, f)=厂 h(f) J^ exp(-(r~^ ^ ) ^{-jlnft)dt(1)
^co 2其一维连续逆变换为
/ οο /·οοh(t) = S(t, f)dr exp(j.2;rft)dt(2)
J —00 J —00式中τ为时间，表示高斯窗在时间轴的位置；f为频率；j为虚部单位。S变换是连续小波变换的“相位修正”，局部化所使用的高斯窗可以平移，因此信号 经S变换后时频谱的分辨率与频率(即尺度)有关，具有很强的时间和频率分辨能力。信号h(t)的S变换函数与傅立叶变换函数H(f)存在如下关系S(Tj) = Γ H{a+/)exp(-^^)exp(y2mr)i/ (3 )
J-OOP这样S变换就可利用快速傅里叶变换实现快速计算。ShRT](k = 0，l，2，...，N-l)是以T为采样间隔对连续时间信号h (t)进行采样 得到的离散时间序列，由此可得该序列的离散傅立叶变换为令式(3)中的f = η/ΝΤ, τ = iT得的离散S变换
γ ι CVT- η 、 Tj^m + n^ r 2π2πι2、 ( .2ππιΙ、(5)~—
m=0“采样序列h [kT]经S变换后得到一个复时频矩阵，对其求模后得到模时频矩阵。模 时频矩阵的行向量为某一频率成分的幅值随时间的变化，列向量为某一时间对应的各频率 成分的幅值。因此，可利用S变换技术获取信号的模时频矩阵，进而在时域和频域内提取扰 动信号的波形特征，并根据特征差异构建识别判据。本发明的识别原理为1母线暂态电压波形特征的提取无论变电站母线还是与之相连的输电线路，在发生雷击或普通短路故障后的暂态 过程中，母线电压的波形均发生变化，由此可实时监测母线电压信号，实现雷电是否入侵变 电站的识别。图la、图lb、图lc、图Id为图4所示仿真模型中，线路MN分别发生A相接地 短路、AB相间短路、A相非故障雷击以及A相故障性雷击时，母线M上A相电压的相应波形 图。采用S变换技术对上述四种典型波形进行处理，并用MATLAB画出模时频等值线， 得到图2a、图2b所示对应的波形图。图中，波形的颜色深浅代表信号某个频率成分的幅值大小，颜色越深表明该频率 成分的幅值越大。图加和图2b中，颜色最深的位置接近OkHz附件，也即基波幅值最大，而 其它频率成分(或者称谐波)对应的幅值非常小；图2c所示，基波成分对应的幅值较大，同
5时谐波成分对应的幅值也较大；而图2d中，基波成分对应的幅值有所下降，但谐波成分对 应的幅值较大。观察母线电压波形图Ia至图Id和图加至图2d，可以总结出当线路遭受不同扰动 后其暂态电压波形特征具有以下差异(1)当发生普通短路时，故障相母线电压会跌落，高次谐波含量少且幅值很小；(2)当发生故障性雷击时，母线电压中的基波分量跌落，高次谐波含量丰富且幅值 很大；(3)当发生非故障性雷击时，母线电压高次谐波含量丰富且幅值很大，但基波幅值 不会跌落。由此可知，信号经过S变换后得到的时频等值线图，能够很好地反映不同扰动信 号在时域和频域内的特征，根据不同工况下母线暂态电压波形的特征差异，可构造雷击与 普通短路故障的识别判据。2判据的构建对S变换后获到的模时频矩阵进行计算，可得表1所示的数据。表1不同扰动时模时频矩阵对应的仿真数据
权利要求
1.一种雷电波侵入变电站的扰动识别方法，其特征是，它的过程为(1)实时监测母线电压信号；(2)对扰动时的电压信号进行S变换，建立电压信号的模时频矩阵；(3)利用模时频矩阵计算基波幅值、主要谐波次数以及主要谐波的最大幅值；以母线 电压基波幅值的下降与否作为判断故障和非故障雷击或其它干扰的依据；以主要谐波次数 及其对应的幅值大小判断是否有雷电波侵入变电站的依据A 若母线电压基波幅值下降，同时主要谐波次数及其对应的幅值较大，则为故障性雷击；B 若母线电压基波幅值下降，但主要谐波次数及其对应的幅值较小，则为普通故障； C 若母线电压基波幅值未下降，但主要谐波次数及其对应的幅值增大，则为非故障雷击；D 若母线电压基波幅值未下降，但主要谐波次数的幅值较小，则为其它干扰。
2.如权利要求1所述的雷电波侵入变电站的扰动识别方法，其特征是，所述步骤(3) 中，具体的判断依据为1)以公式Utc< Ic1Ue作为故障和非故障性雷击或者其它扰动的识别判据，式中，υφ为 所监测的母线基波电压的标么值，Φ为A相、B相和C相礼是母线额定电压的标么值，也 即等于1屯是电压跌落系数，根据电压等级和线路长度设定；若此式成立，则判别为故障， 否则视为非故障性雷击或者其它扰动；2)以公式为变电站是否有雷电波侵入的判断依据，式中，η是信号的主要谐波次数;Un为主要谐波次数所对应幅值的标么值；1 为可靠系数。因为一般噪声、开关操 作等扰动信号的幅值较小，而雷击产生的信号幅值较大，通过设定可靠系数可对二者进行 有效区分。
全文摘要
本发明涉及一种新的雷电波侵入变电站的扰动识别方法，它的过程为(1)实时监测母线电压信号；(2)对故障时的电压信号进行S变换，建立电压信号的模时频矩阵；(3)利用模时频矩阵计算基波幅值、主要谐波次数以及主要谐波的最大幅值；以母线电压基波幅值的下降与否作为判断故障和非故障雷击或其它干扰的依据；以主要谐波次数及其对应的幅值大小判断是否遭受雷击的依据。它利用适合于分析非平稳信号的S变换技术进行扰动信号的特征提取，根据不同扰动情形下，暂态电压信号的主要谐波次数及其对应的幅值大小以及基波电压的跌落差异构建识别判据，其方法简便，灵敏度高，识别准确，易于工程实现。
文档编号G01R19/165GK102135560SQ20111004320
公开日2011年7月27日 申请日期2011年2月23日 优先权日2011年2月23日
发明者王明军, 邹贵彬, 高厚磊 申请人:山东大学