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1、基于雷电记录与行波数据的雷击故障测距结果优化方法曹璞璘1 ,束洪春1 ,马 仪2 ,黄 然2 ,董 俊3 ,陈 诺1( 1.昆明理工大学电力工程学院,云南省昆明市650500; 2.云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南省昆明市650217;3.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江省哈尔滨市150001)摘要:针对输电线路故障概率最高的雷击故障存在实测数据故障点反射波难以标定等困难,提出基于行波测距数据和雷电定位系统记录等多平台来源信息的雷击故障测距结果优化方法。以实测数据中疑似故障点反射波对应的疑似故障点作为基准,根据最近邻地闪记录与疑似故障点之间的空间距离和时差排除雷电定位系统中非
2、故障雷击地闪记录和实测行波数据中非有效行波的干扰,初步确定故障点位置。在此基础上,根据最近邻地闪记录在空间位置上的趋向性,以线路走廊走势作为基准,计算最近邻地闪记录与线路走廊各基杆塔之间的空间趋势接近度,以接近度作为修正系数对行波测距结果进行优化。最后,以故障实测数据进行验证表明该方法可行、有效。关键词:单端行波测距;波头标定;信息融合;线路走廊趋势;雷击记录收稿日期: 2015- 07- 09;修回日期: 2015- 08- 24。上网时间: 2015- 12- 16。国家自然科学基金资助项目( U1202233, 51267009) ;云南省重点项目( 2011FA032) ;高等学校博士
3、学科点专项科研基金资助项目( 20105314110001) 。0 引言行波测距装置已经在220 kV及以上电网中得到大规模普及应用 1 ,工程实际中行波测距主要是以双端测距为主,但是受到施工计划安排等因素影响,大量线路仅在一端装有有效的行波测距装置。即使在线路两端都装设有行波测距装置时,依然存在两端测距装置厂家不同、对时无法保证、通信异常导致无法调取对端数据等难以进行双端测距的情况,因此单端测距在现场运行中能够发挥重大作用 2- 3 。单端测距的关键难点在于故障点反射波的辨识和标定,国内外学者对此开展了长期的研究,文献 4- 5针对雷击故障指出了雷击点与闪络点不一致的可能性,并从行波波头特征
4、的角度对仿真波形进行了故障点反射波辨识。小波变换、 Hilbert-Huang变换等时频域信号处理方法 6- 7非常适用于针对电磁仿真波形进行波头标定方面,基于小波变换模极大值的方法已在双端行波测距和配电网故障选线等方面获得了成功应用 8- 9 ,但是实测波形会受到电晕放电、波形后续振荡、电力电子开关动作等因素影响,存在大量非行波奇异点 10 ,此类时频域处理方法依然难以准确判定反射波波头。文献 11针对现场实测数据具有的行波后续振荡提出了多分辨形态梯度与相关函数结合的标定方法,克服了行波后续振荡的问题,但形态结构元素的选取原则尚需进一步研究。文献 12提出了Hough图像处理方法进行行波标定
5、,取得了较好的效果,但是在近端故障情况下依然会受到行波后续振荡的影响。根据行波反射存在的频率特征,也有学者提出利用自然频率进行测距 13- 14 ,但是该方法难以有效剔除行波后续振荡的影响。针对行波故障测距结果优化,目前通常是采取改变波速、分区段定位等基于行波本身波速特点的改良 15- 17 ,或是在具备双端测距条件下利用单端、双端多测距方式组合进行故障距离校正 18- 21 。由于行波测距计算的是电磁波在线路上的传播路程,而线路长度会受到外部环境温度的影响,弧垂、杆塔跳线等不确定因素也增加了行波的传播距离,即使在找对波头的前提下,行波测距计算结果与人工巡线结果之间往往也存在相当的偏差 22
6、。单纯从行波自身的特点出发难以有效地提升实际工程中的测距精度。中国40% 70%的线路跳闸都是由雷击引起 23- 24 ,有效解决雷击故障情况的线路测距问题,可以降低大部分线路故障的巡线难度。为有效监测雷电活动,全国电网都已经建立相应的雷电定位系统( LLS) 。 LLS对所有雷击地闪均无差别记录,而在雷雨季节,短时间内线路走廊附近的落雷密度很高47第40卷 第7期 20 1 6年4月1 0日Vol. 40 No. 7 Apr. 10, 2016DOI: 10. 7500/ AEPS20150709008http: / / www. aeps- info. com且分布范围较广,但是基于工频量
