一种基于短时窗斜率单调性的多重雷击判别方法及系统

1.本发明涉及一种基于短时窗斜率单调性的多重雷击判别方法及系统，属于新型电力系统智能制造与继电保护技术领域。


背景技术：

2.110kv架空输电线路作为国内电力系统中的重要部分，确保电能稳定安全的输送具有重大意义。雷电流是一种超强的电磁脉冲电流，雷云放电时会在输电线路上形成暂态过电压，引起雷击跳闸事故。国内外的诸多学者主要的研究方向是基于首次雷击而引起的故障分量，对其进行计算分析，却忽略了后续雷击的影响。据统计数据分析，输电线路雷击跳闸等故障数占总故障数的60%以上，而根据雷电监测系统的数据显示，70%以上的地面落雷均为多重雷击，但是由于缺少对应的监测装置，目前对后续雷电流的识别与分析的难度较大，实际操作相对困难，难以确定架空输电线路是由单重雷击还是多重雷击造成的。因此亟需一种简单可靠的方法，能够在雷击故障后精确地判别出是单重雷击还是多重雷击，为输电线路的雷击防护针对性分析起到可靠的基础性作用。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种基于短时窗斜率单调性的多重雷击判别方法及系统，以用于从新型电力系统智能制造与继电保护的角度出发，解决现有缺少对应的监测装置，目前对后续雷电流的识别与分析的难度较大，实际操作相对困难，难以确定架空输电线路是由单重雷击还是多重雷击造成的等不足之处。本发明基于保护装置对雷击故障识别的基础之上，提出通过在故障相电流波形的突变量处选取短时窗，计算短时窗斜率是否存在非单调点的方法，识别单重雷击和多重雷击，其原理清晰直观、所用电气量简单、信号处理过程简单、判别结果可靠，可为输电线路防雷研究提供简单易行的手段，为输电线路新型继电保护提供可靠的雷击辨识方法。
4.本发明的技术方案是：第一方面，本发明提供一种基于短时窗斜率单调性的多重雷击判别方法，本发明的识别方法总流程如图10所示，采集故障后输电线路三相电流信号，所述判别方法的具体步骤如下：step1、当被保护输电线路遭受雷击产生故障时，选取雷击故障相电流波形的突变量；step2、对上述所选取的突变量的上升沿处进行微分计算，求取相电流的短时窗斜率；step3、判断各个时窗斜率的单调性；step4、若短时窗斜率值满足单调变化，则判断为单次雷击；若短时窗斜率值满足存在非单调点，则判断该点为后续雷击注入时刻；step5、统计录波时窗内所有非单调点个数记为n，得出在该段录波时窗内发生n+1重雷击。
5.作为本发明的进一步方案，所述step1中，选取雷击故障相电流波形的突变量，具体包括：step1.1、记时间ti所对应的数据为data[ti]，t
i-1
为ti的上一个时刻，data[t
i-1
]为data[ti]的上一个数据；若满足：
[0006]
则初步判断：故障相电流波形在时间ti处发生突变；step1.2、记上述初步选取的突变量时刻为ti，选取ti之后第一个极值点；step1.3、记极值点所对应时刻为t
im
；所选取的突变量时刻ti与极值点所对应时刻t
im
之间应满足：|ti－t
im
|＜t
set
则得到突变量时刻ti，t
set
为整定值。
[0007]
作为本发明的进一步方案，所述step1.2中，选取ti之后第一个极值点，具体包括：step1.2.1、记时间tm所对应的数据为data[tm]若满足：data[tm]＞data[t
m-1
]data[tm]＞data[t
m-2
]data[tm]＞data[t
m+1
]data[tm]＞data[t
m+2
]则初步判断：tm为极值点所对应的时刻。
[0008]
step1.2.2、需要对初步所选极值进行优化处理，即并不是对所有的极值进行选取，需要进行优化筛选，需要剔除非保护线路的母线反射、折射波所带来的影响。
