[发明专利]一种基于相类区分和S变换的输电线路直击雷故障识别方法

权利要求书

1.一种基于相类区分和S变换理论的输电线路直击雷故障识别方法，其特征在于：

1)将三相输电线路分别记为A相输电线路、B相输电线路和C相输电线路；将三相输电线路直击雷故障划分为一相类故障、二相类故障和三相类故障；

2)在EMTP-ATP仿真软件中设置不同电气参数和故障产生条件，对所述一相类故障、所述二相类故障和所述三相类故障进行仿真，从而得到X组仿真数据；

其中，每一组仿真数据中，A相输电线路的暂态电流记为i_a，B相输电线路的暂态电流记为i_b，C相输电线路的暂态电流记为i_c；

3)根据一组仿真数据，分别对A、B和C三相的暂态电流i_θ进行平方处理后，再在0-t₀时间段内进行积分，以获得各相电流能量e_a、e_b和e_c；其中，A相电流能量记为e_a；B相电流能量记为e_b；C相电流能量记为e_c；

三相电流能量计算公式如下所示：

式中，t₀为仿真过程中输电线路触发雷击后记录三相暂态电流i_θ信息的时间；i_a、i_b和i_c分别代表A、B、C三相的暂态电流；

将所述A相电流能量e_a、B相电流能量e_b和C相电流能量e_c按照大小降序排列，并分别记为e_max、e_mid和e_min；

4)重复步骤3)，直到得出X组三相电流能量e_max、e_mid和e_min；

5)根据X组三相电流能量e_max、e_mid和e_min计算出X组特征量T₁和特征量T₂；

特征量T₁表示为：

式中，e_min为最小的电流能量；e_max为最大的电流能量；

特征量T₂表示为：

式中，e_min为最小的电流能量；e_mid为数值居中的电流能量；

6)根据X组特征量T₁和特征量T₂，绘制二维散点图；整理所述二维散点图得出阈值k₁和阈值k₂；

在所述二维散点图中取一根平行于横轴的分割线和一根平行于纵轴的分割线，从而将所述一相类故障、所述二相类故障和所述三相类故障分隔开；平行于横轴的分割线在二维散点图中纵坐标取值为k₁；平行于纵轴的分割线在二维散点图中横坐标取值为k₂；

7)根据阈值k₁和阈值k₂，建立输电线路直击雷故障初步识别模型；即当T₁＞k₁时，直击雷故障类型为三相类故障；当T₁＜k₁且T₂＞k₂时，直击雷故障类型为二相类故障；当T₁＜k₁且T₂＜k₂时，直击雷故障类型为一相类故障；

8)将直击雷故障进一步划分为绕击未闪络、雷击避雷线/塔顶未反击、绕击闪络、一相反击、二相反击和三相反击；

9)通过在EMTP-ATP仿真软件中设置不同电气参数和故障产生条件，对所述绕击未闪络、所述雷击避雷线/塔顶未反击、所述绕击闪络、所述一相反击、所述二相反击和所述三相反击共6种直击雷故障进行仿真，从而得到Y组仿真数据；