7、的传统继电保护对故障时间刻画较为粗放,难以与精确至毫秒级甚至微秒级的雷电记录进行准确比较,导致LLS中与故障距离直接相关的有效信息易被非故障雷击记录淹没,故目前对LLS的利用大都限于故障类型判别、雷电密度统计等方面,将LLS数据作为故障测距优化参考的研究很少。本文针对电网多发的雷击故障,通过LLS记录与故障位置、故障时刻的相关性,对行波实测数据中的非行波振荡与故障点反射波进行判别,剔除行波测距虚假解并初步计算故障距离,发挥LLS记录对雷击地闪位置的重要提示作用,以线路走廊方向和地闪位置空间分布的近似程度对行波测距结果进行修正,获得更符合现场需要的测距结论。1 典型行波实测波形分析行波测距装置高
8、速采集卡的采样率至少在500 kHz以上,高压线路电晕放电和通道量化噪声、变电站内电力电子器件开关、邻近线路开关动作等都会向高速采集卡引入高频噪声。非故障高频噪声的引入增加了波形的奇异点,加之雷电流在到达母线量测端后会受到变电站内多种一次设备等效杂散电容的影响,致使波形会附加多种突变。图1为本文研制的行波测距装置所记录的一次雷击故障波形,故障发生于2013年9月12日,由图1可以看出,雷击故障首波头非常明显,易于标定,但是后续的多个突变存在一定的相似性,即使利用一定的滤波手段,也不易判别出明显的故障点反射波。0 100 200 300 400 500 600 700-20-1001020304
9、050电流/A首波 头反射波2反射波1反射波4反射波3t/s图1 2013年9月12日实测雷击故障行波数据Fig. 1 M easured travelling wave of a lightninginduced fault on 2013- 09- 12图1所示波形图中,反射波1、反射波2、反射波3、反射波4均为疑似故障点反射波,通过小波模极大值几乎无法自动选取故障点反射波,即使专业人员进行波头人工选取,若经验不够充分,也易在反射波3和反射波4之间难以抉择。根据现场巡线人员的巡线结果,反射波4为故障点反射波,反射波3为对端母线反射波,而反射波1和反射波2为行波浪涌后续振荡,此类行波浪涌后续
10、振荡可能为互感器传变频率特性中的极点引起,随行波浪涌的到达而出现,难以有效消除。图2所示为发生于2014年7月30日的某线路雷击故障,初始行波浪涌后存在大量疑似行波浪涌,且存在等间隔分布的特征,极易将反射波1当成故障点反射波,根据现场巡线人员的巡线结果,故障点反射波应为图2所示反射波5。电流/A0 50 100 150-50050100150反 射 波 1反 射 波 2反 射 波 3反 射 波 4反 射 波 6反 射 波 5首波 头t/s图2 2014年7月30日实测雷击故障行波数据Fig. 2 M easured traveling wave of a lightninginduced fa
11、ult on 2014- 07- 30对图1和图2所示波形进行小波变换模极大值处理,所选小波基为3次B样条小波,所得结果如图3所示。图3 实测波形小波模极大值Fig. 3 W avelet modulus maximum of measured waves经过小波模极大值变换后,大量模极大值点以等间隔分布,难以通过小波模极大值自动识别出故障点反射波。由上图可知,故障初始行波浪涌后的大量疑似行波为行波后续振荡,造成行波后续振荡的原因较为复杂,电流互感器的行波传变特性、二次电缆长度及负荷特性密切相关 10 ,在本例中可能为互感器频率特性中存在极点,而行波浪涌频率频谱覆盖了互感器频率特性极点对应的自
12、由振荡频率,导致行波到达后会出现后续振荡。即使在波形后续振荡较少的情况下,若故障线路对端母线为单出线形式,对端母线反射波与故障点反射波极性相同,单端测距结果是否准确难以判断,双端测距又会受到行波波头在单出线一侧波形57曹璞璘,等 基于雷电记录与行波数据的雷击故障测距结果优化方法较为微弱,波到时刻不易标定的因素影响。虽然变电站出线数量能够通过前期调研获知,但是在系统断点转移、线路检修开断导致个别变电站短时间内出现母线单出线形式的情况下,若未能及时对行波测距配置文件进行修改,依然会出现故障点反射波误判,因此单纯采用行波浪涌极性、幅值等进行行波波头的自动判别存在一定盲目性。若能够有其他辅助信息对故障
