直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)實(shí)踐

沈祖成

（國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司張家界供電分公司，張家界 427000）

0 引言

隨著直流輸電技術(shù)的發(fā)展，直流輸電配電網(wǎng)受雷擊的影響越來越大，需要構(gòu)建優(yōu)化的直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)模型來提高直流輸電線路的穩(wěn)定性，相關(guān)的直流線路雷擊暫態(tài)全響應(yīng)檢測(cè)方法研究受到人們的極大關(guān)注［1?2］。 對(duì)直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)是建立在對(duì)直流輸電線路的輸出狀態(tài)參數(shù)分析基礎(chǔ)上，采用特征優(yōu)化辨識(shí)和信號(hào)特征分解的方法提高輸電線路的穩(wěn)定性［3?4］。

傳統(tǒng)方法中主要有基于直流偏磁參數(shù)估計(jì)的直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)方法、基于小波特征分解的直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)方法等［5?7］，實(shí)現(xiàn)直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)。但傳統(tǒng)方法進(jìn)行直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)的自適應(yīng)性不好，特征辨識(shí)度不高。

針對(duì)上述問題，基于靜止無功補(bǔ)償控制和沖激響應(yīng)特征檢測(cè)，本文提出了直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)方法。首先構(gòu)建了直流線路雷擊暫態(tài)全響應(yīng)信號(hào)檢測(cè)模型，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了暫態(tài)特征量提取。采用電容式電壓互感參數(shù)檢測(cè)的方法，提取直流線路診斷中雷擊暫態(tài)特征分量，然后建立靜止無功補(bǔ)償控制模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷擊暫態(tài)全響應(yīng)的監(jiān)測(cè)，通過正交調(diào)制和多徑特征分解的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)檢測(cè)。最后，對(duì)該方法進(jìn)行了仿真測(cè)試分析。

1 雷擊暫態(tài)全響應(yīng)模型和特征分析

1.1 全響應(yīng)信號(hào)輸出的關(guān)聯(lián)特征分量模型

為實(shí)現(xiàn)雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)，首先構(gòu)建雷擊暫態(tài)全響應(yīng)信號(hào)檢測(cè)模型，采用自相關(guān)匹配濾波器檢測(cè)方法［8］對(duì)雷擊暫態(tài)特征進(jìn)行分解和抗干擾設(shè)計(jì)，通過雷擊暫態(tài)全響應(yīng)特征分析［9］，得到雷擊暫態(tài)全響應(yīng)輸入與輸出狀態(tài)參數(shù)分析模型D

式（1）中，ak為直流控制裝置對(duì)直流輸電線路信號(hào)采樣的幅值（k＝1，2，…，p）［10］，x（n）為在110kV及以上電壓等級(jí)變壓器中直流線路雷擊的暫態(tài)輸出，gn為以直流偏磁電流限值為輸入得到的無功比例積分控制參數(shù)。

利用雷擊暫態(tài)全響應(yīng)輸入與輸出狀態(tài)參數(shù)分析模型D，對(duì)雷擊暫態(tài)全響應(yīng)的輸入、輸出時(shí)域和頻域特征分量完成信號(hào)擬合［11?12］，檢測(cè)脈沖信號(hào)，對(duì)任意原始的特高壓輸電線路雷擊后的脈沖信號(hào)x（t）進(jìn)行 Hilbert變換，即

式（2）中，Kr為信號(hào)的瞬時(shí)頻率。

基于此，采用Fourier變換構(gòu)建窄時(shí)域窗，得到雷擊暫態(tài)全響應(yīng)信號(hào)短時(shí)Fourier變換［13］

式（3）中，τ為窗函數(shù)的時(shí)寬，f為輸出電壓的特征分辨率，Δt為抽樣間隔?；诶讚魰簯B(tài)全響應(yīng)信號(hào)短時(shí)Fourier變換結(jié)果，采用均衡調(diào)節(jié)的方法得到脈沖信號(hào)x（t）的慣性特征，并通過多模狀態(tài)特征分解雷擊暫態(tài)全響應(yīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)和特征聚類處理［14?15］。雷擊暫態(tài)全響應(yīng)信號(hào)輸出的關(guān)聯(lián)特征分量F（m）為