[0009]
作为本发明的进一步方案，所述step2中，对上述所选取的突变量的上升沿处进行微分计算，求取相电流的短时窗斜率，具体包括：step2.1、通过采用上述步骤得到优化筛选后的极值点，确定对应的波头；step2.2、选取由筛选过后的极值点所对应的突变量的波头，以在波前取达到峰值的10%的时刻tf与在波尾取达到峰值的90%所对应的时刻tb，将tf～tb取作短时窗；step2.3、记采样率为fs，波头上升沿处的数据为data[tj]，data[tj]均为波头上升沿处的值；通过计算短时窗内突变量的波头上升沿处的斜率：
[0010]
选取其最大值，记为该短时窗的斜率值。
[0011]
作为本发明的进一步方案，所述判断各个时窗斜率的单调性，具体包括：记短时窗的斜率为ki(i=1,2,
···
) ；若ki－k
i+1
＞0对所有i值均成立，则判断短时窗斜率单调变换，进而判断为单次雷击；若ki－k
i+1
＞0存在i值不成立，则判断短时窗斜率非单调变换，进而判断为存在后续雷击注入时刻。
[0012]
作为本发明的进一步方案，统计录波时窗内所有非单调点个数记为n，得出在该段录波时窗内发生n+1重雷击，具体包括：记短时窗的斜率为ki(i=1,2,
···
)，在上述步骤中，若ki－k
i+1
＜0，则将第i+1个时窗所对应的值记作非单调点；统计所有时窗内ki－k
i+1
＜0发生的次数，记为n，则在该段录波时窗内发生n+1重雷击。
[0013]
第二方面，本发明提供一种基于短时窗斜率单调性的多重雷击判别系统，包括：信号采集与处理模块：用于采集线路的电流信号并进行处理与存储；具体包括：电流变送单元、a/d转换单元、数据存储单元。
[0014]
故障启动模块：用于比较电流变化率di/d
t
与整定值的大小，控制高频装置的启动；具体包括：电流变化率监测单元、高频装置启动控制单元；故障判别模块：用于判断故障是否为雷击故障；具体包括：雷击故障判别单元：用于判断线路故障是否为雷击故障而非短路或断线等其他故障。
[0015]
数据计算模块：对雷击故障相电流波形的突变量上升沿处进行微分计算，求取相电流的短时窗斜率；具体包括：数据计算单元：对雷击故障相电流波形的突变量上升沿处进行微分计算，求取相电流的短时窗斜率；图像处理分析与雷击识别模块：判断各时窗斜率的单调性，识别单次雷击与多重雷击。具体包括：图像处理分析单元：判断各时窗斜率的单调性；雷击类型识别单元：判断短时窗斜率值是否存在非单调点，识别单次雷击与多重雷击。
[0016]
判别结果输出单元：用于输出雷击类型判别结果。
[0017]
本发明的原理是，雷击会对输电线路产生较大的感应过电压和过电流，会引起线路跳闸等故障，根据雷击瞬时内在输电线路上雷击的次数分为单重雷击和多重雷击。单重雷击和多重雷击对输电线路的影响有显著区别，需要对其进行正确的识别。由于二者对输电线路雷击次数的不同，电流录波的传输形式也不同，两种情况下在站端采集的电流录波数据存在明显的区别；由于能量守恒定律，输电线路在遭受单重雷击后，能量是逐渐消耗；而输电线路在遭受多重雷击后，能量在逐渐消耗时，后续的雷击注入到输电线路的能量会打破原先能量
逐渐消耗的趋势，即会在后续的雷击注入时刻使得能量有一个显著的上升趋势。利用线路上安装的监测装置所采集的故障电流波形，将上述波形的突变量上升沿处微分后求取相电流的短时窗斜率，判断各时窗斜率是否存在非单调点，来判别出是单重雷击还是多重雷击。本发明可集成于保护系统中，大量不同幅值的雷电流与不同雷击时刻的仿真结果表明此方法有效且可靠，其物理概念直观清晰，实现方法简单，可广泛运用于输电线路的防雷保护。具有判断准确率高、速度快、适应性强的优点。
[0018]