13、距离进行判别,则能够对雷击故障情况下的故障点反射波进行判别,得到更为可信的故障测距结果。2 雷击故障实测数据的故障点反射波搜索对于雷击导线、杆塔或避雷线引起的闪络故障,除行波测距装置采集的雷击故障行波外, LLS也会记录下相应的雷击地闪,理论上,行波测距所得故障距离、波到时刻应与雷击地闪记录的时间、位置存在较为准确的对应关系,但是在实际工程中,受到全球定位系统( GPS)对时误差、线路走廊地形起伏、电磁波波速不恒定等不利因素的影响,二者之间会产生不同程度的偏差。尤其是在山地地形区域,若地闪位置与雷电探测站之间有高山或高建筑物阻挡,雷击地闪产生的电磁波在传播过程中需要绕过阻挡物才能到达雷电探测站
14、 25 。在雷雨季节, LLS可能在短时间内记录多次雷击地闪,因此,无论是雷击记录还是行波波形都存在着不反映故障点信息的“虚假解” ,但是行波波形中真实解的时间与位置信息应与造成故障的雷击记录信息存在时间与空间上的关联性,除直接造成闪络故障的地闪记录外,其余地闪记录皆与闪络故障位置或故障发生时刻存在较大差异。根据这一特点,可以利用雷电记录与行波计算结果在空间和时间方面的关联性剔除LLS在故障发生前后记录的大量非故障地闪记录以及行波数据中的非故障点反射波。2. 1 计算疑似故障距离与杆塔坐标归算行波测距结果仅为疑似故障点距量测端的距离,故需将故障距离折算为可能的故障位置才能与LLS记录的地闪信息
15、进行对比。设线路杆塔坐标和海拔为 ( L on1 , L at1 , h 1 ) , ( L on2 , L at2 , h 2 ) , ,( L onN , L atN , h N ) ,其中, N为故障线路杆塔总数,L on, L at, h分别为经度、纬度和海拔,根据式( 1) ,可以计算出第j基杆塔与第j + 1基杆塔之间的距离。d j , j + 1 = R 2 arcsin2 ( a j , j + 1 + b j , j + 1 ) + h 2j , j + 1( 1)a j , j + 1 = sin2 L atj + 1 - L atj2 ( 2)b j , j + 1 =
16、cos( L atj ) cos( L atj + 1 ) sin2 L onj + 1 - L onj2 ( 3)h j , j + 1 = h j - h j + 1 ( 4)式中:下标j为第j基杆塔; R为地球半径,本文选取R = 6 371. 004 km。第j基杆塔与线路量测端之间的距离即为:l j = j- 1n= 1d n, n+ 1 j 1 ( 5)理论上,雷击故障点通常都是线路绝缘子被击穿而引起的,闪络故障位置应当与线路杆塔坐标相重合,但是由于行波测距装置采样率限制以及行波精确波速的不确定性,计算得到的故障点距离往往位于两个杆塔之间,故需对行波测距结果进行近似处理,假设行波测
17、距所得故障距离x位于第j基杆塔和第j + 1基杆塔之间,即l j 不能进行数据融合 t least 可以进行数据融合( 15)式中:为相应阈值。由于LLS与行波测距装置都是通过GPS实现授时,时间误差主要来源于不同GPS授时设备的卫星搜寻能力、时间显示方式、 GPS设备内部计时装置精度等,在授时条件良好的情况下,不同GPS授时设备之间的差距小于1 min。2. 4 雷击点与闪络点不一致情况讨论雷电绕击输电线路时,若雷击点耐雷水平超过雷击过电压,则雷电冲击不会在雷击点处造成闪络,注入导线的雷电流将向线路两侧传播,当沿线绝缘77曹璞璘,等 基于雷电记录与行波数据的雷击故障测距结果优化方法子存在薄弱
18、部分,则沿线传播的雷电流将击穿绝缘薄弱点,造成雷击点与闪络点不一致情况。由于冲击电晕和线路参数依频特性的影响,以高频分量为主的雷电流行波衰减速度快、畸变程度高,能够在传播一段时间后又造成绝缘子闪络的概率较低 31 。目前有文献报道的雷击点与闪络点不一致仅相差1 km左右 32 ,对测距结果影响不大,由此产生的测距误差在工程可接受范围内。3 基于地闪记录与线路走廊趋势接近度的测距结果优化由于LLS与行波测距装置的定位结果都带有固有误差,而二者对雷击线路故障的刻画是从不同视角对同一事件的刻画结果,因此, LLS与行波测距装置之间的数据融合可以视为单一辐射源多测点定位信息之间的偏差校正,而造成雷击故
19、障的雷击一定是击中了导线或者杆塔而导致闪络故障,雷击点准确位置应该位于线路走廊上,故该问题又可以视为带有几何路径限制的多测点定位信息融合定位 33- 34 。地闪记录可能出现的范围与真实雷击点位置有关,对于某次独立地闪记录,难以判断其与真实雷击点位置的误差大小,但是若以空间坐标中固定的线路杆塔坐标位置作为权重,则可以在一定程度上对地闪位置的准确性进行判断。若对地闪记录进行坐标变换,分为沿线路走廊趋势方向与沿线路走廊法线方向,地闪记录在法线方向的偏离程度越大,地闪记录位置的准确程度越低,可信度越差,反之,地闪记录在法线方向的偏离程度越小,虽然不能证明地闪记录与雷击点更接近,但是能够说明地闪记录与
