直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測實踐

沈祖成

（國網湖南省電力有限公司張家界供電分公司，張家界 427000）

0 引言

隨著直流輸電技術的發展，直流輸電配電網受雷擊的影響越來越大，需要構建優化的直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測模型來提高直流輸電線路的穩定性，相關的直流線路雷擊暫態全響應檢測方法研究受到人們的極大關注［1?2］。 對直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測是建立在對直流輸電線路的輸出狀態參數分析基礎上，采用特征優化辨識和信號特征分解的方法提高輸電線路的穩定性［3?4］。

傳統方法中主要有基于直流偏磁參數估計的直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測方法、基于小波特征分解的直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測方法等［5?7］，實現直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測。但傳統方法進行直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測的自適應性不好，特征辨識度不高。

針對上述問題，基于靜止無功補償控制和沖激響應特征檢測，本文提出了直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測方法。首先構建了直流線路雷擊暫態全響應信號檢測模型，在此基礎上實現了暫態特征量提取。采用電容式電壓互感參數檢測的方法，提取直流線路診斷中雷擊暫態特征分量，然后建立靜止無功補償控制模型，實現了對雷擊暫態全響應的監測，通過正交調制和多徑特征分解的方法實現了對直流線路診斷中雷擊暫態全響應檢測。最后，對該方法進行了仿真測試分析。

1 雷擊暫態全響應模型和特征分析

1.1 全響應信號輸出的關聯特征分量模型

為實現雷擊暫態全響應監測，首先構建雷擊暫態全響應信號檢測模型，采用自相關匹配濾波器檢測方法［8］對雷擊暫態特征進行分解和抗干擾設計，通過雷擊暫態全響應特征分析［9］，得到雷擊暫態全響應輸入與輸出狀態參數分析模型D

式（1）中，ak為直流控制裝置對直流輸電線路信號采樣的幅值（k＝1，2，…，p）［10］，x（n）為在110kV及以上電壓等級變壓器中直流線路雷擊的暫態輸出，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。

利用雷擊暫態全響應輸入與輸出狀態參數分析模型D，對雷擊暫態全響應的輸入、輸出時域和頻域特征分量完成信號擬合［11?12］，檢測脈沖信號，對任意原始的特高壓輸電線路雷擊后的脈沖信號x（t）進行 Hilbert變換，即

式（2）中，Kr為信號的瞬時頻率。

基于此，采用Fourier變換構建窄時域窗，得到雷擊暫態全響應信號短時Fourier變換［13］

式（3）中，τ為窗函數的時寬，f為輸出電壓的特征分辨率，Δt為抽樣間隔。基于雷擊暫態全響應信號短時Fourier變換結果，采用均衡調節的方法得到脈沖信號x（t）的慣性特征，并通過多模狀態特征分解雷擊暫態全響應信號，實現信號檢測和特征聚類處理［14?15］。雷擊暫態全響應信號輸出的關聯特征分量F（m）為

式（4）中，sm（t）為雷擊暫態全響應信號特征增量，xm（t）為弱電網下穩定性條件下的信號檢測特征量，m為采樣節點的個數［16］。

1.2 特征量提取

在構建雷擊暫態全響應信號檢測模型的基礎上，提取暫態特征量［17］，得到虛擬同步控制策略下的穩態工作點Qf

式（5）中，θ0和Δ分別為雷擊暫態全響應參數和增益參數，w（k）為相關轉子電流的擾動特征量［18］。據此，得到虛擬同步控制策略下穩態工作點的雷擊暫態信息轉換狀態方程

式（6）中，β為 Lagrange系數。

利用雷擊暫態信息轉換狀態方程，結合小信號擾動傳遞控制的方法，得到雷擊暫態全響應的擾動特征量s（v）

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

式（8）中，Ta為測試并網點電壓電流時得到的信號采樣寬度，Ta＝1/Ra。 根據上述分析，提取雷擊暫態特征量，采用信號補償和串并聯特征分解的方法實現特征采樣和信號檢測提取［20］，數據采樣的實現結構框圖如圖1所示。

圖1 直流線路雷擊暫態特征量提取結構框圖Fig.1 Structure block diagram of lightning transient feature extraction of DC line

