一种适用于行波录波一体化设备的多重雷击识别方法

1.本发明涉及一种适用于行波录波一体化设备的多重雷击识别方法，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.自然界大多数的雷云放电现象都包含多重雷击的过程，多重雷击分为主放电和后续放电，90%以上的后续放电时间间隔大于20ms，大部分多重雷击的持续时间为0~500ms，相比于单次雷击，其对电力系统造成的危害更加严重。据统计，80%以上的负极性雷击闪电包含两次以上的雷击放电，多重雷击次数最高可达17次，极易造成线路反击、残压超标、避雷器热击穿，还会使系统频繁自动重合闸，损坏断路器和变压器，因此，多重雷击具有高发性、难防性和危害性，对多重雷击的检测与防护是输电线路防雷问题的重中之重。如今电力行业内，对输电线路雷击的检测大致有三个途径：行波信号、录波信号、雷电定位系统。基于以上三个途径，输电线路单重雷的检测与防护已较为成熟，但多重雷的检测仍是空白，亟需提出可靠的多重雷击识别方法。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种适用于行波录波一体化设备的多重雷击识别方法，以用于解决输电线路多重雷击检测方法的稀缺问题以及多重雷击识别可靠性不高的问题。
4.本发明的技术方案是：一种适用于行波录波一体化设备的多重雷击识别方法，首先当输电线路遭受雷击时，启动两端的行波录波一体化设备，得到两端首波头波到时差及雷击点位置；再检测两端后续信号具有时间关联性的异常波头；接着再检验后续两端异常波头的衰减规律，判断是否为后续放电；累计后续放电次数并继续检测，出现异常波头则继续检测两端后续信号具有时间关联性的异常波头；无异常波头后输出雷击次数。
5.所述方法包括如下具体步骤：step1：当输电线路遭受雷击时，线路两端的行波录波一体化设备启动，记录两端的首波头时间，计算其时差δt，并判断雷击点位置；step2：通过线路两端的录波设备检测后续信号，当距离雷击点较近侧发现t0时刻有异常波头出现时，比较对端录播信号中t0 δt时刻是否也存在异常波头；step3：若对端录波信号中t0 δt时刻也存在异常波头，则结合双端所测的主放电首波头幅值对以上两个异常波头进行比对；step4：通过比对，识别上述两个异常波头是否为后续放电造成，若是则记录；step5：识别结束后，继续对两端录波装置中的后续信号进行检测，若仍有异常波头出现，则重复step2~4；step6：累计后续放电次数，直至两端录播信号中再无异常波头出现，输出雷击次数。
6.作为本发明的进一步方案，所述step1具体包括：
线路两端的行波录波一体化设备无指定频率要求，能精确观测到雷击首波头到达时刻即可；通过两端观测到首波头的时间求取时间差δt=t
m-tn，m、n表示首端和末端，tm, tn为首波头到达首端和末端的时刻，并通过双端测距公式得出雷击位置；d
mf
为m端与雷击点的距离，l为线路长度；进而比较d
mf
与l/2（线路长度一半）的大小，判断雷击点更靠近线路哪一端。
7.作为本发明的进一步方案，所述step2中，所述异常波头的定义，具体包括：异常波头即为类似雷击首波头的波头，以波头陡度作为判据，以主放电的0.95倍首波头陡度作为整定值；其中，取首波头的峰值p1、峰值时刻前30%峰值p
1 30%
、峰值时刻后30%峰值p
1-30%
及其时刻t1、t
1 30%
、t
1-30%
，求整定值；再按照以上方法对后续波头陡度进行求取，当后续波头中存在，则此波头陡度大于整定值k
set
，称此波头为异常波头；若出现的情况则该波头为雷击故障以外的其他故障造成，不考虑为异常波头。
8.作为本发明的进一步方案，所述step2具体包括：若主放电后发生后续放电，则两端录波信号中同样会出现时间间隔为δt的异常波头；主放电后，当距雷击点较近一端首先在t0时刻观测到异常波头，其幅值为f
mi
，若该波头为后续放电所造成，则对端在t0 δt时刻也必定能检测到同类的异常波头幅值为f
ni