20、线路趋势变化更为接近,可信度较高。若利用此偏差在经度和纬度上的偏向性及其与线路走向进行信息融合定位,则可以对行波测距结果进行一定程度地校正。融合定位方法在雷达探测、卫星定位等方面应用较为广泛,根据使用目的和观测点数量、特征方面的不同,其手段包括基于概率密度、误差分布等多种统计学方法进行定位精度提升。本文利用线路走廊方向、最近邻地闪记录位置、行波测距参考故障点之间的相对位置、方向的关系进行信息融合,对行波测距得到的初步定位结果进行修正。设与LLS记录的雷击点距离最近的杆塔号为N g,而行波测距装置计算得到的参考故障点所在杆塔号为M g,当| N g - M g| 1时, LLS记录的雷击点与行波
21、测距计算的参考故障点已经非常相近,无需进行校正。当| N g- M g| 1时,构造最近邻地闪记录至行波测距参考故障点的空间位置向量r lightning,以及N g M g号各基杆塔至行波测距参考故障点的空间位置向量矩阵r ,如图5所示。r1r2r3r4r5r6行 波 测 距参 考故 障点rlightning纬度经度图5 投影坐标图Fig. 5 Projection coordinate system求取r和r lightning的内积为: = ( r , r lightning) =r 1 r 2 r| M g- N g| Tr lightning ( 16)计算各基杆塔空间位置向量r与最
22、近邻地闪记录位置向量的接近度p为:p = p 1 p 2 p| M g- N g| T= | rlightning|2( 17)式中: 0 p i 2( i = 1, 2, , | N g - M g| ) ,当p i = 1时,最近邻地闪记录与杆塔坐标重合,当p i = 2时,最近邻地闪记录位于第i基杆塔与行波测距参考故障点之间。接近度的大小体现了杆塔与最近邻地闪记录相对于行波测距参考故障点的相对位置,若p i 0,则记录的雷击点与杆塔相对于行波测距参考故障点大致方向相同,反之,则记录的雷击点与杆塔相对于行波测距参考故障点大致方向相反。根据式( 18)求取p max。p max= p ( 1
23、8)利用接近度中的最大值p max作为测距结果优化的修正系数,设p max对应杆塔到行波测距参考故障点之间的线路长度l fl,根据式( 19)对疑似故障距离进行修正。x corrected = j- 1n= 1d n, n+ 1 p maxl fl ( 19)式中: p maxl fl的正负号与行波测距结果和p max对应杆塔之间的相对位置有关。根据式( 19)将修正后的故障距离调整至最近的杆塔上,此杆塔即为经过修正后的故障定位结果。包含雷击故障点反射波与测距结果优化的方法流程图如图6所示。p max反映的其实是线路走廊趋势与地闪记录之间的接近程度,向量p中的元素大小反映了接近度大小。在行波测
24、距结果、地闪记录与真实故障点都872016, 40( 7) 研制与开发http: / / www. aeps- info. com相差不大的情况下,即使行波测距结果位于地闪记录与真实故障点连线之间,由于二者与真实故障点之间相差都不大, l fl必定很小,与p max相乘后,误差往往小于一个档距,经过故障杆塔归算以后,测距结果初步确定的故障杆塔不会改变。在行波测距结果与真实故障点都相差不大而地闪记录与真实故障点相差较大的情况下,鉴于地闪记录误差在经度和纬度上趋向于均匀分布的特点,地闪记录与线路走廊趋势接近的概率很小, p max的值通常很小,相应的p maxl fl也较小,对行波测距结果的劣化不
25、会很大。在地闪记录与真实故障点都相差不大而行波测距结果与真实故障点相差较大的情况下, p max的值较大,p maxl fl的值也会随之增大,对行波测距结果有明显的优化作用。NYN开 始读取 故 障波 形 数 据判 别 故 障线路求 取 tleast对 应 的 行 波 测 距参 考故 障点 Mg求 取pmax求 取 修 正 结果 xcorrected测 距结果 输出求 取 Lon， revice， Lat， revice读取 故 障线路杆 塔 GPS坐 标读取 故 障线路走廊附近雷击 记录求 取 疑 似 故 障点 反 射 波 ，将 其 归 算至疑 似 故 障杆 塔结束是 否 有多 次 回 击