其中，每一组仿真数据中每一相输电线的时域电流波形信号记为h(t)；

10)对时域电流波形信号h(t)进行S变换；主要步骤如下：

10.1)S变换的算法表达如下：

式中，h(t)为时间序列信号；w(τ-t,f)为具有伸缩与平移功能的高斯窗；τ是控制高斯窗口时域位置的坐标参数；f为频率；j为虚数单位；t为时间；

所述高斯窗w(τ-t,f)表达式如下：

式中τ是控制高斯窗口时域位置的坐标参数；f为频率；j为虚数单位；t为时间；

10.2)得到S变换的离散表达式；主要步骤如下：

10.2.1)得出时间序列信号h(t)的离散形式h(kT)(k＝0,1,…,N-1)；其中T为离散采样点间隔时间；k为任意采样点；N为h(kT)的采样点个数；

10.2.2)对离散时间序列h(kT)进行傅里叶变换，即得到

式中，N为h(kT)的采样个数；T为离散采样点间隔时间；k为任意采样点；j为虚数单位；n为频率采样点个数；

10.2.3)令公式(4)中的f→n/NT；令公式(4)中的τ→jT；得到S变换的离散表达式：

式中，T为离散采样点间隔时间；k为任意采样点；N为h(kT)的采样点个数；由频移m得到；j为虚数单位；n为频率采样点个数；

11)重复步骤10)，对所述Y组仿真数据中的时域电流波形信号h(t)均进行S变换；根据S变换的结果提取Y组特征量T₃和特征量T₄；

特征量T₃的表达式如下：

式中，N为h(kT)的采样点个数；h为离散情况下控制高斯窗口时域位置的坐标参数；S表示S变换之后得到的值；

特征量T₄的表达式如下：

式中，f为频率，f₁、f₂和f₃分别为低、中、高频的频率临界值；

其中，S变换频率谱A(f)表达如下：

式中，k为任意采样点；f为频率；N为h(kT)的采样点个数；T为离散采样点间隔时间；

12)在6种故障类型下，分别随机选择Z组作为训练样本；根据选择出的Z组训练样本，利用均值法得到判别阈值k₂、k₃和k₄；

13)根据阈值k₃、阈值k₄和阈值k₅建立基于相类区分和S变换理论的输电线路直击雷故障识别模型；

基于步骤7)，在输电线路直击雷故障为一相类故障的情况下：若T₃<k₃，则直击雷故障类型为一相绕击闪络；若T₃>k₃且T₄<k₄，则直击雷故障类型为绕击未闪络；若T₃>k₃且T₄>k₄，则直击雷故障类型为一相反击；

在输电线路直击雷故障为二相类故障的情况下，将二相类故障统一归类为二相反击；

在输电线路直击雷故障为三相类故障的情况下：若T₃>k₅，则直击雷故障类型为三相反击；若T₃<k₅，则直击雷故障类型为雷击避雷线/塔顶未闪络；

利用所述基于相类区分和S变换理论的输电线路直击雷故障识别模型对输电线路直击雷故障进行识别的方法，主要包括以下步骤：

I)在三相输电线路的绝缘子上端杆塔上各安装一个微分环传感器；所述三相输电线路分别为A相输电线路、B相输电线路和C相输电线路；所述微分环传感器分别用于监测A、B和C三相输电线路的电流信号；

II)测量得到的所述电流信号通过多通道同步高速采集卡进行记录和存储；所述多通道同步高速采集卡记录输电线路触发雷击后0-t₀时间段内的A、B和C三相暂态电流信息；所述多通道同步高速采集卡记录每一相输电线的时域电流波形；每一相输电线的时域电流波形记为h₁(t)；

III)分别对A、B和C三相暂态电流进行平方处理后，再在0-t₀时间段内进行积分，以获得各相电流能量e_a1、e_b1和e_c1；其中，A相电流能量记为e_a1；B相电流能量记为e_b1；C相电流能量记为e_c1；

三相电流能量计算公式如下所示：

式中t₁为输电线路触发雷击后多通道同步高速采集卡记录电流波形信息的时间；i_a、i_b和i_c分别代表A、B、C三相的暂态电流；

将所述电流能量e_a1、电流能量e_b1和电流能量e_c1按照大小降序排列，并分别记为e_max1、e_mid1和e_min1；

IV)根据步骤5)中的公式(2)和公式(3)，提取特征量T₁和特征量T₂；

V)对直击雷故障进行初步分类；

当T₁＞k₁时，直击雷故障类型为三相类故障；当T₁＜k₁且T₂＞k₂时，直击雷故障类型为二相类故障；当T₁＜k₁且T₂＜k₂时，直击雷故障类型为一相类故障；

IV)根据步骤10)对时域电流波形h₁(t)进行S变换；

IIV)根据步骤11)中的公式(8)和公式(9)，提取特征量T₃和特征量T₄；

IIIV)完成直击雷故障绕击反击的识别；

根据步骤V)的识别结果，若直击雷故障类型为一相类故障，则进行进一步判断：若T₃<k₃，则直击雷故障类型识别为一相绕击闪络；若T₃>k₃且T₄<k₄，则直击雷故障类型识别为绕击未闪络；若T₃>k₃且T₄>k₄，则直击雷故障类型识别为一相反击；

若直击雷故障类型为二相类故障，则直击雷故障类型识别为二相反击；

若直击雷故障类型为三相类故障，则进行进一步判断：若T₃>k₅，则直击雷故障类型识别为三相反击；若T₃<k₅，则直击雷故障类型识别为雷击避雷线/塔顶未闪络。

2.根据权利要求1所述的一种基于相类区分和S变换理论的输电线路直击雷故障识别方法，其特征在于：X>1；Y>1；Z>1。