；因此，若对端录波在t0 δt时刻无此类型异常波头，则将本端此异常波头作为不满足两端时间关联性的干扰而排除。
9.作为本发明的进一步方案，结合双端所测的主放电首波头幅值对以上两个波头进行比对，具体包括：行波在时域中的传输遵循以下规律：其中t为时间，φ

和φ-分别为向前波和向后波的相位，α(ω)为故障行波衰减系数，β(ω)为色散系数，二者受电路参数影响， 其中r、l、g、c为线路的阻抗参数，行波由前后两组波组成，其随着距离x的增加而衰减；多重雷击主放电与后续放电的行波传至线路两端，同一段线路、经过的距离相同，所遵循的衰减规律一致；若对端录播信号中t0 δt时刻也存在异常波头，为进一步确定两端时刻相差为δt的异常波头为后续雷击造成，需以双端主放电首波头为标准，其幅值为fm和fn，验证此时的双端异常波头是否符合衰减规律，即判断等式是否成立，若成立，则确定上述两个波头为后续放电造成，并对其进行计数。作为本发明的进一步方案，所述step3中所使用的幅值f为电流或电压的幅值信号，使用状态量或故障分量。
10.作为本发明的进一步方案，所述step5~ step6中：
录波信号若在雷击主放电首波头后第一次出现异常波头并判定为后续雷击引起，则认为是发生了多重雷击，但进一步识别其重数，在后续每出现一次异常波头时，都按照step2~4进行识别并累计次数，当录波信号再无异常波头出现时，将最终雷击重数结果输出。
11.整个过程中，异常波头的判据并不局限于波头陡度，可体现并检测出类似于雷击造成的波头异常即可；幅值信号f可以是录波信号中任何有此类特征的电气量信号；鉴于多重雷击的时间间隔特性以及历史输电线路防雷监测数据，所涉及的时间概念均为毫秒级别，若实际后续异常波头时间的间隔超出毫秒级，则不属于多重雷击。
12.本发明的原理是：自然界80%以上的负极性雷击闪电包含两次以上的雷击放电，其中90%以上的后续放电时间间隔超过20ms，大部分多重雷击的持续时间为0~500ms。可通过分析线路两端电气量信号来判断多重雷击，其中行波装置和录波装置都能记录线路两端的电气量信号，其中行波装置采样率可达1mhz，但由于其过高的采样率和受限于技术限制，其采样时间较短，录波装置采样率较低，相比之下采样时间可达较长。为结合二者之长，行波录波一体化设备开始投入运行与电力系统。本发明考虑到，为了对单重雷击以及多重雷击的主放电进行检测和精确定位，有效的行波数据必不可少，但发生多重雷击时，行波装置的采样时间难以满足多重雷击持续时间的要求，就不得不结合录播数据对后续信号进行判断。因此，对二者的结合使用可显著提升对多重雷的识别效果。
13.本发明所基于的系统模型如图1所示，雷电流采用双指数模型，杆塔模型如图2所示。根据历史输电线路多重雷击数据可知，后续雷击点位置一般在主放电雷击点位置附近，相对于输电线路全长可忽略不计，再者，波的传播速度极快，雷击点位置的差距相比于线路全长，在波的传播时长上难以体现。因此，多重雷击的雷击点宏观上都认定为在同一点，主放电与后续放电产生的波信号到达线路两端的时间差都相等，只要确定了主放电的δt，如图3，后续放电的两端波头时间差也就可以得出。主放电首波头后，若发生后续放电，当一端（故障靠近端）较先发现异常波头时，δt后对端必定会出现同类型的异常波头，如图4。基于此原理，只要主放电首波头后一端检测到异常信号，对δt后对端信号进行检测，就可排除大量其余不满足上述时间关联性异常信号的干扰。此处异常波头的判据为波头陡度，由于波的衰减，同一次放电的后续波头陡度总是小于首波头陡度，但后续放电首波头陡度与主放电首波头相似，总是大于首波头陡度的0.95倍，如图5。通过时间关联性排除其余异常信号干扰后，为进一步确定两端时刻相差为δt的异常波头为后续雷击造成，可对双端主放电首波头与此刻双端异常波头进行幅值比较，如图6，以验证同一输电线路同一雷击点不同雷击幅值下相同的衰减规律，若满足这一规律，即可认定此时的异常波头为后续放电所造成。