2 雷擊暫態全響應監測優化

2.1 特征分量檢測

在上述雷擊暫態特征量提取的基礎上，提取雷擊暫態特征分量［21?22］，采用 PSO 算法優選模型超參數識別方法，得到雷擊暫態特征分解pb的表達式為

式（9）中，v（s）為雷擊暫態特征分量參數，ar為信號補償方法的參數。

基于雷擊暫態特征分解結果，采用互耦合參數識別的方法，得到雷擊暫態特征的干擾頻譜分量Me（s）為

式（10）中，h（f）為對應的雷擊暫態特征沖激函數；a（t）為包絡，即為雷擊暫態參數的擾動分量沿的擬合曲線［23］；為采用增量訓練方法訓練構建的雷擊暫態特征演化分量；x（j）為根據偏差與方差的分布特征點。根據模型的擬合參數進行加窗操作，將X劃分為c類，得到直流線路雷擊暫態統計量R

式（11）中，bu為直流線路雷擊故障狀態下的行波差動電流參數；j（r）為雷擊暫態特征分量提取結果，該參數可采用電容式電壓互感參數檢測的方法獲取。通過以上步驟，可實現雷擊暫態特征分量的檢測［24］。

2.2 雷擊暫態全響應檢測

建立靜止無功補償控制模型，采用沖激響應的輸出差異性特征分解方法，結合自適應的參數尋優結果［25］，得到直流線路雷擊暫態特征變換式

根據線路存在損耗和參數依頻特性，得到全響應傳遞函數

式（13）中，wv為通過正交調制和多徑特征分解方法得到的雷擊暫態先驗監測衰減參數，ah為形變參數。

分析雷擊后的傳輸時延和波阻抗，可以得到不平衡行波差動電流

采用不平衡行波差動電流檢測方法，可得到直流線路雷擊暫態響應矩陣u1、u2與u3。e（i）為模糊關聯特征分量，可描述采樣數據實現對暫態響應的差異性。根據直流輸電線路的電流及其幅頻特性，得到不平衡行波差動電流，最后得到直流線路雷擊暫態特征的幅頻特性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）為雷擊暫態響應輸出參數。綜上分析，通過正交調制和多徑特征分解的方法實現對直流線路診斷中雷擊暫態全響應檢測，得到的輸出幅頻響應如圖2所示。

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

3 仿真實驗與結果分析

為驗證直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測中的應用性能，對本文方法進行仿真實驗分析。直流線路診斷中雷擊暫態信號采集的長度為1024，不平衡行波差動電流為120A，差動電流最大幅值為500A，雷擊故障信息采樣的時間間隔為15ms，高頻能量和低頻能量參數分別為36kHz和12kHz。根據上述參數設定，得到直流線路診斷中雷擊暫態特征檢測結果，如圖3所示。

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

根據上述直流線路診斷中雷擊暫態信號的檢測結果，以輸出電流為約束指標，在不同的過渡電阻下實現直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測，得到的監測結果如圖4所示。

圖4 直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測結果Fig.4 Monitoring results of lightning transient full response in DC line diagnosis

分析圖4可知，本文方法進行直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測的輸出穩定性較好。為驗證本文方法測試故障檢測的準確率，分別與文獻［4］方法、 文獻［5］方法和文獻［6］方法進行對比，得到的結果如表1所示。

表1 故障檢測概率對比測試Table 1 Comparison test of fault detection probability

分析表1可知，對直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測，相比幾種傳統方法，本文方法對線路故障的準確檢測概率較高。

4 結論

為了構建優化的直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測模型、提高直流輸電線路的穩定性，本文基于靜止無功補償控制和沖激響應特征檢測提出了直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測方法。采用自相關匹配濾波器檢測方法實現了對直流線路診斷中的雷擊暫態特征分解和抗干擾設計，采用電容式電壓互感參數檢測方法提取了直流線路診斷中的雷擊暫態特征分量，建立了靜止無功補償控制模型，實現了雷擊暫態特征分量檢測。研究可知，本文方法對直流線路診斷中雷擊暫態全響應監測效果良好，提高了對線路故障的檢測診斷率。