本发明的有益效果是：1、原理直观简单，物理概念清晰，易于实现，适合于实际工程应用；2、仅处理和比较雷击后线路的故障相电流信息，无需考虑电流的其余信息以及其余电气量的信息，判据简单所以结果可靠；3、信号处理简单，无需使用复杂算法，只需提取电流极值所在即可，信号处理过程简单因此出错概率极低。
附图说明
[0019]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对其所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，可以根据这些附图获得所需的信息。
[0020]
图1为交流系统模型；图2为杆塔模型；图3为距首端20km处单次雷击干扰首端处测得电流原始波形情况；图4为距首端20km处单次雷击干扰短时窗斜率值变化情况；图5为距首端20km处多重雷击干扰短时窗斜率值变化情况；图6为距首端20km处单次雷击故障短时窗斜率值变化情况；图7为距首端20km处多重雷击故障短时窗斜率值变化情况；图8为距首端100km处单次雷击干扰短时窗斜率值变化情况；图9为距首端100km处多重雷击干扰短时窗斜率值变化情况；图10为输电线路多重雷识别流程图。
具体实施方式
[0021]
实施例1：如图1-图10所示，当输电线路发生雷击故障时，利用本发明所述方法和系统可以准确识别是单重雷击与多重雷击，输电线路单重雷击与多重雷击识别流程如图10所示。第一方面，本发明提供一种基于短时窗斜率单调性的多重雷击判别方法，具体步骤如下：step1、当被保护输电线路遭受雷击产生故障时，选取雷击故障相电流波形的突变量；step2、对上述所选取的突变量的上升沿处进行微分计算，求取相电流的短时窗斜率；step3、判断各个时窗斜率的单调性；step4、若短时窗斜率值满足单调变化，则判断为单次雷击；若短时窗斜率值满足
存在非单调点，则判断该点为后续雷击注入时刻；step5、统计录波时窗内所有非单调点个数记为n，得出在该段录波时窗内发生n+1重雷击。
[0022]
作为本发明的进一步方案，所述step1中，选取雷击故障相电流波形的突变量，具体包括：step1.1、记时间ti所对应的数据为data[ti]，t
i-1
为ti的上一个时刻，data[t
i-1
]为data[ti]的上一个数据；若满足：
[0023]
则初步判断：故障相电流波形在时间ti处发生突变；step1.2、记上述初步选取的突变量时刻为ti，选取ti之后第一个极值点；step1.3、记极值点所对应时刻为t
im
；所选取的突变量时刻ti与极值点所对应时刻t
im
之间应满足|ti－t
im
|＜t
set
则得到突变量时刻ti，t
set
为整定值。
[0024]
作为本发明的进一步方案，所述step1.2中，选取ti之后第一个极值点，具体包括：step1.2.1、记时间tm所对应的数据为data[tm]若满足：data[tm]＞data[t
m-1
]data[tm]＞data[t
m-2
]data[tm]＞data[t
m+1
]data[tm]＞data[t
m+2
]则初步判断：tm为极值点所对应的时刻。
[0025]
step1.2.2、需要对初步所选极值进行优化处理，即并不是对所有的极值进行选取，需要进行优化筛选，需要剔除非保护线路的母线反射、折射波所带来的影响。
[0026]
作为本发明的进一步方案，所述step2中，对上述所选取的突变量的上升沿处进行微分计算，求取相电流的短时窗斜率，具体包括：step2.1、通过采用上述步骤得到优化筛选后的极值点，确定对应的波头；step2.2、选取由筛选过后的极值点所对应的突变量的波头，以在波前取达到峰值的10%的时刻tf与在波尾取达到峰值的90%所对应的时刻tb，将tf～tb取作短时窗；step2.3、记采样率为fs，波头上升沿处的数据为data[tj]，data[tj]均为波头上升沿处的值；通过计算短时窗内突变量的波头上升沿处的斜率k：