14.本发明的有益效果是：1、将行波和录波数据各自的优势结合起来，对多重雷击进行判断，可精确定位雷击点，也可在放电时间较长的多重雷击工况下准确识别后续雷击，可靠性高，极度适配于行波录波一体化设备；2、基于双端的信号对后续放电进行判断，打破了理论上及工程上只通过单端信息判别多重雷的现状，可排除只采用单端信号判断会出现的干扰，可靠性显著提高；3、使用双端信号但有效避免了双端信号用于输电线路保护与测距的致命缺陷——双端时钟不同步：两端时间差δt的引入使用可以有效避免双端信号时钟不同步的
缺陷，即使双端时钟不同步，在两端检测到的各次雷击的时间差仍是同一个δt，因此对双端时钟精度要求不高；4、拥有双重判据，通过双端信号时间上的关联性以及幅值上衰减规律的一致性判断后续放电，判据严谨，可靠性高。
15.5、本发明解决了现如今输电线路多重雷击的检测问题。本发明基于雷击输电线路后双端观测到的信号在时间上的匹配性和衰减规律的一致性，提出一种适用于行波录波一体化设备的多重雷击识别方法，检测线路多重雷击并判断其重数。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。
附图说明
16.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；图1为本发明交流系统模型；图2为本发明杆塔模型；图3为本发明主放电时两端波到时间差；图4为本发明两端波到时刻；图5为本发明波头斜率；图6为本发明两端波头幅值；图7为本发明多重雷识别流程图；图8为本发明检测两端后续信号具有时间关联性的异常波头流程图；图9为本发明检验后续两端异常波头的衰减规律，判断是否为后续放电的流程图。
具体实施方式
17.下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
18.实施例1、如图1-图9，一种适用于行波录波一体化设备的多重雷击识别方法，所述方法包括如下具体步骤：step1：当输电线路遭受雷击时，线路两端的行波录波一体化设备启动，记录两端的首波头时间，计算其时差δt，并判断雷击点位置；线路两端的行波录波一体化设备无指定频率要求，能精确观测到雷击首波头到达时刻即可；通过两端观测到首波头的时间求取时间差δt=t
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tn，m、n表示首端和末端，tm， tn为首波头到达首端和末端的时刻，并通过双端测距公式得出雷击位置；d
mf
为m端与雷击点的距离，l为线路长度；进而比较d
mf
与l/2（线路长度一半）的大小，判断雷击点更靠近线路哪一端。
19.step2：通过线路两端的录波设备检测后续信号，当距离雷击点较近侧发现t0时刻有异常波头出现时，比较对端录播信号中t0 δt时刻是否也存在异常波头；异常波头即为类似雷击首波头的波头，以波头陡度作为判据，以主放电的0.95倍
首波头陡度作为整定值；其中，取首波头的峰值p1、峰值时刻前30%峰值p
1 30%
、峰值时刻后30%峰值p
1-30%
及其时刻t1、t
1 30%
、t
1-30%
，求整定值；再按照以上方法对后续波头陡度进行求取，当后续波头中存在，则此波头陡度大于整定值k
set
，称此波头为异常波头；若出现的情况则该波头为雷击故障以外的其他故障造成，不考虑为异常波头。
20.若主放电后发生后续放电，则两端录波信号中同样会出现时间间隔为δt的异常波头；主放电后，当距雷击点较近一端首先在t0时刻观测到异常波头，其幅值为f
mi
，若该波头为后续放电所造成，则对端在t0 δt时刻也必定能检测到同类的异常波头（幅值为f
ni
）；因此，若对端录波在t0 δt时刻无此类型异常波头，则将本端此异常波头作为不满足两端时间关联性的干扰而排除。
21.step3：若对端录波信号中t0 δt时刻也存在异常波头，则结合双端所测的主放电首波头幅值对以上两个异常波头进行比对；作为本发明的进一步方案，结合双端所测的主放电首波头幅值对以上两个波头进行比对，具体包括：行波在时域中的传输遵循以下规律：其中t为时间，φ