式（4）中，sm（t）為雷擊暫態(tài)全響應(yīng)信號(hào)特征增量，xm（t）為弱電網(wǎng)下穩(wěn)定性條件下的信號(hào)檢測(cè)特征量，m為采樣節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)［16］。

1.2 特征量提取

在構(gòu)建雷擊暫態(tài)全響應(yīng)信號(hào)檢測(cè)模型的基礎(chǔ)上，提取暫態(tài)特征量［17］，得到虛擬同步控制策略下的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)Qf

式（5）中，θ0和Δ分別為雷擊暫態(tài)全響應(yīng)參數(shù)和增益參數(shù)，w（k）為相關(guān)轉(zhuǎn)子電流的擾動(dòng)特征量［18］。據(jù)此，得到虛擬同步控制策略下穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的雷擊暫態(tài)信息轉(zhuǎn)換狀態(tài)方程

式（6）中，β為 Lagrange系數(shù)。

利用雷擊暫態(tài)信息轉(zhuǎn)換狀態(tài)方程，結(jié)合小信號(hào)擾動(dòng)傳遞控制的方法，得到雷擊暫態(tài)全響應(yīng)的擾動(dòng)特征量s（v）

式（7）中，Q+（θ）為掃頻矩陣Q（θ）的酉矩陣，表示雷擊暫態(tài)調(diào)制參數(shù)。在ζ（0）＝1的約束下，得到并網(wǎng)點(diǎn)電壓參數(shù)［19］，在并網(wǎng)點(diǎn)電壓添加小信號(hào)，得到特征分解矢量ζ

式（8）中，Ta為測(cè)試并網(wǎng)點(diǎn)電壓電流時(shí)得到的信號(hào)采樣寬度，Ta＝1/Ra。 根據(jù)上述分析，提取雷擊暫態(tài)特征量，采用信號(hào)補(bǔ)償和串并聯(lián)特征分解的方法實(shí)現(xiàn)特征采樣和信號(hào)檢測(cè)提?。?0］，數(shù)據(jù)采樣的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 直流線路雷擊暫態(tài)特征量提取結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of lightning transient feature extraction of DC line

2 雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)優(yōu)化

2.1 特征分量檢測(cè)

在上述雷擊暫態(tài)特征量提取的基礎(chǔ)上，提取雷擊暫態(tài)特征分量［21?22］，采用 PSO 算法優(yōu)選模型超參數(shù)識(shí)別方法，得到雷擊暫態(tài)特征分解pb的表達(dá)式為

式（9）中，v（s）為雷擊暫態(tài)特征分量參數(shù)，ar為信號(hào)補(bǔ)償方法的參數(shù)。

基于雷擊暫態(tài)特征分解結(jié)果，采用互耦合參數(shù)識(shí)別的方法，得到雷擊暫態(tài)特征的干擾頻譜分量Me（s）為

式（10）中，h（f）為對(duì)應(yīng)的雷擊暫態(tài)特征沖激函數(shù)；a（t）為包絡(luò)，即為雷擊暫態(tài)參數(shù)的擾動(dòng)分量沿的擬合曲線［23］；為采用增量訓(xùn)練方法訓(xùn)練構(gòu)建的雷擊暫態(tài)特征演化分量；x（j）為根據(jù)偏差與方差的分布特征點(diǎn)。根據(jù)模型的擬合參數(shù)進(jìn)行加窗操作，將X劃分為c類，得到直流線路雷擊暫態(tài)統(tǒng)計(jì)量R

式（11）中，bu為直流線路雷擊故障狀態(tài)下的行波差動(dòng)電流參數(shù)；j（r）為雷擊暫態(tài)特征分量提取結(jié)果，該參數(shù)可采用電容式電壓互感參數(shù)檢測(cè)的方法獲取。通過以上步驟，可實(shí)現(xiàn)雷擊暫態(tài)特征分量的檢測(cè)［24］。

2.2 雷擊暫態(tài)全響應(yīng)檢測(cè)