26、？Ng-Mg 1？图6 本文算法流程图Fig. 6 Flow chart of the proposed algorithm4 应用实例现以图1所示的故障波形为例,对本文所提出的方法进行验证,计算疑似故障点所对应的疑似故障距离,经验波速定为2. 98 108 m/ s,根据式( 1)至式( 6)折算为疑似故障点,每个疑似故障点在半径为R的圆内包含的雷击地闪记录数量及相应 t min如表1所示, R = 5 km, GPS授时设备的误差阈值 =30 s。第4个疑似故障点反射波对应的 t min最小,将第4个疑似故障点坐标作为行波测距参考故障点, t min对应的地闪记录为最近邻地闪记录。最近邻地
27、闪记录的坐标为( 99. 624 35, 25. 344 65) , r lightning为( - 0. 010 689, 0. 000 361) ,与其最接近的杆塔为151号杆塔,则151, 152, 153号各基杆塔至行波测距参考故障点的空间位置向量分别为( - 0. 007 883, - 0. 002 914 ) , ( - 0. 004 886,- 0. 001 797) , ( - 0. 000 917, - 0. 000 256) ,接近度分别为0. 727, 0. 451, 0. 085。表1 疑似故障点包含的地闪记录数量及相应 t minTable 1 Cloud- to-
28、ground flash records ofsuspected fault positions and t min标号故障距离/km疑似故障点坐标(杆塔号)包含地闪记录数量/个 t min/ms1 2. 235 6号02 5. 215 14号03 20. 264 47号1 6024 77. 480 154号4 1可知, p max= 0. 727, 151号杆塔与154号杆塔之间距离l fl = 857. 28 m,计算得到x corrected =77. 092 km,修正后的故障定位结果为第152号杆塔。根据现场巡线人员的巡线结果,在第150号杆塔发现绝缘子被击穿的痕迹,与未进行测距结果
29、优化的结果相比,经过优化的测距结果和实际巡线结果更接近。为进一步验证测距结果优化方法的可靠性,对一些实际工程中测距结果与巡线结果相差较大的雷击故障历史记录进行测距结果优化,所得结果如附录A表A1所示。可以看出,由于引入了LLS地闪记录作为行波测距结果修正,本文所提方法能大幅提升与雷击故障的单端自动测距可靠性,利用地闪记录剔除了测距结果伪根,避免了雷击故障的测距结果谬误。测距优化结果更加趋近于巡线呼称距离,降低了因波速、弧垂、温度等现场不确定因素造成的行波测距误差过大的概率。5 结论1)在实测数据中,受到现场电磁噪声等因素的干扰,故障点反射波波头不易准确标定;现场线路投切时刻不确定导致故障时刻线
30、路的配置文件难以及时更新,单纯利用极性或幅值难以判定故障点反射波。2)以初始行波极性相同的突变作为疑似故障点反射波,计算得到相应的疑似故障距离,搜索疑似故障点附近一定范围内的雷击地闪记录,求取满足最小时间差和空间位置最近邻的地闪记录,从LLS和行波波形各自的多个可能解当中求取近似解,可以97曹璞璘,等 基于雷电记录与行波数据的雷击故障测距结果优化方法排除LLS记录的大量非故障雷击并剔除非故障点反射波。3)以行波测距参考故障点与最近邻地闪记录之间的线路走廊趋势作为基准,以接近度判断最近邻地闪记录位置与线路走廊趋势之间的吻合程度,以接近度大小作为修正系数,对行波测距结果进行修正,利用实测数据进行验
31、证,证明了该方法在实际中具有可行性。附录见本刊网络版( http: / / www. aeps- aeps/ ch/ index. aspx) 。参考文献 1覃剑,葛维春,邱金辉,等.输电线路单端行波测距法和双端行波测距法的对比 J .电力系统自动化, 2006, 30( 6) : 92- 95.QIN Jian, GE W eichun, QIU Jinhui, et al. Study on singleterminal method and double terminal method of traveling wavefault location in transmission li
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