和φ-分别为向前波和向后波的相位，α(ω)为故障行波衰减系数，β(ω)为色散系数，二者受电路参数影响，，其中r、l、g、c为线路的阻抗参数，行波由前后两组波组成，其随着距离x的增加而衰减；多重雷击主放电与后续放电的行波传至线路两端，同一段线路、经过的距离相同，所遵循的衰减规律一致；若对端录播信号中t0 δt时刻也存在异常波头，为进一步确定两端时刻相差为δt的异常波头为后续雷击造成，需以双端主放电首波头为标准（其幅值为fm和fn），验证此时的双端异常波头是否符合衰减规律，即判断等式是否成立，若成立，则确定上述两个波头为后续放电造成，并对其进行计数。
22.作为本发明的进一步方案，所述step3中所使用的幅值f为电流或电压的幅值信号，使用状态量或故障分量。
23.step4：通过比对，识别上述两个异常波头是否为后续放电造成，若是则记录；step5：识别结束后，继续对两端录波装置中的后续信号进行检测，若仍有异常波头出现，则重复step2~4；step6：累计后续放电次数，直至两端录播信号中再无异常波头出现，输出雷击次数。
24.作为本发明的进一步方案，所述step5~ step6中：
录波信号若在雷击主放电首波头后第一次出现异常波头并判定为后续雷击引起，则认为是发生了多重雷击，但进一步识别其重数，在后续每出现一次异常波头时，都按照step2~4进行识别并累计次数，当录波信号再无异常波头出现时，将最终雷击重数结果输出。
25.整个过程中，异常波头的判据并不局限于波头陡度，可体现并检测出类似于雷击造成的波头异常即可；幅值信号f可以是录波信号中任何有此类特征的电气量信号；鉴于多重雷击的时间间隔特性以及历史输电线路防雷监测数据，所涉及的时间概念均为毫秒级别，若实际后续异常波头时间的间隔超出毫秒级，则不属于多重雷击。
26.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，其中：em: m端发电机；tm: m端变压器；m:母线m；en: n端发电机；tn: n端变压器；n:母线n。通过仿真软件pscad/emtdc，构建线路模型，设置雷电参数，以三组实验验证本发明的可靠性：实验1：110kv线路，80km。在距首端30km处分别发生幅值为20ka、10ka的负极性雷击，时刻分别为20ms、50ms。
27.主放电时，首端于20.01ms时检测到故障首波头，其幅值为9.27ka，幅值前30%幅值（2.78ka）时刻为20.003ms，幅值后30%幅值（2.78ka）时刻为20.105ms，计算陡度整定值为：末端于20.22ms检测到故障首波头，其幅值为8.25ka，计算其陡度整定值，得出δt为0.21ms；之后，首端于50.01ms检测到幅值为3.72ka的异常波头，其陡度大于主放电首波头陡度的0.95倍（整定值）,0.21ms后末端出现幅值为3.314ka的同类型异常波头，满足时间间隔判据，其陡度大于整定值；进一步以幅值判据验证了衰减规律的一致性，确定其为后续雷击首波头；此后再无异常波头，确定此雷击现象为二重雷。
28.实验2：500kv线路，450km。
29.在距首端150km处分别发生幅值为50ka、35ka、20ka、10ka的负极性雷击，时刻分别为20ms、50ms、85ms、99ms。测量结果如表1，由按照实施步骤带入测量数据，可准确检识别出此次雷击为四重雷。
30.表1实验3：500kv线路，450km，在距首端150km处发生幅值为50ka的单次雷击与金属性接地故障，时刻分别为20ms、50ms。
31.雷击发生时，端于20.84ms时检测到故障首波头，其幅值为7.78ka，计算陡度整定
值为：；末端于20.22ms检测到故障首波头，其幅值为5.66ka，计算其陡度整定值,得出
△
t为0.21ms；之后，首端于50.84ms检测到幅值为3.72ka的异常波头，其陡度，可以得出，此次故障非雷击故障，排除。
32.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。