建立靜止無功補(bǔ)償控制模型，采用沖激響應(yīng)的輸出差異性特征分解方法，結(jié)合自適應(yīng)的參數(shù)尋優(yōu)結(jié)果［25］，得到直流線路雷擊暫態(tài)特征變換式

根據(jù)線路存在損耗和參數(shù)依頻特性，得到全響應(yīng)傳遞函數(shù)

式（13）中，wv為通過正交調(diào)制和多徑特征分解方法得到的雷擊暫態(tài)先驗(yàn)監(jiān)測(cè)衰減參數(shù)，ah為形變參數(shù)。

分析雷擊后的傳輸時(shí)延和波阻抗，可以得到不平衡行波差動(dòng)電流

采用不平衡行波差動(dòng)電流檢測(cè)方法，可得到直流線路雷擊暫態(tài)響應(yīng)矩陣u1、u2與u3。e（i）為模糊關(guān)聯(lián)特征分量，可描述采樣數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)暫態(tài)響應(yīng)的差異性。根據(jù)直流輸電線路的電流及其幅頻特性，得到不平衡行波差動(dòng)電流，最后得到直流線路雷擊暫態(tài)特征的幅頻特性I

式（15）中，ΔB為直流線路的電流耦合分量，且ΔB＝B（tn-1）+B（t1）；g（w）為雷擊暫態(tài)響應(yīng)輸出參數(shù)。綜上分析，通過正交調(diào)制和多徑特征分解的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)檢測(cè)，得到的輸出幅頻響應(yīng)如圖2所示。

圖2 直流線路診斷中雷擊暫態(tài)響應(yīng)的幅頻特征Fig.2 Amplitude frequency characteristics of lightning transient response in DC line diagnosis

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用性能，對(duì)本文方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。直流線路診斷中雷擊暫態(tài)信號(hào)采集的長(zhǎng)度為1024，不平衡行波差動(dòng)電流為120A，差動(dòng)電流最大幅值為500A，雷擊故障信息采樣的時(shí)間間隔為15ms，高頻能量和低頻能量參數(shù)分別為36kHz和12kHz。根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，得到直流線路診斷中雷擊暫態(tài)特征檢測(cè)結(jié)果，如圖3所示。

圖3 直流線路診斷中雷擊暫態(tài)特征檢測(cè)Fig.3 Diagram of lightning transient characteristic detection in DC line diagnosis

根據(jù)上述直流線路診斷中雷擊暫態(tài)信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果，以輸出電流為約束指標(biāo)，在不同的過渡電阻下實(shí)現(xiàn)直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)，得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Monitoring results of lightning transient full response in DC line diagnosis

分析圖4可知，本文方法進(jìn)行直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)的輸出穩(wěn)定性較好。為驗(yàn)證本文方法測(cè)試故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率，分別與文獻(xiàn)［4］方法、 文獻(xiàn)［5］方法和文獻(xiàn)［6］方法進(jìn)行對(duì)比，得到的結(jié)果如表1所示。

表1 故障檢測(cè)概率對(duì)比測(cè)試Table 1 Comparison test of fault detection probability

分析表1可知，對(duì)直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)，相比幾種傳統(tǒng)方法，本文方法對(duì)線路故障的準(zhǔn)確檢測(cè)概率較高。

4 結(jié)論

為了構(gòu)建優(yōu)化的直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)模型、提高直流輸電線路的穩(wěn)定性，本文基于靜止無功補(bǔ)償控制和沖激響應(yīng)特征檢測(cè)提出了直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)方法。采用自相關(guān)匹配濾波器檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流線路診斷中的雷擊暫態(tài)特征分解和抗干擾設(shè)計(jì)，采用電容式電壓互感參數(shù)檢測(cè)方法提取了直流線路診斷中的雷擊暫態(tài)特征分量，建立了靜止無功補(bǔ)償控制模型，實(shí)現(xiàn)了雷擊暫態(tài)特征分量檢測(cè)。研究可知，本文方法對(duì)直流線路診斷中雷擊暫態(tài)全響應(yīng)監(jiān)測(cè)效果良好，提高了對(duì)線路故障的檢測(cè)診斷率。