[0027]
选取其最大值，记为该短时窗的斜率值。
[0028]
作为本发明的进一步方案，所述判断各个时窗斜率的单调性，具体包括：记短时窗的斜率为ki(i=1,2,
···
)；若ki－k
i+1
＞0对所有i值均成立，则判断短时窗斜率单调变换，进而判断为单次雷击；若ki－k
i+1
＞0存在i值不成立，则判断短时窗斜率非单调变换，进而判断为存在后续雷击注入时刻。
[0029]
作为本发明的进一步方案，统计录波时窗内所有非单调点个数记为n，得出在该段录波时窗内发生n+1重雷击，具体包括：记短时窗的斜率为ki(i=1,2,
···
)，在上述步骤中，若ki－k
i+1
＜0，则将第i+1个时窗所对应的值记作非单调点；统计所有时窗内ki－k
i+1
＜0发生的次数，记为n，则在该段录波时窗内发生n+1重雷击。
[0030]
第二方面，本发明提供一种基于短时窗斜率单调性的多重雷击判别系统，包括：信号采集与处理模块：用于采集线路的电流信号并进行处理与存储；具体包括：电流变送单元、a/d转换单元、数据存储单元。
[0031]
故障启动模块：用于比较电流变化率di/d
t
与整定值的大小，控制高频装置的启动；具体包括：电流变化率监测单元、高频装置启动控制单元；故障判别模块：用于判断故障是否为雷击故障；具体包括：雷击故障判别单元：用于判断线路故障是否为雷击故障而非短路或断线等其他故障。
[0032]
数据计算模块：对雷击故障相电流波形的突变量上升沿处进行微分计算，求取相电流的短时窗斜率；具体包括：数据计算单元：对雷击故障相电流波形的突变量上升沿处进行微分计算，求取相电流的短时窗斜率；图像处理分析与雷击识别模块：判断各时窗斜率的单调性，识别单次雷击与多重雷击。具体包括：图像处理分析单元：判断各时窗斜率的单调性；雷击类型识别单元：判断短时窗斜率值是否存在非单调点，识别单次雷击与多重雷击。
[0033]
判别结果输出单元：用于输出雷击类型判别结果。
[0034]
上述为本发明具体的识别步骤，实施例说明如下：本发明具体的识别步骤如上所述，按照图1所示交流系统模型，通过仿真软件，以两组实验验证本发明的可靠性：实验一：110kv线路，300km，在距首端20km处分别发生单重雷击幅值为30ka和多重雷击，其雷击幅值分别为30ka、8ka、5ka的雷击干扰，于站端的保护安装处测量所需电流行
波并加以数据处理分析，判断雷击重数；为保证实验的可靠性，这里直搭建一条母线，确保不存在非保护线路的母线反射、折射波所带来的影响，采样率为100khz，t
set
=100μs。
[0035]
由图3可知，在时间t
1.00036
时刻满足：
[0036]
同理可得，在时间t
1.00236
，时间t
1.00305
亦满足。
[0037]
初步判断在时间t
1.00036
，时间t
1.00236
，时间t
1.00305
为突变点。
[0038]
由图3可知，时间t
1.00039
所对应的数据data[t
1.00039
]满足data[t
1.00039
]＞data[t
1.00038
]data[t
1.00039
]＞data[t
1.00037
]data[t
1.00039
]＞data[t
1.00040
]data[t
1.00039
]＞data[t
1.00041
]可以判断：在时间t
1.00039
为时间t
1.00036
之后第一个极值点所对应时刻。
[0039]
由图3可知，时间t
1.00036
之后第一个极值点所对应时刻为t
1.00039
，满足：|t
1.00039—
t
1.00036
|＜100μs可以判断时间t
1.00036
为突变时刻，时间t
1.00039
为到达极值点时刻；同理可得，时间t
1.00236
为突变时刻，时间t
1.00241
为到达极值点时刻；时间t
1.00305
为突变时刻，时间t
1.00309
为到达极值点时刻；记第一个短时窗取作t
1.00035
～t
1.00040
，计算短时窗内突变量的波头上升沿处的斜率，最大值为600732.1；记第二个短时窗取作t
1.00236
～t
1.00244
，计算短时窗内突变量的波头上升沿处的斜率，最大值为268187；记第三个短时窗取作t
1.00305
～t
1.00309
，计算短时窗内突变量的波头上升沿处的斜率，最大值为96564；由图4可知，单次雷击时，短时窗斜率值单调变化，判断为单重雷击，判断准确；同理由图5可知，多重雷击时，短时窗斜率值变化存在非单调点，判断为多重雷击，且非单调点有两个，判断为三重雷击，判断准确；实验二：110kv线路，300km，在距首端20km处分别发生单重雷击幅值为30ka和多重雷击，其雷击幅值分别为30ka、8ka的雷击故障，于站端的保护安装处测量所需电流行波并加以数据处理分析，判断雷击重数。
[0040]
为保证实验的可靠性，这里直搭建一条母线，确保不存在非保护线路的母线反射、折射波所带来的影响，采样率为100khz, t
set
=100μs。
[0041]
通过上述步骤计算可得：记第一个短时窗取作t
1.00006
～t
1.00008
，计算短时窗内突变量的波头上升沿处的斜率，最大值为738485；记第二个短时窗取作t
1.00020
～t
1.00024
，计算短时窗内突变量的波头上升沿处的斜
率，最大值为203872；记第三个短时窗取作t
1.00209
～t
1.00211
，计算短时窗内突变量的波头上升沿处的斜率，最大值为110140；记第四个短时窗取作t
1.00402
～t
1.00405
，计算短时窗内突变量的波头上升沿处的斜率，最大值为26609.4；由图6可知，单次雷击时，短时窗斜率值单调变化，判断为单重雷击，判断准确；同理，由图7可知，多重雷击时，短时窗斜率值变化存在非单调点，判断为多重雷击，且非单调点有一个，判断为二重雷击，判断准确；实验三：110kv线路，300km，在距首端100km处分别发生单重雷击幅值为30ka和多重雷击，其雷击幅值分别为30ka、8ka、5ka的雷击干扰，于站端的保护安装处测量所需电流行波并加以数据处理分析，判断雷击重数；为保证实验的可靠性，这里直搭建一条母线，确保不存在非保护线路的母线反射、折射波所带来的影响，采样率为100khz, t
set
=100μs。
[0042]
通过上述步骤计算可得：记第一个短时窗取作t
1.00033
～t
1.00035
，计算短时窗内突变量的波头上升沿处的斜率，最大值为950570；记第二个短时窗取作t
1.00169
～t
1.00172
，计算短时窗内突变量的波头上升沿处的斜率，最大值为258453；记第三个短时窗取作t
1.00234
～t
1.00238
，计算短时窗内突变量的波头上升沿处的斜率，最大值为170914；记第四个短时窗取作t
1.00369
～t
1.00374
，计算短时窗内突变量的波头上升沿处的斜率，最大值为107817；记第五个短时窗取作t
1.00435
～t
1.00440
，计算短时窗内突变量的波头上升沿处的斜率，最大值为94684.9；由图8可知，单次雷击时，短时窗斜率值单调变化，判断为单重雷击，判断准确；同理，由图9可知，多重雷击时，短时窗斜率值变化存在非单调点，判断为多重雷击，且非单调点有两个，判断为三重雷击，判断准确。
[0043]
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。